臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan微量化學實驗：小綠綠晶體與藍印術微量實驗（上） ／ 周芳妃、李盈萱、陳靜瑋
星期四 , 7, 7 月 2016 本期專題, 第14期 / 2016年7月 在〈微量化學實驗：小綠綠晶體與藍印術微量實驗（上） ／ 周芳妃、李盈萱、陳靜瑋〉中留言功能已關閉微量化學實驗：小綠綠晶體
與藍印術微量實驗（上）
周芳妃1, *、李盈萱2, *、陳靜瑋1
1臺北市立第一女子高級中學
2臺北市立中山女子高級中學
1, *[email protected]、2, *[email protected]
n 前言
本微量化學實驗設計採用一系列化學變化進行創作實用有趣的美術作品，「小綠綠晶體與藍印術」實驗原理涵蓋高中化學課程的四大類型反應：（一）酸鹼中和反應、（二）離子沉澱反應、（三）氧化還原反應、（四）光催化反應。依照目前普通高級中學課程綱要的安排，本實驗原理屬於基礎化學（二）主題：常見化學反應，以及選修化學（上）和（下）主題：氧化還原反應、無機化合物等。配合高中化學107新課綱課程也融入綠色化學原則，本微量實驗也適用來作為綠色化學的教學示例，例如低毒、減廢、思危、再生等的多項原則。
本實驗的目的：（一）以微量實驗進行草酸鐵鉀晶體的合成反應，認識錯合反應與離子沉澱反應，進而學習操作養晶技術。（二）使用草酸鐵鉀養晶的微量廢液，經由系列反應，涵蓋了光化反應、氧化還原反應、離子沉澱反應等，也達到實驗減廢的功能。（三）使用微量離心管（Eppendorf）為簡易定量工具，幫助學生精確量取微量體積的溶液，也達到實驗減量的目的。（四）以微量實驗的設計為本，也結合化學與藝術創作的實驗設計，完成藍印術的創作，使學生體驗學習化學的精采與樂趣。
n 原理和概念
一、草酸鐵鉀晶體的合成反應
鐵離子是地殼中含量第二豐的金屬元素；植物中含有的草酸根離子是一種配位基，可以結合許多種金屬離子而形成錯合物。草酸鉀與氯化鐵兩者皆為易溶於水的鹽類，若將足量的草酸鉀與氯化鐵混合後，將發生錯合反應而產生綠色的三草酸錯鐵(III)離子（trisoxalatoferrate(III)）。反應產物的飽和溶液中可結晶析出三草酸錯鐵(III)化鉀（potassium trisoxalatoferrate(III)）的綠色晶體，簡稱為草酸鐵鉀（potassium ferrioxalate）。由於綠色晶體外觀晶瑩剔透，本文中就將之暱稱為〝小綠綠晶體〞。上述飽和溶液中析出草酸鐵鉀固體的反應，如式[1]所示：
3K2C2O4(aq) + FeCl3(aq) à K3[Fe(C2O4)3](s) + 3KCl(aq) [1]
草酸鉀(aq) + 氯化鐵(aq) à 草酸鐵鉀(s) + 氯化鉀(aq) [1]
二、藍印術的反應
(一) 草酸鐵鉀的氧化還原反應
草酸鐵鉀中的草酸根離子，除了擔任配位基之外，本身也是溫和的還原劑。如果將草酸鐵鉀放置在酸性條件下，草酸根離子會形成草酸分子而失去配位基功能，只剩下還原劑功能，造成草酸鐵鉀變質，其錯合物結構瓦解，鐵(III)離子就被自由釋出。接著，鐵(III)離子與草酸分子就開始發生氧化還原反應，使鐵(III)離子與草酸分子反應形成鐵(II)離子和二氧化碳。由於此反應也是光催化反應，照光使反應速率大增，使草酸鐵鉀加速變質，因此草酸鐵鉀必須隔離光線與酸性物質來收藏，才能延長保存的時間。上述鐵(III)離子與草酸分子發生氧化還原反應，如式[2]所示：
2Fe3+(aq) + H2C2O4(aq) à 2Fe2+(aq) + 2CO2(g) + 2H+(aq) （照光） [2]
鐵(III)離子(aq) + 草酸(aq) à 鐵(II)離子(aq) + 二氧化碳(aq) + 氫離子(aq) （照光） [2]
