第 36 頁 – 臺灣化學教育

發現濃度對熱失控的誘導期和速率之影響：一個發現學習的化學實驗（上）／楊水平

星期三 , 8, 5 月 2019 yangsp 化學實驗室, 第31期2019年5月留言功能已關閉

發現濃度對熱失控的誘導期和速率之影響：
一個發現學習的化學實驗（上）

楊水平

國立彰化師範大學化學系

n 簡介

(一) 熱失控

熱失控（Thermal runaway）發生當溫度升高時，因改變條件的情況而導致溫度進一步升高的一種方式，通常導致破壞性的結果，這是一種不受控制的積極回饋。換句話說，熱失控描述一種過程，該過程是藉由升高溫度而加速變化，因進一步升高溫度而釋放出大量能量的方式。

化學反應有時會引發嚴重的爆炸和火災的事故，這些化學事故有很多不同的原因，熱失控反應是爆炸和火災的主要原因之一。在化學和化學工程中，它與藉由溫度升高加速強烈的放熱反應有關。在電氣工程中，熱失控通常與增加的電流與功率消耗有關聯，此種熱失控與放熱反應也受到關注。熱失控可能發生在土木工程中，特別發生在大量混凝土固化而釋放出熱量不受控制時。在天體物理學中，恆星中的失控核聚變反應可能導致新星和幾種類型的超新星爆炸。全球暖化實在令人擔憂，全球平均增加高於工業化前基線3-4℃時可能導致地球的表面溫度進一步不受限制地增高，例如：釋放甲烷，此溫室氣體比來自濕地的CO₂更有效地增高地表溫度，可能導致熔化永凍土和大陸邊緣的海底沉積物。¹

熱失控是一種現象，其中化學條件和電池內的溫度上升極為快速。這是一種連鎖反應，電池溫度升高會加速電池中的化學反應並破壞電池。熱失控是一種災難性的情況，因為當電池無法排出其產生的熱量時，其組件會熔化，並釋放出不需要的氣體、熱量、煙霧和酸性物質，進而損壞相鄰的設備。鋰離子電池特別容易發生熱失控，其熱失控是電池內部化學反應和 / 或短路的複雜組合，其由來是電池內部或外部的過多熱量所引發。鋰離子電池不是典型的電氣火災，其化學反應產生額外的熱量，這導致正面回饋循環而進一步溫度升高，直到電池內沒有反應性試劑為止。^2-4

在2001年9月11日紐約世界貿易中心因兩架商業客機被恐怖分子劫持，在蓄意襲擊後而導致雙子塔倒塌。美國航空公司的11號航班墜毀在北塔大樓，而聯合航空公司的175號航班則墜毀在南塔大樓。雙子塔的倒塌摧毀其他建築群，坍塌的塔樓的碎片嚴重破壞或摧毀十幾個其他相鄰的附近建築物。在襲擊發生後不久，許多結構工程師和專家與媒體進行討論，描述他們認為導致塔樓倒塌的原因。加州大學柏克萊分校的結構工程教授Abdolhassan Astaneh-Asl解釋說道，火災中的高溫削弱大樓的鋼樑和柱子，導致它們變得〝柔軟和糊狀〞（soft and mushy），最終它們無法支撐整個大樓的結構而倒塌。西北大學土木工程和材料科學教授Zdeněk Bažant發表一份文件草案，簡要分析世界貿易中心大樓倒塌的原因。Bažant認為，來自火災的熱量是一個關鍵因素，導致核心和周邊的鋼柱在失去承載能力和屈曲之前發生減弱並經歷變形。一旦特定地板上超過一半的柱子彎曲，就不能再支撐架空結構，使得結構完全坍塌。Bažant後來也發表這一份分析的擴展版本。其他分析由麻省理工學院土木工程師Oral Buyukozturk和Franz-Josef Ulm進行，他們描述了崩潰機制。⁵世界貿易中心北塔大樓火災釋放的能量相當於1.9千噸TNT爆炸的能量；南塔大樓釋放的能源相當於717噸。大量的能量可能會嚴重削弱建築物的框架。⁶

(二) 熱失控誘導期

在化學動力學中，一個誘導期（induction period）是一個初始階段緩慢的化學反應，在誘導期後，反應會加速。忽略誘導期可能導致失控反應。熱失控誘導期的結束是熱失控行為開始的量度。化學反應誘導期的時間長度可以藉由下面的方法追踪反應系統的溫度，以實驗方式來測得。對於熱失控的化學反應，圖一是一個化學反應時間與溫度之關係的典型結果。找出熱失控誘導期時間長度的步驟為：(1)繪製溫度對反應時間的圖，得到最佳趨勢曲線；(2)在曲線上繪製兩條外推直線（水平線和切線）；換言之，在最佳趨勢曲線上繪製一條趨近的水平線，並且透過在最佳趨勢曲線上高於溫度0.5℃和1.0℃的兩點畫一條直線的切線（此直線是溫度對時間曲線的近似切線）；(3)這兩條外推直線有一交叉點，確定交叉點在橫坐標上所對應的時間，這就是誘導期的時間長度（以t_ip表示）。⁷圖一顯示t_ip= 260 sec。

圖一：熱失控誘導期和熱失控速率的典型圖

本實驗使用鹽酸與鋁箔進行反應，如式[1]所示。

6HCl(aq) + 2Al(s) → 3H₂(g) + 2AlCl₃(aq) [1]

利用不同鹽酸濃度和誘導期的倒數之數據，在畫出最佳的趨勢線後，可以找出最低反應的[HCl]之值，以[HCl]₀表示；以及有效的鹽酸濃度，以[HCl]_effect表示。其繪製步驟為：(1)繪圖t_ip^‒¹對[HCl]；(2)繪製最適合於數據點的線性迴歸線，並取得迴歸方程式；(3)確定線性迴歸線與t_ip^‒¹ = 0相交的點上的[HCl]值，並定義該值為反應最低的[HCl]之值，以[HCl]₀表示；(4)定義有效的鹽酸濃度，以[HCl]_effect表示，計算式為：[HCl]_effect = [HCl] ‒ [HCl]₀；以及(5)使用速率定律常數k，描述t_ip^‒¹與[HCl]_effect之間的關係，並計算平均的k值。⁷

(三) 熱失控速率

化學反應的速率定律式（rate law equation）是結合反應速率與反應物的濃度或壓力和常數參數（通常為速率係數和部分反應級數）在一起的方程式。對於許多反應，速率是由冪次定律（power law）得到，例如：一般化反應式，如式[2]所示；其反應速率的定義，如式[3]所示；其速率定律式的表示，如式[4]所示。⁸

A + B → P [2]

[3]

r = k[A]^m[B]ⁿ [4]

其中r表示反應速率；[A]和[B]表示反應物A和B的濃度（通常以體積莫耳濃度，M表示）； t表示反應時間；以及指數m和n分別是A和B的部分反應級數（partial reaction order），該反應的總反應級數為指數的總和（即m + n）。反應級數通常是正整數，但它們也可能為零、分數或負數。反應級數不一定是整數，其級數可能是：(1)零級數表示該物質的濃度不影響反應速率；(2)負級數表示該物種的濃度反過來影響反應速率；(3)正級數表示該物質的濃度直接影響反應速率；以及(4)非整數級數（包括正數和負數）表示在更複雜的反應中濃度與速率之間存在更複雜的關係。常數k為速率定律常數，其值取決於溫度、離子強度、吸附劑的表面積或光照射等條件。⁹

若反應物的濃度保持不變（可能它是催化劑、固相物質、或它相對於其他反應物而言相當大的濃度），則其濃度可以包括在速率定律常數中，從而獲得偽一級（pseudo first order）（或偶爾偽二級）的速率定律式。對於速率定律式r = k[A][B]的典型二級反應，若反應物B的濃度恆定或反應物為固相，則r = k[A][B] = k‘[A]，其中偽一級速率的常數k‘= k[B]。獲得偽一級反應的方法是使用大量且過量的一種反應物（例如，[B] » [A]），以便隨著反應的進行，只有一小部分反應物過量（B）消耗，並且可以認為其濃度保持不變。例如：蔗糖在酸溶液中的水解遵循偽一級動力學，其中水的濃度非常過量，經常被引用其反應速率為r = k[sucrose]的一級反應。事實上，其真實的速率定律式是三級的，r = k[sucrose][H⁺][H₂O]。但是，催化劑H⁺和溶劑H₂O的濃度通常是恆定的，因此其反應是偽一級反應。⁸

本實驗使用鹽酸與鋁箔進行反應，如式[1]所示。因為鋁箔為固相，速率定律式中鋁的濃度（[Al]）可以納入速率常數（k）中而形成新的速率常數（k’），如式[5]所示。

6HCl(aq) + 2Al(s) → 3H₂(g) + 2AlCl₃(aq) [1]

r = k[HCl]^m[Al]ⁿ = k’[HCl]^m [5]

在本實驗中，熱失控速率被定義（暫時性的定義）為在誘導期之後在熱失控期間的初始溫度上升5.0℃的反應速率，亦即5.0℃除以時間，如圖一所示。熱失控期間的初始時間，以t_tr表示，此處時間以sec為單位。熱失控速率，以r_tr表示，此處單位為℃/sec。圖一顯示熱失控速率（r_tr） = 斜率 = 5.0℃ / (371 sec – 260 sec) = 0.045 ℃/sec。

本實驗利用初始反應速率（initial reaction rate）來測定熱失控的反應級數和反應速率。初始反應速率是改變某一種反應物的初始濃度，其它反應條件維持固定不變進行一系列的試驗，進而求得反應物的濃度變化對反應初始速率的影響。初始反應速率的測定通常是在反應物混合之初，在很短的一段時間內，測量某一反應物或某一產物濃度的變化量作為反應初速率的近似值。本實驗分別使用不同濃度的鹽酸，以溫度上升5℃的區間和全程反應溫度上升的最大範圍之比率，來推知鋁箔被消耗的莫耳數和鹽酸反應掉的莫耳數（和濃度），進而推知初始反應速率。若其它測定的條件維持不變時，初始反應速率的比值等於反應物濃度的比值。當使用鹽酸的濃度增為2倍時，可分別測得其初始反應速率，其比值如式[6]所示。進一步整理式[6]為式[7]。透過這比值，可以得知鹽酸的反應級數（m）。

[6]

[7]

若使用反應物的濃度不是增為2倍時，亦可以分別得到對應的反應初始速率。其作法是利用反應初始速率對反應物的不同濃度作圖，得到趨勢線及其方程式。透過正推和倒推的趨勢線，當反應物的濃度增為2倍時，可分別推知這兩個濃度所對應的反應初始速率。然後透過式[7]的計算，可以得知鹽酸的反應級數（m）。另類地，透過趨勢線方程式的計算，亦可得到鹽酸的反應級數（m）。

為了找出初始反應速率和速率定律常數，必須先找到鹽酸與鋁箔反應時溫度上升與消耗掉鹽酸濃度的關係，其測量和計算過程如下：(1)首先測量一大張鋁箔的面積並精稱量其重量，以比例方式計算25.00 cm²鋁箔的重量並計算其莫耳數；(2)透過在原始數據或作圖，找到各鹽酸濃度反應溫度上升的最大區間；(3)利用鹽酸與鋁箔反應的係數比（莫耳數比）為3：1，找出溫度上升5℃與反應掉鋁的莫耳數的關係，以及其與反應掉鹽酸濃度的關係；(4)根據作圖的趨勢曲線，找出在各濃度的溫度上升5℃所需時間；以及(5)反應計算初始速率、速率定律常數。

(四) 簡述實驗過程

在本次實驗中，藉由鋁箔與鹽酸之間的反應，發現熱失控的誘導期和熱失控速率，其過程簡述如下：(一)實驗前的準備工作：包括(1)溫度計校正，(2)製作絕熱的反應裝置。(二)紀錄原始數據、繪製最佳趨勢曲線和畫出外推線、找出濃度與溫度的關係。(三)發現濃度對熱失控誘導期的影響：包括：(1)找出各鹽酸濃度的熱失控誘導期，(2)找出鹽酸最低反應濃度和鹽酸有效反應濃度，(3)描述鹽酸濃度與誘導期倒數的關係，以及(4)找出誘導期的速率定律常數。(四)發現濃度對熱失控速率的影響：包括(1)找出各鹽酸濃度的熱失控速率，(2)描述鹽酸濃度與熱失控速率的關係，(3)調查鹽酸與鋁箔的熱失控反應級數，以及(4)找出鹽酸與鋁箔的速率定律常數並寫出速率定律式。

n 藥品和器材

(一) 各組器材和藥品

1. 一般器材：樣品瓶（小玻璃瓶，20-25 mL，不含瓶蓋）1個；燒杯（100 mL 2個和250 mL 1個）3個；錐形瓶（125 mL）1個；PE滴管（3 mL）3支；洗瓶（內裝半滿的蒸餾水）1瓶。

2. 特殊材料：保特瓶（600 mL，含瓶蓋）1個；小刀或美工刀1支；剪刀1把；透明膠帶1捲；鐵釘（約50 g）一包數支；鋁箔（30 cm x 10 cm）1張；塑膠海綿（約8 cm x 7 cm x 4 cm）1塊；聚酯纖維棉（體積約棒球大小）1包。

3. 量度工具：量筒（10 mL和25 mL各1個）2個；溫度計（100℃）1支；直尺（塑膠製，15 cm）1支；手機內建碼錶（可分段次數計時）1支。

4. 清潔工具：抹布1塊。

5. 安全工具；安全眼鏡1副；乳膠手套1雙；實驗衣1件。

6. 其他工具：標籤紙（約1.2 cm × 2.5 cm）一片20小張；電腦1台（有Office軟體）。

(二) 共用藥品和器材

1. 量度工具：標準溫度計（100℃）1支。

2. 特殊工具：十字螺絲起子（鐵粗直徑3 mm、5 mm、8 mm）三種各3-5支。

3. 液體藥品：濃鹽酸（conc. hydrochloric acid, 約12 M）2瓶（每瓶500 mL）。

4. 配製溶液：不同濃度鹽酸（hydrochloric acid）1瓶，每瓶500 mL。大致濃度：6.5 M, 6.0 M, 5.5 M, 5.0 M, 4.5 M。

【濃鹽酸的濃度一般以約12 M視之，配製鹽酸的真正濃度必須測定得知。上述各種濃度的鹽酸，分別裝在塑膠瓶中。以密度比對體積莫耳濃度方式，確定各溶液真正的濃度，參考資料：Hydrochloric acid¹⁰。用標籤紙寫上真正濃度（標示到小數點後面兩位），貼在塑膠瓶上。亦可用標定方式，測定其真正的濃度。】

5. 其他：衛生紙1包；洗潔精各桌1瓶；蒸餾水1桶（20 L）；保鮮膜1盒；碎冰1盆。

6. 廢棄物回收桶2桶，一般垃圾桶1桶。

n 實驗安全和注意事項

1. 鹽酸對皮膚和眼睛有腐蝕性，必須全程戴上安全眼鏡，也必須穿實驗衣並戴手套。

2. 若反應槽的溫度達到100℃的情況下，必須立即加入碎冰以冷卻反應系統使反應減速。

3. 本實驗會產生易燃的氫氣，所有火源必須遠離實驗區域，以避免火災和爆炸。

4. 若眼睛和皮膚不慎接觸藥品，可用大量水沖洗，必要時請報告老師。

n 廢棄物處理

1. 反應後的混合液：集中於標示「反應後廢棄液」的廢棄瓶中。

2. 未使用的配製溶液：集中於標示「未使用廢棄液」的回收瓶中。

3. 一般垃圾放入「一般垃圾桶」中。

4. 若實驗裝置內的塑膠纖維和海綿未被液體沾濕，則此裝置可重複使用。

n 實驗前的準備工作

一、 溫度計校正

利用提供的標準溫度計（放在示範桌上），校正你的溫度計，紀錄於表一中。

二、 製作絕熱的反應裝置

1. 利用提供的材料，製作一個具有絕熱效果的反應裝置。需用材料和工具有：樣品瓶（小玻璃瓶，20-25 mL，不含瓶蓋）1個；保特瓶（600 mL，含瓶蓋）1個；剪刀1把；小刀或美工刀1支；透明膠帶1捲；鐵釘（約50 g）一包數支；溫度計（100℃）1支；塑膠海綿（約8 cm x 7 cm x 4 cm）1塊；聚酯纖維棉（體積約棒球大小）1包；十字螺絲起子（有三種不同鐵粗直徑）。

2. 製作提示和材料用途：(1)樣品瓶當作反應槽，放置在保特瓶內部的上部，且樣品瓶的瓶口與保特瓶內部的瓶口必須緊密接觸；(2)保特瓶當作反應裝置的外部，大小需要適度地裁剪；(3)保特瓶蓋當作溫度計固定用，瓶蓋需要鑽孔，其方式為：先使用直徑細的十字螺絲起子鑽孔，再用直徑中等者，再用直徑粗者，使溫度剛好可以插入孔洞；(4)溫度計當作反應時的溫度測量；(5)鐵釘用來降低反應裝置的重心；(6)透明膠帶用於黏住保特瓶的上部和底部；(7)塑膠海綿和聚酯纖維棉用於隔絕熱量的散失，填充不可過於蓬鬆，以免絕熱的效果不佳。本實驗的反應裝置圖如圖二所示。

