開創新局的永續化學：
綠色化學與循環經濟的體現

曾玉明

臺灣永光化學工業股份有限公司
[email protected]

 n  前言

永光化學深切體認，企業不能只求獲利，更要善盡企業社會責任，將「環境保護」列為首要之務；以「正派經營」的經營理念，堅持只做對的事，研發生產友善環境、對人類有具體貢獻的化學品，具體落實「更用心的化學‧更美好的生活」的品牌承諾。

永光化學訂定「珍惜地球資源，遵守環保規定」的環境政策，1997年臺灣第一家化學公司通過ISO 14001環境管理認證並落實執行；實施教育訓練，提升全員環保意識與能力；持續改善製程，提高資源生產力；推動工業減廢，落實污染防治工作；研發環保技術，提升污染處理效能。近年來，更興建完成綠建築工廠、推動清潔生產，努力打造「綠色工廠」，並朝著「2020年的溫室氣體生態效益為2005年的2.5倍」之目標，逐步落實「成為永續創新、提供綠色化學解決方案的全球化幸福企業」的綠金願景，如圖一所示。奠基於多年的努力，永光化學曾連續7年榮獲《天下雜誌》「企業公民獎」的殊榮。

圖一：永光化學懷抱永續經營的信念，朝向「2020綠金願景」的目標邁進。

2012年，交通大學教授朱博湧在其著作《綠金企業》，將永光化學列為臺灣六大「綠金」典範之一。他說：「雖然身處在看起來與環保最為衝突的化學產業，永光卻堅信好的化學技術，是能夠改善環境的技術，以提升全體人類生活福祉為最高目標，努力不懈地降低經營過程對環境、人類產生的傷害。」2016年，資誠教育基金會董事長朱竹元亦於《企業社會責任與永續發展策略》一書中，收錄永光化學為國內五家企業社會責任（Corporate Social Responsibility, CSR）標竿之一。

n  提供綠色化學解決方案

綠色化學（Green Chemistry）又稱永續化學，強調每項產品的生產過程，不僅要減少消耗量、提升原子利用率，還要避免不必要的衍生物和廢棄物。亦即，從源頭開始，就充分利用原料和能源，減少、甚至零有害物質釋放，以降低對環境的衝擊。基於這樣的理念，永光化學以「提供綠色化學解決方案」為積極努力的方向。

有害物質，連結上下游一齊杜絕

「對人類有害的產品，永不列為經營項目」，產品選擇是永光化學的經營原則之一。永光以高品質、高性能的色料化學品、特用化學品、電子化學品、醫藥化學品及碳粉，行銷全球五大洲、近百個國家，每項產品皆遵循本國及他國化學品登記法規，保護人類及環境免於受到有害化學品的威脅。

自2007年起，永光化學依「無有害物質（Hazardous Substance Free, HSF）產品政策」確實管理有害物質，生產綠色產品，並於2013年成立產品責任處，專職產品安全和化學品登記。永光不僅力求符合法令、積極回應客戶與消費者對HSF的需求，也要求上游原材料供應廠商，完全遵守規定，進行綠色供應鏈管理，共創永續未來。

2011年，六大品牌聯盟聯合承諾於2020年之前，在供應鏈中實現有害化學品零排放（Zero Discharge of Hazardous Chemicals, ZDHC）。永光化學於2015年加入ZDHC基金會，是臺灣第一家正式加入的染料公司，致力實現2020有害化學品零排放的目標，如圖二所示。同時，永光化學於2015年順利通過bluesign® system藍色標誌第三方認證，成為bluesign® system partner合格化學藥品供應商，提供下游客戶可持續性紡織品生産的解决方案。

圖二：永光化學總經理陳偉望（左）於「2014 ZDHC臺北論壇」分享有害物質管理經驗。

綠色產品，更安全、更友善環境

開發對人體和環境友善的綠色產品，是企業永續發展、並善盡企業社會責任的一環。永光化學密切關注國際法規的發展，積極運用研發和技術方法，推出更安全、更友善環境的化學產品。舉例分享如下：

1. 桌上型噴墨印表機墨水

歐盟基於保護人類健康及環境安全，自2007年起，歐洲化學署（European Chemical Agency, ECHA）發佈「高度關切物質」（Substances of Very High Concern, SVHC）。永光化學針對桌上型噴墨印表機用墨水配方含有SVHC成分，積極尋求改善方案，成功開發出更安全的替代原料，並以實務經驗協助國內企業了解化學品安全替代的基本觀念及做法，共同提升臺灣的國際形象，站穩綠色化學品市場，如圖三所示。

圖三：永光化學針對墨水配方含有SVHC成分，成功開發出更安全的替代原料。

2. 數位紡織印花噴墨墨水

數位紡織印花不同於傳統印花，是節能環保低污染、低耗水的高科技技術，墨水是其關鍵。永光化學為了保護環境，經過十餘年精心研發，針對不同織物及不同噴頭，開發出適用的噴墨墨水，為客戶找出好的解決方案，使得原本高污染、高耗能的染整製程，變得更科技、更環保，如圖四所示。永光的數位印花染料，引領全球紡織業實現時尚與環保兼容並蓄的理想。

圖四：永光化學的數位印花染料，帶動紡織業的綠色風潮，創造綠色商機。

綠色製程，更節能、清潔與環保

由於製造過程是產生污染的主要來源，永光化學以「綠色工廠」為目標，持續提高能資源運用效率，推動綠色生產改善，以達成節能、清潔與環保的綠色製程。舉例說明如下：

1.      紙用液態染料

傳統上，紙用液態染料需經過染料合成、固液分離、標準化等製程，再送到客戶端。永光化學紙用染料運用創新技術，將製程簡化成只需經過染料合成和標準化製程，即交付客戶端使用，有效降低廢水產出及能源消耗，大幅提升產業競爭力，如圖五所示。

圖五：永光化學運用清潔生產，簡化製程，節省能源耗用。

2.      紫外線吸收劑

特用化學品的生產需要使用大量溶劑，要先透過蒸餾取出，以達到一定的純度，再加水萃取分離等過程，不僅耗費大量能源、且十分耗時。永光化學生產紫外線吸收劑，經過實驗室開發簡化的處理流程，省去一次蒸餾作業，大幅減少溶劑的使用量，進而減少二氧化碳的排放量，達到節能及環保的雙重效果，如圖六所示。

圖六：永光化學發展綠色製程，簡化耗能源且耗時的溶劑處理過程。

n  共築循環經濟願景

循環經濟（Circular Economy）在工業循環而言，是將資源循環利用的理念，透過減量、再使用、再生利用等方式，使資源充分利用，以平衡兼顧經濟發展與環境保護，有別於傳統線性經濟，是一種由「資源－產品－污染排放」單向流動的方式，將所有的物質和能源在這個不斷進行的經濟循環中，得到合理和持久的利用，使得經濟活動對自然環境的影響，盡量降低到最小的程度，如圖七所示。

圖七：永光化學積極推動循環經濟，朝向零排放與零廢棄的目標邁進。

源頭做起，精實、減廢、再利用

永光化學以永續經營的理念，自1998年起，領先國內業界第一家導入「環境會計」（又稱綠色會計，Green Accounting）制度，藉此記錄、分析環境相關的成本效益，正確反應生態效益與資源生產力。

2015年，因應環境會計與CSR的環境面結合的趨勢，再加以精進改良，用以支援CSR的資料蒐集與分析。2016年，為兼顧CSR的經濟面與環境面的應用，進而導入「物質流成本會計」（Material Flow Cost Accounting, MFCA），從產品的源頭進行精實、減廢，彰顯對環境保護、生態永續的責任，為永光化學推動循環經濟奠定穩固的根基，如圖八所示。

圖八：永光化學啟動「物質流成本會計示範輔導」專案，總經理陳偉望（站立者）勉勵同仁做好源頭管理。

取經學習，循序漸進做循環經濟

近年來，隨著世界先進國家對循環經濟的愈加重視，永光化學於2015年開始尋求循環經濟的實際做法，一方面積極參加各項研習課程，一方面派員赴海外觀摩學習，逐漸累積能量，建立起相關技術。

經過多次召集會議討論，永光化學於2016年成立「推動循環經濟委員會」，由總經理擔任召集人、工廠副總為副召集人，設有3個執行小組和2個幕僚小組，展現永光化學推動循環經濟的決心，如圖九所示。

圖九：永光化學成立「循環經濟推動委員會」，推展永光特色的工業共生循環。

資源再生，讓廢棄物搖身變黃金

「所謂廢棄物，只是未經適度標示的資源」，永光化學善用生產製程中產出的副產物，運用化學反應轉化為資源，再加以利用。

例如：永光化學色料事業處生產的某支染料，產出大量的副產品──稀硫酸，傳統是以酸鹼中和做廢水處理，每年耗費不眥。經顧問建議，將稀硫酸與低成本鐵粉(金屬工業產出的副產品)利用化學反應，得出硫酸亞鐵，成為廢水處理的重要原料。如此，不僅解決廢棄物處理的高額成本，更節省不少購買硫酸亞鐵的費用，成為廢棄物變黃金的最佳案例。

n  結語—更用心的化學，更美好的生活

提升人類生活福祉，是永光存在的意義。因此永光化學對於維護環境永續始終不遺餘力，全力以赴，而這樣的理念已深植於同仁心中，至今，永光化學許多同仁身體力行騎單車上下班、將擦手紙再利用當抹布、自製洗碗精，甚至下田種菜…。

在「成為對人類有貢獻的高科技化學企業集團」的願景下，永光化學將以不斷進步的化學專業，透過綠色化學與循環經濟，為更好的明天與永續的未來做出具體貢獻。我們相信運用對的化學品，可以讓生活更美好！如圖十所示。

圖十：永光化學積極推動「2020綠金願景」，總經理陳偉望於全集團「綠色認同」活動中按「讚」！

開創新局的永續化學：
城市礦山議題：
電子廢棄物之貴金屬綠色化學回收製程

許景翔^1, *、馬小康²

¹優勝奈米科技有限公司
²臺灣大學機械工程系
*[email protected]