(二) 普魯士藍沉澱的形成
草酸鐵鉀在酸性條件變質之後，逐漸產生鐵(II)離子。若鐵(II)離子與六氰錯鐵化鉀（potassium ferricyanide，鐵氰化鉀，俗名為赤血鹽）相遇，形成深藍色的滕氏藍（Turnbull’s blue）固體，或稱為普魯士藍（Prussian blue）固體。利用晒圖製版印刷的技術，就可以做出藍底白線條的圖案，此稱為藍印術（cyanotype process）。上述鐵(II)離子與六氰錯鐵離子發生的沉澱反應，如式[3]所示：
9Fe2+(aq) + 6Fe(CN)63–(aq) à 3Fe3[Fe(CN)6]2(s) à 2Fe4[Fe(CN)6]3(s) [3]
鐵(II)離子(aq) + 六氰錯鐵離子(aq) à 普魯士藍(s) [3]
n 器材與試劑
每組用量：2.0 M草酸鉀（K2C2O4）溶液 1.5 mL、2.0 M氯化鐵（FeCl3）溶液 0.5 mL、2.0 M六氰錯鐵化鉀（俗名為赤血鹽），1.5 mL、2.0 %醋酸 1.5 mL、微型滴管（容量約1.5 mL） 3支、微量塑膠離心管（容量精確1.5 mL），3支、濾紙（9 cm）裝入透明PP塑膠袋中 每次1套、紙巾 每次1張、玻璃或塑膠樣品瓶（容量約3.0 mL），1支、細字黑色油性筆 1支，器材照片如圖1所示：
圖1：本實驗的主要器材（左），具有精確刻度的微量離心管（右）。
n 實驗步驟
一、草酸鐵鉀晶體的合成反應
1. 使用微量離心管作為簡易定量工具，分別量取0.5 mL的2.0 M FeCl3和1.5 mL的2.0 M K2C2O4。將K2C2O4溶液與FeCl3溶液混合於樣品瓶中，產生綠色液體。此反應條件可形成稍微過飽和的草酸鐵鉀溶液，如圖2所示。將小瓶子輕搖幾下之後，靜置。
圖2：K2C2O4與FeCl3的混合：左為FeCl3溶液，右為K2C2O4溶液（左）；錯合反應產生綠色的[Fe(C2O4)3]3-離子（右）。
2. 將樣品瓶放置於無光線處（例如抽屜），或是用紙包覆遮光。先將溶液靜置於室溫約5~10分鐘，再改冰水浴約10分鐘，等候草酸鐵鉀晶體析出，如圖3所示。觀察本文中暱稱為〝小綠綠晶體〞的固體，如圖4所示。
圖3：草酸鐵鉀的結晶過程：冰水浴約10分鐘（左）；草酸鐵鉀晶體的析出（右）。
圖4：晶瑩剔透的綠色草酸鐵鉀晶體，本文中暱稱為〝小綠綠晶體〞。
二、藍印術的實作
(一) 準備藍印配方的原料
先將3支微量小滴管中分別裝入2.0 M赤血鹽、2.0 %醋酸、及小綠綠飽和溶液（步驟一結晶後剩下的草酸鐵鉀飽和溶液），如圖5所示。
圖5：藍印配方的原料：左為赤血鹽溶液，中為醋酸溶液，右為草酸鐵鉀飽和溶液。
(二) 直接藍印法
1. 取1支空的微量離心管，在此離心管中分別加入10滴的2.0 M赤血鹽和10滴的2.0 %醋酸，壓下蓋子輕搖數下，使液體混合均勻。
2. 尋找室內比較暗的地方，再打開離心管的蓋子，繼續滴入10滴小綠綠飽和溶液，再壓下蓋子輕搖數下，使液體混合均勻，此時出現黃綠色或淡藍綠色液體，這就是藍印配方。
3. 維持在室內比較暗的地方操作，在1張濾紙上用微量滴管滴下藍印配方，進行創意作圖。
4. 將完成藍染作圖的濾紙放到室外，或是室內有陽光的地方，依晴天或陰天的光線強度不同，曝曬時間約5 ~40分鐘。當濾紙出現深藍色，即可停止曝曬。曝曬過程如圖6所示。
圖6：藍印作圖的曝曬：開始曝曬時的圖案顏色（左）；可停止曝曬時的圖案顏色（右）。
5. 準備一盆水，將藍印作圖曝曬完成的作品直接放入水盆，在水盆中浸洗約10秒，洗去殘留藥水，勿使濾紙破損。
6. 以紙巾將濾紙上的水吸乾，就完成藍印作品。作品清洗與乾燥過程，如圖7所示。
圖7：藍印作圖的清洗過程：在水盆中浸洗約10秒（左）；用紙巾吸掉濾紙水份（右）。