圖二：反應裝置及其各材料名稱，放置鹽酸和鋁箔之處。

三、 製作絕熱反應裝置的過程

1. 用剪刀和小刀，裁切一個保特瓶，取得其上部和底部。上部取其錐形的部位，底部取其離瓶底約2.5 cm的部位。

2. 依序地由小到大用三支螺絲起子的尖端，在瓶蓋的中央位置鑽一個小孔洞，使孔洞的大小剛好符合溫度計的直徑。在孔洞處插入一支100℃的溫度計。

3. 倒置保特瓶上部，使其瓶口面向實驗桌面上。

4. 在保特瓶上部的內部瓶口處，頂住一個樣品瓶，使樣品瓶的瓶口與保特瓶的瓶口緊密接觸。

5. 先用一些聚酯纖維棉，填充樣品瓶與保特瓶之間的空隙，填充不可過於蓬鬆。

6. 然後用2-3塊合適大小的塑膠海綿，固定樣品瓶和聚酯纖維棉，使樣品瓶和聚酯纖維棉不易鬆動。

7. 用數支鐵釘，放置在塑膠海綿的上方，鐵釘用來降低整個反應裝置的重心。

8. 用保特瓶的底部蓋上其上部，使其上部剛好插入到底部約0.5-1.0 cm。

9. 用透明膠帶，黏住上部和底部，必須貼緊以免兩者因塑膠海綿的彈力而分開。

10. 翻轉保特瓶，放置在實驗桌面上，此時保特瓶的瓶口朝上。

11. 用瓶蓋（含溫度計），蓋上保特瓶的開口，調整溫度計的高度，即完成製作一個絕熱的反應裝置。

n 實驗步驟和數據處理

一、 操作實驗步驟

1. 利用本次實驗提供的標準溫度計（放在示範桌上），校正你的溫度計。

2. 利用直尺和美工刀，剪裁一大張邊長為30.00 cm × 10.00 cm的長方形的鋁箔，精稱其重量，並計算一小張邊長為5.00 cm的正方形（即25.0 cm²）鋁箔的重量。

3. 利用直尺和美工刀，剪裁邊長為5.00 cm的正方形的鋁箔，總共剪裁5-6張，並且對折每一小張鋁箔三次，以利放入小玻璃瓶（樣品瓶）中。

4. 利用10 mL的量筒，分別取10.00 mL的已知濃度的鹽酸（濃度大約為6.5 M, 6.0 M, 5.5 M, 5.0 M, 4.5 M，真正濃度需測定，分別標示在塑膠瓶上）。

5. 首先，放入10.00 mL約6.5 M的鹽酸到反應裝置的小玻璃瓶（樣品瓶）中，輕微蓋緊保特瓶蓋（含溫度計）在瓶口上。

6. 然後，放入一小張邊長5.00公分的正方形的鋁箔（已被對折三次）到反應裝置的小玻璃瓶（樣品瓶）中，搖動3次並立即開始計時。
【注意：若有難聞味道或出現白色煙霧，立即用微濕的衛生紙放在反應裝置的瓶蓋。】

7. 在反應不激烈的時段（即段誘導期的時段），每30秒紀錄一次溫度。在反應加速的時段（即熱失控的時段），每15秒紀錄一次溫度。

二、 紀錄原始數據並初步數據處理

1. 根據反應時間與溫度的原始數據，以溫度對時間作圖，並畫出不同鹽酸濃度的最佳趨勢曲線。

2. 在最佳趨勢曲線上，繪製兩條外推線（水平線和切線）。

3. 找出並描述不同鹽酸濃度與上升溫度的關係。

三、 發現濃度對熱失控誘導期的影響

1. 找出不同鹽酸濃度的熱失控誘導期。

2. 以鹽酸濃度對誘導期倒數作圖，並畫出一條最佳趨勢直線或曲線。

3. 描述鹽酸濃度與熱失控誘導期倒數的關係。

4. 找出各濃度的鹽酸最低反應濃度（[HCl]₀）之值。

5. 找出各濃度的鹽酸有效反應濃度（[HCl]_effect）之值。

6. 計算鹽酸與鋁箔的誘導期的速率定律常數。

四、 發現鹽酸的濃度對熱失控速率的影響

1. 找出各濃度的熱失控速率。

2. 描述鹽酸濃度與熱失控速率的關係。

3. 調查熱失控的鹽酸反應級數。

4. 計算鹽酸與鋁箔的速率定律程常數並寫出速率定律式。

【續《發現濃度對熱失控的誘導期和速率之影響：一個發現學習的化學實驗（中）》】

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n 實驗結果和討論

一、 溫度計校正和鹽酸真正濃度

利用實驗室提供的標準溫度計（放在示範桌上），校正你的溫度計，紀錄於表一中。

表一：溫度計校正

項目	數值
現在室溫（你的溫度計），℃	26.2
現在室溫（標準溫度計），℃	26.0
校正的溫度差（你的 ‒ 標準的），℃	0.2

以密度比對體積莫耳濃度方式或以滴定方式，測定鹽酸的真正濃度，其真正濃度寫在藥瓶上，紀錄鹽酸配製的大約濃度（未被標定）和測定真正的濃度（被標定）於表二中。

表二：鹽酸配製的大約濃度和測定的真正濃度

鹽酸的濃度	濃度1	濃度2	濃度3	濃度4	濃度5
配製濃度（未被標定），M	4.5	5.0	5.5	6.0	6.5
真正濃度（被標定），M	3.59	3.99	4.69	5.43	5.75

二、 原始數據表、製作最佳趨勢曲線和畫出外推線、找出濃度與溫度的關係

(一) 紀錄原始數據表

表三：操作實驗所得的原始數據

(二) 畫出各濃度的最佳趨勢曲線、繪製各曲線的兩條外推線、並畫出初始速率（斜率）和反應溫度全程範圍

根據表三的原始數據，使用不同的符號（如圓形、圓圈、三角形、方形、星形及菱形等）或不同的顏色來表示各種不同濃度的數據點和趨勢線，畫出各濃度的最佳趨勢曲線。各曲線需要標示鹽酸的濃度，橫軸和縱軸需要標示自變因（溫度）和依變因（時間）及其單位。圖三是不同鹽酸濃度的溫度對時間作圖（有五條最佳趨勢曲線）；圖四-1~四-5是各鹽酸濃度的溫度對時間作圖並畫出各濃度的最佳趨勢曲線，繪製各濃度曲線的兩條外推線，畫出初始速率（斜率）和反應溫度全程範圍。

圖三：使用不同鹽酸濃度測得的溫度對時間作圖

圖四-1：鹽酸濃度（5.75 M）測得的溫度對時間作圖

根據圖四-1得知，鹽酸濃度為5.75 M得到最佳趨勢曲線的兩條外推線（水平線和切線）交叉於82 sec，上升5℃所需時間為18 sec（100 sec – 82 sec），反應溫度全程範圍為30.4℃（56.4℃ – 26.0℃）。

圖四-2：鹽酸濃度（5.43 M）測得的溫度對時間作圖

根據圖四-2得知，鹽酸濃度為5.43M得到的最佳趨勢曲線的兩條外推線（水平線和切線）交叉於180 sec，上升5℃所需時間為47 sec（227 sec – 180 sec），反應溫度全程範圍為28.9℃（55.0℃ – 26.1℃）。

圖四-3：鹽酸濃度（4.59 M）測得的溫度對時間作圖

根據圖四-3得知，鹽酸濃度為4.59 M得到的最佳趨勢曲線的兩條外推線（水平線和切線）相交於288 sec，上升5℃所需時間為47 sec（335 sec – 288 sec），反應溫度全程範圍為26.7℃（54.0℃ – 27.3℃）。

圖四-4：鹽酸濃度（3.99 M）測得的溫度對時間作圖

根據圖四-4得知，鹽酸濃度為3.99 M得到的最佳趨勢曲線的兩條外推線（水平線和切線）相交於372 sec，上升5℃所需時間為55 sec（427 sec – 372 sec），反應溫度全程範圍為26.0℃（53.0℃ – 27.0℃）。

圖四-5：鹽酸濃度（3.59 M）測得的溫度對時間作圖

根據圖四-5得知，鹽酸濃度為3.59 M得到的最佳趨勢曲線，繪製此曲線的兩條外推線相交於443 sec，上升5℃所需時間為70 sec（513 sec – 443 sec），反應溫度全程範圍為26.6℃（54.0℃ – 27.4℃）。

(三) 描述鹽酸濃度與溫度的關係

1. 根據圖三和四的最佳趨勢曲線，定性地描述單一鹽酸濃度與鋁箔反應的時間與溫度之關係。

當鹽酸與鋁箔反應時，剛開始的溫度幾乎維持恆定在室溫，但是抵達特定的時間時，溫度先緩慢上升然後快速上升，最後在高溫幾乎維持恆定。

2. 根據圖三和四的最佳趨勢曲線，定性地描述各種不同濃度對熱失控的誘導期之關係。

無論是何種鹽酸濃度，當鹽酸與鋁箔反應時，鹽酸的濃度越高，熱失控的誘導期越短。

【續《發現濃度對熱失控的誘導期和速率之影響：一個發現學習的化學實驗（下）》】

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一個發現學習的化學實驗（下）

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【承《發現濃度對熱失控的誘導期和速率之影響：一個發現學習的化學實驗（中）》】

n 實驗結果和討論

三、 發現濃度對熱失控誘導期的影響

(一) 找出各鹽酸濃度的熱失控誘導期

利用在「簡介」中的熱失控誘導期作法，(1)在圖四-1~四-5中各濃度的最佳趨勢曲線上繪製兩條外推線（水平線和切線），找出趨近的直線（水平線）與溫度快速增加的初始部分（切線）之交叉點。(2)確定兩條外推直線交叉點的反應時間，這時間是誘導期的時間長度（以t_ip表示）。(3)整理處理的數據於表四中。

表四：不同鹽酸濃度和誘導期倒數的數據

[HCl], M	誘導期t_ip, sec	誘導期的倒數t_ip^‒¹, sec^‒¹	起始溫度, ℃
5.75	82	0.01220	26.0
5.43	192	0.00521	26.0
4.69	317	0.00315	26.0
3.99	363	0.00275	26.5
3.59	432	0.00231	26.0

(二) 找出鹽酸最低反應濃度和有效反應濃度

利用表四的不同鹽酸濃度和誘導期倒數的數據，在畫出最佳趨勢線後，找出鹽酸最低反應濃度，以[HCl]₀表示；並計算鹽酸有效反應濃度，以[HCl]_effect表示；以及誘導期的速率定律常數。其繪製步驟為：(1) t_ip^‒1對[HCl]作圖；(2)繪製最佳趨勢迴歸線並列出此迴歸線方程式；(3)確定線性迴歸線與t_ip^‒1 = 0交叉點的鹽酸濃度值，並定義該值為反應最低鹽酸濃度，以[HCl]₀表示；(4)定義有效鹽酸濃度，以[HCl]_effect表示，其計算式為：[HCl]_effect = [HCl] ‒ [HCl]₀；以及(5)使用速率定律常數k，描述t_ip^‒1與[HCl]_effect之間的關係，並計算平均k值。圖五-1是鹽酸的濃度對誘導期的倒數作圖。

圖五-1：鹽酸的濃度對誘導期的倒數作圖（四個數據點且趨勢線為直線）

圖五-1的數據點只有四點，另有一個數據點（鹽酸濃度為5.75 M）因偏差過大而不考慮在內。由圖五-1趨勢直線或其方程式（y = 0.00175x – 0.00427）得知，鹽酸與鋁箔反的誘導期的倒數（y）為0時，鹽酸最低反應濃度（x） [HCl]₀ = 2.43 M。

圖五-2：鹽酸的濃度對誘導期的倒數作圖（五個數據點且趨勢線為曲直線）

若五個數據點均列入考慮，由圖五-2的趨勢直線或其方程式（y = 0.0038x – 0.02124）得知，鹽酸與鋁箔反應的誘導期倒數（y）為0時，鹽酸最低反應濃度（x） [HCl]₀ = 3.30 M。

圖五-3：鹽酸的濃度對誘導期倒數作圖（五個數據點且趨勢線為曲線）

若所有數據點均列入考慮且趨勢直線改為趨勢曲線，由圖五-3的趨勢曲線或其方程式（y = 0.000167e^0.69184x）得知，鹽酸與鋁箔反應的誘導期倒數（y）為0時，鹽酸最低反應濃度（x） [HCl]₀ = 0.00 M。

(三) 描述鹽酸濃度與誘導期倒數的關係，並找出鹽酸最低反應濃度和有效反應濃度

1. 根據圖五-1的趨勢直線，描述鹽酸濃度與誘導期倒數之關係。

當鹽酸與鋁箔反應時，鹽酸的濃度越高，熱失控的誘導期倒數（t_ip^‒1）越大。

2. 用化學理論的觀點，說明你發現誘導期倒數對鹽酸濃度之關係的理由。

鹽酸的濃度越高，越多的H⁺與鋁箔表面的Al₂O₃碰撞的機率就越大，導致熱失控的誘導期倒數越大。

3. 根據圖五-1的趨勢直線，找出鹽酸最低反應濃度值（[HCl]₀），填入表五中。

鹽酸最低反應濃度（[HCl]₀）= 2.43 M。

4. 根據圖五-1的趨勢線，找出各鹽酸的有效反應濃度（[HCl]_effect），填入表五中。

當使用鹽酸濃度[HCl] = 5.43 M，推知其有效反應濃度（[HCl]_effect）= 5.43 M ‒2.43 M = 3.00 M；當使用[HCl] = 4.69 M，推知[HCl]_effect = 4.69 M ‒2.43 M = 2.26 M；當使用[HCl] = 3.99 M，推知 [HCl]_effect = 3.99 M ‒2.43 M = 1.56 M；當使用[HCl] = 3.59 M，推知 [HCl]_effect = 3.99 M ‒2.43 M = 1.16 M。

(四) 找出誘導期的速率定律常數

1. 使用速率定律常數k表示t_ip^‒1和[HCl]_effect之間的關係，並計算不同鹽酸濃度與鋁箔反應的k值及其平均k值，填入表五中。【提示：k = t_ip^‒1/[HCl]_effect】

當使用[HCl] = 5.75 M，其有效反應濃度（[HCl]_effect）= 3.32 M，則k = 0.00376 M^‒1s^‒1；當使用[HCl] = 5.43 M，其有效反應濃度（[HCl]_effect）= 3.00 M，則k = 0.00185 M^‒1s^‒1；[HCl] = 4.69 M，其有效反應濃度（[HCl]_effect）= 2.26 M，k = 0.00154 M^‒1s^‒1；當使用[HCl] = 3.99 M，其有效反應濃度（[HCl]_effect）= 1.56 M，則k = 0.00172 M^‒1s^‒1；當使用[HCl] = 3.99 M，其有效反應濃度（[HCl]_effect）= 1.16 M，則k = 0.00195 M^‒1s^‒1。

平均值 k = (0.00185 M^‒1s^‒1 + 0.00154 M^‒1s^‒1 + 0.00172 M^‒1s^‒1 + 0.00195 M^‒1s^‒1) / 4 = 0.00176 M^‒1s^‒1（第一個k值偏高太多，不使用在平均值計算）

表五：鹽酸最低反應濃度、鹽酸有效反應濃度和誘導期速率定律常數

[HCl], M	起始溫度, ℃	[HCl]₀	[HCl]_effect	k, M^‒1s^‒1	平均k, M^‒1s^‒1
5.75	26.0	2.43	3.32	0.00367	—
5.43	26.0		3.00	0.00185	0.00176
4.69	26.0		2.26	0.00154
3.99	26.5		1.56	0.00172
3.59	26.0		1.16	0.00195

四、 發現濃度對熱失控速率的影響

(一) 找出不同鹽酸濃度的熱失控速率

參考「簡介」中的熱失控速率的作法，在圖四-1~四-5中的各鹽酸濃度繪製熱失控速率（即斜率），熱失控速率被定義（暫時性的定義）為在熱失控期間的初始溫度上升5℃的反應速率，亦即5℃除以時間。熱失控期間的初始時間，以t_tr表示，以sec為單位。熱失控速率，以r_tr表示，此單位為℃/sec。

表六：不同鹽酸濃度的熱失控速率的數據

[HCl], M	上升溫度, ℃	在上升0℃之時間點, sec	在上升5℃之時間點, sec	上升5℃所需時間, sec	斜率, ℃/sec
5.75	5.0	82	100	18	0.28
5.43	5.0	180	227	47	0.11
4.69	5.0	288	335	47	0.11
3.99	5.0	372	427	55	0.09
3.59	5.0	443	513	70	0.07

利用表六的數據，畫出最佳趨勢直線於圖六，並列出趨勢直線的方程式，橫軸和縱軸需要標示自變因和依變因項目及其單位。

圖六-1：熱失控速率的趨勢直線（四個數據點）

圖六-1的數據點只有四點，另有一個的數據點（鹽酸濃度為5.75 M）因偏差過大而不考慮在內。由圖六-1趨勢直線得知，鹽酸與鋁箔反應的熱失控速率（斜率）為正值；由圖六-1趨勢直線方程式（y = 0.0183x + 0.0130）得知，鹽酸與鋁箔反應的熱失控速率（起始速率，斜率）為0.0183 ℃/sec。