由於科技發展的日新月異，電子產品的汰舊換新速度越來越快，如平板、電腦、電視、及手機都是增長最快的廢物流，預計到2020年全球將有超過1200多萬噸的電子廢棄物，因此，妥善回收處理將有助於環境管理和促進循環經濟，提高資源利用效率。

n  城市礦產

臺灣缺乏天然礦產資源，而全世界的貴金屬礦產分佈主要還是在少數幾個國家（見圖一）[1]，因此臺灣要繼續製造電子產品，得有效地從廢棄電子產品來提煉有價礦產資源。以智慧型手機為例，整支手機蘊含豐富金屬在其中（見圖二），因此「城市礦產」的回收概念就顯得相當重要。事實上，臺灣製造業的重大投資及生產與出口活動大多集中於電子零組件的半導體、印刷電路板、光電產業的平面顯示器及太陽能電池等產業。以印刷電路板為例，印刷電路板上的連接器、基板線路、電子元件焊接處、製成廢料及邊角下腳料等均富含金、銀、銅、錫等高價金屬。金屬材料是產業鏈的最前端，若能將廢棄電子產品中之金屬回收再利用，透過資源循環再生，使3C電子垃圾轉化為城市礦山，將可供應臺灣電子相關產業的物料需求。從環保署提供的資料顯示來看（見圖三），臺灣是有機會減少對外來資源的依賴及活絡去化管道，有利於降低生產成本，促使金屬資源有效使用，並提高臺灣相關產業的國際競爭力。

圖一：世界資源產出分佈圖（見參考資料[1]）

圖二：智慧型手機使用到的金屬資源（見參考資料[1]）

圖三：各種電子電器產品的金屬含量

（圖片來源：行政院環保署基金管理委員會）

n  提煉貴金屬的方法

電子廢棄物的回收，已成為先進國家積極爭取戰略物資之路徑。傳統貴金屬回收業所使用強酸王水法和劇毒氰化物法，或是使用焚燒，這些方式不但耗能，也會產生嚴重水污染以及載奧辛、PM2.5懸浮微粒等空污問題。

目前歐洲、日本、美國等提煉貴金屬的方法如下：

比利時Umicore是世界上最大的貴金屬回收商之一，前身為聯盟礦業公司，總部設在布魯塞爾。Umicore的核心業務是回收各種貴金屬和其它有色金屬，以及某些非金屬如硒的精煉。回收和銷售的貴金屬如金、銀、鉑、鈀、銠，特種金屬如銦、硒、碲，以及鉛、銅、鎳等。Umicore的國際電子廢棄物（Waste Electrical and Electronic Equipment, WEEE）熔煉回收技術，用於從電子廢料如印刷電路板（printed circuit board, PCB）中回收有價金屬，應用頂吹旋轉爐可將PCB熔煉成富含貴金屬的粗銅，然後採用橢圓形爐或反射爐進一步精煉。

日本DOWA集團已整合出日本最大的冶煉和廢物回收業務，利用冶煉技術處理廢棄物。廢物處理包括電子設備，移動電話，丟棄消費電子及電器。子公司DOWA ECO-SYSTEM最初是在DOWA的開採和提煉作業中提取貴重金屬（如存在於礦石中非常小濃度的金與銀）。目前從事個人電腦電路板、移動電話、消費電子產品及家電等設備的有價金屬回收。DOWA集團從電子廢物利用冶金技術回收不同的金屬元素（見圖四）。圖五為ECO-SYSTEM KOSAKA之〝金屬和蒸汽回收焚燒爐〞，可將貴金屬從被處理廢棄物中提煉出來。通常電子廢棄物焚燒精煉爐其投資規劃與金額需要超過1000億台幣以上才有可能達成整廠建構與營運費用。

圖四：從電子廢物利用冶金技術回收不同的金屬元素

（圖片來源：DOWA Corp.）

圖五：金屬和蒸汽回收焚燒爐

（圖片來源：DOWA Corp.）

美國緯創公司（Wistron Corporation)）積極進行多角化經營，緯創於2010年設立100％投資子公司Wistron Green Tech，斥資6億元台幣，於美國德州北部McKinney市設立電子廢料回收與精煉廠，這也是緯創在回收事業的布局，美國緯創的技術不同於焚燒印刷電路板的方式，是採用臺灣優勝奈米科技的環保剝金與剝錫製程來提煉貴金屬，緯創的環保提煉貴金屬製程如金、銀、鈀等，已獲得美國Dell公司公開支持其回收計畫及處理方式，此專利技術也即將獲得法國Veolia與美國Apple公司的支持，將有機會改變全球電子廢棄物的處理模式。

以上由臺灣優勝奈米科技有限公司所開發之技術，並將擴大規模為模組化量產貨櫃型裝置。這些技術分別為(1)環保化學剝鍚技術；(2)環保電解剝金技術；及(3)環保化學剝金技術，其相關煉製貴金屬流程如下：

(1)   環保化學剝鍚技術

環保剝鍚技術是以鎳、銅、鋁抑制劑為主的SnST-550A剝錫劑，將印刷電路板置入於剝鍚溶液中，保持溶液溫度介於20-35^oC並靜置約40分鐘（見圖六）。圖七為環保剝鍚技術用於PCB電子零件之比較，針對含金之電子零件，如IC，則再採用環保化學剝金技術來分離貴金屬。原剝鍚溶液則加入NaOH至pH值 > 12，經過濾取出之氧化錫泥，置於通入20% H₂及80% N₂之800^oC高溫爐中，則可獲得之> 99.9%純錫。

圖六：廢家電主機板經過環保剝鍚前後之比較，完全沒有腐蝕零件

（圖片來源：UWin Nanotech. Co., Ltd）

圖七：廢主機板經過環保剝鍚前後之比較

（圖片來源：UWin Nanotech. Co., Ltd）

(2)   環保電解剝金技術

環保剝金技術是首先配製過硫酸鹽類為主的UW-700無氰電解剝金溶液，將可導電之含金下腳料置入於剝金溶液中，保持溶液溫度於40^oC並通入電壓0.5-3 volts之低電流約30秒（由金含量厚度決定），環保電解剝金之流程如圖八所示。相關含金電子零件（如連接器），將因剝金劑之作用將金泥剝離於陰極導電板上，經收集陰極導電板上之金泥，經水清洗並烘乾後，置於1250^oC高溫爐中燒結，則可非常容易就獲得黃金。環保電解剝金技術可迅速剝金，可重覆使用，無空氣污染及廢水排放之問題。

圖八：電解剝金處理含金下腳料的流程

（圖片來源：UWin Nanotech. Co., Ltd）

(3)   環保化學剝金技術

環保化學剝金技術是以檸檬酸鹽為主的UW-860剝金劑，將含金之印刷電路板置入於剝金溶液中，保持溶液溫度於30^oC並靜置約10分鐘（由金含量厚度決定），環保化學剝金之前後比較，如圖九所示。剝金之後的含金溶液則加入硫化鉀、鋅粉置換或亞硫酸鈉來產生金泥，經過濾取出之金泥，再加入稀HNO₃溶液去除Cu、Ni等雜質，經水清洗後，至於1250^oC高溫爐中，則可獲得99.99%純金，環保剝金後的黃金純化流程，如圖十所示。整個製程來看，很明顯無論毒害性、腐蝕性、空氣污染物排放、廢水排放等方面，貴金屬回收技術皆為安全有效的綠色製程。

圖九：手機板按鍵經過環保化學剝金處理

（圖片來源：UWin Nanotech. Co., Ltd）

圖十：環保製程剝金後的黃金純化流程

（圖片來源：UWin Nanotech. Co., Ltd）

健全資源回收再生市場之關鍵在於市場規模，電子廢棄物種類繁多，加上電子廢棄物資源再生後端市場及其去化管道之通路不完整，不易提升其資源再生之價值。本文提出之環保創新技術用於剝離及提煉貴金屬，不但可大幅度降低對空氣、水體和土壤的污染，亦可增加廢棄電子產品中之金屬回收再利用率，實踐電子廢棄物分類回收及形成永續循環型社會之目標。

n  結語

面對國際電子廢棄物（WEEE）的資源回收比例和電子產品無害化（ROHs）要求，提出非使用王水及氰化物之環保創新技術用於剝離或提煉貴金屬，目前臺灣已完成的環保產品，不僅可應用在電子廢棄物，亦成功用於石化觸媒和汽車觸媒轉化器的貴金屬剝除回收，因此可結合市場發展模式，快速推廣至世界各地，不但可大幅度降低對空氣、水和土壤的污染，亦可增加金屬回收再利用率。

n  參考文獻

1.        柴田明夫，一小時看懂全球資源布局，商周出版，2014。

開創新局的永續化學：
利用生物質作成生物炭來反轉氣候變遷

羅芬臺

中央研究院化學研究所
中央研究院天文及天文物理研究所
[email protected]

n  溫室氣體減量的解決之道

近年來，氣候變遷的議題已被廣泛的討論，氣候變遷是指全球平均氣溫會不斷的升高或降低。2016年十一月美國太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）就認為2016年將會成為最近136年紀錄中最熱的一年。其他機構，包括英國氣象辦公室（Met Office）、美國國家海洋暨大氣總署（National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）、日本氣象廳（Meteorological Agency）及聯合國世界氣象組織（World Meteorological Organization, WMO），也都表示2016年是破紀錄最熱的一年，同時將是連續第3年的新高。而且WMO的報告指出，2016年全球氣溫比工業化之前高出了1.2度。2015年聯合國氣候變遷大會（COP21）有近200個國家簽署了《巴黎協定》，它是具有法律約束力的全球溫室氣體減量新協議，雖然氣候變遷與大氣中二氧化碳濃度的關聯性已被爭論了一百多年，但《巴黎協定》成功地凝聚了全球的減碳共識，要求各國定期檢討「國家自主決定預期貢獻」（Intended Nationally Determined Contribution, INDC），確保二氧化碳減排進度要使全球平均氣溫不高於工業時代的2°C。臺灣2015年6月15日也通過了《溫室氣體減量及管理法》並宣布INDC的減碳承諾，將臺灣帶往溫室氣體減量的新里程。