(三) 晒圖藍印法
1. 先取一個透明小塑膠袋，先在塑膠袋內裝入1枚濾紙作為作圖尺寸參考。使用黑色油性筆在塑膠袋表面上畫一些圖案，完成作圖後須將濾紙取出，此塑膠袋為後續步驟的遮光罩，如圖8所示。
圖8：遮光罩的製作：使用黑色油性筆在塑膠袋上畫圖（左）；完成作圖後取出濾紙（右）。
2. 使用微量離心管分別量取0.75 mL的2.0 M赤血鹽和0.75 mL的2.0 %醋酸，放入遮光罩的塑膠袋，輕柔塑膠袋，使液體混合均勻，如圖9左所示。
3. 尋找室內比較暗的地方，再將草酸鐵鉀（〝小綠綠晶體〞)溶液0.75 mL於塑膠袋中，輕柔塑膠袋，得到混合均勻的晒圖藍印染料，此時液體顏色為黃綠色或淡藍綠色，如圖9右所示。
圖9：晒圖藍印法的印料製作：先將赤血鹽與醋酸混合（左）；尋找室內比較暗的地方，再加入草酸鐵鉀（小綠綠)溶液（右）。
4. 維持在室內比較暗的地方操作，將一張濾紙小心放入遮光罩的袋內，將整套東西平放桌上，下方墊放一張紙巾。當溶液浸滿濾紙後，將多餘的液體從袋口排到紙巾裡，如圖10所示。
圖10：晒圖濾紙浸泡印料：將一張濾紙小心放入遮光罩的袋內（左）；將多餘的液體從袋口排到紙巾裡（右）。
5. 將整組塑膠袋套件放到室外，或是室內有陽光的地方，依晴天或陰天的光線強度不同，曝曬時間約5 ~40分鐘。當濾紙出現深藍色，袋內也有明顯二氧化碳氣泡，即可停止曝曬。其曝曬過程，如圖11左所示。
6. 準備較寬大的盆子裝水，整個遮光罩東西都放在盆中。先在遮光罩袋內裝很多水，然後在水中小心輕撥袋內的濾紙，讓濾紙可以慢慢滑出袋外，勿使濾紙破損。再將濾紙放在塑膠袋表層用以保護濾紙，一起放在盆中，用水輕輕淋洗約10秒，洗去殘留藥水，如圖11右所示。以紙巾將濾紙上的水吸乾，就完成藍印作品。
圖11：晒圖藍印成品的曝曬與清洗方式：即將停止曝曬的成品外觀，袋內也有明顯二氧化碳氣泡（左）；清洗成品時，袋內也裝水讓濾紙可以慢慢滑出袋外，勿使濾紙破損（右）。
(四) 合併兩種藍印法創意作品
在同一張濾紙上，可以合併使用直接藍印法與晒圖藍印法的技術，得到深淺不一的藍色圖紋以及白色線條圖案。發揮創意進行作品設計，結合化學與藝術創作的實驗設計，體驗學習化學的精采與樂趣。
微量化學實驗：小綠綠晶體與藍印術微量實驗（下） ／ 周芳妃、李盈萱、陳靜瑋
星期三 , 6, 7 月 2016 本期專題, 第14期 / 2016年7月 在〈微量化學實驗：小綠綠晶體與藍印術微量實驗（下） ／ 周芳妃、李盈萱、陳靜瑋〉中留言功能已關閉微量化學實驗：小綠綠晶體
與藍印術微量實驗（下）
周芳妃1, *、李盈萱2, *、陳靜瑋1
1臺北市立第一女子高級中學
2臺北市立中山女子高級中學
1, *[email protected]、2, *[email protected]
n 結果與討論
運用不同的藍印方法所得到的創意作品如圖12所示。
圖12：藍印術創意作品舉例：晒圖藍印法的作品（上面兩張）；直接藍印法的作品（左下和右下）；合併使用與晒圖藍印法的作品（下中）。
n 廢棄物處理和安全注意事項
1. 本實驗〝小綠綠晶體〞合成所得到晶體或其剩餘飽和溶液，都必須儲存在遮光瓶中，可長期收存，隨時可再取出用於「藍印術」實驗。〝小綠綠晶體〞的乾燥方法如下：〝小綠綠晶體〞放置於紙巾上，以少量酒精淋洗濾紙上晶體。將晶體再放到新紙巾上，輕壓使其乾燥。小綠綠晶體可單獨用鋁箔紙包裝收藏。
2. 本實驗中藍印術完成的美術作品可以長期室溫保存，或當一般垃圾廢棄處理。本實驗的藍色染料（普魯士藍）是文具鋼筆的墨水成分，因此本實驗清洗作品過程類似美術課的清洗畫筆工作，清洗剩餘的顏料水可以直接稀釋排放。
註：依據GHS化學品全球調和制度，普魯士藍沒有危害數據資料，請查閱：http://ghs.osha.gov.tw/CHT/intro/search.aspx。