圖六-2：熱失控速率的趨勢直線（五個數據點）

若所有數據點均列入考慮，由圖六-2趨勢直線得知，鹽酸與鋁箔反應的熱失控速率（斜率）為正值；由圖六-2趨勢直線方程式（y = 0.0685x + 0.0191）得知，鹽酸與鋁箔反應的熱失控速率（起始速率，斜率）為0.0685 ℃/sec。

(二) 描述鹽酸濃度與熱失控速率的關係

1. 根據圖六-1的趨勢直線，描述濃度對熱失控速率的影響。

當鹽酸與鋁箔反應時，鹽酸的濃度越高，熱失控速率越快。

2. 用化學理論的觀點，說明你發現其影響的理由。

鹽酸的濃度越高，越多的H⁺與鋁箔的金屬Al碰撞的機率就越大，熱失控速率就越快。

(三) 調查鹽酸與鋁箔的熱失控反應級數

製作鹽酸與鋁箔反應的熱失控速率（起始速率，斜率）對鹽酸濃度作圖，並將趨勢直線正推和內推數個週期，使此趨勢直線含蓋在0.00-9.00 M的範圍，如圖七-1所示。若使用反應物的濃度不是增為2倍時，亦可以分別得到對應的反應初始速率。其作法是利用反應初始速率對反應物的不同濃度作圖，得到趨勢線及其公式。透過正推和倒推的趨勢線，當反應物的濃度增為2倍時，可分別推知這兩個濃度所對應的反應初始速率。

圖七-1：熱失控速率的趨勢直線（四個數據點且正推和內推）

圖七-1的數據點只有四點，另有一個的數據點（鹽酸濃度為5.75 M）因偏差過大而不考慮在內。由圖七-1的趨勢直線或其方程式（y = 0.0183x + 0.0130）得知：

若鹽酸濃度x₁ = 3.00 M，則熱失控的起始速率y₁ = 0.0679 ℃/sec；若x₂ = 4.00 M，則y₂ = 0.0862 ℃/sec；若x₃ = 6.00 M，則y₃ = 0.1228 ℃/sec；若x₄ = 8.00 M，則y₄ = 0.1594 ℃/sec。

利用式[7]，求得鹽酸與鋁箔反應的鹽酸反應級數m，其計算過程如下：

[7]

當鹽酸為3.00 M和6.00 M時，
，得到鹽酸的反應級數m = 0.855。

當鹽酸為4.00 M和8.00 M時，
，得到鹽酸的反應級數m = 0.887。

由於反應級數m = 0.855和0.887，接近於整數1，因此速率定律式可以寫成式[8]：

r = k’[HCl] [8]

圖七-2：熱失控速率的趨勢曲線（四個數據點且正推和內推）

圖七-2的數據點只有四點，另有一個（鹽酸濃度為5.75 M）的數據點因偏差過大而不考慮在內。由圖七-2的趨勢曲線或其線性迴歸方程式（y = 0.0376e^0.2039x）得知：

若鹽酸濃度x₁ = 3.00 M，則熱失控速率的起始速率y₁ = 0.0693 ℃/sec；若x₂ = 4.00 M，則y₂ = 0.0850 ℃/sec；若x₃ = 6.00 M，則y₃ = 0.1278 ℃/sec；若x₄ = 8.00 M，則y₄ = 0.1921 ℃/sec。

利用式[7]，求得鹽酸與鋁箔反應的鹽酸反應級數m，其計算過程如下：

[7]

當鹽酸為3.00 M和6.00 M時，
，得到鹽酸的反應級數m = 0.883。

當鹽酸為4.00 M和8.00 M時，
，得到鹽酸的反應級數m = 1.18。

由於反應級數m = 0.883 和1.18，接近於整數1，因此速率定律式亦可以寫成式[8]：

r = k’[HCl] [8]

(四) 找出反應速率定律常數和速率定律式

為了找出反應初始速率和速率定律常數，必須先找到鹽酸與鋁箔反應時溫度上升與消耗掉鹽酸濃度的關係，其測量和計算過程如下，所有處理的數據填入表七中。

1. 首先，測量一大張鋁箔的面積並精稱量其重量，以比例方式計算一小張25.00 cm²鋁箔的重量並計算其莫耳數（mol_Al.25）。Al的原子量：26.98 g mol^-1。

剪裁一大張30.00 cm x 10.00 cm = 300.0 cm²的鋁箔，精稱得重量為1.2507 g。因此，每一小張面積為25.00 cm²鋁箔的平均重量為0.1042 g，這一小張25.00 cm²鋁箔莫耳數= 0.1042 g / (26.98 g mol^-1) = 0.003862 mol。

2. 在圖四-1~四-2上或在表三中，找到在不同鹽酸濃度的溫度上升區間（rT_In）。

若鹽酸濃度[HCl] = 5.75 M，則溫度上升範圍和區間（rT_In）= 56.4℃ – 26.0℃ = 30.4℃；若[HCl] = 5.43 M，則rT_In = 55.0℃ – 26.1℃ = 28.9℃；若[HCl] = 4.99 M，則rT_In = 54.0℃ – 27.3℃ = 26.7℃；若[HCl] = 3.99 M，則rT_In = 53.0℃ – 27.0℃ = 26.0℃；若[HCl] = 3.59 M，則rT_In = 54.0℃ – 27.4℃ = 26.6℃。

3. 利用鹽酸與鋁箔反應的係數比（莫耳數比）為3：1，找出溫度上升5℃與反應掉鋁的莫耳數（以及與反應掉鹽酸濃度）的關係。

上升5℃鋁箔消耗莫耳數（mo1_A1.5）= mol_Al× (5℃/rT_in)

= (w_Al / 26.98 g mol^-1) × (5℃/rT_in)

上升5℃鹽酸反應掉莫耳數（mol_HCl.5）= 3 (w_Al / 26.98 g mol^-1) × (5℃/rT_in)
上升5℃鹽酸反應掉濃度（M_HCl.5） = [3 (w_Al / 26.98 g mol^-1) × (5℃/rT_in)] / 0.010 L

4. 根據圖七-1的趨勢直線，找出在不同濃度的溫度上升5℃所需時間。

若鹽酸濃度 [HCl] = 5.75 M，則溫度上升5℃所需時間（rt）= 100 sec – 82 sec =18 sec；若[HCl] = 5.43 M，則rt = 227 sec – 180 sec = 47 sec；若[HCl] = 4.69 M，則rt = 335 sec – 288sec = 47 sec；若[HCl] = 3.99 M，則rt = 427 sec – 372 sec = 55 sec；若[HCl] = 3.59 M，則rt = 513 sec – 443 sec = 70 sec。

5. 利用式[2]，計算反應初始速率。

若鹽酸濃度 [HCl] = 5.75 M，則反應初始速率 1.06E-06 M sec^-1；若[HCl] = 5.43 M，則r = 4.27E-07 M sec^-1；若[HCl] = 4.69 M，則r = 4.62E-07 M sec^-1；若[HCl] = 3.99 M，則r = 4.05E-07 M sec^-1；若[HCl] = 3.59 M，則r = 3.11E-07 M sec^-1。

表七：不同濃度的熱失控期間上升5℃與反應掉鹽酸濃度之關係

鹽酸濃度, M	25 cm²鋁箔重量, g	25 cm²鋁箔莫耳數, mol_Al	溫度上升, 5.0℃	溫度上升範圍, ℃	溫度上升區間, rT_in , ℃	上升5℃鋁箔消耗莫耳數, mo1_lA.5	上升5℃鹽酸反應莫耳數, mol_HCl.5	上升5℃鹽酸反應濃度, M_HCl.5	溫度上升5℃需時, t sec	初始速率, M/sec
5.75	0.1042	0.003862	5.0	26.0-56.4	30.4	0.000635	0.00191	1.91E-05	18	1.06E-06
5.43	0.1042	0.003862	5.0	26.1-55.0	28.9	0.000668	0.00200	2.00E-05	47	4.27E-07
4.69	0.1042	0.003862	5.0	27.3-54.0	26.7	0.000723	0.00217	2.17E-05	47	4.62E-07
3.99	0.1042	0.003862	5.0	27.0-53.0	26.0	0.000743	0.00223	2.23E-05	55	4.05E-07
3.59	0.1042	0.003862	5.0	27.4-54.0	26.6	0.000726	0.00218	2.18E-05	70	3.11E-07

6. 計算速率定律常數k’及其平均值，並紀錄在表八中。

若鹽酸濃度 [HCl] = 5.75 M，則速率定律常數1.06E-06 M sec^-1；若[HCl] = 5.43 M，則k’ = 4.27E-07 M sec^-1；若[HCl] = 4.69 M，則k’ = 4.62E-07 M sec^-1；若[HCl] = 3.99 M，則k’ = 4.05E-07 M sec^-1；若[HCl] = 3.59 M；則k’ = 3.11E-07 M sec^-1。速率定律常數k’ 的平均值 = 9.13E-08（第一個k’偏差過大，不列入計算）。

表八：速率定律常數的計算值

鹽酸濃度, M	初始速率, M sec^-1	上升5℃鹽酸掉反應濃度, M_HCl.5	速率定律常數, k’, sec^-1	k’平均值, sec^-1
5.75	1.06E-06	1.91E-05	1.84E-07	—
5.43	4.27E-07	2.00E-05	7.86E-08	9.13E-08
4.69	4.62E-07	2.17E-05	9.85E-08
3.99	4.05E-07	2.23E-05	1.02E-07
3.59	3.11E-07	2.18E-05	8.66E-08

7. 寫出鹽酸與鋁箔反應的熱失控速率與鹽酸濃度的關係。

在26.0-26.5℃下，鹽酸與鋁箔反應的熱失控速率與鹽酸濃度的關係如式[9]所示：

r = 9.13E-08 × [HCl] [9]

n 教學指引

一、 教學提示

l 學生實驗手冊分為兩版本：基本版（適用於一般高中程度）和進階版（適用於AP高中程度或大學程度）。

l 基本版的上課時間：在「簡介」方面：教師解說熱失控的基本知識需時約10分鐘；熱失控的誘導期和熱失控速率的動力學知識需時15-20分鐘；在「反應裝置」方面：教師解說和學生組裝需時15-20分鐘；學生操作實驗並紀錄結果需時50-70分鐘；數據處理和實驗結果撰寫：60-80分鐘。數據處理以使用Excel處理為佳，可在電腦教室進行或各組一部筆記型電腦或平版電腦在教室中進行，或者當作家庭作業由學生在家中獨立進行。進階版的上課時間：數據處理和實驗結果撰寫：80-100分鐘。

l 本實驗有大量的數據，建議學生以Excel處理數據和製作圖表為佳，不建議以手工繪製圖表。高中學生對Excel的精熟學習，可以輕而易舉地應付未來在大學端自然科學實驗和技術工程實驗的大量數據處理。

l 本實驗的設計為發現學習（又稱引導探究學習），適用在108課綱的《高中化學選修》科目或《自然科學探究與實作》科目中教學，亦適用在大學《普通化學實驗》的教學。

二、 發現學習

本實驗的學習方法採用發現學習（discovery learning），學生在探索之前不知道濃度對熱失控誘導期和熱失控速率之影響。在教材和教師的指引下，他們有機會發現鹽酸與鋁箔反應時鹽酸濃度與熱失控的誘導期和速率之間的關係，發現這些關係的過程需要進行實驗、收集資料和處理資料，並進一步發現一些規律性以及最低反應濃度、有效反應濃度、反應級數、反應速率定律常數和速率定律式。

發現學習是一種探究為基礎的教學方法，被認為是一種建構論為基礎的教育方法。發現學習是學習者利用自己的過去經驗和現有的知識來發現事實和關係以及學習新的知識。^11-12發現學習鼓勵學生提出問題並找到他們自己的試探性答案，並從實際的案例或經驗中推導出一般性的原則，學習的主要內容知識沒有事先給學生，必須由學生自己去發現。¹³

發現學習的方法如同探究，是一種歸納法（inductive approach），發現學習法又稱為引導探究學習法（guided inquiry learning approach）。透過研究現象的具體例子，學生能夠對基本原理有一個總體的理解。歸納學習的倡導者強調透過直接經驗學習的價值和〝為自己找出自我”的動機價值。^14-15發現學習理論假設學生最好的學習是透過實驗去發現事實和關係。學生不要被要求記住事實或聆聽學習，而是要求學生操縱材料和試驗，做出假設並自行發現知識。發現學習是一種歸納學習，學習者透過觀察或測量去發現規則的過程。這與演繹學習不同。在演繹學習中，學生事先學會他們需要應用的規則。^16-17

發現學習的潛在的優勢：支持學生積極參與學習過程、培養好奇心、促進終身學習技能的發展、個性化學習體驗、提供高度的動力、學生有機會進行實驗、建立在學生以前的知識和理解基礎上。潛在的缺點：沒有初始框架可用而讓學生感到困惑、效率低下且耗時、導致學生沮喪。¹⁸

n 參考資料

1. Thermal runaway, https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_runaway.

2. Safety and Preventing Thermal Run Away in Large Li-Ion Batteries, https://bit.ly/2K6dM2S.

3. How To Stop Lithium-Ion Batteries Explosion? https://bit.ly/2Kc7ZZu.

4. Thermal Runaway, https://www.upsbatterycenter.com/blog/thermal-runaway/.

5. Collapse of the World Trade Center, https://bit.ly/1Gs67jd.

6. The Thermodynamics of 9/11, https://bit.ly/2MpCn5g.

7. Kitabayashi, S.; Nakano, M.; Nishikawa, K.; and Koga, N. Model Experiment of Thermal Runaway Reactions Using the Aluminum–Hydrochloric Acid Reaction. Journal of. Chemical. Education. 2016, 93 (7), 1261-1266.

8. Rate_equation, https://en.wikipedia.org/wiki/Rate_equation.

9. Non-Integer: Non-integer orders, both positive and negative, represent more intricate relationships, https://bit.ly/2HCGMii.

10. Hydrochloric acid, https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrochloric_acid.

11. Discovery Learning (Bruner), https://goo.gl/cUkxBL.

12. Discovery Learning, https://en.wikipedia.org/wiki/Discovery_learning.

13. Discovery Learning Theory: A Primer for Discussion, http://goo.gl/VhrLon.

14. Domin, D. S. A Review of Laboratory Instruction Styles, Journal of Chemical Education, 1999. 76 (4), p 543-547.

15. Hodson, D. Journal of Curriculum Studies. 1996, 28, 115–135.

16. What is Discovery Learning? https://goo.gl/uAxmra.

17. What is inductive learning? https://goo.gl/zqt6Cq.

18. Learning Theory: A Primer for Discussion, http://goo.gl/eRCxGT.

n 學生實驗手冊

下載本實驗的學生實驗手冊—「發現濃度對熱失控的誘導期和速率之影響」

A. 基本版（適用於一般高中程度）

B. 進階版（適用於AP高中程度或大學程度）

利用雷射雕刻技術使不鏽鋼與鈦板變成色彩繽紛的畫布／張佑祥、楊捷、林冠廷、陳玠錡

星期二 , 7, 5 月 2019 編輯助理化學教育新知, 第31期2019年5月 1 Comment

利用雷射雕刻技術使不鏽鋼與鈦板變成色彩繽紛的畫布

張佑祥*、楊捷、林冠廷、陳玠錡

工業技術研究院

機械與機電系統研究所

*[email protected]

摘要

不鏽鋼與鈦都是日常生活中很廣泛被應用的材料，其中不鏽鋼是含有鉻的鐵合金之總稱，則鈦是被認為是一種稀有金屬。由於不鏽鋼與鈦的具有良好的耐腐蝕性、機械強度、延展度與加工性。然而，不鏽鋼的組成大多以鐵合金為主體，通常是含有10%~30%的鉻以及含有不同比例的鎳、鉬、鈦、鋁、銅、氮、硫、磷和硒元素所組成的合金鋼，因此一般工業界會依照各種應用的需求調整其在合金中的比例，來符合相關之應用。鈦則有「太空金屬」的美譽，因為鈦除了具有耐腐蝕等特性之外，更重要的是鈦還具有重量輕、強度高、生物相容性、具金屬光澤等特性，因此被廣泛利用在航太工業、醫學界、汽車工業與建材和塗料產業，應用程度可算是十分多元。本文希望以科普的角度，來說明雷射加工技術在不鏽鋼與鈦材料上的技術簡介與工業應用，並搭配實際樣品的製作，讓讀者了解不鏽鋼與鈦材料也是可以透過雷射雕刻技術變成色彩繽紛的美麗畫布。

雷射加工簡介

雷射器依照產生雷射的媒介物質可分為液體雷射、氣體雷射和固體雷射，又可依照工作狀態區分為連續雷射或是脈衝雷射，應用於加工領域時則依照工件特性及加工類型選擇對應的雷射機台。然而，應用於工業領域的低功率雷射機台多用於雷射雕刻、材料改質、材料固化及非接觸性量測等領域；高功率雷射機台則使用於鑽孔、切割、焊接等破壞性加工為主。因此，雷射加工在加工領域中屬於擁有較高客製化之彈性及易於調整製程參數，但其缺點在於量產的速度較慢，須由特殊的雷射機台設計來增加生產效率。雷射加工尤其在精密鑽孔及雕刻上佔有舉足輕重的地位，其高精密度特性及穩定輸出能力，使其能廣泛應用於工業產業，且不易被取代。