到目前為止，科學家對如何將大氣中的二氧化碳濃度降低有許多建議與想法。其中利用生物質（biomass）來進行生物能源與碳捕獲和儲存（Bio-energy with carbon capture and storage, BECCS）和將生物質做成生物炭（biochar）是兩種減少大氣中二氧化碳常提到的技術。生物質通常是指不用於食物或飼料的植物或植物基材料，並且特別是指木質纖維素的生物質（lignocellulosic biomass）。植物也是有壽命的，如果不處理死掉的植物，它腐爛後會放出更多的溫室氣體，例如：甲烷和氧化亞氮，而甲烷和氧化亞氮的全球變暖潛能值（Global warming potential, GWP）分別是二氧化碳的72倍和275倍。因此，在生物質腐爛前就將生物質處理掉，應該是比較適當的做法。

生物能源與碳捕獲和儲存主要是將生物質燃燒或與煤炭一起燃燒產生能源或用於發電，再將產生的二氧化碳收集並灌注到地層深處，這種藉由植物生長吸收二氧化碳，再燃燒植物產生能源，所產生的二氧化碳再埋到地層深處是一種負排放或負碳的方式。據政府間氣候變化專業委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC）評估報告指出，生物能源與碳捕獲和儲存是一個實現降低大氣中二氧化碳濃度的一個關鍵技術。英國皇家學會（The Royal Society）也已經估計這個技術將能減少50-150 ppm的二氧化碳濃度。不過，也有人擔心碳捕獲和儲存（carbon capture and storage, CCS）會不會發生二氧化碳外洩的意外？

生物炭的製備是藉由活的生物質在生長時吸收二氧化碳，再經由生物質在缺氧狀態下的熱解而得到。熱解所產生的氣體和生物油可當能源，而固態的生物炭埋於地下，除了可以吸收多餘的水分，在乾旱時排出，而且還可以當作土壤的增強劑和吸附有毒重金屬的除汙劑，是具負碳性質的產物。2010年的Nature Communication [1] 以及2015年的Nature [2] 都發表過生物炭可降低二氧化碳的排放以減緩氣候變遷，並可提高農產量及控制污染的報告。

n  利用熔鹽進行植物熱解

在筆者的實驗室中，利用生物質來生產生物煤（biocoal）的過程，大約1/2轉化為生物煤，1/10轉化為可用於燃燒發電的合成氣，還有2/5是有價值的生物油。澳大利亞著名的探險家和自然學家Tim Flannery認為生物炭可使我們能夠同時解決四個重大危機：氣候變遷危機、能源危機、食品危機以及水資源危機。問題是，傳統以熱氣來生產生物炭的方法都因不太符合經濟效益而無法永續經營下去，例如植物在缺氧狀態下的熱解會不會因為溫度太高和熱解時間過長而成本過高以致於民間與政府都無意投資？據紐約時報2015年七月的一份專欄指出，目前全世界年產生物炭的總量只有一千公噸，說明了傳統以熱氣方式來生產生物炭的確有經濟效益上的問題。針對這些問題，筆者和中研院徐遐生院士覺得傳統熱解以氣體來傳熱是不太符合經濟的效益，應該要用液體來傳熱才會符合經濟效益和能夠產業化。因為液體的體積熱容量（volumetric heat capacity）是氣體體積熱容量的2000倍，所以扣掉一些損失，液體的傳熱速度會是氣體的好幾百倍，好比在作三溫暖時，房間的熱氣可達90°C，還可以忍受一陣子，但是如果溫泉的熱水是50°C，可能半分鐘都不能忍受。液體的傳熱速度快，熱解時間會變短，溫度也不需要太高，只要能達到將生物質內分子的部分鍵結破壞掉的溫度即可。因為考慮到一般熱傳油在300°C以上就會分解，而且有易燃性，所以我們選用在300°C以上還很穩定且無可燃性的醋酸熔鹽來作熱傳的媒介。我們發現植物在熔鹽裡300°C十分鐘，就可以達到市面上號稱是1000°C熱解得到生物炭的水平。生物煤的優點有：(1)生物煤是碳中和的燃料，(2)減少重量及運輸費用，(3)熱的密度增加，增加燃燒效率，(4)仍然存留一些纖維結構，容易搬運，(5)生物煤很穩定可以長時間保存不會腐爛，(6)如果不處理腐爛的生物質，它會放出更多的溫室氣體，(7)可進行未來的碳交易。生物質如銀合歡在熔鹽裡300°C十分鐘所做出來的生物煤它的氫碳莫耳數比約在1.2左右，並不符合國際生物炭協會所訂氫碳莫耳數比要小於0.7才可掩埋的標準。因為含氫量太高，會緩慢釋放出一些有機物造成土壤的傷害。我們發現改變熔鹽的種類並將植物在熔鹽裡熱解450°C一分鐘，就可以輕易得到氫碳莫耳數比小於0.7的生物炭。

我們處理的生物質包括一般的植物、水果皮、以及用過的竹筷和牙籤等。最常用的植物是銀合歡，它是全世界百大入侵性植物之一，由於生長快速、萌芽力強、抗旱，幾無病蟲害，每年每公頃產生的種子可達三億粒之多，澎湖、屏東和臺東有很多的銀合歡可以拿來使用。根據統計，外來種銀合歡在日據時代由日本引進澎湖，60年代由臺灣企業引進恆春半島，至今已分布廣達逾5000公頃，堪稱臺灣最強的外來入侵物種。它有固氮（nitrogen fixation）的能力，而且它的根部會放出含羞草素，對其它植物是一種毒素，因此銀合歡有群聚的特性，會破壞生物的多樣性，妨礙臺灣原生樹種的生長。據估算，如果每天處理360公噸的銀合歡，處理完臺灣現有的銀合歡要花八年的時間

利用醋酸熔鹽來作植物熱解的優點就是無毒、熔點低、水溶性高、無可燃性。由於在熱解時熔鹽包覆在生物質的周圍，可以隔絕空氣，因此熱解時沒有生物煤爆燃的顧慮，安全性高，而且熱解時不會產生黑煙和焦油。我們可以用炭渣氧化爐來處理炭渣和焦油。唯一的缺點就是需要回收醋酸鹽，好在醋酸鹽的水溶性高，例如在20°C時，100毫升的水可以溶解253克的醋酸鉀。包覆在生物質外表和孔洞內的醋酸鹽經過浸泡，可以很容易將清洗水的鹽度降到0.1%重量比以下。由於傳統熱解在單位時間裡所產生的氣體和生物油較少，因此大多是當能源來燒掉。而利用熔鹽來進行熱解，單位時間裡所產生的氣體和生物油較多，生物油可以凝結後做進一步的分離與純化，可以得到高值化的有機物或做進一步的應用。在能量消耗方面，植物吸收免費的太陽能和二氧化碳轉換為植物中分子的化學能。我們需要加熱熔鹽以便植物在熔鹽中能進行熱解得到生物煤和合成油及合成氣。合成氣可燃燒以保持熔鹽所需的溫度或用於發電給機器使用。生物油如醋酸，甲醇，和丙酮，可以是能源或是經過分離和純化後提供高價值的化學品。生物煤仍保留了大量的化學能可轉化為熱能或電能。因此，我們估計在我們熱解的過程裡熱能的進出比率約為1/5至1/10。目前我們團隊在科技部和中研院的支助下，已經在國立清華大學建置了一座中試工廠（見圖一），希望將來可以用工廠實驗的數據，建造一台真正可以產業化的機器。

圖一：利用醋酸熔鹽進行植物熱解的中試工廠

n  臺灣生產生物炭領先全世界

批評使用生物質來作可再生能源的理由是它可能侵占了農業用地。然而，由一項聯合國工業發展組織（United Nations Industrial Development Organization）援引2007年國際能源署（International Energy Agency, IEA）的研究結果顯示，在不影響糧食生產的原則上，世界各地區在2050年可提供殘留及荒廢農地上可再生的生物能源有610百萬兆焦耳量（exajoules, EJ, 1 x 10¹⁸ J）。2012年全球能源消耗量有560 EJ, 它可導致每年二氧化碳濃度上升2.2 ppm。因此，如果將前述610 EJ中的500 EJ 都變成負碳（生物炭），則每年可以除去2 ppm的二氧化碳。在2050年時, 二氧化碳濃度在世界各國政府努力下應可維持在450 ppm左右，則在2100年時，二氧化碳濃度應可降到350 ppm，這正是科學界希望能將大氣二氧化碳濃度控制在一定程度的共識值。

因此，想要降低大氣中二氧化碳的濃度以減緩或反轉氣候變遷而達到永續的人類生活環境，可以從我們已有相當多生產生物炭的經驗來著手。在快速生產生物炭的領域，臺灣已經有技術領先全世界，而且目前我們已經取得臺灣、美國、加拿大、俄國、中國大陸、法國、德國、及印度在連續式和批次式熔鹽熱解生物質的專利。當然，我們面對商業化的課題還會有許多困難與挑戰，例如：料源的掌控、機械的自動化、人力的調配、成本的控制、友善的環境、生物炭價格的調查等，仍然有待我們持續的去研究與克服。

n  參考文獻

1.        Woolf, D. et al. Sustainable biochar to mitigate global climate change. Nat. Commun. 1:56 doi: 10.1038 / ncomms1053 (2010).