n 教學提示
3. 本微量實驗上課時間富有很大的彈性，可以是1節課、2節課或甚至3節，可依照學生的先備程度作調整，也要考慮到當天日照情形，而結束課程的裝置整理與回收約5分鐘。
4. 授課時間較充裕時，教師可以將高中課程中介紹四大化學反應的原理以及綠色化學十二原則作充分教學。實驗教學過程可彈性使用不同的技巧，例如採用實驗假設求證及合併歸納法：
【實驗假設求證教學法】 授課à假設à操作à觀察à求證à討論à歸納à分享報告。
5. 綠色化學十二原則的參考資料，例如：綠色化學（Green Chemistry）–拯救地球的未來，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=49978。
6. 本微量實驗教學時間的縮減可彈性調整。通常學生很喜歡畫圖，也又會花不少時間用心畫出精致線條的圖案。因此，如果教師授課時間較少，可安排學生用課餘時間先做畫圖。
7. 完成藍染作圖的濾紙曝曬時間依環境而定。當濾紙出現深藍色，即可停止曝曬。曝曬結束後，作品拿入室內需再靜置適當時間，使反應生成的藍色顏料（普魯士藍）可以牢牢附著在濾紙上，避免清洗時藍色顏料又脫落。一些日曬時間與等候清洗的實驗經驗如下：
【夏日有陽光直曬】：曝曬時間約1~5分鐘，作品拿入室內需再靜置5~10分鐘。
【夏日有陽光的戶外影子下、夏日有雲遮陽、冬日陽光直曬】：曝曬時間約10~20分鐘，作品拿入室內可直接清洗。
【雨天】：曝曬時間約2小時以上（也可能不易成功），作品拿入室內可直接清洗。
8. 合成小綠綠晶體的原料可以直接購買市售草酸鉀（K2C2O4）固體，再配成2.0 M溶液。但是教師也可以事先安排每小組進行另一個實驗：草酸鉀的合成反應，由於使用的草酸與氫氧化鉀售價更低，可使原料成本降低為三分之一以下。下列實驗步驟是合成5 mL的2.0 M K2C2O4的條件與方法，可供本篇微量實驗的3組使用，教師可依莫耳數比例調整。
【草酸鉀的合成反應】：將1.25 g（22 mmol）氫氧化鉀（KOH）固體加入5 mL的水中，攪拌溶解，注意此為放熱反應。再將1.25 g（10 mmol）草酸（H2C2O4）粉末慢慢加入氫氧化鉀溶液中，反應形成2.0 M草酸鉀溶液約5 mL。（註：氫氧化鉀可稍微過量，使草酸鉀溶液成鹼性，有利於後續合成小綠綠晶體的實驗。）
n 問題與參考答案
1. 為何草酸錯鐵(III)化鉀必須隔離光線與酸性物質來收藏，以延長保存的時間？
答：酸性物質會破壞草酸錯鐵(III)化鉀結構，進而發生分解反應，照光又加速此分解反應。
2 Fe3+(aq) + H2C2O4(aq) → 2 Fe2+(aq) + 2 CO2(g) + 2 H+(aq) （照光）
2. 養晶時使用冰水浴，此一步驟可以說明，草酸鐵鉀在水中溶解度和溫度的關係為何？
答：冰浴可增加草酸鐵鉀晶體析出產量，說明該物質在水中溶解度應隨溫度下降而減小。
3. 晒圖藍印法操作步驟中，當溶液浸滿濾紙後，為何須將多餘的液體從袋中排出？
答：多餘液體於袋內任意流動，其所產生的普魯士藍有可能破壞原先設計好的創意圖樣。
4. 晒圖藍印法曝曬過程中，濾紙會呈現深藍色，且會產生氣泡，試問該氣泡為何種氣體？
答：根據反應式可推測，袋中所產生之氣泡應為CO2氣體。
2 Fe3+(aq) + H2C2O4(aq) → 2 Fe2+(aq) + 2 CO2(g) + 2 H+(aq) （照光）
5. 三草酸錯鐵(III)化鉀的合成中，原理涉及金屬錯合反應，其中草酸根為常見的雙牙基；請根據三草酸錯鐵(III)化鉀的化學式K3[Fe(C2O4)3]，判斷其中心金屬鐵(III)離子的配位數為何？並試列舉三種常見的金屬配基。