樣品製作

實驗器材與雷射參數表(示範)

1. 304不鏽鋼板(厚度0.8mm)

2. 鈦板(第2級)

3. 雷射機台參數

雷射光源：Nd:YVO₄

頻率：75kHz

雷射能量：2.5W

雷射光波長：1064nm

雷射光點大小：38um

點雕刻時間：0.1ms

雷射脈衝寬度：10ns

雷射雕刻路徑間距：20um

雷射掃描速度：45~190mm/s

實驗步驟

1. 先將304不鏽鋼板與鈦板分別利用75%的酒精水溶液進行表面擦拭。

2. 將圖形利用AutoCAD程式，將圖形繪製完成。

3. 再將圖檔匯入雷射機台內，並設定雷射雕刻加工參數。

4. 將304不鏽鋼板與鈦板分別進行雷射雕刻加工。

5. 樣品完成製作。

實驗機台架構簡介

本實驗使用的機台為工研院機械所與廠商共同開發的實驗用雛型機台，機台的內部結構包含雷射源(Radiation source)、電源供應器與控制模組(Power & control module)、光纖模組(optical fiber)、雷射擴束器(Beam expander)、導引雷射模組(Guide laser module)、掃瞄控制模組(Scanner control unit)、旋轉鏡組(Rotating mirrors)、聚焦鏡頭模組(Focus lens module)，細部結構圖如圖1與圖2所示。

圖1、雷射雕刻加工機台示意圖。

圖2、雷射雕刻加工機台實際照片。

實驗演示與原理探討

不鏽鋼板

可以在不鏽鋼表面的上色主要的原因是，因為我們選用304不鏽鋼板中含有10-15%的鉻，因為雷射帶有高能量並將不銹鋼中的鉻產生鉻的氧化層(Cr₂O₃)。由於產生出Cr₂O₃厚度上的差異，進一步造成視覺顏色上的差異。由實驗結果可以知道，在不改變雷射能量與頻率情況下，只改變雷射掃描速度，即可產生顏色上的差異，但因為示範實驗中雷射的掃描速度差異甚小，因此可以發現相近的色彩的顏色會依序出現，如圖3所示。其原因是因為不鏽鋼板單位面積下所受到的能量不同，因為雷射掃描速度越慢，即代表單位面積下所受能量較高，因此導致不繡鋼板受熱影響程度不同，造成氧化的程度也因此不同。另外，根據相關文獻指出，在一般雷射參數的操作情況下，Cr₂O₃的氧化層的厚度大約會落幾百個nm之間^[1]。然而，會導致視覺上顏色的差異，主要是因為不同厚度的Cr₂O₃氧化層，再經由光的反射之後，產生最終視覺顏色差異的主因^[1-4]。而Cr₂O₃氧化層厚度變化的主因，主要因為不鏽鋼受熱的情況不同，產生不同厚度的Cr₂O₃氧化層。

根據本實驗的結果，我們可以發現，C-1的位置所受的能量最大，因為雷射掃描速度最慢，因此單位面積下內所受的雷射能量最高，這也代表著C-1的位置Cr₂O₃的氧化層厚度較厚，其中C-1呈現暗紫色，如圖3所示。然而A-10所受的能量最小，因為雷射掃秒速度最快，因此單位面積下所受的雷射能量最小，這也代表著A-10的位置Cr₂O₃的氧化層厚度較薄，其中A-10呈現深藍色，如圖3所示。另外，不同不鏽鋼的材質也會影響到雷射加工後的色彩，其原因大致可歸因於，材料成分上的差異，造成局部區塊受熱程度不同，因此產生不同厚度的Cr₂O₃，而光線在不同厚度的Cr₂O₃所反射呈現的顏色也不同，因此可知若以利用相同雷射的參數在不同材質型號的不鏽鋼上加工，可能也會產生色彩上有些許的差異，所以如何降低不繡鋼板材料性質(品質)上的差異，也成為了此技術能否進行量產的重要關鍵因素。

圖3、雷射雕刻在不銹鋼板上色後的實驗樣品與實驗參數，其中圖3(A)為實際實驗後之樣品，在標誌的下方有不同的色塊，以英文字母代表排，數字代表行，因此A-1即表示第A排第一行的色塊。而圖3(B)為圖3(A)下方色塊的實驗參數，此參數為雷射掃描速率(mm/s)。

鈦板

相同的可以利用雷射雕刻在鈦的表面上產生各式各樣的顏色，如圖4所示，我們利用不同功率與雷射掃描速度同樣的在鈦的表面上，利用雷射雕刻來上色，其上色的原理與不銹鋼類似。也是將利用雷射加工在鈦板上產生熱，將Ti氧化形成TiO₂。相同的TiO₂的厚度同樣會影響到上色的色彩，因此不同厚度的TiO₂也會形成呈現不同的顏色^[5]。

圖4、雷射雕刻在鈦板上色後的實驗樣品^[5]。

(圖片來源：Antończak, A. J. et.al, (2014). The influence of process parameters on the laser-induced coloring of titanium. Applied Physics A, 115(3), 1003-1013.)

雷射雕刻上色的相關化學反應方程式

————————(1)

——————————-(2)

雷射上色的物理學原理簡介

在1621年荷蘭物理學家司乃耳(Willebrord Snellius)，重新發現光的折射定律，也就是物理學上所謂的「司乃耳定律」(Snell’s Law)。根據司乃耳定律，我們可知當光波從一種介質傳播到另一種具有不同折射率(Refractive index)的介質時，會發生折射現象(Refraction)，因此材料的折射率不同會影響光通過介質的路徑。後續，1666年英國科學家牛頓(Isaac Newton)在進行著名的三稜鏡實驗中，發現太陽光經三稜鏡的折射後可呈現彩色的光線，一般稱為光的色散現象(Dispersion)。

因此，根據前述實驗與相關原理說明可知，之所以可以利用雷射雕刻技術在不鏽鋼板與鈦板上進行上色的原理，是因為在雷射雕刻上色的過程中，雷射具有較高的能量，同時改變了不鏽鋼板與鈦板的表面性質，並越過其反應活化能(Activation Energy)，發生鉻的氧化反應與鈦的氧化反應，並產生出不同厚度的鉻氧化層(Cr₂O₃)與鈦氧化層(TiO₂)薄膜，而這些不同厚度的氧化層薄膜也同時影響光在介質(氧化層)中的折射率。然而，光線再經由反射與第二次的折射後，最終產生顏色呈現上的差異，其原理的簡單示意圖，如圖5所示。

圖5、光線通過氧化層薄膜的路徑示意圖。

安全注意事項

1. 在雷射雕刻實驗中，避免眼睛後到雷射光的傷害，全程實驗必須帶上雷射光護目鏡或相關護目鏡，且盡量不要直視實驗樣品。

2. 由於雷射雕刻時會造成基板產生高能與高熱，因此在實驗結束後，避免直接用手去觸碰實驗樣品，造成燙傷。可利用隔熱手套取出實驗樣品。

示範影片

https://drive.google.com/open?id=1eeJW9h_8WOYwye5anKR1YjXI71a6QmyG

結語

我們可以透過雷射雕刻加工的技術，讓國高中的同學了解到在化學領域中，不只有膠體溶液(Ex: 牛奶)、離子溶液(Ex: 硫酸銅水溶液)、沉澱反應(Ex: 氯化銀沉澱)或燃燒反應(鈉在空氣中燃燒反應)等可以產生顏色。金屬氧化物(Ex: TiO₂、Cr₂O₃)或非金屬氧化物(Ex: SiO₂)的薄膜(Thin-film)，在其厚度不同的情況之下，透過光學反射也可以產生各式各樣繽紛的色彩。

致謝

感謝工業技術研究院機械所提供良好的研究環境，讓研究人員在研究之餘，能發揮創意與科學教育做結合。特別感謝邱美虹教授與周金城教授對於本文提供很棒的建議與指教。

參考文獻

1. Lehmuskero, A., Kontturi, V., Hiltunen, J., & Kuittinen, M. (2010). Modeling of laser-colored stainless steel surfaces by color pixels. Applied Physics B, 98(2-3), 497-500.

2. Veiko, V., Odintsova, G., Ageev, E., Karlagina, Y., Loginov, A., Skuratova, A., & Gorbunova, E. (2014). Controlled oxide films formation by nanosecond laser pulses for color marking. Optics express, 22(20), 24342-24347.

3. Fujimoto, S., Tsujino, K.,& Shibata, T. (2001). Growth and properties of Cr-rich thick and porous oxide films on Type 304 stainless steel formed by square wave potential pulse polarisation. Electrochimica Acta, 47(4), 543-551.

4. Antończak, A. J., Kocoń, D., Nowak, M., Kozioł, P., & Abramski, K. M. (2013). Laser-induced colour marking—Sensitivity scaling for a stainless steel. Applied Surface Science, 264, 229-236.

5. Antończak, A. J., Stępak, B., Kozioł, P. E., &ㄙAbramski, K. M. (2014). The influence of process parameters on the laser-induced coloring of titanium. Applied PhysicsA, 115(3), 1003-1013.

導電塑膠聚苯胺的製備和測試／張芫睿、佘瑞琳

星期一 , 6, 5 月 2019 編輯助理化學實驗室, 第31期/2019年5月留言功能已關閉

導電塑膠聚苯胺的製備和測試

張芫睿、佘瑞琳*

國立臺灣大學化學系
*[email protected]

n 前言

導電塑膠是一種新穎材料，有別於生活中一般作為絕緣體的塑膠，導電塑膠是一種能夠導電的高分子，它本身同時具有導體與塑膠此兩種南轅北轍的理化性質¹。導電塑膠因材質輕和加工性佳而應用日廣，目前已發展出輕巧且適應性大的塑膠電池。導電塑膠又具有電致變色（electrochromism）特性，可在外加電場的作用下進行可逆的顏色與透明性變化。因此經過適當處理後可以製作成汽車的車窗玻璃，透過按壓一個按鈕，車窗由透明變成不透明，就能抵擋強烈照射的太陽光²。

本研究讓修習普通化學實驗的學生利用苯胺為單體，以化學氧化聚合和電化學氧化聚合二種方法合成導電塑膠聚苯胺。藉由量測聚苯胺的導電性和觀察聚苯胺之電致變色，瞭解這一新穎材料的製備方法與特性^3-6。

n 原理與概念

目前已知作為導電塑膠的數種高分子如圖一所示。若分析這些高分子的結構，可歸納其主鏈（backbone）都具有共軛系統（conjugated system），此類高分子也稱為共軛高分子（conjugated polymer）。

圖一：常見的導電塑膠高分子結構

在化學中，共軛系統是連接的p軌域系統，在一分子中具有離域電子（delocalized electrons），這通常降低此分子的總能量並增加其穩定性。共軛系統通常表示為具有交替的單鍵和多鍵（雙鍵和三鍵）、孤對電子、自由基或碳正離子（carbenium ions）可以是系統的一部分，其可以是環狀、非環狀、線性或混合的。⁷此共軛系統是高分子能導電的第一要件。由於具共軛系統的高分子主鏈上有一連串原子的p軌域排列，而得以相互重疊，如圖二所示。連接的p軌域越多，使p軌域重疊的範圍增大，如此一來，當有自由電子在這條高分子主鏈上，在高分子的兩端施加電壓時，自由電子就能在這些區域順著電動勢（electromotive force）移動²。

圖二：共軛系統中各原子連接的p軌域

本實驗利用苯胺為單體，以過硫酸銨為氧化劑進行化學氧化聚合（見圖三）合成聚苯胺。另以電解法，將苯胺單體經電化學氧化聚合在導電玻璃上。藉由量測製備所得聚苯胺的電阻和串聯LED燈測試發光，驗證其導電性。本實驗同時觀察測試聚苯胺的電致變色之特性。

圖三：化學氧化聚合法製備聚苯胺

n 藥品、器材與材料

一、藥品

每組用量：0.4M苯胺鹽酸（C₆H₅NH₂·HCl）溶液5mL、0.5 M過硫酸銨（(NH₄)₂S₂O₈）溶液5mL、0.5 M苯胺硫酸（C₆H₅NH₂·1/2H₂SO₄）溶液7mL、95%酒精（C₂H₅OH）10mL、20%食鹽（NaCl）水溶液7mL、pH 2.5鹽酸水溶液20mL。

二、器材與材料

每組用量：直流電源供應器與鱷魚夾連接線1組、三用電表與鱷魚夾連接線1組、雙頭鱷魚夾連接線（10cm）1條、5mm透明帽LED燈1個、長條濾紙（2cm × 4 cm）1片、導電玻璃（2cm × 2 cm）1片、載玻片1片、導電用銅線2條、長尾夾2個、鑷子1支、50mL燒杯3個、30mL燒杯3個、計時器1個、直尺1支、膠帶10cm、吹風機1台。

三、藥品配製

l 0.4 M苯胺鹽酸溶液：秤取2.59 g（0.020 mol）苯胺鹽酸鹽（C₆H₅NH₂·HCl，莫耳質量：129.59 g/mol），配製成50 mL水溶液。（注意：苯胺為毒性化合物，具刺激性，應戴乳膠手套操作）。

l 0.5 M過硫酸銨溶液：秤取5.70 g（0.025 mol）過硫酸銨（(NH₄)₂S₂O₈，莫耳質量：228.18 g/mol），配製成50 mL水溶液。

l 0.5 M苯胺硫酸溶液：秤取3.55 g（0.025 mol）苯胺硫酸鹽（C₆H₅NH₂·1/2H₂SO₄，莫耳質量：142.17 g/mol），配製成50 mL水溶液。

l 20%食鹽水溶液：秤取20 g 氯化鈉（NaCl）溶於80 mL蒸餾水中。

l pH 2.5鹽酸水溶液：約0.003 M HCl，取約0.25 mL的12 M HCl稀釋至1 L。

n 實驗步驟

一、化學氧化法製備聚苯胺

1. 準備1片濾紙以長尾夾夾住一端作為拿取處。取約5 mL苯胺鹽酸溶液，放置於30 mL燒杯中，加入5 mL過硫酸銨溶液，以玻璃棒攪拌均勻。

2. 盡快將濾紙懸吊浸入於燒杯之反應溶液中，讓產物逐漸聚合吸附於濾紙上，過程中觀察記錄溶液顏色的變化。

3. 聚合反應進行約5分鐘，當溶液呈現黏稠狀後，取出濾紙，觀察聚苯胺聚合及吸附於濾紙之程度與顏色。

4. 將吸附聚苯胺之濾紙依序浸入於pH 2.5鹽酸和去離子水中清洗；以吹風機吹乾，留待後續進行導電性測試。實驗操作如圖四所示。

圖四：化學氧化法製備聚苯胺

二、電化學氧化法製備聚苯胺

1. 以公用培養皿裝盛約10 mL的95%酒精，將導電玻璃浸泡於酒精中清洗，以鑷子夾取出，再用去離子水沖洗乾淨，以紙巾擦乾。

2. 以長尾夾夾住導電玻璃的一端作為拿取處；鱷魚夾線的一端夾住導電玻璃，另一端連接至直流電源供應器正極（紅端）以進行氧化反應；直流電源供應器的負極（黑端）則連接銅線電極。注意：連接方向需正確！

3. 取約7 mL的苯胺硫酸溶液，放置於30 mL燒杯中，再將導電玻璃與銅線放置於溶液中，使用載玻片隔開二電極，以避免碰觸造成短路。

4. 開啟直流電源供應器，以3 V電壓進行電化學氧化聚合反應約5分鐘，觀察記錄導電玻璃上聚合反應和顏色變化。實驗操作如圖五所示。

圖五：電化學氧化聚合法製備聚苯胺

5. 取出導電玻璃，依序於pH 2.5鹽酸溶液和去離子水中浸洗。以吹風機將覆蓋於導電玻璃上的產物吹乾。

6. 取一段膠帶，貼在導電玻璃的聚苯胺上並以手指來回壓按，使聚苯胺緊緊黏附於膠帶上。取下黏附著聚苯胺的膠帶，固定於載玻片上，以進行後續的導電試驗。實驗操作如圖六所示。

圖六：以膠帶將吹乾的聚苯胺黏附脫除

三、聚苯胺導電性測試

1. 電阻測定：將附著於實驗一的濾紙和實驗二的透明膠帶上之聚苯胺分別固定於載玻片上，以三用電表量測聚苯胺之電阻大小。測試時需注意連接聚苯胺的二支鱷魚夾的間距、深度需固定，並且量測和記錄其距離。

2. LED燈發光測試：以鱷魚夾依序連接聚苯胺、LED燈及直流電源供應器。開啟直流電源供應器，調整至適當的電壓，觀察LED燈是否發光並記錄LED燈可發光之最小電壓數值。實驗操作如圖七所示。

圖七：測試聚苯胺之導電性

四、電致變色試驗

1. 以30 mL燒杯裝取約7 mL的20% NaCl電解液，接著將前述步驟經膠帶黏貼聚苯胺後的導電玻璃，改為與直流電源供應器的負極（黑端）連接以進行還原反應，銅線與正極（紅端）連接。