2.        Cernansky, R., State-of-the-Art Soil, Nature, Vol 517, 258-260 (2015).

開創新局的永續化學：
永續能源挑戰下的化學研究方向：
以二維奈米材料為光觸媒還原二氧化碳

連香婷、林麗瓊*

國立臺灣大學凝態科學研究中心
*[email protected]

n  溫室效應的好與壞

溫室效應是地球大氣層上的一種物理特性，指大氣層內的某些氣體吸收紅外線輻射，並保留紅外能量的氣體，即為溫室效應氣體 [註1]，因為有這些氣體，所以地球的表面溫度才可以保持人類可生存的溫度。然而，19世紀工業革命後，人類開始大量燃燒化石燃料作為動力，使大氣層內溫室氣體的濃度大量上升（特別是二氧化碳），以及使用大量人為合成的氟氯化合物 [註2]，排放過量的溫室氣體，加劇了「溫室效應」的作用，導致現今地表平均溫度大量上升（見圖一）[2]，使得全球氣溫暖化，更進一步造成全球氣候變遷。

圖一：自十八世紀開始全球的平均溫度變化（更新至2017/01/18）。(a)1年平均和12年平均全球地表溫度異常圖，(b)綠線為利用1年平均與12年平均推測溫度變化之預測趨勢。（見參考資料[1]）

n  全球溫室效應之對策

為了因應全球氣候變遷，聯合國於1992年制定一個國際公約，其目標是「於一定時間內，將大氣中溫室氣體的濃度控制在一定範圍。這濃度範圍應當在足以使生態系統能夠自然地適應氣候變化、確保糧食生產免受威脅並使經濟發展能夠可持續地進行」。該公約自1995年起，並每年召開締約方會議（Conferences of the Parties, COP），大家所熟知的「京都議定書」就是在1997年COP3會議中所制定的第一個具約束力的國際環保條約，於2015年底（2015/11/30-2015/12/12）為期13天在巴黎氣候變遷會議（COP21），這次會議的目標是達成具有約束力的措施，解決氣候變化問題，遏制全球氣溫上升。

根據統計（見圖二）[2]，雖然臺灣的碳排放不在世界前茅，但是臺灣卻有兩座發電廠排放的二氧化碳進入了前十名，臺中和麥寮火力發電廠，這實在不是一件值得光彩的事。因此，如何為地球提供一個更好的未來，是我們現在急需努力的事情，除了降低碳排放量之外，如何將它轉換成更有經濟效應的燃料，是目前科學家努力的目標。

圖二：2007年世界各國的二氧化碳排放量，左下圖顯示臺中和麥寮火力發電廠排放二氧化碳分別在全世界排名第一和第六。（見參考資料[2]）

n  太陽能燃料：利用人工光合作用（光觸媒）達成二氧化碳減量

降低現今大氣中二氧化碳的濃度是各國現在努力的目標，其中降低二氧化碳排放量是減碳的第一種方法，另外還有二氧化碳儲存及利用太陽能燃料轉換二氧化碳為碳氫化合物。太陽能燃料的概念取自大家熟知的光合作用，自然界中植物進行光合作用是利用空氣中的二氧化碳與水經由太陽光的照射，轉化成葡萄糖與氧氣。因此除了大量種樹降低二氧化碳的含量之外，科學家想仿照自然方式，製造人工樹葉（光觸媒）來轉換二氧化碳成為更具經濟效應的燃料。無論是從能源的角度，還是從環境的角度來看，研究光觸媒還原二氧化碳是一舉兩得的好方法。

一、   背景介紹

太陽能取之不盡用之不竭，是目前最豐富且可持續的自然能源，地球接受太陽輻射能量為1.73 × 10¹⁷焦耳每秒，簡單來說，接受30分鐘的太陽輻射照射量，即足夠全球一整年的能源總消耗量。以太陽能電池為例，即是將太陽能轉換成電能，而所謂的太陽能燃料，便是將太陽能轉換成化學能，而光觸媒在此過程即是扮演一個重要的角色。太陽能燃料可以是以氫能的形式（利用光分解水產生氧氣與氫氣）或是以還原二氧化碳所產生的碳氫化合物形式存在。表一列出各種分解水與二氧化碳所產生的產物與所需的電子數與電位。[3]

表一：分解水與二氧化碳所產生的產物與所需的電子數與反應電位，在此電位係相對於NHE（標準氫電極）與pH 7。（見參考資料[3]）

二、   半導體材料的簡介

圖三：不同種材料與常見之半導體材料之吸收。（見參考資料[4]）

一般材料分成下列三大類，導體、絕緣體及半導體，主要是與材料的價帶與導帶所形成的能隙大小有關，能隙為0 eV（電子伏特）的材料，被歸類為導體，如一般金屬；能隙介於1~3 eV者，為半導體，如大家所熟知的矽晶圓；超過6 eV以上者，為絕緣體，如玻璃、木頭等。

當光（或稱光子）照射到半導體上，能隙越大的材料，需要使用越高能量的光（如紫外光），才能激發。由於光具有一定能量，當使用大於或等於此半導體能隙的光照射時，會使半導體內的負電荷電子由價帶（valence band）受到激發躍升到導帶（conduction band）上，而電子留下一個空的位置在價帶上則是帶正電的電洞，因受到光激發所產生電子電洞對，稱之為激子。利用這組電子和電洞（e^–/h⁺ pairs）進行所需的氧化還原反應，進而將光能轉換為化學能。然而，大部分的電子與電洞因庫倫力而正負吸引，會相互結合放出熱能，只有少部分的電子與電洞可以移至材料表面再進行氧化還原反應。

在模擬大自然的人造光合作用系統中，關鍵因素有：(i)光觸媒對太陽光的吸收，(ii)電子與電洞的結合速率與傳輸，(iii)觸媒的表面進行氧化還原反應，並催化二氧化碳進行不同電子數化學反應。因此，如何提升光觸媒的反應效率，有效地提升光觸媒的吸光範圍，尤其是在可見光較強的波段，並控制電子與電洞的結合速率及結合程度，為影響光觸媒反應的一些關鍵所在。

三、   奈米材料用於光催化反應

被科學家廣泛使用的半導體催化材料多為金屬氧化物，以二氧化鈦（TiO₂）或是氧化鋅（ZnO）為主；二氧化鈦是最早使用的光觸媒材料，1972年時，日本科學家藤島和本田當時發現將光線照射在二氧化鈦時，證明了光催化分解水的可能性，稱之為Honda-Fujishima Effect。然而，由於二氧化鈦具有較寬的能隙，約3.0-3.2 eV，只能吸收紫外線範圍的光。為了增加光觸媒吸收光的範圍及提升效能，科學家們費盡心思縮小能隙來增加可見光的吸收和提高光催化性能，圖四說明多種提升效率的方法，包括金屬或非金屬的摻雜、利用兩種半導體耦合或與窄能隙有機染料敏化等形成共觸媒等等。

圖四：提升光觸媒的各種方法，褐色箭頭方向表示電子電洞的移動路徑，橘色虛線表示經由摻雜後所產生的次能帶。圖內縮寫：LUMO（Lowest Unoccupied Molecular Orbital，最低電子未占分子軌域）、HOMO（Highest Occupied Molecular Orbital，最高電子占據分子軌域）、CB（conduction band，導帶）、VB（valence band，價帶）、UV（Ultraviolet, 紫外光，λ < 400 nm）、Vis（visible，可見光，λ介於400-700 nm）、SPR（Surface Plasmon Resonance，表面電漿共振）（見參考資料[3]）

由臺灣大學凝態中心林麗瓊主任與中研院原分所陳貴賢研究員共同帶領的團隊尖端材料實驗室，多年來致力於奈米科技，並嘗試應用於太陽能電池、燃料電池、超級電容、太陽能產氫與熱電材料等方向，主要著力於再生能源的開發。其中，在減少二氧化碳的研究方向上，近年來試圖尋找更具開創性、發展性的新穎光觸媒，終於發現到氧化石墨烯（graphene oxide, GO）具有優異的光催化活性，並可轉換二氧化碳成為甲醇，比市售的二氧化鈦多達5倍。[5]

為了增加整體反應的效率，本團隊積極地利用奈米金屬添加作為電子受體[6]、染料敏化及共觸媒增加吸光等方式，來提升目前氧化石墨烯的效能，而許多和石墨烯相類似之二維結構亦具有優異的催化特性。透過合成這些二維複合物，或調製氧化石墨烯的表面氧功能基也可以直接調節其能隙，目前本團隊已開發出多種不同途徑來製備氧化石墨烯與其部分還原態，不僅效率大幅提升，也能合成出其他產物，如乙醇、乙醛及丙酮，更衍生出產物選擇性的契機，探討氧化石墨烯與其他二維結構活性位置的相關研究也正密集進行中，而且利用各種光譜分析技術並建立臨場/原位研究有助於了解光催化反應機制以便設計更高效能之光觸媒。

圖五：本團隊所開發的多種光觸媒於還原二氧化碳之轉換。圖內縮寫：CB（conduction band，導帶），VB（valence band，價帶）， GO（graphene oxide，石墨烯氧化物），Cu-NPs（Cu-nanoparticles，銅奈米粒子），Methanol（甲醇），Acetaldehyde（乙醛）。[見參考資料5-6]

n  總結

近年來全球投入人工光合作用研究之團隊與發表論文數目均迅速攀升，如何製造出高效能的觸媒仍是一個關鍵議題。我們希望這個科學議題能受到大家的重視，如此一來，除了可以減低人類因燃燒石化材料產生過多的二氧化碳，並將這些二氧化碳重新利用並轉換成綠色能源，或是更具經濟價值的化學原料，以形成良好的碳循環圈。

n  附註

1.        自然溫室氣體：水蒸氣（H₂O）、二氧化碳（CO₂）、臭氧（O₃）、甲烷（CH₄）、一氧化二氮（又稱笑氣，N₂O）

2.        人造溫室氣體：氫氟氯碳化物類（CFCs、HFCs、HCFCs）、全氟碳化物（PFCs）及六氟化硫（SF₆）

n  參考文獻

1.    Global Temperature. http://www.columbia.edu/~mhs119/Temperature/.

2.    Tollefson, J. Panel negotiates climate ‘synthesis report’. Nat. News 450, 327–327 (2007).

3.    Qu, Y. & Duan, X. Progress, challenge and perspective of heterogeneous photocatalysts. Chem. Soc. Rev. 42, 2568–2580 (2013).

4.    Absorption Coefficient | PVEducation. http://www.pveducation.org/pvcdrom/absorption-coefficient.

5.    Hsu, H.-C. et al. Graphene oxide as a promising photocatalyst for CO₂ to methanol conversion. Nanoscale 5, 262–268 (2012).

6.    Shown, I. et al. Highly efficient visible light photocatalytic reduction of CO₂ to hydrocarbon fuels by Cu-nanoparticle decorated graphene oxide. Nano Lett. 14, 6097–6103 (2014).