答：草酸根為雙牙基，鐵(III)離子周圍與三個草酸根錯合，故其配位數應為六配位。常見金屬配基有單牙基：氨（NH3）、水（H2O）、鹵素離子（F–、Cl–、Br–、I–）、氰根（CN–）；雙牙基：乙二胺（en）；多牙基：乙二胺四乙酸（EDTA）。
n 教學助教心得
在此分享本次操作實驗及共同撰稿的陳靜瑋同學心得，她也是今年2016年北一女綠色化學實驗小尖兵培訓營的器材組人員與教學小助教。
【靜瑋同學的微量實驗心得】
吉卜力工作室出品、宮崎吾朗編導的電影—地海戰記中的男主角雀鷹如此定義「永生」：永生並非長生不死，人們死亡後化為塵土滋養萬物，永生就是循環再生、生生不息。
工業化產物最為人詬病的地方即在於其一次性，無法再生的東西便是地球的累贅。工業化是為了方便人類生存，但往往導致毀滅。綠色化學秉持著防廢、低毒、物盡、保安、降輔、節能、再生、簡潔、催化、可解、監測、思危十二原則，便是時下教育界所能向學子提倡的永生觀念。原本的我在使用物品上常無法加以節制，覺得只是一點點有何關係？但在〝築科女孩的科學歷險—未來女科技人培育計畫〞服務期間，我準備了80人份的器材，也許一個人浪費1毫升的量不足掛齒，但80人，甚至上千、上萬人，以台灣人口量來估計，結果將不堪設想。經由這次為期2天的營隊體驗，我以大尺度、而非個人的角度看待綠色化學的重要性。拯救地球人人有責，而教育便是傳播理念最快的途徑。
今年6月我參加了教育部的綠色化學創意競賽活動，我發現只要改變容器，便能大幅度降低藥品用量，而廢液回收後又可進行電解實驗。藥品用量不僅減少，因著容器的改變，原本一組3人只能進行一次實驗，如今卻能人手一組實驗器材。而〝小綠綠晶體〞與藍印術實驗更達到寓教於樂的目的，原本的廢液成了染料，而草酸鐵鉀的感光性質更使實驗成果具有個人風格，學生們在學習科學的路徑中尋找樂趣。
節約是一種習慣，而如何節約是一種藝術。綠色化學在中學化學教材落實，使莘莘學子們不僅感受科學迷人處，更親自行動來愛地球，在追求方便、科技化同時，維護永生價值。
n 結語
本實驗設計希望引入「循環經濟」的工業設計精神：一個工廠的廢棄物可以是另一個工廠的原料；所以，一個實驗的廢棄物也可以是另一個實驗的反應物。參考2009年國際化學奧林匹亞預備題的實驗題：三草酸錯鐵(III)化鉀晶體的合成與結晶水含量分析實驗，「小綠綠晶體與藍印術」微量實驗設計中，將該考題的養晶實驗重新修改反應條件，減量到十分之一以下，並重新研發利用該考題的養晶廢棄物，也就是取用三草酸錯鐵(III)化鉀的飽和溶液，成為「藍印術」實驗的藍染液原料，重新設計趣味實驗來製作「藍印術」美術紀念品，用於推廣化學與藝術創作的跨領域課程。從2013年起，研發「小綠綠晶體與藍印術」實驗課程之後，開始在本校的校內各項課程與活動中推廣，也受邀到國內綠色化學種子教師研習中繼續推廣，其中校內課程採用多元方式的實驗教學，例如融入高一選修化學探究課程、辦理假日科學營隊、或是校慶化學宅急便嘉年華的數百人進行化學實驗闖關方式。由於本實驗化學反應顏色變化非常吸引人，使用藥品微少，成本低廉，又結合了化學應用與藝術創作的紀念品，因此本課程設計一直深受高中教師、各年級學生及老老少少的喜愛。
n 學生實驗手冊
下載本微量實驗的學生實驗手冊—「小綠綠晶體與藍印術微量實驗」。
微量化學實驗：電解的微量實驗
陸冠輝
國立臺中高級工業職業學校
[email protected]
n 前言
化學的英文是Chemistry，如果將它拆解成Chem is try，那麼我們可以了解到化學就是一門實驗的科學，而訓練學生在科學的教學活動中獲得實作的技能是必要的。實作的過程是可以輔助學生在學習化學時更為生動化、活潑化，並且有助於知識的靈活應用。實驗課程的目的在於學生能從動手操作實驗中印證科學的原理並探索科學的問題，但是，由於化學實驗常常需要耗費大量的時間，並且老師在事前準備實驗所需的器材與藥品也經常耗費大量的體力，因此製作簡單、隨手容易取得材料且價格便宜的實驗方案，在教學上是有其必要的實質意義。