2. 開啟直流電源供應器，慢慢調整電壓至約1.5V，觀察殘餘在導電玻璃上的聚苯胺顏色變化。

3. 重複步驟2，但將線路反接進行氧化反應，觀察電致變色試驗的可逆性。實驗操作如圖八所示。

圖八：測試聚苯胺的電致變色特性

n 結果與討論

本實驗安排於臺灣大學普通化學實驗課程，讓大一學生經由實作，瞭解並探究新穎材料導電塑膠聚苯胺的合成法與特性。經收集一班25組學生實驗數據，統計結果顯示學生均能以化學氧化和電化學氧化聚合法合成得到綠色聚苯胺。學生測得附著於濾紙上或黏附於膠帶上的聚苯胺，其電阻均約在kW範圍（鱷魚夾距離約0.5～1 cm左右）。

若將製得的聚苯胺連接5 mm透明燈帽的LED燈，開啟電源進行導電測試時，觀察得到的發光結果最為明顯。當以不同色光之LED燈進行測試時，發現讓紅、黃、藍光LED發光所需之最小電壓分別為1.5、1.7及2.3 V，與激發各色光所需之能階差趨勢相符。發光測試如圖九所示。

圖九：聚苯胺連結不同色光LED燈於8 V電壓下的發光結果

以苯胺為單體經氧化聚合法所製得之聚苯胺，結構兼具還原形式及氧化形式兩種單元，如圖十所示。若皆為還原形式聚苯胺（LE），則聚合物為無色。若皆為氧化形式聚苯胺（PNB），則聚合物呈現紫色。若所合成之聚苯胺兼具還原和氧化形式（EB），則外觀呈現綠藍色，如表一所示。

圖十：苯胺單體及聚苯胺的兩種單元

表一：不同氧化程度之聚苯胺及其性質

本實驗以化學氧化和電化學氧化聚合法，在酸性條件下所合成的聚苯胺均為綠色。利用殘餘在導電玻璃上的綠色聚苯胺，連結於直流電源供應器負極，開始通電，慢慢調整電壓進行還原反應時，觀察到這層綠色聚苯胺薄膜會逐漸轉變為透明無色，呈現電致變色的特性。若將線路反接，再次氧化導電玻璃上之白色聚苯胺，可觀察到聚苯胺逐漸變回綠色和藍紫色，再次回到氧化態，由此可知聚苯胺之電致變色是可逆的。通電過程中也發現，當電壓過大，超過3
V時，電解槽會有副反應發生。

此導電塑膠聚苯胺實驗，近二年安排於臺灣大學大一普通化學實驗課程，經由普通化學教學組教師不斷地研修改進實驗步驟和教材後，讓學生成功地以少量的藥品、簡單的操作步驟製備得到新穎導電材料聚苯胺。經由LED燈的發光，確實觀測到聚苯胺的導電特性，同時也減少了實驗廢棄物。

n 注意事項

l 苯胺具致癌性，需戴手套進行實驗以避免與皮膚接觸。

l 載玻片易折斷，小心割傷。

l 清洗乾淨的導電玻璃應以鑷子夾取，避免手上油脂沾附影響產物附著。

l 進行電化學氧化聚合法和電致變色試驗時，電解槽裝置的正負極連接需正確。

l 以50 mL燒杯裝取約20 mL的pH 2.5鹽酸溶液和去離子水，作為反覆浸洗用。

l 使用手指腹確實按壓膠帶以讓聚苯胺緊緊黏附於膠帶上後，再慢慢撕下膠帶，避免膠帶上黏附的聚苯胺產生裂痕而影響導電性。

l 使用三用電表測試電阻Ω值時，中央功能排檔需先轉至「Ω區」的最大量測範圍，再依實測值遞減至最佳測量範圍。

l LED燈腳為一長（+）一短（‒），長腳連接直流電源供應器正極。

l 實驗後以去離子水將各連接線的鱷魚夾清洗擦拭乾淨，以避免沾附藥品造成鱷魚夾生鏽。

l 實驗結束後，廢液須倒入指定回收桶，用過的導電玻璃及載玻片置於指定回收盒中。

n 教學指引

本實驗可搭配高中化學氧化還原反應或大一普通化學的電化學課程，進行實驗印證。讓學生經由操作，理解電解槽的陽極（+）進行氧化反應，陰極（‒）進行還原反應。實驗過程中觀察單體聚合成高分子物質的狀態變化，學習新穎材料導電塑膠的特性和電致變色的原理。整個實驗操作可於實驗課程1～1.5小時內完成。

本實驗使用苯胺鹽酸溶液進行化學氧化聚合，使用苯胺硫酸溶液進行電化學氧化聚合，二種藥品均可直接向藥品供應商採購，但不可混用。新鮮配製的二種苯胺溶液應為無色，極易因少量雜質而呈現顏色，但不影響聚苯胺的合成。實驗課前，教師應先熟悉直流電源供應器（或可考慮使用串聯電池）和三用電表的使用方法。

n 結語

導電塑膠聚苯胺實驗是一個適合材料科學領域學生實作的實驗。運用氧化還原反應並實際操作直流電源供應器和三用電表，合成並印證新穎材料的特性，是一個完整的統整型實驗。學生也可以試將濾紙改換為其他吸附載體，或者改變氧化聚合的時間，設計並進行探究實驗。經由此實驗引導學生思考如何將所合成的聚苯胺應用於生活。

n 參考資料

1. 蔡蘊明（譯），2000年諾貝爾化學獎。http://www.chemedu.ch.ntu.edu.tw/lecture/nobel.htm。

2. 陳壽安，物理雙月刊，2001, 23, 312.

3. B. C. Sherman, W. B. Euler, and R. R. Force, J. Chem. Educ., 1994, 71, A94.

4. R. Blair, H. Shepherd, T.Faltens, P. C. Haussmann, R. B. Kaner, S. H. Tolbert, J. Huang, S. Virji, and B. H. Weiller, J. Chem. Educ., 2008, 85, 1102.

5. H. Goto, H. Yoneyama, F. Togashi, R. Ohta, A. Tsujimoto, E. Kita, and K. Ohshima,J. Chem. Educ.2008,85, 1067.

6. 臺灣大學化學系，《普通化學實驗》修訂再刷版，民國107年9月，臺大出版中心：臺北。

7. Conjugated system, https://en.wikipedia.org/wiki/Conjugated_system.

n 謝誌

本實驗由臺灣大學化學系普通化學教學組研發。實驗教材初稿由林雅凡博士協助撰寫（現任教於高雄醫學大學香粧品學系），經普通化學教學組歷任教師和助教協助下進行編修與改進，而有各項多媒體教材的呈現，如中、英文教學簡報和網頁教材。相關教學資源可參考臺灣大學化學系網頁：http://www.ch.ntu.edu.tw/~genchem99/index.htm。

n 學生實驗手冊

下載本實驗的學生實驗手冊—「導電塑膠聚苯胺的製備和測試」。

利用簡易光電比色法測定溴瑞香草酚藍的解離常數／廖旭茂、林翊菲、陳淳煜

星期日 , 5, 5 月 2019 編輯助理第31期2019年5月, 綠色化學實驗留言功能已關閉

利用簡易光電比色法測定溴瑞香草酚藍的解離常數

廖旭茂*、林翊菲、陳淳煜

台中市立大甲高級中等學校

教育部高中化學學科中心
*[email protected]

簡介

基礎化學(三)中提到可逆反應會因為反應物的濃度與溫度的變化，而改變反應行進的方向，而造成現象的可逆變化可以用勒沙特列原理來解釋。關於平衡常數的測定實驗，多年來都是以硝酸鐵與硫氰化鉀反應生成血紅色的硫氰化鐵離子，再以比色法求出相關溶液的濃度，藉此求出平衡常數。本實驗聚焦在課本化學平衡中平衡常數測定實驗的改良，以溴瑞香草酚藍(Bromothymol Blue，以下簡稱BTB)的解離平衡常數Ka的測量取代課本的硫氰化鐵的比色實驗，並與標準儀器分光光度計(UV-Vis)測量結果進行比對。BTB是常用中性範圍變色指示劑，實驗用量低，使用後可完全回收再利用的特性，可以降低環境造成負擔；靈敏但便宜的光電二極體取代昂貴的分光光度計，除減輕學校購置的財務壓力外，也可以讓學生透過麵包板的簡單電路，學習組裝簡易量測儀器，學習進階的比爾定律。

朝向設計低毒性化學藥品取代有毒藥品實驗、改進實驗流程和化學藥品可回收再使用的實驗設計，除了能印證課本的勒沙特列原理外，更能有效降低有毒物質的使用及排放，達到綠色化學永續經營的目標。

器材與藥品

一、器材：

每組需要：可攜式簡易型光電比色計(組件材料包括：光電二極體、可變電阻、LED燈泡、麵包板等)。比色管6根、塑膠滴管數支、電源供應器等，Vernier分光光度計1台(比較用)、pH計一台。

二、藥品：

溴瑞香草酚藍(Bromothymol Blue，以下簡稱BTB)、0.1M HCl(aq)、0.1M NaOH(aq)。

研究方法與步驟

一、 簡易光電比色計的原理：

1. 本實驗用電子元件套件購自易儀科技，相關原理可參考其出版的探究與實作一書^[3]。光電二極體(photodiode SP-1KL)為光強度的偵測器，將通過樣品溶液的不同強度的光轉為電壓訊號；以紅、黃、綠、藍、白各色LED發光二極體為測試光源，找出最適合的光源；以黑色發泡板製成的比色液槽，作為放置塑膠比色管的容器；利用可變電阻控制LED燈光源的電流大小，避免燈泡被燒毀；因光電二極體輸出的光電流不大，故使用一個1MΩ的使用電阻調整光電二極體輸出的電壓。作法上先以蒸餾水作為空白測試，假設以可變電阻調整電壓約為V₀伏特，當溶液的顏色變深時，通過的光電流會變小，輸出的電壓(假設為V_t)也會變小，溶液越濃時，量測的電壓值越小。同理，V=IR，在固定電阻情況下，光電二極體輸出的電壓V值可與光電流I成正比；套用比爾氏定律，溶液的吸收度A= – log ( I_t/I₀) ( I₀為光源的強度，I_t為光通過溶液後的強度)，其中A = – log ( I_t/I₀)亦可以A= – log ( V_t/V₀)表示，下圖為光電比色計的核心機構圖。

圖1：光電比色的機構圖

2. 有關比色的方法都是遵循的Beer’s Law^[4]，A代表吸收度，ε為吸光係數，為光通過的路徑長，c為溶液的濃度；溶液越濃，吸收度A越大。Beer’s Law如下式所示：

…………[式1]

3. 此簡易型光電比色計，電源一般可使用電源供應器調整適當的電壓即可；亦可使用9V電池經過7805穩壓晶片及一個可變電阻，亦可提供穩定電源給Led光源。下圖為簡易型光電比色計的簡圖。

圖2：圖左以電源供應器為電源，圖右以9V乾電池搭配7805穩壓晶片為電源

二、 吸收度與濃度的測定：

利用光電比色計與pH計，量測BTB指示劑的解離平衡常數。BTB一般是以鈉鹽形式存在，在弱酸性的環境中呈黃色，弱鹼中呈藍色，屬於中性範圍變色的指示劑。依照BTB的文獻顯示^[1],[2]，BTB在鹼性環境時呈藍色(pH>7.6)，最大吸收波長為616 nm；在酸性環境中呈黃色(pH<6.0)
，最大吸收波長為423 nm。但根據鹼性環境中光譜波形顯示吸收的相對低點在452 nm，因此大部分的文獻為避免干擾皆會選擇使用452 nm作為酸性溶液的光源來進行偵測。

其大概作法是將BTB分別溶於強酸、強鹼溶液中，使反應生成物絕大部分往某一方行進，顏色變為黃色(酸型的顏色)，以及藍色(鹼型的顏色)，再分別以波長452 nm(藍光)，與616 nm(橘光)的光源去掃描酸型與鹼型的溶液，求出吸光係數ε₄₅₂和ε₆₁₆。隨後將BTB指示劑加入預先配好的pH=7的緩衝溶液中，使溶液呈接近中性的綠色，再分別以波長452 nm(藍光)，與616 nm(近橘光)的光源去掃描綠性的溶液，分別求出不同波長的吸收度A₄₅₂與A₆₁₆。詳細做法流程，會在接下的的步驟中介紹。有關瑞香草酚藍解離的變色、與吸收波長如下圖所示。

圖3：BTB在不同酸鹼中的顏色以及吸收波段

三、實驗步驟：利用麵包板簡易型的光電比色計測定BTB指示劑的解離平衡常數。

1. 簡易光電比色計的裝置圖，如下圖所示，詳細說明可參考易儀科技所出版的科學的探究與實作一書^[3]。

圖4：裝置線路圖示

2. 利用濃度為0.04 % 的BTB備用溶液，以0.1M HCl溶液為稀釋劑，配製4×10^-3 % ~4×10^-4%四種不同濃度C1~C4的溶液。作法分別取備用溶液0.1、0.2、0.4、0.6毫升，加入一個10毫升的容量瓶內，再以0.1M的HCl溶液，稀釋至10毫升的刻度。C1~C4的濃度分別為4×10^-4 %、8×10^-4%、1.6×10^-3%、2.4×10^-3%。

3. 將簡易型的光電比色計的線路接好^[3]，以分度吸量管吸取3毫升的蒸餾水裝入比色管中，以波長接近453 nm的藍光Led為光源，調整可變電阻讓三用電表電壓讀值為2.00 V
(可藉由可變電阻自由設定空白電壓值，簡稱V₀)；接著依序吸取C1~C4的溶液，量測各溶液的電壓值分別V1~V4(透光電壓，簡稱V_t)。將電壓值代入A= – log ( V_t/V₀)式中，求出吸收度A1~A4的值。

4. 在強酸中溴瑞香草酚藍，絕大部分以酸式的狀態存在(HBB)，鹼式的濃度(BB^─) 極低，可視為不存在，因此利用比爾氏定律中吸收度A、光徑b(比色管邊長)、濃度c(c值以[HBB]代入)的關係式A=εbc，求出ε₄₅₃值。取四個數字平均即為ε₄₅₃值。

5. 接著利用濃度為0.04 % 的BTB備用溶液，以0.1M的NaOH溶液為稀釋劑，配製4×10^-3 ~4×10^-4%四種不同濃度C5~C8的溶液。作法分別取備用溶液0.1、0.2、0.4、0.6毫升，加入一個10毫升的容量瓶內，再以0.1M的NaOH溶液，稀釋至10毫升的刻度。C5~C8的濃度分別為4×10^-4 %、8×10^-4%、1.6×10^-3%、2.4×10^-3%。

6. 接著以波長接近616 nm的橘光Led為光源，掃描C5~C8的溶液，調整可變電阻讓三用電表電壓讀值為2.00 V(空白電壓，簡稱V₀)；接著依序吸取C5~C8的溶液，量測各溶液的電壓值分別V5~V8(透光電壓，簡稱Vt)。將電壓值代入A = – log (V_t/V₀)式中，求出吸收度A5~A8的值。

7. 在強鹼中溴瑞香草酚藍，絕大部分以鹼式的狀態存在(BB^─)，酸式的濃度(HBB)極低，可視為不存在，因此利用比爾氏定律中吸收度A與光徑b(比色管邊長)、濃度c(c以[BB^─]代入)的關係式A=εbc，求出ε₆₁₆值，取四個數字平均即為ε₆₁₆值。

8. 配製pH=7的緩衝溶液：取0.1M的KH₂PO₄溶液100毫升與0.1M的K₂HPO₄溶液63毫升，混合形成pH=7的緩衝溶液。

9. 取10毫升配製完成的緩衝溶液倒入燒杯中，接著加入10滴0.04 %的BTB備用溶液，攪拌均勻後，觀察溶液的顏色，隨即以數位酸鹼計紀錄燒杯內溶液的pH值。下圖為實驗操作過程。

圖5：圖左為光電比色計的使用，圖右是pH值的測量

10.從燒杯中取出3毫升的溶液倒入比色管，利用比色計以波長453nm掃描比色管溶液，量測各溶液的吸收度A₄₅₃。接著以波長616nm掃描比色管溶液，量測各溶液的吸收度A₆₁₆。由吸收度值A₄₅₃、A₆₁₆分別求出[HBB]與[BB^─]值，並利用[H⁺]求此反應的平衡常數Kc，相關運算式如下式所示。

clip_image002 …………[式2]

11. 以商用的UV-Vis光譜儀重複上述步驟，並與文獻相比較BTB的解離常數。

實驗結果與討論

一、利用「簡易型光電比色計簡易光電比色計」量測(BTB)指示劑解離平衡常數，相關結果如下所述：

1. 當以黃光Led照射鹼性的BTB溶液時相關偵測數據如下表所示：

表1：黃光下，不同濃度BTB的吸收度與濃度數據

經簡易光電比色計所量測的電壓換算成吸收度，接著求出吸光係數ε₆₁₆。以吸收度為縱座標，濃度為橫坐標，發現兩者的相關係數達0.984，關係圖如下所示。

圖6：黃光Led下，吸收度與濃度的關係

2. 當以藍光Led照射酸性的BTB溶液時相關偵測數據如下表所示：

表2：藍光下，不同濃度BTB的吸收度與濃度數據

經簡易光電比色計所量測的電壓換算成吸收度，接著求出吸光係數ε₄₅₂。以吸收度為縱座標，濃度為橫坐標，發現兩者的相關係數達0.994，關係圖如下所示。

圖7：藍光Led下，吸收度與濃度的關係

3. 簡易型光電比色計與專業型UV-Vis光譜儀所測出的解離平衡常數Ka及pKa，經運算後所得的結果如下表所示：表3：BTB解離常數統計

從五次實驗所得的吸光係數來看，不管是藍色光源(ε₄₅₂)或黃色光源(ε₆₁₆)都不及專業的光譜儀；簡易光度計使用簡易光度計與專業型的光度計兩者所量測的結果以pKa來看，相去不遠。相關誤差應該來自光源，簡易的光電比色計的光源波長並不是溶液的最大吸收波長；其中黃光Led光源，其最大發射波長約595nm，與理論的最大吸收波長616 nm相距約20 nm，而減量線相關係數只有0.984；而藍光Led光源，其最大發射波長約462 nm，與理論的最適合吸收波長452 nm相距約10 nm，相關係數達0.994。下圖為Led光源的發射光譜。

圖8：圖左為黃光Led的發射光譜，圖右為藍光Led的發射光譜

結語

簡易型的光電比色計靈敏度及穩定性尚不及市售的光譜儀；然而使用簡易型的光電比色計所測的解離平衡常數pKa平均值為7.12與專業的分光光度計僅相差0.01，代表利用簡易型的光電比色計為工具來測量BTB的解離常數仍是適合的工具。惟每一種物質的濃度線性範圍皆不相同，建立檢量線時需要繁複的測試過程，不像商用儀器已經有範例可循，這是未來可以改進的地方。以靈敏的光電二極體測量BTB指示劑的解離平衡常數，會比課本利用目測比色法測量硫氰化鐵平衡常數的實驗結過更精確。BTB指示劑實驗後可100 %回收再利用，符合綠色化學原則。

安全注意及廢棄物處理

實驗後，反應所產生的BTB廢液，可以滴定數滴的強酸或強鹼至溶液呈綠色為止，回收待下次酸鹼反應時再利用。

參考文獻

1. Spectrophotometric Determination of the pKa of Bromothymol Blue, 2018年10月參考Truman State University CHEM 222 Lab Manual http://chemlab.truman.edu/files/2015/07/pka1.pdf.