再談科學模型與建模—
從酸鹼模型發展史談起（上）

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所
[email protected]

n  前言

2016年《臺灣化學教育》期刊曾以「科學模型與建模」為專題，出版8篇文章，其中不乏對模型與建模觀點的評介（邱美虹，2016）、臺灣和芬蘭教科書原子結構單元之比較（周金城，2016）、跨國學生模型觀點的比較研究（宋元惟、邱美虹、鍾曉蘭，2016）、教師模型觀（林靜雯，2016）、科學建模文本的成效（鐘建坪，2016）、科學建模的教學設計（王嘉瑜2016；洪蓉宜和張欣怡，2016；鍾曉蘭，2016）。本文擬再就該主題進行討論，並從科學模型發展史的角度探討科學家在理論發展的過程中如何透過模型發展出解釋科學現象的理論，這種引介科學家模型發展歷程的教學，為「真實性學習（authentic learning）」教學取向之一，可作為12年國民基礎教育自然領域建模能力培養之參考。

n  科學模型發展史與建模歷程

科學的發展常透過理論的建立來闡述科學現象中複雜變因之間的關係。根據史料顯示，我們不難看到科學模型的建立在科學家發展理論的過程中扮演重要的角色，譬如法拉第很早就以描述性的圖繪方式繪出電磁場的概念並用以說明電場和磁場之間的互換現象、這觀點對後來馬克士威（Maxwell）發展電磁學理論有深遠的影響，且馬克士威也大量使用模型化的方式發展他的理論（Nersessian, 1992）、其它如牛頓定律、氣體動力論等等皆然，顯示建模是科學推理主要的過程，科學家產生、測試、具體化具有創意或可實行的想法，再透過一系列精煉模型的過程對科學現象加以描述與預測（Halloun, 2006）。在科學史上科學家運用系統性的推理方式發展理論，無異可以視為是一部科學模型發展史。

從科學哲學或本體論的角度觀之，Bunge（1974）認為模型可以視為是知覺的現實（perceived reality）和理想化的（idealized reality）現實之間的橋樑。換言之，模型是一種表徵，以簡約的方式呈現特定或複雜的關係，並盡量以逼近真實的現象來呈現。孔恩（Kuhn）則認為模型可以用在物件或是信念上，如原子、場、超距力等，但未必以實體存在；換言之，孔恩認為科學家可以相信理論實體和真實物體對應間的關係，但本體信念上未必能完全對應。因此，孔恩認為模型可以說是「在典範內問題的模型化解答（model solutions to problems within a paradigm）」（Gilbert, Pietrocola, Zylbersztajn, & Franco, 2000, p. 28）。而其他學者從認識論的角度探討模型時認為，模型可以代表一個物件、現象、過程、系統（Gilbert & Boulter, 2000）。而科學模型是一種將某系統的重要特性抽象化和簡化以解釋和預測科學現象的表徵（Schwarz等人，2009）。Lesh和Doerr（2003）從認為模型是透過外在的記號系統來表示成分（elements）、關係（relations）、運算（operations）、和規則（rules）之間彼此的交互作用（引自Schwarz等人，2009）。

Nersessian（1992）從認知歷史分析觀（cognitive historical analysis）出發，她認為發展科學理論是一種建模（modeling）活動，在心智中透過一連串的抽象化技巧（如想像力的推理、類比推理、思考實驗及個案分析），從既有的知識中產生新的概念表徵，進而產生科學理論。此觀點與Johnson-Laird（1983）指稱人類認知行為不僅是用模型來理解（make sense）周遭的世界，也能促使我們有效且不矛盾的建構知識，進而使這種建模歷程成為行為的常規（Halloun, 2006）。

Schwarz 等人（2009, p. 635）也指出，建模整體的過程就是不斷產生模型的過程。她認為學生應經歷下面四個建模過程才能了解建模的意義:

1.         學生建構與證據和理論一致的模型，以對現象進行說明、解釋或預測。

2.         學生對不同的模型進行評價以正確的表徵和說明現象中的型態（pattern），並得以預測新的現象。

3.         學生使用模型說明、解釋或預測現象。

4.         學生修正模型以增加解釋力和預測力，並考量新的證據或現象額外的面向。

那在教學過程中，科學教師如何處理模型與建模呢？一般而言，科學教師在科學教學中也會使用科學模型，有時是用來說明一個現象，有時是在解釋現象背後的理由。如教學上談到DNA結構時，生物教師會以DNA模型來說明雙股螺旋的結構；或是談到月相成因，會以三球儀來說明日、地、月的相對位置造成月相的變化情形。又如化學上強調巨觀、微觀、符號三位一體的重要性，根據不同的教學目的，在微觀上會運用不同的模型（如球–棍模型、空間填充模型、路易士電子點模型、電子雲模型）來達到教學目標，這種多重表徵的教學，也屬於模型教學的一種類型。但是針對科學模型的本質、目的、價值、與建構模型的歷程，通常較少見於科學教學中，就算是有，通常是以比較隱晦的方式去呈現，較少會以外顯的方式清楚明確的去教導學生認識科學模型與說明建構模型歷程的重要性。大部分的教學以模型為解釋科學概念的工具，而非去說明模型的功能與其可作為促進理論發展或進行預測時的利器、甚至不會去探討模型的侷限性。有鑑於此，推動科學模型化的思考與建模能力的發展應是當務之急。

n  酸鹼學習的研究

酸鹼在中小學科學教育中是一個重要的基本概念，同時它與生活的關係非常密切，在小學階段，酸鹼概念的引介，通常是從感官經驗出發，從觸覺、味覺等來認識酸和鹼的性質；譬如嚐起來是酸酸的就是酸、摸起來滑滑的就是鹼，這種從感官出發的學習，雖然非常直覺，有時也適用，但是該準則只是一些表面的特質，並不能完全適用在酸鹼物質的判斷。因此，隨著年級的增加，中學的學習內容便逐漸引介酸鹼理論模型，以說明物質的結構與在水溶液和非水溶液中的〝行為〞表現，因此酸鹼必須重新給予科學上的定義。此時，學生在酸鹼知識的學習進展上，不再以感官為主、也不能再望文生義（如誤以為〝碳酸〞化合物就是酸），而開始有系統地了解知識體系建立的原理原則。縱使如此，相關研究指出，學生在酸鹼概念上的學習仍是以表面的性質來認識與建立酸鹼概念，而非經由推理和論證的方式去理解酸鹼（Nakhleh, & Krajcik, 1994；Posada, 1997）。根據Lin和Chiu（2007）的研究顯示，學生酸鹼的心智模式^註1有四種：首先是現象模式（Phenomenon Model），意指學生以巨觀的性質判斷酸鹼（如毒性、腐蝕）；其次是中文字和符號模式（Character-Symbol Model），意指學生以中文字和符號來認識酸和鹼，如碳酸鈉，有碳酸二字就是酸，化學分子式中有H符號，就是酸，或是有OH就是鹼；中和就是溶液酸鹼性呈中性（即pH值等於7）等的誤解。第三種則是推論模式（Inference Model），誤以強酸與強鹼的中和反應概念可以應用到強酸與弱鹼、強鹼與弱酸或是弱酸與弱鹼的中和反應。最後一種才是科學模型，學生酸鹼的心智模式發展，與科學史上酸鹼理論的發展有不謀而合之處（Lin和Chiu, 2007）—從直觀、感官到理論通則化的發展歷程。基於此，以下將介紹酸鹼發展史以一窺其理論發展如何面對挑戰與修正的足跡。

〔續《再談科學模型與建模—從酸鹼模型發展史談起（中）》〕

再談科學模型與建模—
從酸鹼模型發展史談起（中）

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所
[email protected]

〔承《再談科學模型與建模—從酸鹼模型發展史談起（上）》〕

n  酸鹼理論發展史的範例

以下主要是介紹Oversby（2000）對酸鹼理論模型發展史所提出的七個階段，並探討模型和建模歷程的本質和目的。

1.        行為模型（Behaviour Model）：1777年以前，這是較早期的觀點，屬於描述型的模型。有關酸的基本性質包括以下幾點描述：

l 嚐起來是酸的，

l 會改變指示劑的顏色，

l 會與活潑的金屬產生反應產生氫氣，

l 會與碳酸化合物產生二氧化碳，

l 會與鹼起反應，中和後失去酸的性質。

當時的化學家根據這些性質或行為便可以進行預測，然而在這預測的過程中卻發現有些物質無法符合這些特性，如苯酚（C₆H₅OH），俗稱石炭酸，理當能與碳酸鈉或碳酸氫鈉起反應產生二氧化碳，但這預測在後來的實驗中並未被證實。因為苯酚的酸性小於碳酸，大於碳酸氫根，所以並不能與碳酸氫鈉反應產生二氧化碳。而苯酚就算能和碳酸鈉反應，但因反應少，也不會產生二氧化碳。​因此這個行為模型就沒有發展下去的價值。然而，它與生活經驗有關，是幼小孩童透過感官認識物質世界中酸鹼概念的起點，因此在小學課程中大都從這些簡單的規律性瞭解物質的酸鹼性。

2.        卜利士力模型（Priestley’s Model）：1772-1775年，模型觀：凡是含有氫的物質就是酸。

這模型主要是來自瑞典學者謝勒（Carl Scheele, 當時也在嘗試解釋燃燒實驗重量增加的問題），他將鹽酸和二氧化錳加在一起產生氯氣，並探索一些氯的氧化物的性質後，引發出兩種酸的想法： 一種是含氧的酸，另一種是含氫的酸。卜利士力是將這兩種酸組合成一個模型想法的人，他認為酸性氧化物溶於水造成酸性，所以所有的酸都含有氫。這一模型可以用反應式去表示反應狀況，而在中和反應時，酸和鹼的量的多寡決定產生鹽的量的多寡，這是採用化學計量的濫觴。這個模型具有以下四個解釋的功能：(a)酸中氫被金屬取代產生鹽、(b)金屬加入酸中產生氫氣、(c)有些酸性氧化物溶於水會形成氫氧化物、(d)能被金屬取代的氫稱為酸性氫。但是這模型終究是失效的，它無法有效地預測物質的酸鹼性。