作者企圖開發電解的微量化學實驗，利用生活中容易取得的材料，且價格便宜的日常用品，做出既簡易又省時、省錢並且容易操作的電解裝置，主要在定性觀察實驗，提供給國中自然科、高中化學科及高工化工科教師的教學參考之用，讓學生有動手做實驗的機會。
n 原理和概念
電解是一種非自發性的氧化還原反應，是藉由外加電壓所產生的直流電，迫使物質發生分解反應的現象，也就是說，電解是將電能轉換成化學能的過程。電解所發生的半反應可能有很多種，以半反應電位來決定何者最可能發生。在陽極反應中，各種物質相互競爭放出電子，應考慮電極的種類、水分子及陰離子的放出電子能力，以氧化電位較高者發生失去電子（即發生氧化反應）；在陰極反應中，各種物質相互競爭爭奪電子，應考慮水分子及陽離子的獲得電子能力，以還原電位較高者發生獲得電子（即還原氧化反應）。
若以隋性電極石墨棒來電解硫酸銅水溶液（CuSO4(aq)），則溶液中含有水分子（H2O）、銅離子（Cu2＋）、硫酸根離子（SO42─）。
在陽極（正極）半反應中，有石墨、水分子及硫酸根離子相互競爭放出電子，石墨為隋性電極不參與反應，而水分子和硫酸根離子的氧化電位分別如式[1]和[2]所示：
陽極（正極）：H2O(l) → 1/2O2(g) + 2e─ + 2H＋(aq) Eox0 = －1.229 V [1]
陽極（正極）：2SO42─(aq) → 2e─ + S2O82─(aq) Eox0 = －2.010 V [2]
因此，陽極就由溶液中的水分子釋放電子，進行氧化反應而產生氧氣。
在陰極（負極）半反應中，有水分子和銅離子相互競爭獲取電子，水分子和銅離子的還原電位分別如式[3]和[4]所示：
陰極（負極）：2H2O(l) + 2e─ → H2(g) + 2OH─(aq) Ered0 = －0.827 V [3]
陰極（負極）：Cu2＋(aq) + 2e─ → Cu(s) Ered0 = ＋0.342 V [4]
因此，陰極就由溶液中的銅離子獲取電子，進行還原反應產生紅色的金屬銅，而附著於陰極的石墨棒上。
然而，如果以活性電極銅棒來電解硫酸銅水溶液（CuSO4(aq)），那麼在陽極（正極）半反應中，需要再考慮電極銅棒的氧化電位如[5]所示：
陽極（正極）：Cu(s) → Cu2＋(aq) + 2e─ Ered0 = －0.342 V [5]
比較式[1]、[2]及[5]的氧化電位，陽極就會由電極金屬銅發生氧化反應，以致電極銅金屬會被浸蝕而重量減輕。
總之，若以隋性電極碳棒電解硫酸銅水溶液，則其全反應為式[1]加上式[4]，得到全反應如[6]所示：
全反應：2H2O(l) + 2Cu2＋(aq) → O2(g) + 2Cu(s) + 4H+(aq) [6]
若以活性電極銅棒電解硫酸銅水溶液，則其全反應為式[5]加式[4]，得到全反應如[7]所示：
全反應：Cu（陽極電極） → Cu（陰極電極） [7]
n 過去實驗設計與本次微量設計構想
一、 過去的實驗設計
一般傳統的電解實驗通常使用燒杯作為容器、石墨棒、金屬銅或鉑棒作為電極，所使用的電解液體積為50~100毫升。在國民中學的自然科、高中化學科及高職化工科的課程中，電解是氧化還原單元一定會涉及的課程內容。在國中自然與生活科技課程中，電解的實驗內容以電解硫酸銅溶液和電解水為主，電解水時，通常在水中添加少量的氫氧化鈉以增加導電性，其電解裝置如圖一所示。在高中化學課程中，電解的實驗內容以電解碘化鉀水溶液為主，其電解裝置如圖二所示。
圖一：一般的電解水裝置（左）；電解硫酸銅溶液裝置（中）；電解碘化鉀溶液裝置（右）