2. Atkins, P.; Jones, L. “Chemical Principles: The Quest for Insight”, 6th ed.; Freeman: New York. 2013.

3. 賴新枝，葉世榮。科學的探究與實作。新竹市：易儀科技。

4. Beer–Lambert law，2018年10月參考維基百科https://ppt.cc/fN91ox.

元素週期表背後的女科學家／吳嘉麗

星期六 , 4, 5 月 2019 編輯助理化學小故事, 第31期/2019年5月留言功能已關閉

元素週期表背後的女科學家

吳嘉麗

淡江大學化學系榮譽教授

台灣女科技人學會
常務監事

亞太女科技人聯絡網主席 (2018-2020)

[email protected]

今年2019年距離1869年門得列夫教授根據當時所發現元素的週期性，提出其雛型列表剛好150年，聯合國特訂2019年為國際元素週期表年(International Year of Periodic Table, IYPT)。至今列入週期表的元素已達118個，每一個元素的發現都有一個故事，都是一個團隊的接力或合作成果。很多科學家因此獲得諾貝爾獎或榮獲元素的命名，但是我們都知道，新發現的背後一定還有很多不為人知的科學工作者的貢獻，尤其是早年19世紀和20世紀初期的女性。本文參考Nature原文¹及微文庫的翻譯²，選擇其中較不為人知的九位女科學家，同時參考維基百科等的介紹，略加入她們的生涯故事以與讀者分享。為了凸顯這些女科學家，在提及她們的貢獻時，本文選擇只引用她們的「名」；其他科學家則以「全名」翻譯，如為化學界熟識的，只譯其「姓氏」。

1. 茱莉亞·列蒙托娃(Julia Lermontova，1846-1919) —鉑族金屬元素分離過程的改進

門德列夫於1869年首次製作了當時已知元素週期表的雛型，俄羅斯化學家茱莉亞˙列蒙托娃可能是在門德列夫的要求下，對鉑族金屬（釕、銠、鈀、鋨、銥和鉑）的分離過程進行改良。原子量和性質相近的元素非常難區分，必須先將它們分離，才可能將它們依序排入適當的位置。關於茱莉亞的工作貢獻，只有記載在門德列夫的檔案和他們的來往通信之中。

茱莉亞從小接受私人家庭教師的指導，她喜歡科學，除了閱讀專業文獻，也自己在家做實驗，父母並未阻止她。本來她在幾位教授的推薦下申請一間化學方面極有名的農業學院，卻未獲准入學。因此她決定到國外繼續學業，1869年得以進入德國海德堡大學，跟隨本生教授(Robert Bunsen)學習。在本生實驗室，她接受門德列夫的建議，進行了鉑族合金的分離。茱莉亞後來去哥廷根大學讀博士，1874年她成為德國歷史上第一位獲得化學博士的女性。茱莉亞終生未婚。³

2. 瑪格麗特·陶德（Margaret Todd，1859-1918）、司蒂芬妮·霍洛維茨（Stefanie Horovitz，1877-1942）—同位素名詞及鉛釷相關研究

英國化學家弗瑞錐克·索迪（Frederick Soddy）在1913年提出同位素這個概念，但是「同位素」這個名詞，最早卻是由瑪格麗特·陶德醫生在一次晚宴上提出。

1914年，波蘭猶太裔化學家司蒂芬妮·霍洛維茨在維也納鐳研究所工作期間，用實驗證明了同位素的存在。她證明即使像鉛這樣常見的元素，也可能具有不同的原子量，取決於它是從鈾還是釷的放射性衰變而來。

司蒂芬妮出生於波蘭，1890年全家搬至維也納，1914年她在維也納大學獲得有機化學博士。司蒂芬妮從富含鈾礦的瀝青樣品中分離出鉛，她證明從鈾的放射性衰變中所得到的鉛，比一般常見的鉛原子量輕，這個實驗證明元素的來源不同，原子量也可能不同。她和另一位科學家也發現了釷是第二個具有同位素的元素，這個釷的同位素原來被另一科學家誤認為是一個新的元素。

第一次世界大戰後，由於政治及家庭因素，司蒂芬妮中斷了專業研究，她和一位心理學家朋友成立了一個專收學習困難孩童的寄養之家。有傳說她後來回到華沙，1940年被納粹處死，也有消息說她1942年死在一個集中營。⁴

3. 哈麗特·布魯克斯（Harriet Brooks，1876-1933）—氡氣的發現

哈麗特·布魯克斯是加拿大的第一位女性核物理學家，她在核蛻變和放射性方面的研究非常有名，拉塞福（Ernest Rutherford）曾稱讚哈麗特的天賦可與居禮夫人相提並論。哈麗特在加拿大麥吉爾大學物理所還是研究生時，在拉塞福實驗室研究放射性和蛻變。當時大家正在探討元素鐳的放射物到底是甚麼?是顆粒嗎?還是氣體?1901年哈麗特和拉塞福提出鐳放射物的擴散像一種很重的氣體，這是證明放射性衰變過程可能產生新元素的第一個證據。1907年威廉·拉姆塞（William Ramsay）建議這個後來被命名為「氡」的氣體屬於氦族元素，也就是惰性氣體。

1902年，拉塞福和索迪(Soddy)宣佈了他們的放射性衰變理論：原子在發出放射線的同時自發地衰變成新的原子。拉塞福因其研究成果獲得了1908年的諾貝爾化學獎。哈麗特發現氡是第一步，也是非常重要的一步，但世人卻很少記得她。雖然第一篇論文是由哈麗特和拉塞福共同寫作的，但後來發表在《自然》上的另一篇論文就只有拉塞福的名字，僅僅註明哈麗特為拉塞福提供了協助。

哈麗特在麥吉爾大學還是大學生時，成績非常優秀，但是前二年因為她是女性而沒有資格接受獎學金。1901年，她是麥吉爾大學第一位獲得碩士學位的女性。1905年，哈麗特獲聘至紐約市伯納學院任教，次年她與哥倫比亞大學一位物理系的教授訂婚，學校的院長卻說哈麗特結婚時就必須離開學院。哈麗特堅持她有權利兼顧專業和婚姻，雖然物理系主任支持她，院長仍引用學校董事會的說法：已婚女人不可能是一位成功的學術人。哈麗特最後解除了婚約，選擇留下任教。1907年，她與麥吉爾大學一位物理系講師結婚，在蒙特婁定居。1933年，她因白血病過世，據說乃因過度暴露放射線的緣故。⁵

4. 妲玲·霍夫曼（Darleane Hoffman，1926-)—、鈽、鐨元素相關

妲玲·霍夫曼是加州大學柏克萊校區的化學教授，也是勞倫斯柏克萊國家實驗室核能科學部門的資深科學家。當年曾參與確認元素的存在，她證明原子序100的鐨-257同位素不只是在被中子撞擊以後會分裂，也會自發性的裂變。她還發現了自然界中存在原子序94的鈽-244，鈽是存在於自然界中原子序最高的一個元素。妲玲原在橡樹嶺(Oak Ridge)國家實驗室工作，婚後1953年轉至洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)實驗室，1979年擔任同位素及核化學部門的主管，是第一位擔任該國家實驗室科學部門的女性主管。1984年再轉至加州大學柏克萊校區帶領放射化學團隊的相關研究。1996年退休後仍參與研究指導及顧問諮詢。⁶

5. 棠·邵內西(Dawn Shaughnessy)–超重元素原子序113-118的發現

棠·邵內西是一位放射性化學家，2000年自加州大學柏克萊校區化學系獲得博士學位，她的論文指導老師正是前一位介紹的妲玲·霍夫曼。2002年進入勞倫斯·利弗莫爾(Lawrence Livermore)國家實驗室工作，在她帶領重元素群小組研究時，他們團隊協助鑑定了六個超重新元素（原子序113-118），其中原子序116的鉝(Lv)就是她給的命名，因為這些工作是他們在Livermore實驗室完成的。⁷

6. 一組西班牙女性團隊 (1920s-1930s)—氟元素對健康的影響

西班牙馬德里大學的一支年輕女性團隊，特別是卡門·布魯格·羅曼（Carmen Brugger Romaní）和翠妮妲·薩利納斯·費雷爾（Trinidad Salinas Ferrer）與馬德里大學的何塞·卡薩雷斯·吉爾（José Casares Gil）實驗室共同進行研究，探討氟的定量和新的分析技術，氟對健康的影響及礦泉水中的氟含量，這些研究都有寫成論文記載或發表(1927, 1934, 1935)⁸。1936 -1939年間西班牙內戰後，這些女性不得不退出研究，她們的工作成果便歸入了當時同實驗室其他男學生的名下。

卡門和翠妮妲都是藥學系學生，後來獲得馬德里大學的博士學位。氟元素早在1886年就被一位法國化學家Henri Moissan分離鑑定。

7. 瑞塔·克拉克·金（Reatha Clark King，1938-）—氟的高反應性研究與應用

瑞塔·克拉克·金是第一位在華盛頓特區國家標準局工作的非洲裔美國女科學家。1960年代，她研究氟氧氫氣體混合物的燃燒，氟的高反應性顯示這個元素可用於火箭推進劑。但是這個混合物爆炸性過強，瑞塔特別為此設計特殊的設備讓它有安全應用的可能，而NASA採用的正是瑞塔的設計。

瑞塔的父親是一佃農，母親只受過小學三年的教育，1954她高中畢業那年，美國最高法院宣告，所有公立學校的黑白種族分離政策違憲，瑞塔當年就是代表他們那一屆，發表告別分離政策的演講。後來她自克拉克學院(Clark College)獲得化學及數學的學士學位，1963年自芝加哥大學獲得熱化學博士學位，又利用後來教授休假年到哥倫比亞大學進修，獲得商業管理和財務管理的碩士學位。她曾擔任紐約市立大學約克學院的教授以及明尼蘇達州Metropolitan 州立大學的校長，1988年被挖角到一跨國食品企業通用米爾斯公司(General Mills Corporation)，先後擔任副總裁、總裁以及該基金會董事長。⁹

8. 艾麗絲·漢密爾頓（Alice Hamilton，1869-1970）—鉛汞重金屬對健康的危害

艾麗絲·漢密爾頓是一位美國醫生，是職業健康領域的專家，工業毒物學的先驅開創者。她最有名的研究是美國鋼鐵工人的一氧化碳中毒，製帽工人的汞中毒，以及手提鑽工人的手傷害。她證明了鉛的毒性及其對公眾和金屬行業從業人員的危害，她迫使保險公司和製造商採取安全措施，並對受影響的人進行賠償。她還組織社會運動，讓大家認識到汞等重金屬可能給從業人員造成的疾病傷害。早在1925年，她就明確反對在汽油中添加鉛。

1895年初艾麗絲和她姊姊至德國遊學，她們在法蘭克福的申請很順利，但是在柏林的申請卻被拒絕，後來他們在慕尼黑和萊比錫就學，都曾有過因為是女性而被歧視的經驗。1896年九月艾麗絲回到約翰霍普金斯大學醫學院繼續研究所的學業。1919年，她受聘為哈佛大學的第一位女性助理教授，但是直到1935退休，她的聘書都是三年一聘，從未升等到正式職位。

艾麗絲在爭取婦女權益以及和平運動方面非常活耀，她參加了1915年在海牙舉辦的第一屆國際婦女大會(International Congress of Women)，和1919年在蘇黎世的第二屆大會。她熱衷於社會改革，像公民自由、和平議題、節育、保護女性勞工的立法等她都積極參與，曾被批評為極端和顛覆份子。退休後她仍積極寫作出書，101歲過世。¹⁰

9. 前田俊子(Toshiko Mayeda，1923-2004) —氧同位素的定量分析

日裔美籍技術人員前田俊子在1950年代就掌握了氧放射性同位素的測量方法。起初她在芝加哥大學哈羅德·尤里（Harold C. Urey）實驗室裡清洗玻璃器皿，不久後成為質譜儀的負責人。

她協助測定了貝殼化石中氧同位素的含量，用以推斷史前海洋的温度，並將這種方法推廣到了隕石研究中。從1970年代到1990年代晚期，俊子和長期合作的芝加哥大學化學系教授羅伯·克雷頓(Robert N. Clayton)利用幾種氧同位素的比例對隕石分類，這方面研究他們做得十分出色，非常有名。不幸的是，像所有日裔美國人一樣，1941年12月7日珍珠港事件發生後，俊子和她父親被送往美國一處荒漠集中營，在該處她認識了她後來的先生。俊子只擁有化學學士學位，但是她很幸運得到了上司的支持，在期刊論文中她的名字與那些博士和教授同等並列。俊子在華盛頓州出生，芝加哥大學畢業，1958年起擔任研究助理，探討隕石成分、冰河世紀的氧同位素分析等。2002年日本地質化學學會曾頒給她學會功績獎，一個小行星以她命名。^{11, 12}

結語

從這些女科學家的生涯故事來看，20世紀以前這些得以參與科學探討的歐美女性，多半有一個良好富有的家庭，才有機會請私人家教、或進入極少數的私立女子學院學習科學。但是在論文發表時，主要作者仍經常故意忽略女性的參與貢獻。對女性和少數民族的歧視及不平等待遇直到20世紀中期，在所謂先進的美國仍司空見慣，即使法律已明令禁止，數百年來的刻板印象，或存在一般人心中那幽微隱晦的偏見，仍需要世人不斷的提醒和呼籲，才有可能看到更多女性在科技領域的大放異彩!