3.        拉瓦節（Lavoisier’s Model）：1777-1787年，模型觀：凡是含有氧的物質就是酸。

無疑地，這個想法來自於測試燃燒後的產物的性質，由於燃燒後的產物含有氧，所以酸性性質便是來自於氧化物的存在。在這個時期，三氧化硫（SO₃）被視為硫酸（H₂SO₄），在當時溶劑的概念尚未形成，所以並不了解三氧化硫（SO₃）溶於水後才是硫酸（H₂SO₄）。而鹽的產生就是酸的氧化物和鹼的氧化物反應後的產物，這種雙重觀點歸因於當時許多中和反應都是相反物質的反應。總之，在當時缺乏量化的概念，酸性就是化學物質本身的性質，然而當有些氧化物或非金屬不具有酸性性質時，這模型當然也就失效了。

4.        阿瑞尼斯模型（Arrhenius Model）：1884年，模型觀：酸是一種在水溶液中會產生氫離子的物質。

這個模型來自於兩位化學家的實驗：勞特（Raoult）測量冰醋酸的凝固點下降的實驗和阿瑞尼斯（見圖一）進行不同溶液的導電性時所發展出來的科學模型（有關勞特和阿瑞尼斯在這方面的實驗說明，可參見de Berg, 2003），尤其是阿瑞尼斯模型可以解釋強電解質在稀釋溶液中導電的現象（但無法適用於中等濃度範圍），再加上Guldberg和Waage的觀點，解釋弱電解質在稀釋溶液中的導電也可以適用（Oversby, 2000）。阿瑞尼斯於其博士論文中提出解離不需如法拉第理論而需要外在電的來源時才能解離的觀點，受到其化學教授的反對，因此阿瑞尼斯剛開始並未太著重於解離說的推廣，但在遊走於歐洲拜訪其他科學家時，其解離說的觀點逐漸受到重視，於1887年正式被接受（de Berg, 2003）。而他所進行的實驗，包括有氫離子濃度的測量、pH值的尺度、酸的相對強度、解離常數（Oversby, 2000）、滲透壓（de Berg, 2003）等等，皆證明其理論的合理性且可量化，這些實驗的結果對化學界認識酸與電解質的性質產生突破性的影響。阿瑞尼斯的解離說在化學上的貢獻，使他在1903年獲得第三屆諾貝爾化學獎。可惜的是，每個模型都有其侷限性，阿瑞尼斯模型的限制就是僅能適用於水溶液中的解離。

圖一：阿瑞尼斯

（圖片來源：諾貝爾獎官網，http://goo.gl/Xtxb16）

簡單來說，阿瑞尼斯的模型就是化合物若含有H，且會釋放出H⁺，就是酸；若化合物可以解離出OH^–，就是鹼。反應式如圖二所示：

HA(aq) → H⁺(aq)+ A^–(aq)

   酸

BOH(aq) → B⁺(aq) + OH^–(aq)

     鹼

圖二：阿瑞尼斯的酸鹼模型

5.        布–洛模型（BrØnsted–Lowry Model）：1923年，模型觀：酸是提供質子的物質。

阿瑞尼斯模型的限制在布–洛模型中獲得解決。布忍斯特（Johannes BrØnsted）和洛瑞（Thomas Lowry）兩位化學家提出他們的酸鹼理論來解釋氯化氫和氨氣反應產生氯化銨的實驗，他們認為這反應就如同兩個物質在水中起中和反應是一樣的，不需要水作為溶劑也可以判斷孰是酸孰是鹼。他們的出發點是希望可以提出一個更根本的解釋模型來說明酸的特性，而這理論並不需要阿瑞尼斯理論中的水作為媒介（Oversby, 2000; Erduran, 2001）。相較於阿瑞尼斯模型，布–洛模型不受限於溶劑的種類或是否有溶劑參與（Oversby, 2000），突破過去的限制，同時此模式的主要優勢是在解釋物質之間質子轉移達到平衡時，物質酸性的相對強度。簡單來說，布–洛模型的提供質子的物質是酸（proton donor），接受質子的物質是鹼（proton acceptor）。至此，布–洛模型已經可以解釋相當多的酸鹼反應並預測正確。

圖三：Johannes N. BrØnsted（左）和Thomas M. Lowry（右）

（圖片來源：http://goo.gl/TUvsmh（左），http://goo.gl/P0xLKV（右））

HA(aq) + H₂O → H₃O⁺(aq) + A^–(aq)

    酸                                            鹼

圖四：布–洛的酸鹼模型

6.        路易士模型（Lewis Model）：1923年，模型觀：酸是接受電子對的物質。

當氫在阿瑞尼斯模型和布–洛模型中都扮演重要角色的同時，氫的角色也備受挑戰，畢竟化學關心的是電子而不是氫，同時布–洛模型也未能涵蓋那些表現像酸或鹼可是卻不含氫的化合物（Erduran, 2001）。根據Brock（1992，引自Oversby, 2000）指出，路易士模型將重點從酸轉移到鹼的性質，並延伸其想法到鍵的形成和斷裂，以此觀點解釋酸鹼物質的行為是因酸和鹼產生共價鍵所致。然而，此模型與之前判斷何種物質為酸的理論不同，其所採取的定義是以鹼的電子結構來定義鹼，其適用範圍太廣，使得所有的反應幾乎都可以被視為是酸鹼反應，終致無法適用。

H⁺(aq) + :O^2- → O ̶ ̶ H^–(aq)

      酸         鹼

圖五：路易士的酸鹼模型

7.        烏薩諾維奇模型（Usanovitch Model）：1939年，模型觀：通則化的溶劑模型。

烏薩諾維奇的觀點是以離子之間的反應為重點，他認為陰離子為電子對的提供者，這模型考慮酸性物質在自我解離時，因為陽離子的濃度增加而呈現酸性。這模型的貢獻是將酸性物質的判斷從水溶液延伸到非水溶液系統。由於此種定義，幾乎包含所有反應、適用最廣，但是也因為如此，氧化還原反應亦包含於內，導致許多化學家無法接受此說法，因此目前已很少人使用此定義。其反應如圖六所示：

2NH₃ → NH₄⁺ + NH₂^–

2SO₂ → SO₂⁺ + SO₃^2–

2CH₃COOH → CH₃COOH₂⁺ + CH₃COO^–

圖六：烏薩諾維奇模型的說明

根據上述討論，將Oversby（2000）的觀點與酸鹼模型在自然領域課程綱要中的學習進展階段彙整如表一所示。

表一：酸鹼模型的發展與解釋類型

註：彙整自Oversby（2000）表12.2、12.3和12.5。

上述酸鹼學說發展史描述化學家根據不同解釋的面向而使用不同的模型來為酸鹼下概念型/操作型定義，在這過程中化學家進行實驗來驗證先前理論是否合宜、提出並評估自己的模型的價值及其適用範圍，再根據實驗數據加以修正模型，使其解釋力與預測力更加完善。邱美虹（2016）提出建模歷程的四個階段和八步驟分別是第一階段：模型發展階段，這一階段包含模型選擇與建立。第二階段的模型精緻化，在這一階段包含模型效化與分析。第三階段： 模型遷移階段，這一階段包含模型的近遷移和遠遷移。第四階段，即模型重建階段，這一階段包含模型修正和轉換。若以邱美虹（2016）建模歷程架構來探討酸鹼模型發展史（見圖七），〈行為模型〉可視為最初的酸鹼模型，以經驗導向的方式來判斷酸鹼的定義，透過觸覺、味覺等感官歸納出酸鹼物質的性質。此模型與生活經驗有直接的相關在酸鹼發展史中最早出現，也適用某些狀況下，因此〈行為模型〉從選擇主要的物質的酸性特質（選擇）、建立酸性物質就是嚐起來酸酸的感覺（建立）、經過嘗試不同物質後（效化），發現此準則仍適用，可以有效地分辨酸性物質和鹼性（分析），以及應用到日常生活中食物的判斷（應用），顯示確有其可適用的範圍，且分辨物質的酸鹼性又回饋到原來的〈行為模型〉（在圖七中以雙箭頭表示），因此〈行為模型〉歷經建模的前三階段，但是也因為有些酸性或鹼性物質無法用簡單的感官去正確判斷其酸鹼性，因此所建立的〈行為模型〉無法完全適用，遂有後續〈卜利士力模型〉和〈拉瓦節模型〉兩種解釋模型的提出，這兩種模型被選擇出主要的酸性物質分別是氫和氧以後，便建構出酸的模型，透過實驗不同物質來效化與支持他們所提出的酸鹼理論模型，使其可以解釋所觀察到的科學現象。同理，他們也面對與〈行為模型〉一樣的命運，也就是說卜利士力認為凡是含有氫的物質都是酸的理論，遭遇許多反例遂導致理論必須被修正；同理，〈拉瓦節模型〉中有些氧化物不具有酸性物質的特性，所以他的解釋模型也失效；至此兩人的模型雖經過部分數據的支持，理論精緻化後，但適用範圍有限，無法完全遷移，模型便不適用。爾後，阿瑞尼斯提出強弱電解質在溶液中導電的情形來說明物質的酸鹼性質，這一模型較前面敘述的三種模型適用範圍較為廣泛，但因只適用在水溶液中，而限制其解釋力的範疇，其過程與前述模型相似，歷經建模第一、二、三階段。布忍斯特洛瑞所提出的解釋模型—〈布–洛模型〉，選擇質子為模型要素，將酸定義為提供質子的物質，鹼定義為接受質子的物質，此時模型解釋的科學現象更加廣泛，且不再受限於特定溶劑中（調度）。再加上效化、分析、到遷移階段其他化合物的檢驗與實驗數據的支持，至此布–洛模型已具備解釋大部分的酸鹼的條件，而取代阿瑞尼斯模型。雖然後續還有路易士模型和烏薩諾維奇模型，使酸鹼的定義不再侷限在水溶液中，且適用於自我可以解離的溶劑中。但在高中階段，布–洛模型已可以達到幫助學生判斷酸鹼反應可能的產物與反應的機制的目的。