（圖片來源：http://goo.gl/m3wjaa（左）、https://goo.gl/LHZJrP（右））
二、 本次微量實驗設計構想
作者企圖設計合乎使用藥品減量、器材大小縮小、經費花費更少、實驗操作簡易以及操作時間花費更少的微量電解實驗裝置。本微量實驗採用透明吸管替代U形管或燒杯、迴紋針或鉛筆筆芯作為電極，來進行碘化鉀（KI）水溶液、硫酸銅（CuSO4）水溶液及水的電解實驗，所需要使用的電解液用量在1~2 mL之內即可完成電解實驗的觀察與檢驗。
n 微量電解裝置的製作和操作
一、 器材和工具
透明吸管（長度約20公分） 1支、剪刀 1支、迴紋針 2個、鱷魚夾導線 2條（紅、黑色各1條，方便區分陰陽極）、膠帶 1個、鉛筆筆芯 2支、電池（9伏特） 1個、衛生紙（亦可用面紙或綿花替代） 1張。
二、 製作微量電解裝置
1. 取一支透明吸管，用剪刀剪出約8公分長度的吸管，如圖二所示。
圖二：剪一小段透明的吸管
2. 在剪下的透明吸管中間外圍，用膠帶纏繞2圈，如圖三左所示；並將一小片衛生紙輕揉成團狀，放入透明吸管的中間位置，如圖三右所示。
圖三：用膠帶纏繞2圈（左）；放入一小團衛生紙（右）
3. 將透明吸管從中間對折，使其形成V字形狀，並用一小片膠帶將左右兩管黏著使其固定，即可完成電解槽裝置，如圖四所示。（注意：折點位置兩邊是否均有衛生紙）
圖四：對折透明吸管，用膠帶固定左右兩管
4. 取2支迴紋針，將它們的一端彎成直角，並且放入透明吸管的兩端，即可完成電極的安裝，如圖五所示。
圖五：安裝迴紋針電極
5. 將兩條鱷魚夾導線的一端接在迴紋針上，紅色導線的另一端接在9伏特電池的正極上，黑色導線的另一端接在9伏特電池的負極上，如圖六所示，即可完成簡易電解實驗裝置的製作。
圖六：接上鱷魚夾導線及電池
n 電解實驗步驟
一、 水的電解
(一) 藥品與器材
自製簡易電解實驗裝置 1組、滴管 2支、礦泉水 1 mL、廣用指示劑 少許。
(二) 水的電解觀察
1. 使用滴管吸取礦泉水，滴入簡易電解實驗裝置的透明吸管中，使其兩邊大約八分滿。
2. 接通9 V的電源，使其開始進行電解，時間持續5分鐘。
3. 觀察兩邊透明吸管中電極表面及電解液的變化。（若電極表面沒有明顯的變化或不易觀察時，則可添加1~2顆食鹽幫助導電。）
(三) 水的電解結果檢驗
1. 分別吸取陰陽兩極透明吸管內的電解液，滴1滴在白色的衛生紙上。
2. 在衛生紙上再各滴1滴的廣用指示劑，測定兩極電解液的酸鹼性。
二、 電解碘化鉀水溶液
(一) 藥品與器材
1. 自製簡易電解實驗裝置 1組、滴管 2支、0.5 M碘化鉀 20 mL、澱粉液少許。
2. 配製0.5 M碘化鉀：1.66克碘化鉀固體，加水至總體積20毫升。【此量足以10組使用】
3. 配製澱粉液：2克澱粉固體，加水20毫升，加熱至溶液澄清後，靜置冷却。
(二) 電解碘化鉀的觀察
1. 使用滴管吸取碘化鉀水溶液，滴入簡易電解實驗裝置的透明吸管中，使其兩邊大約八分滿。
2. 接通電源，使其開始進行電解，時間持續10分鐘。
3. 觀察兩邊透明吸管中電極表面及電解液的變化。
(三) 電解碘化鉀的產物檢驗
1. 吸取陽極（紅色導線端）透明吸管內的電解液，滴1滴在白色的衛生紙上，再滴上1滴澱粉液，觀察其顏色。
2. 吸取陰極（黑色導線端）透明吸管內的電解液，滴1滴在白色的衛生紙上，再滴上1滴酚酞指示劑，觀察其顏色。
三、 電解硫酸銅水溶液
(一) 藥品與器材
1. 自製簡易電解實驗裝置 1組、滴管 2支、礦泉水 1 mL、銅棒 2支、石墨棒 2支。
2. 銅棒取自銅導線，以美工刀去除塑膠外皮，如圖七所示。石墨棒取自鉛筆的硬度大的筆芯。
圖七：剝去銅導線的塑膠外皮，取得銅棒
3. 配製0.5 M硫酸銅：取得2.5克的碘化鉀固體，加水至總體積20 mL。【此量足以10組使用】