參考資料

1. Van Tiggelen, B. and Lykknes, A. (2019). The women behind the periodic table. Nature, 565, 559-561.

2. 微文庫. (2019). 從居里夫人到Toshiko Mayeda，為元素週期表背後的女性科學家喝彩.https://hk.wxwenku.com/d/200362902

3. https://en.wikipedia.org/wiki/Julia_Lermontova

4. https://en.wikipedia.org/wiki/Stephanie_Horovitz

5. https://en.wikipedia.org/wiki/Harriet_Brooks

6. https://en.wikipedia.org/wiki/Darleane_C._Hoffman

7. https://en.wikipedia.org/wiki/Dawn_Shaughnessy

8. Suay-Matallana, I (2019). Visualising women in the Periodic Table: A Spanish research line on fluorine (1920s1930s). International Symposium on Setting their Table: Women and the Periodic Table of
Elements, Murcia, Spain. http://www.iypt2019women.es/abstract_list.php http://www.iypt2019women.es/pdf/abstracts/abstract_template_wpt2018.pdf

9. https://en.wikipedia.org/wiki/Reatha_King

10. https://en.wikipedia.org/wiki/Alice_Hamilton

11. https://en.wikipedia.org/wiki/Toshiko_Mayeda

12. 感謝淡江大學化學系魏和祥榮譽教授幫忙考察日本文獻，確認這位同位素放射化學家的中文譯名。

《2019國際化學元素週期表年特展》活動介紹／邱美虹

星期五 , 3, 5 月 2019 編輯助理國內外化學教育交流, 第31期/2019年5月留言功能已關閉

《2019國際化學元素週期表年特展》活動介紹

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所
[email protected]

《2019國際化學元素週期表年特展》為科技部、教育部國民及學前教育署、行政院環境保護署毒物及化學物質局指導，由國立臺灣師範大學、中國化學會以及國立臺灣科學教育館共同主辦，為慶祝聯合國宣布的2019年為國際化學元素週期表年，同時也是俄國化學家門得列夫(Dmitri
I. Mendeleev)於1869年發表元素週期表150年，希望藉由今年一連串的慶祝活動，彰顯化學元素對人類衣食住行育樂、醫藥、能源、科技發展等各面向的貢獻。此特展將從108年6月1日(星期六)起在科教館展出後，將陸續在國內其他四個博物館展出，並將移展到各中學和大學，以共襄盛舉今年化學界的大事。

凡是上過科學課程的人，沒有不知道元素週期表的，而學過週期表的人也都或多或少會知道金屬和非金屬這些元素在週期表中的位置。如今我們看到週期表中的各元素所在的位置似乎是理所當然，但是門得列夫在1869年時是排列63張卡片時發現元素之間的的規律性而建立週期表的，並大膽地對尚未發現的三個元素進行預測，後來這些元素也都被證實他們的存在，這一步使得他的週期表與其他較為保守的科學家所建立的週期表不同且更具前瞻性，雖然現今週期表的排列方式是以原子序為主，有別於當年門得列夫以原子量排列的方式，但無損於門得列夫在科學上的崇高地位與貢獻。

此次特展分為六大展區，展出內容都是精心設計的展品，包含元素方塊週期表、光雕投影、化學元素大事記、化學元素海報、視障者點字元素週期表、女性科學家與週期表、稀缺元素週期表、中學生眼中的週期表、元素文學小品、元素郵票展、擴增實境(AR)和虛擬實境(VR)等。其中有幾項展品特別值得在此一提，如元素光雕投影(魔方118)以中國風的方式呈現元素的特性，這應是是全球首創；盲人點字週期表嘉惠盲人、臺灣學生的藝術創作週期表以及新興科技與化學學習的連結等，同時展品中的稀缺元素週期表更是讓我們必須正視因科技所帶來的化學元素瀕危之衝擊，希望能透過這些展覽品傳遞化學元素對人類科學發展的貢獻、激起社會大眾對化學與化工的正面觀點、建立基本的化學與化工的認識、提高對環境與永續發展議題的關心、積極發展永續化學的行動力，以達到科普傳播與提升民眾科學素養的目標。

光雕投影創作理念分享——魔方118

演講者：劉育樹導演（光點吉樹工作室）

2019年是為聯合國(UN)公布之「國際化學元素週期表年」，亦是俄羅斯化學家門得列夫(Dmitri I. Mendeleev)提出元素週期表的150周年。正因為元素週期表在人們眼中是西方科學界的產物，因此我們藉由此光雕投影將元素週期表結合中國風，以呈現獨特的東方風格，其中尤以傳統臺灣特色為主。

影片內使用了大量東方元素來結合西方的元素週期表：以風水羅盤的圓形排法替換週期表的矩型排法，除了以圓象徵人類生存之地球，更代表著週期表中的所有元素皆是存在於這個圓中──即地球上。中文字也是東方文化中重要的元素之一，影片中將週期表元素的英文字替換成中文字呈現，其用意在於將熟悉的西方週期表以東方詮釋表達東方對於化學界亦有所貢獻，而非僅止於推崇西方科學。

影片中亦會列舉人類生活中的重要元素，並呈現該元素的材質、顏色或特性等，讓人們認識到生活周遭其實有很多物品都和化學元素有關；此外，象棋是華人世界眾所皆知的棋藝遊戲，透過使用象棋作為化學元素的象徵物，把虛幻的化學元素實體轉化為熟悉的象棋棋子，讓大眾對於艱澀的化學多了一分親切感。而化學元素除了實體化作為象棋外，亦可以真實的進行對弈，透過分類化學元素，區分成金屬及非金屬兩類型來進行對弈。金屬與非金屬之間的對戰、結合呈現出真實的化學反應，生成一個化合物。藉由這些元素象棋之間的對戰、元素結合成的化合物，讓大眾更加了解這些化學元素在日常生活中是多麼地頻繁出現，皆是出現在我們的生活之中。

作為最後一個東方元素，影片中使用廟宇的籤筒，來呈現傳統臺灣風格的週期表。以矩形週期表旋轉收進籤筒，旋轉即是圍繞成一個圓圈，再度使用圓作為世界的概念，而所有的元素繞著圓旋轉，與開頭的圓互相呼應，串聯整部影片並以東方風格收尾。

特展亮點

1. 入口意象

本特展之主視覺牆面，設計元素包括週期表、本次周年紀念活動的主人翁——門得列夫，化學元素的物理及化學性質，及其在各領域之多元豐富應用等，以彰歡慶元素週期表被提出屆滿150週年之意涵。

2. 元素方塊

展場內打造118個大型元素方塊，方塊每面分別展示該元素之原子序、原子量、化學性質及與該元素相關之歷史、生活、科技等科學資訊。118個方塊將依週期表排序堆砌成巨型元素方塊牆面，錯落有致的立體牆面搭配光雕影片投射，展現化學元素發展歷史、文化脈絡及生活應用，如同一場知識的聲光饗宴，絢麗非凡。場內另陳列有10x10cm比例的小型元素方塊牆面，118顆方塊皆可取出觀賞六面的設計內容，讓知識可以親手觸摸。

　　　　元素方塊(Md)　　　　　　　　　小型元素方塊牆面

3. 魔方118——光雕投影(光點吉樹設計)

邀請國際知名3D動畫導演劉育樹為國際化學元素週期表年慶祝活動精心設計，透過中西合璧的巧思，將西方科學結合中國風，以中藥櫃的概念呈現獨特的東方特色，展現出全新文創概念的元素週期表。

光雕影片內容將以多媒體動畫形式，傳達化學元素如何存在於我們的身邊，並與我們的生活密不可分。全片中英對照，適合全年齡的民眾一同來感受獨此一門，視覺與聲音的饗宴。

光雕影片投影開始畫面

4. 元素大事記
以時間軸方式展示元素週期表中各化學元素，自紀元前至近代間發現年代之大事記，並將各元素以化學性質分類，於右下角加註圖例說明，方便民眾瞭解人類發掘元素的歷史。

(由國立臺北教育大學周金城教授設計之大事記)

5. 稀缺元素週期表
為了讓世人意識到全球元素稀缺的嚴重性，本特展展示歐洲化學會（European Chemical Society）所繪之稀缺元素週期表繁體中文版，並搭配與化學元素相關的問答，製成互動式掀牌展板寓教於樂，傳達生活中的化學知識以及稀缺金屬的議題，進而促使大眾珍惜資源，以利永續發展。

6. 中學生眼中的元素週期表
由國立臺灣師範大學邱美虹教授發想，臺北市立大直高中林欣美老師、曾茂仁老師，新北市立三重高中張怡婷老師、李雁婷老師，國立臺灣師範大學附屬高級中學吉佛慈老師，及新北市立新北高級中學鍾曉蘭老師指導，帶領各級學校學生所設計的118幅元素繪圖週期表。以活潑生動的藝術形式，將化學元素融入你我的生活。

7. 最古老的現存教室用週期表(現場展示為複製品)

於2014年英國聖安卓大學(University of St. Andrews)整理校內演講廳儲藏室時所發現。此週期表的內容與門得列夫1871年發現的週期表很相似，但已有1875年發現的元素鎵(Ga)、1879年發現的鈧(Sc)，但尚未紀錄1886年發現的鍺(Ge)，故推論這張海報約於1879-1886年間製成，距今已有約140年的歷史，極有可能是現存最為古老的元素週期表。

8. 視障者點字元素週期表

由國立彰化師範大學楊水平教授所發想設計，與校內師生合作重新構思週期表，並製作透明自黏膠片點字，將兩者相結合成世界第一幅針對視障者使用的元素週期表，並於特展內展出，讓化學教育不再侷限於生理，歡迎參觀者皆前來觸摸點字週期表的特殊魅力。

9. 元素海報
美國化學會（American Chemical Society）為慶祝國際化學元素週期表年，製作一系列以化學元素為主題之科普海報，解說元素在日常生活的面面觀，如半導體、煙火中存在的元素等。為了使這批珍貴的元素海報便於臺灣民眾閱讀，主辦單位已獲得授權翻譯為繁體中文版，並挑選其中11張於特展中陳列展示。

10. 化學元素與女性科學家

化學元素現今已有118位成員，每發現一種新元素的背後，都有一段科學家探索未知的故事，而其中也有女性科學家的存在。本特展特別介紹與化學元素命名有關的女科學家，以及對元素研究有所貢獻，卻被隱藏在週期表下的女科學家，期待讓民眾對化學與元素的歷史脈絡有更多的了解。

11. 元素藝廊

以集郵及文學的角度切入，用藝術的角度呈現化學元素如何與我們的生活緊密結合。現場展示有珍稀元素週期表、名人科學家等紀念郵票及明信片收藏，並分門展示與化學元素相關之台灣郵票；文學小品集則彙集了中外名人與週期表、化學元素相關之箴言，或摘錄的文句，期待以柔性的方式引導民眾親近化學。

12. AR/VR互動體驗

場內設置臺師大邱美虹團隊研發之擴增實境(AR)和虛擬實境(VR)教材互動區。在AR活動區，設有DNA雙股螺旋、極性分子鍵結、有機分子撲克牌和奈米碳管等擴增實境模型，拿起手機下載App，即可觀賞立體化學模型；在VR區則可體驗「雅典學院與大師對談」虛擬實境，內容包括畫作除黴、化學元素分類與配對、電解實驗、氧化汞實驗等互動遊戲。以新型態的科普教材，傳達化學與民眾生活息息相關！

　 AR區奈米碳管教具　　　　　　VR區畫作除黴遊戲場景

開幕活動

化學元素變變變——實驗演示說明
主題一：應用新型電解水器電解飽和食鹽水與產物身分鑑定
演示講師：臺中市立大甲高中廖旭茂老師
演示時間：5分鐘

十九世紀初期，科學家開始利用電流來進行化學反應，並從化合物分離出元素出來，英國的戴維就利用這個方法發現了鉀、鈉、鈣、鍶以及鋇等元素。電解法是用來提煉元素的最常見方法。

1866年，德國的霍夫曼教授發明的電解水器(Hofmann voltameter)問世，電解器外型似H型玻璃製的聯通圓管，白金電極貫穿橡皮塞，與帶刻度的圓柱形玻璃管底部相連接；玻璃製的材質因為安全性與不方便考量，慢慢被塑膠材質的電解槽所取代的。下圖為新製的電解水器，壓克力容器主體，結合收集氣體的塑膠針筒以及提供產物檢測的三通閥。

本演示將公開自製的新型電解水器進行飽和食鹽水的電解，並分析鑑定陰、陽極產物的身分。新研發的電解水器擁有以下特點：

1. 應用雷射切割技術，壓克力製的電解槽結合塑膠針筒與三通閥，具有組裝容易，不易摔破、攜帶方便的優勢。

2. 以低廉、高強度的碳纖維棒取代昂貴的白金，與易折斷的石墨棒。

3. 陰、陽電極固著於塑膠螺絲上，方便自由拆卸、更換，可提供電解的變因探究。

4. 可用於電鍍反應調查、分析合金相組成、回收有毒重金屬離子、清除有毒有機物、製作可逆式燃料電池。

主題二：五彩繽紛的焰色反應
演示講師：國立臺灣師範大學附屬高級中學吉佛慈老師
國立臺灣師範大學謝東霖碩士生
演示時間：5分鐘

對大多數人來說，顏色是個容易分辨物質的方式。早在魏晉南北朝時期的《本草經集注》就有記載「強燒之，紫青煙起，仍成灰。不停沸如樸硝，云是真硝石也。」紫色的火焰正是燃燒硝酸鉀所產生的顏色。18世紀德國分析化學家馬格拉夫也成功的用火焰顏色的不同分辨出碳酸鈉與碳酸鉀兩種化合物。而後其他科學家陸陸續續發現了不同鹽類的不同顏色火焰，奠定了焰色分析法的基礎。現在每逢節日就會看到五顏六色的煙火，也是利用焰色的原理。

本演示選擇幾種常見的鹽類，並設計出安全性極高的實驗，展現五彩繽紛的焰色反應：

1. 利用酒精膏的方式，降低實驗過程所帶來的危險性。

2. 教學上除了可探討不同元素在電子躍遷過程的放光現象，酒精膏製作也可用在分子間的作用力相關教學上。

動手做攤位

開幕典禮現場設有四個動手做攤位，10:15-12:15開放體驗，每攤體驗時間大約是5-10分鐘。收集任三個攤位的體驗印章即可兌換限定版特展紀念胸章一枚，一起來實作體驗化學的樂趣吧！

1.元素方塊摺紙（國立臺灣師範大學）

元素方塊摺紙「氧」的樣張

元素週期表已於2015年由第七周期的「气奧」(Oganesson,Og)作為目前元素週期表的最後一個元素。在這些元素中，有我們相當熟悉且應用層面也相當廣泛的元素，也有我們未曾接觸過甚至連科學家都還在尋找特性的元素。化學元素方塊即為邊長6公分的立方體，讓民眾自行摺出一顆立體的元素方塊，並且能夠閱讀各面元素的「化學性質」、「相關實驗」、「生活中常見的狀態或應用」、「發現的國家或科學家」與「臺灣或其他國家文化常見的例子」等特性。

觀展民眾可以透過閱讀元素方塊旁的元素基本資料與元素性質作為依據，尋找出元素各族的規律性，即是體會科學家對於破解混沌的元素中重要的精神。希望民眾能夠在製作與解讀元素方塊的同時，提升對於元素的初步認識，增進與元素之間的連結。讓動手做體驗有助於學習化學，並促進對永續發展和能源、教育、農業、健康的覺醒。

2.元素拼圖（國立臺北教育大學）

以Y（釔）、U（鈾）、LI（鋰）元素拼出玉里的英文名

為慶祝化學元素週期表150週年，科技部選出城市代表車站及相對應的化學元素，以科普列車串連各全民科學週計畫。

其中南花蓮全民科學週計畫負責玉里與光復站。玉里是台灣最大蛇紋石盛產地，蛇紋石的主要成分是氧化鎂，是國內提煉鎂的重要來源，代表元素為「鎂」。光復站因花蓮的好山好水好空氣，則選定「氧」為代表元素。鎂燃燒時會與氧氣發生反應產生氧化鎂(MgO)，並產生強光，氧化鎂也是糖廠製糖時的脫色劑以及製冰時pH的調控劑，與光復著名的光復糖廠相互呼應。光復與玉里兩站代表元素的結合形成氧化鎂，代表兩車站交接與傳承。

計畫為此特別設計與在地連結的元素拼圖，其正、反兩面各有12個圖案，共24個圖案。透過折疊，每4個圖案，可以形成1個故事，分別呈現：鎂、氧、玉里、光復馬太鞍、元素週期表及國際週期表年IYPT共六個故事。

開幕當天邀請國立臺北教育大學擺設元素拼圖體驗攤位，讓民眾可透過動手製作拼圖來了解化學元素及家鄉的故事，提升科學學習動機與興趣，一起愛鄉土也愛科學！

3.元素拼豆樂x創意週期表（國立臺灣師範大學附屬中學）

用18×10總共180顆拼豆拼出週期表

2019年是值得化學人慶祝的日子，國立臺灣師大附中吉佛慈老師特別把今年在校慶設計的「串起元素大家族，拼出創意週期表」動手做活動，搬到國立臺灣科學教育館的國際化學元素週期表年特展開幕現場，希望讓現場參觀民眾能藉由組合10種不同顏色的拚豆，製作自己專屬的紀念拼豆週期表，重溫中學時背誦週期表的記憶。

「元素拚豆樂」只要將180顆拚豆，依照現場模板排列即可，民眾也可以將相同數量不同顏色的拚豆互換位置，自創不同組合的繽紛週期表。

敢接受辨色考驗嗎？想製作專屬的紀念小物嗎？敢跟附中學生PK元素週期表密碼嗎？歡迎親子前來共同體驗「元素拚豆樂」！

4.金屬蝕刻與鑰匙圈製作（臺中市立大甲高中）

早期的蝕刻（Etching）是應用在版畫上，畫家在金屬板上先塗上一層蠟，以針等尖銳器具在板上作畫，蠟會隨著描繪的線條被刮除，再將金屬板置入硝酸或腐蝕液中，未附著蠟的金屬部分會被侵蝕凹陷，可用於塗佈顏料，進行版畫創作。

現代可以強酸腐蝕、電化學電解以及物理電漿蝕刻等方式，進行各種材質的表面加工。但透過化學濕式的蝕刻，常用到強酸、強鹼等高腐蝕性溶液，在美麗的背後通常都要付出不小的代價。

本次動手作活動，係利用電化學電解原理，使用外加電壓讓金屬（通常為活性小或不易氧化的合金）在電解質溶液中氧化溶解，進而使金屬表面出現具有立體凹凸的圖案。

過程中將使用一個自製的蝕刻印台，在一塊事先貼好膠膜的金屬表面上，隔著以硫酸鈉水溶液沾濕的化妝棉，數分鐘內即可完成電化學蝕刻實驗，可免去強酸腐蝕液使用及處理的顧慮，符合減量、減廢的綠色化學原則，歡迎開幕當天一起來體驗神奇的電解蝕刻實驗！