在圖七中，紅線代表每一個單一酸鹼模型從發展階段、精緻化階段到遷移階段的發展路徑，同時也說明階段之間互相回饋的機制，故以雙箭頭表示彼此之間的關係。由於每一個酸鹼模型各自並未出現第四階段的重建過程，故此處紅線在遷移後因有可能終止發展，故紅線未進入重建階段。而綠線代表這些酸鹼模型整體而言是歷經四個階段，後面發展的酸鹼模型是要修正前面的定義，甚至發展出不同於先前的酸鹼模型，因此整體酸鹼模型發展史歷經模型發展階段、模型精緻化階段、模型遷移階段到模型重建階段，整體酸鹼模型是以線性前進的方式發展。雖然酸鹼模型發展史說明科學模型的發展未必每一階段的建模歷程皆會經歷，有時因其解釋力與預測力不夠完整與精確，在既有的理論上無法發展，只有放棄，而從其他角度切入；有時則是強化既有的理論適用範圍。若從Thagard（1992）概念革命的觀點觀之，酸鹼理論模型比較像是排斥（如〈卜利士力模型〉和〈拉瓦節模型〉兩個理論之間）或是後發展的理論取代之前發展的理論（如〈阿瑞尼斯模型〉和〈布–洛模型〉），這些都比較像孔恩的常態科學，基本上酸鹼模型的發展似乎並未進入到科學典範（paradigm）轉移，到達不可共量的程度。就如同阿瑞尼斯模型在某些情況下還是可以適用的。

圖七：建模歷程與酸鹼模型發展史之關係簡圖

〔續《再談科學模型與建模—從酸鹼模型發展史談起（下）》〕

再談科學模型與建模—
從酸鹼模型發展史談起（下）

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所
[email protected]

〔承《再談科學模型與建模—從酸鹼模型發展史談起（中）》〕

n  中小學自然科課程中酸鹼概念的設計

依照自然領域課綱的界定，小學酸鹼概念的介紹停留在以經驗為導向，比較像此處介紹的第一種〈行為模型〉，在阿瑞尼斯之前，酸鹼性大都是從物質本身的內在性質去判斷（如是否含氧或氫），但是到了阿瑞尼斯，他提出物質是會解離出某種不同於原來的物質，使其出現酸鹼性，因而這種從巨觀的感官（觸覺、嗅覺）或觀察，進入到微觀世界的解釋，正如酸鹼單元的安排，國小階段從觀察和體驗自然現象的學習出發，在國中階段便邁向微觀解釋的科學認知。隨著年級的增加，高中則介紹布–洛學說的科學模型，將質子微觀概念納入酸鹼單元，惟重點以學科內容知識為主，對於科學家如何利用模型發展理論、解釋現象的科學模型本質與功能，較少觸及。對學生而言，在不同模型之間轉換—何時該使用何種模型來解釋科學現象是困難的（Carr, 1984）。教科書撰寫者應提供學生了解科學家利用科學模型解釋與預測科學現象的認知過程，經由實驗數據的支持或反駁既有的理論而必須強化或調整解釋的方式，甚至有時或許還需要對科學理論進行轉變。這種動態的科學模型發展史觀，應該適時地在科學教學中或教科書中呈現，讓學生透過自我建構、同儕討論共構、師生共構的過程認識模型的功能與效力，以發展出通則化的建模能力。

n  臺灣中學科學教科書與浙江中學科學教科書在酸鹼模型上的比較

中學教科書的撰寫大都以科學知識的傳遞為主，每次課程改革也都著重於概念知識量的多寡，對於科學模型的本質與建模歷程的價值，較少著墨。就筆者所接觸過的教科書中，浙江教育出版社八年級科學教科書下冊罕見的出現對模型意義的說明，以及對模型使用的目的及其功能加以評介（見圖八）。這種模型以及建模的概念也外顯式的出現在原子結構單元的介紹中（見圖九）。然而雖是如此，在酸鹼單元處卻未見該教科書中呈現各種酸鹼模型發展史，甚至阿瑞尼斯酸鹼模型也未提及，而僅以圖形呈現解離的概念（見圖十）。反觀臺灣國中自然與生活科技翰林版教科書，雖並未對一般的科學模型加以介紹，但在酸鹼概念的介紹中會提及阿瑞尼斯的解離說，且單元末以生動的漫畫方式介紹阿瑞尼斯的生平和解離說之發展歷程，透過情境化的教材讓學生了解科學活動的發生可能遭遇的問題。同時，在酸鹼單元中除以圖形呈現解離概念外，並佐以元素符號以結合多重表徵的方式呈現酸鹼概念（見圖十一），高中階段的化學課程也逐漸強調以微觀粒子表徵的方式讓學生認識酸鹼概念並建立科學模型。圖十二呈現以多重表徵的方式說明強酸和弱酸的解離現象，以利學生視覺化微觀現象進而有利建立正確的科學模型。作者認為教科書若能彰顯化學三位一體的概念—即巨觀、次微觀、與符號，並透過建模歷程引導學生去建構出化學概念系統，則可導向意義化與模型化的新科學思維。

圖八：浙江教育出版社（2015）八年級下冊科學教科書（p. 37） 

圖九：浙江教育出版社（2015）八年級下冊科學教科書（p. 43）（右方文字為作者自行加註）

圖十：浙江教育出版社（2015）九年級上冊科學教科書（p. 6）

圖十一：國中自然與生活科技八年級（二下）酸鹼中和（翰林出版社, 2016, p. 79）

圖十二：國中自然與生活科技八年級（二下）強酸弱酸解離狀況（翰林出版社，2016, p. 65）

圖十三：高二選修化學上冊（南一版，2014, p. 166）

n  結語

本文透過酸鹼模型的發展史嘗試去說明科學模型發展的動態特質，以及運用科學模型建立數據和現象之間解釋的關係的重要性。模型的認識與使用、模型的修正與轉換、模型的建構與重構，這些科學家不斷在其科學志業中反覆使用與發展的能力為何不能在科學教學中有意圖的教給學生呢？每位學生人手一本的教科書為何不能以最直接的方式告訴學生建立科學模型的意義與價值？為何建模能力的培養不能是科學教學的重要目標之一？科學知識的傳遞不應是瑣碎知識的堆砌、照本宣科的背誦，常言道： 給孩子魚吃，還不如教孩子釣魚的方法！ 同理，教給孩子們零碎的知識，還不如教他系統性的思考，透過有系統的模型建立、檢測、評估、應用、再造，找到適切的模型以達預測與解釋的效力。建模能力是跨學科的能力，它不應受限於學科內容，舉凡物理、化學、生物、地球科學，跨科的學習皆需要建模能力；由於建模是領域廣泛（domain-general）的能力，若能培養出高層次的建模能力，必可運用在跨領域（或跨界）的學習上。教學要能讓學生見樹（一個一個單一的概念）又見林（概念之間的關係所形成的系統），建模強調系統化的學習應可視為一個極佳且重要的教學策略！

n  附註

註1：作者於本文中將model一字分別翻譯成模式和模型，若是用在人類心智的表徵，它是表現的一種方式，如mental model則採用心智模式；若是指稱物件或理論等，如scientific model則採用科學模型，以區別兩者在基本屬性上的不同。

n  參考文獻

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黑白與記憶：銀鹽相紙的製作與沖印

廖旭茂

國立大甲高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]

n  影片觀賞

本影片介紹古老的黑白攝影工藝—鹽印法（Salt Printing），從自製傳統黑白相紙，在LED燈泡或紫外光燈下進行曝光，接著在暗室中定影並水洗、陰乾，完成黑白照片的過程，並在文章中介紹光化反應的原理。

影片網址：黑白印象：銀鹽相紙的曝光與實作，https://youtu.be/aUV25oHNLPo。

n  簡介

黑白攝影工藝自1800年起，從最簡易的鹽印法開始，英國攝影大師塔伯特（William Henry Fox）利用食鹽水與硝酸銀反應，製造了氯化銀塗層紙張，這是一種對日光敏感的化學塗層，塗層經過曝光、海波（hypo）定影、水洗、陰乾之後隨即完成。鹽印法產生的照片並無光澤，呈斑駁感，色調呈現紅棕色^[1]。由於鹽印法曝光時間長達一個小時以上，並不方便，因此並沒有造成流行；塔伯特先生隨即又發展出卡羅版攝影法（Calotype），使用更高光敏性的碘化銀取代氯化銀，曝光前後使用五倍子酸（gallic acid），讓看不見的潛影（latent image）因而顯影出來，大大縮短曝光時間。卡羅版因專利限制，連一般業餘攝影者都必須購買使用許可，也未造成當時太大的風行^[2]。隨後不斷的改進，蛋白版（Albumen Type，使用蛋白將銀鹽固定在玻璃、棉紙上）、藍晒版（Cyanotype）、火膠棉法（Collodion process，火棉膠是黏性液體，可將感光物質硝酸銀固定在玻璃版上，製成感光版）、明膠乾版法（Gelatin dry plate，將銀鹽分散溶於明膠溶液中）等^[3-4]，十九世紀末期，真可謂黑白攝影百家爭鳴的時代。

傳統黑白攝影工藝技術的演進，主要著重在銀鹽感光材料相關的理化特性探討；從還原的銀顆粒的附著固定工法開始，到相紙的材質種類；從成像色調調整、記錄保存，到走入藝術之門，成為博物館的收藏品。繁複的程序工法，實則是沉澱、光化、氧化還原、錯合等多個化學反應的串連。黑白攝影走入人類的歷史，紀錄了世間的喜怒哀樂，與悲歡離合，百年後數位狂潮橫掃，改變了普羅大眾紀錄生活的習慣。在黑白攝影淡出舞台之際，特藉由《臺灣化學教育》版面，回顧並分享簡易銀鹽相紙的製作與印相的工藝化學，闡明感光和沖洗的化學原理，作為高中化學教學的參考；本實驗參酌網路作法^[5][6]，加以修改、簡化，並以培養皿小型化的方式進行演示，以減少化學品的使用與廢棄物的排放。

n  藥品和器材

1.        0.67 M氯化鈉溶液：秤取4克的氯化鈉（NaCl），溶於蒸餾水中，配成100毫升的溶液。

2.        0.67 M硝酸銀溶液：秤取12克的硝酸銀（AgNO₃），溶於蒸餾水中，配成100毫升溶液。

3.        1.0 M定影液：秤取15克的硫代硫酸鈉（海波，Na₂S₂O₃），溶於蒸餾水中，配成100毫升溶液。

4.        水彩紙（8K, 180P） 1張、圓規刀 1支、投影片（雷射印表機專用） 2張、海綿刷 3支、培養皿 4組、玻璃板（2 mm, A4）2片、鑷子 1支、玻棒 1支、血清瓶（100毫升） 3個，曝光鐵架組（含10 W安全燈泡、3 W紫外光燈、及1 6W LED白光燈泡）。