若蝕刻的金屬為銅片，則其兩極的反應，如式[1]和[2]所示：

[1]陰極（負極）（–）：2H₂O(l) +2e^–→ H₂ (g) +2OH^–(aq)

[2]陽極（正極）（+）：Cu(s) → Cu²⁺(aq) +2e^–

歡迎本刊讀者與好友擇期到科教館參觀。本特展及國際化學元素週期表年系列慶祝活動之相關訊息，歡迎至IYPT活動官網查詢：http://iypt2019.chemistry.org.tw/。特展期間辦理之化學元素探索實驗研習活動，請至科教館官網報名:https://www.ntsec.gov.tw/survey/default.aspx。

化學天才的“發現”— 紀念元素週期表150周年／李瑞祥、邵紅能

星期四 , 2, 5 月 2019 編輯助理化學小故事, 第31期/2019年5月留言功能已關閉

化學天才的“發現”—紀念元素週期表150周年

李瑞祥¹、邵紅能*²

安徽省禹王學校蚌埠校區¹

上海市城市科技學校

*[email protected]

■前言

在中學化學教科書中，都附有一張“元素週期表”。這張表揭示了物質世界的秘密，把一些看來似乎互不相關的元素統一起來，組成了一個完整的自然體系。它的發明，是近代化學史上的一個創舉，對於促進化學的發展，起了巨大的作用。看到這張元素週期表，人們便會想到它的最早發明者：門得列夫！

為紀念俄羅斯化學家門得列夫編制化學元素週期表150周年，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）成立100周年，聯合國將2019年定為“化學元素週期表國際年”，將舉行一系列活動，提高公眾對化學學科知識，以及化學對可持續發展目標貢獻的認識。2019年1月29日，法國巴黎聯合國教科文組織總部舉辦“國際化學元素週期表年IYPT2019”開幕式，由中國化學會與美麗科學團隊聯合打造的科普視頻《重現化學》被組織方選為開幕式素材，在開幕式上進行了播放，吸引了國際化學領域的廣泛關注。

德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834.2.8～1907.2.2），俄國著名化學家，其研究領域為化學，特別是無機化學和物理化學。門得列夫在一生中寫了大量的學術論文，主要有《論液體的毛細現象》、《論液體的膨脹》和《元素性質和原子量的相互關係》等。其名著《化學原理》，在很大程度上促進了當時化學研究的發展，為科學做出了巨大貢獻。他發現化學元素的週期性，依照原子量，製作出世界上第一張元素週期表，並據以預見了一些尚未發現的元素。門得列夫除了發現元素週期律外，還研究過氣體定律、氣象學、石油工業、農業化學、無煙火藥和度量衡等，由於他的辛勤勞動，在這些領域都不同程度地做出了成績。門得列夫對化學最重要的貢獻是：“建立了元素週期分類法”。這是自18世紀科學化學開始以來，繼拉瓦錫、道爾頓之後的又一功績。

中學畢業後，他母親變賣了工廠，親自送門得列夫來到莫斯科。後來，門得列夫把每張紙正面標明已知元素名稱、原子量、化合價等基本資訊。他發現夾在碳與氮中間的鈹是多餘的，進一步發現鋅後面本來是砷，但砷的化學性質與磷相似。門得列夫通過排列紙片，在35歲這年發現了元素週期律。

門得列夫對於化學元素週期律的發現激起了人們發現新元素和研究無機化學理論的熱潮，元素週期律的發現在化學發展史上是一個重要的里程碑，它把幾百年來關於各種元素的大量知識系統化並形成一個有內在聯繫的統一體系，進而使之上升為理論。1955年，科學家們為了紀念元素週期律的發現者門得列夫，將101號元素命名為“鍆”。

■從小勤學好問，刻苦鑽研

門得列夫1834年2月7日誕生在俄國西伯利亞的托波爾斯克市，父親是一位中學教師。在他出生後不久，父親因患白內障而雙目失明，一家的生活全仗著母親經營一個小玻璃廠維持著。門得列夫自幼有出眾的記憶力和數學才能，讀小學時，對數學、物理、歷史課程感興趣。他特別喜愛大自然，曾同他的中學老師一起作長途旅行，搜集了不少岩石、花卉和昆蟲標本。他善於在實踐中學習，學習成績有了明顯的提高。

1841年，7歲的門得列夫進了中學，他在上學的早幾年就表現出了出眾的才能和驚人的記憶力，他對數學、物理學和地理發生了極大的興趣。1850年，門得列夫進入中央師範學院學習，在大學一年級，門得列夫就迷上了化學。他決心要成為一個化學家，為了人類的利益而獲得簡單、價廉和“到處都有”的物質。他各門功課都學的很扎實，在課外還閱讀各種科學文獻，在20歲那年，門得列夫的第一篇科學論著《關於芬蘭褐廉石》發表在礦物學協會的刊物上，在研究同晶現象方面完成了巨大和重要的研究。

1855年，門得列夫以第一名的優異成績畢業於師範學院，曾擔任中學教師，後來門得列夫在聖彼得堡參加碩士考試，並在說有的考試科目中都獲得了最高的評價。在他的碩士論文中，門得列夫提出了“倫比容”，這些研究對他今後發現週期律有至關重要的意義。兩年後，23歲的門得列夫被批准為聖彼得堡大學的副教授，開始教授化學課程，主要負責講授《化學基礎》課。在理論化學裡，應該指出自然界到底有多少元素？元素之間有什麼異同和存在什麼內部聯繫？新的元素應該怎樣去發現？這些問題，當時的化學界正處在探索階段。年輕的學者門得列夫也毫無畏懼地衝進了這個領域，開始了艱難的探索工作。

1860年，門得列夫在德國卡爾斯盧厄(Karlsruhe)召開第一次國際化學家代表大會，會議上解決了許多重要的化學問題，最終確定了“原子”、“分子”、“原子價”等概念，並為測定元素的原子量奠定了堅實的基礎。這次大會也對門得列夫形成週期律的思想產生了很大的影響。1861年，門得列夫回到聖彼得堡，擔任化學教授工作。雖然教學工作非常繁忙，但他繼續進行科學研究。門得列夫深深的感覺到化學還沒有牢固的基礎，化學在當時只不過是記述零星的現象而已，甚至連化學最基本的基石—元素學說還沒有一個明確的概念。

門得列夫開始編寫一本內容很豐富的著作《化學原理》。他遇到一個難題，即用一種怎樣的合乎邏輯的方式來組織當時已知的63種元素。門得列夫仔細研究了63種元素的物理性質和化學性質，他準備了許多撲克牌一樣的卡片，將63種化學元素的名稱及其原子量、氧化物、物理性質、化學性質等分別寫在卡片上。他用不同的方法去擺那些卡片，用以進行元素分類的試驗。

1869年3月1日這一天，門得列夫仍然在對著這些卡片苦苦思索。他先把常見的元素族按照原子量遞增的順序拼在一起，之後是那些不常見的元素，最後只剩下稀土元素沒有全部“入座”，門得列夫無奈地將它放在邊上。從頭至尾看一遍排出的“牌陣”，門得列夫驚喜地發現，所有的已知元素都已按原子量遞增的順序排列起來，並且相似元素依一定的間隔出現。第二天，門得列夫將所得出的結果製成一張表，這是人類歷史上第一張化學元素週期表。在這個表中，週期是橫行，族是縱行。在門得列夫的週期表中，他大膽地為尚待發現的元素留出了位置，並且在其關於週期表的發現的論文中指出：按著原子量由小到大的順序排列各種元素，在原子量跳躍過大的地方會有新元素被發現，因此週期律可以預言尚待發現的元素。

1871年12月，門得列夫在第一張元素週期表的基礎上進行增益，發表了第二張表。在該表中，改豎排為橫排，使用一族元素處於同一豎行中，更突出了元素性質的週期性。至此，化學元素週期律的發現工作已圓滿完成。化學界通將週期律稱為門得列夫週期律：主族元素越是向右非金屬性越強，越是向上金屬性越強。同族元素，隨著週期數的增加，分子量越來越大，半徑越來越大，金屬性越來越強。同週期元素，隨著原子係數數的增加，分子量越來越大，半徑越來越小，非金屬性越來越強。最後一列上都是稀有氣體，化學性質穩定。門得列夫發現了元素週期律，在世界上留下了不朽的光榮。

■在會議激發靈感

在一個化學學術討論會上，參會者都帶有筆紙，只有門得列夫兩手空空，什麼也沒有帶，會議討論了好幾天，門得列夫什麼也沒有說，當會議要結束時，主持人問：“門得列夫先生，你有什麼高見”。門得列夫什麼也沒有說，站起來從口袋中取出一副牌放在桌子上，周圍的人都很驚訝，門得列夫把桌子上的牌整理並一一給大家看，這時大家才發現每張牌上都寫著元素的名稱，一共63種元素。更怪的是這副牌還有七種顏色，這七種顏色的紙牌就像光譜段，有規律的重複著，並且門得列夫口中念念有詞的介紹每一個元素，與會者個個都目瞪口呆，這是要在實驗室待多久才明白的，想不到一個年輕人全掌握了，眾人感到很吃驚。

但是門得列夫的老師批評他，說難道元素被他用紙牌這樣擺佈就能發現什麼規律嗎？結果這場討論也就不歡而散，但是門得列夫堅持自己的想法，不斷地尋找元素之間的規律，才得以日後發現元素週期律。

一天清晨，門得列夫經過一個夜晚的研究後，疲倦地躺在書房的沙發上，他預感十五年來一直縈繞心頭的問題即將迎刃而解，因此，這幾個星期以來他格外地努力。

十五年來，從他學生時代開始就一直對“元素”與“元素”之間可能存在的種種關聯感興趣，並且利用一切時間對化學元素進行研究。最近他感覺自己的研究大有進展，應該很快就能把元素間的關聯和規律串在一起了。

■門得列夫之夢

由於過度疲勞，門得列夫在不知不覺中睡著了。睡夢中，他突然清晰地看見元素排列成週期表浮現在他的眼前，他又驚又喜，隨即清醒過來，順手記下夢中的元素週期表。元素週期表的發現成了一項劃時代的成就，而因為在夢中得到靈感，所以人們稱為“天才的發現，實現在夢中。”但門得列夫卻不這麼認為，把這個累積十五年的成就歸功於“夢中的偶然”讓他忿忿不平。他說：“在做那個夢以前，我一直盯著目標，不斷努力、不斷研究，夢中的景象只不過是我十五年努力的結果。”

1860年，門得列夫在為著作《化學原理》一書考慮寫作計畫時，深為無機化學的缺乏系統性所困擾。於是，他開始搜集每一個已知元素的性質資料和有關資料，把前人在實踐中所得成果，凡能找到的都收集在一起。人類關於元素問題的長期實踐和認識活動，為他提供了豐富的材料。他在研究前人所得成果的基礎上，發現一些元素除有特性之外還有共性。例如，已知鹵素元素的氟、氯、溴、碘，都具有相似的性質；鹼金屬元素鋰、鈉、鉀暴露在空氣中時，都很快就被氧化，因此，都是只能以化合物形式存在於自然界中；有的金屬例銅、銀、金都能長久保持在空氣中而不被腐蝕，正因為如此它們被稱為“貴金屬”。

於是，門得列夫開始試著排列這些元素。他把每個元素都建立了一張長方形紙板卡片。在每一塊長方形紙板上寫上了元素符號、原子量、元素性質及其化合物。然後，把它們釘在實驗室的牆上排了又排。經過了一系列的排隊以後，他發現了元素化學性質的規律性。

門得列夫在批判地繼承前人工作的基礎上，對大量實驗事實進行了訂正、分析和概括，總結出這樣一條規律：元素的性質隨著原子量的遞增而呈週期性的變化，既元素週期律。他根據元素週期律編制了第一個元素週期表，把已經發現的63種元素全部列入表裡，從而初步完成了使元素系統化的任務。他還在表中留下空位，預言了類似硼、鋁、矽的未知元素的性質，並指出當時測定的某些元素原子量的數值有錯誤。而他在週期表中也沒有機械地完全按照原子量數值的順序排列。若干年後，他的預言都得到了證實。門得列夫工作的成功，引起了科學界的震動。

■元素週期表聞名於世

1854年，不滿21歲的門得列夫寫出第一篇化學學術報告。1855年，寫成自己的畢業論文《論同晶現象與結晶形狀及其組成的關係》。接著他以優異的成績，從聖彼得堡高等師範學校畢業，並獲得一枚金質獎章。1856年，聖彼得堡大學授予門得列夫物理和化學碩士學位。第二年，這個當年被拒之門外的外省中學生，被批准為該大學化學教研室副教授，此時門得列夫僅23
歲。1865年，他取得博士學位，並被正式任命為教授。

門得列夫的天才不僅僅表現在他找到了元素的性質週期性地隨著它們的原子量而改變的規律，更大膽地修改了一批當時公認的原子量，最令人欽佩的是，他在週期表留下了一些未知元素的空位，並預言它們的性質，其高度的準確性至今令人讚歎不已。這正是門得列夫作為元素週期律的主要發現者的主要原因。門得列夫對自己的預言曾寫道：“我決定這樣做，預言中的元素一個一個遲早會被發現，但也有可能這些週期表中的元素始終隱避著不讓化學家發現。”

隨著週期表的廣泛被承認，門得列夫成為聞名於世的卓越化學家，各國的科學院、學會、大學紛紛授予他榮譽稱號、名譽學位以及金質獎章。1882年，英國皇家學會就授予門得列夫以大衛金質獎章。1889年，英國化學會授予他最高榮譽“法拉第獎章”。

在1889年的夏天，門得列夫接受英國化學會的邀請，參加了“紀念法拉第的學術講演會”，當他站在講臺上講述週期表的作用和意義時感慨萬分。他在講演即將結束時說：“20年前我們發現了週期律，並根據它預言了尚未發現的三個元素的性質。那時曾指出過這樣性質的元素將來是一定會發現的，但是並沒有想到能在我的有生之年就會發現它們。我今天能夠在尊敬的英國化學會的各位會員先生面前，榮幸地報告說我的預言是完全準確的，這也是我完全夢想不到的事情。”

門得列夫除了發現元素週期律外，還研究過氣體定律、溶液化學理論、氣象學、石油工業、農業化學、無煙火藥、度量衡，由於他的辛勤勞動，在這些領域都頗有建樹。比如發現了氣體的臨界溫度並提出液體熱膨脹的經驗公式，提出了溶液的水合物理論，研製出新型無煙火藥—低氮硝化棉膠火藥。

■門得列夫晚年工作

1893年，門得列夫出任俄國國家度量衡檢定總局局長，負責制定各行業的標準和精密的度量衡標準測量的研究（這相當於現在中國的標準化委員會和計量委員會），他在度量衡局工作了十四年，一直到他光輝生命的最後一天。

門得列夫的晚年並不富裕，缺乏必要的照顧。他晚年撰寫自傳，整理已發表的文獻，他有一段話：“和我的名字相聯繫的只有四件事：元素週期律、氣體張力的研究、把溶液理解為締和以及《化學原理》。這就是我的全部財富。他們不是從別人那裡搶來的，而是由我自己創造出來的，這是我的成果，我極為珍視它們，啊，就像珍愛我的孩子一樣。”1907年2月2日，這位享有世界盛譽的俄國化學家因心肌梗塞與世長辭，那一天距離他的73歲生日只有六天。他的名著、伴隨著元素週期律而誕生的《化學原理》，在十九世紀後期和二十世紀初，被國際化學界公認為標準著作，前後共出了八版，影響了一代又一代的化學家。

■結語

門得列夫發現了元素週期律，在世界上留下了不朽的光榮，人們給他以很高的評價。恩格斯在《自然辯證法》一書中曾經指出：“門得列夫不自覺地應用黑格爾的量轉化為質的規律，完成了科學上的一個勳業，這個勳業可以和勒維烈(Urbain Jean Joseph Le Verrier)計算尚未知道的行星海王星的軌道的勳業居於同等地位。”元素週期律經過後人的不斷完善和發展，在人們認識自然，改造自然，征服自然的鬥爭中，發揮著越來越大的作用。

《臺灣化學教育》第三十期目錄／ 2019年3月

星期四 , 14, 3 月 2019 編輯助理未分類留言功能已關閉

《臺灣化學教育》第三十期（2019年3月）

目錄

n 主編的話

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n 本期專題【專題編輯／周金城】

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u 設計適合國小學生動手做的化學實驗：「美國中學化學教材—分子問題單元」在臺灣小學高年級實施現況分析／周正秋、張自立、辛懷梓〔HTML｜PDF〕

u 設計適合國小學生動手做的化學實驗：低年級的學生也可以自己輕鬆製作標本／莊真真、張自立、辛懷梓〔HTML｜PDF〕

u 設計適合國小學生動手做的化學實驗：如何帶國小五年級學生動手進行萃取植物葉綠素實驗／張詩敏〔HTML｜PDF〕

u 設計適合國小學生動手做的化學實驗：國小學生調配不同比例玉米粉進行「擴溶現象」之探究／老嘉琪〔HTML｜PDF〕

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u 從科學史來認識科學本質—以燃素說為例／范賢娟〔HTML｜PDF〕

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u 利用手機App及雷切技術開發高中化學探究與實作課程—水中結晶紫的吸附去除與濃度測定／劉燕孝、廖家榮、趙君傑〔HTML｜PDF〕

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