5.        曝光鐵架如圖一所示：

圖1：LED白光燈泡（在鐵架右邊）、安全燈泡（在鐵架左邊）及紫外光燈（圓形紙張上方）

n  實驗步驟與結果

一、  溶液的配製和準備

1.        氯化鈉溶液的配製：取一個100毫升的燒杯中，加入50毫升的蒸餾水。接著秤取4克的氯化鈉固體，加入燒杯中，緩慢地攪拌使固體完全溶解，接著將燒杯內的食鹽水溶液倒入100毫升容量瓶，加蒸餾水至刻度線，形成0.67 M NaCl溶液，備用。

2.        硝酸銀溶液的配製：秤取12克的硝酸銀固體，加入燒杯中，緩慢地攪拌使固體完全溶解。接著將燒杯內的硝酸銀水溶液倒入100毫升容量瓶，加蒸餾水至刻度線，形成0.67 M AgNO₃溶液。為避免光照，瓶身包上鋁箔遮光，備用。

3.        定影液的配製：秤取15克的硫代硫酸鈉（海波，Na₂S₂O₃），，加入燒杯中，緩慢地攪拌使固體完全溶解。接著將燒杯內的硫代硫酸鈉水溶液倒入100毫升容量瓶，加蒸餾水至刻度線，形成1.0 M Na₂S₂O₃溶液，備用。。

二、  銀鹽相紙的製作

1.        取一支圓規刀，調整切圓直徑為9 cm長，在8K水彩紙上畫切出4個直徑9 cm的圓形紙張作為相紙。圖2為相關裁切裝置。

圖2：圓規刀裁切圖，深綠色為軟墊。

2.        將取10毫升的食鹽水，倒入培養皿中（上蓋），放置圓形紙張在浸入食鹽水中，完全浸濕後（約5分鐘），取出陰乾（或用吹風機吹乾）。

3.        關閉室內燈光，打開紅色安全燈，將10毫升的硝酸銀溶液倒入培養皿中，取一支海綿刷沾取溶液，縱橫均勻塗滿整張圓形相紙，陰乾後保存在不透光的容器內，備用。

三、  黑白負片製作

1.        選取一張數位照片或圖片，於影像編輯軟體photoshop中之畫面調整為黑白負片，再另存為jpg影像檔。

2.        在簡報軟體powerpoint中，版面設定為A4大小，插入一方形圖案，大小調整設定為9 × 9 cm後，確保投影片的每個影像大小與相紙大小相近，隨後於方框中插入黑白負片影像檔（一張投影片約可排入四張照片或圖案），接著將雷射專用投影片置入紙匣中，輸出影像。圖3為完成列印的投影片底片（負片）。

圖3：列印投影片輸出負片製作成底片

3.        亦可使用文具店販賣的卡通貼紙，貼在投影片的空白處，製作成底片（負片）。

圖4：貼上市售Q版的貼紙完成投影用底片

四、  印相過程

1.        曝光：關閉室內燈光，打開紅色安全燈，將預備的銀鹽相紙取出，放置於一片玻璃板上，塗層朝上，接著將投影片負片印刷面朝下，疊置於相紙上方，最後再用另一塊玻璃板壓在投影負片上方。調整紫外光燈位置，照射方向在相紙垂直方向上方15 cm處，打開電源，照射時間約為5分鐘，因紫外光會傷害眼睛，不可直視光源，且應全程配戴抗UV眼鏡。若使用LED光源，照射時間必須延長一倍以上。曝光時間的長短需要多一些嘗試，才能掌握好。圖4為曝光過程。

圖5：紫外光曝光過程

2.        定影、水洗：紅色安全燈持續開啟下，將15毫升的海波（硫代硫酸鈉溶液）倒入培養皿中，以鑷子夾起相紙，置入培養皿中，不時搖動培養皿，讓海波與未反應的氯化銀充分反應，三分鐘後再以鑷子夾起，置入水槽中以水洗，三分鐘後夾起相紙、陰乾。圖6為定影和水洗過程圖。

圖6：定影過程需要不時晃動培養皿（左），相紙水洗過程（右）

n  原理與概念

傳統的黑白攝影中，相紙的主要結構是以纖維紙層為基礎，在紙基上方塗上一層名為重晶石的礦石粉末（主要成分為硫酸鋇），其作用除了可以填補紙基的凹陷，提高紙材的平整度外，也可增加相紙看起來更光亮潔白^[7]。重晶石層上方可以再塗佈一層聚乙烯樹脂，以防止沖印時化學藥品進入紙基內。樹脂上方塗佈的是銀鹽感光乳化劑，最後在感光乳化層之上塗佈保護層。圖7為相紙的剖面圖。

圖7：典型的銀膠相紙的剖面圖

早期鹽印法的成像非常簡單，只有沉澱、曝光、定影及水洗四個步驟，比傳統黑白相紙的成像沉澱乳化、曝光、顯影、定影及水洗五個步驟，少了顯影的過程，其主要原因是鹽印法使用對光較不敏感的氯化銀作為感光塗料，需要至少一個小時或較長的曝光時間，因此只適合和風景等靜態影像；而現代的黑白底片使用的是更高光敏性溴化銀（AgBr）或碘化銀（AgI）作為感光塗料，大幅度縮短曝光前置時間，開展了紀錄的應用層面。曝光後，再增加一道工序，使用還原劑如檸檬酸、亞硫酸鈉或酚類來進行化學顯影，讓眼睛看不到的細微潛影也可以繼續進行還原反應，銀晶粒繼續成長，形成看得到的影像，照相術因而可以便捷、普及。

本文將鹽印法數個步驟的化學原理及施作注意事項分述如下：

一、沉澱反應

當浸泡過食鹽水的圓形水彩紙與硝酸銀作用時，會產生難溶性的氯化銀固體沉澱在棉紙纖維裡。其反應如式[1]所示：

NaCl(aq) + AgNO₃(aq) → AgCl(s) + NaNO₃(aq)    [1]

二、曝光

第二個步驟是將塗好氯化銀的相紙放置在玻璃板上，再將投影片負片放在相紙上，最後再覆蓋上一片玻璃板。當紫外光通過投影片負片時，投影片上影像的亮部允許通過較多的光線，以致相紙上的氯化銀微粒接受光子，氯離子會發生氧化反應生成氯原子，其半反應如式[2]所示，兩個氯原子生成氯分子，其反應如式[3]所示。釋放的電子會躍遷到傳導帶，自由的載體（電子）在晶格層間移動時，直到被銀離子接收，還原成金屬銀粒子，其半反應如式[4]所示；持續的曝光能讓銀簇成長成較大的銀晶體顆粒，因此在相紙留下較暗的影像^[8]。而在投影片的暗部會遮住紫外光，以致相紙上的氯化銀發生氧化還原反應的比例較低，使得相紙的表面會呈現較光亮的白色。此鹽印法所生成的銀顆粒與纖維之間並無產生強而有力的附著力，且相紙並無保護塗層處理，因此此法所製作的照片表面並無光澤、且容易產生斑駁感，色調偏懷舊的紅棕色。氯化銀曝光的總反應如式[5]所示^[9]，圖8為鹽印法的實驗結果。

Cl^– → Cl + e^– （在uv光下）   [2]

Cl + Cl → Cl₂    [3]

Ag⁺ + e^– → Ag    [4]

AgCl → Ag + 1/2 Cl₂（在uv光下）    [5]

圖8：鹽印法水洗陰乾後的相紙外觀

三、定影

這個步驟因為氯化銀對藍光和綠光較敏感，對紅光不敏感，因此過程必須關燈，通常在安全燈—紅光下進行。步驟使用海波（硫代硫酸鈉溶液）的目的主要是用來溶解未感光的氯化銀，氯化銀本身難溶於水，卻可與硫代硫酸根進行錯合反應形成硫代硫酸銀錯離子，而溶於定影溶液中。定影過程須完全反應，否則殘留的氯化銀會繼續曝光，而在亮部形成汙跡。相關反應如式[6]所示：

AgCl(s) + 2Na₂S₂O₃(aq)→ Ag(S₂O₃)₂^3–(aq) + Cl^–(aq) + 4Na⁺(aq)    [6]

n  安全注意及廢棄物處理

l  操作過程中，因硝酸銀碰觸後會傷害皮膚，變為棕黑色，必須戴上手套。

l  實驗曝光使用紫外光燈時，會傷害眼睛，請勿直視光源，並請戴上抗UV眼鏡。

l  實驗後，反應所產生的含硫代硫酸銀廢液，依規定回收處理。

n  參考資料

1.        Salt print, https://en.wikipedia.org/wiki/Salt_print.  

2.        Calotype and other early paper processes, http://goo.gl/HbGDAp.

3.        Photography, https://en.wikipedia.org/wiki/Photography.

4.        Silver Gelatin, http://goo.gl/o5Wx0P.

5.        Making your own Photographic Paper, http://goo.gl/xLzVGs.

6.        Salt Printing – 16 Step Rough & Ready, https://www.youtube.com/watch?v=Xm1jI8zx_YM.

7.        Photographic paper, https://en.wikipedia.org/wiki/Photographic_paper.

8.        Silver halide, https://en.wikipedia.org/wiki/Silver_halide.

9.      John Hannavy, Encyclopedia of Nineteenth-Century Photography, Routlege, 2008, p. 857. (https://goo.gl/GhG9FZ)