(二) 電解硫酸銅的觀察
1. 將簡易電解實驗裝置中的迴紋針換成銅線。
2. 使用滴管吸取硫酸銅水溶液，滴入簡易電解實驗裝置的透明吸管中，使其兩邊大約八分滿。
3. 接通電源，使其開始進行電解，時間持續10分鐘。
4. 觀察兩邊透明吸管中電極表面及電解液的變化。
5. 將簡易電解實驗裝置中的迴紋針換成石墨棒，重複上敘步驟1~4。
(三) 電解硫酸銅的產物檢驗
1. 當用銅線電極電解硫酸銅水溶液時，觀察陰極和陽極兩管內硫酸銅的顏色變化，且將銅線電極取出，觀察銅線電極表面有何變化。
2. 當以石墨棒電極電解硫酸銅水溶液時，觀察陰極和陽極兩管內硫酸銅的顏色有何變化，且將銅線電極取出，觀察銅線電極表面有何變化。
n 結果與討論
一、水的電解
1. 水的電解時，陽極由溶液中的水分子進行氧化反應產生氧氣（O2），陰極也是由溶液中的水分子進行還原反應產生氧氣（H2），因此可以觀察到冒泡的情形。
2. 將電解後兩極的水溶液各吸取1滴，滴在白色衛生紙上，然後再滴上1滴的廣用指示劑，可觀察到陽極的電解液呈現橙紅色，陰極的電解液呈現藍紫色，如圖八所示。
圖八：水的電解，陽極電解液呈酸性（左）；陰極電解液呈鹼性（右）
3. 由陽極和陰極的電解液分別呈現橙紅色和藍紫色得知，陽極和陰極分別產生酸性和鹼性的產物，進而得知陽極和陰極發生的半反應如式[1]和[3]所示，其全反應如式[8]所示：
陽極（正極）：H2O(l) → 1/2O2(g) + 2e─ + 2H＋(aq) 
= －1.229 V [1]
陰極（負極）：2H2O(l) + 2e─ → H2(g) + 2OH─(aq) 
= －0.827 V [3]
全反應：H2O(l) → H2(g) + O2(g) △
= －2.056 V [8]
二、碘化鉀水溶液的電解
1. 當電解碘化鉀水溶液時，陽極由溶液中的碘離子（I─）進行氧化反應產生碘分子（I2），所產生的碘分子會與溶液中的碘離子形成三碘離子（I3─），其顏色為棕色。陰極由溶液中的水分子（H2O）進行還原反應產生氫氣（H2），因此可以觀察到有冒泡的情形發生。如圖九所示。
圖九：左管為陽極生成的棕色三碘離子，右管產生氫氣冒泡
2. 電解後，若吸取陽極的電解液，滴在衛生紙上，然後再滴入澱粉試液，則可呈現微微的藍黑色錯合變化；若吸取陰極的電解液，滴在衛生紙上，然後再滴入酚酞指示劑，則可呈現紅色，也就是說，陰極的電解液呈鹼性，如圖十所示。
圖十：陽極的三碘離子與澱粉液呈現藍黑色（左）；陰極的鹼液使酚酞呈現紅色
3. 由陽極和陰極的電解液分別呈現棕色（加澱粉液呈現藍黑色）和紅色得知，陽極和陰極分別產生碘分子和鹼性的產物，進而得知陽極和陰極發生的半反應如式[9]和[3]所示，其全反應如式[10]所示：
陽極（正極）：2I─(aq) →I2(s) + 2e─ 
= －0.54 V [9]
陰極（負極）：2H2O(l) + 2e─ → H2(g) + 2OH─(aq) 
= －0.827 V [3]
全反應：2I─(aq) + 2H2O → I2(s) + H2(g) + 2OH─(aq) △
= －1.37 V [10]
三、硫酸銅水溶液的電解
1. 當用銅棒為電極來電解硫酸銅水溶液時，陽極的銅棒發生氧化反應產生銅離子，因此電極表面露出金屬光澤；陰極的銅離子發生還原形成金屬銅而附著於陰極的銅棒上，因此電極表面呈現暗紅，如圖十一所示。其兩極發生的半反應和全反應及其氧化還原電位請詳見「原理和概念」一節。
圖十一：電極的銅金屬被侵蝕而呈現光亮（左）；陰極的銅金屬被附著而呈現暗紅（右）
2. 用石墨棒為電極來電解硫酸銅水溶液時，陽極的水分子會氧化產生氧氣（O2），因此電極表面可觀察到冒泡的情形，如圖十二左所示；陰極的銅離子會還原形成金屬銅而附著於陰極的石墨棒上，因此石墨棒表面呈現暗紅，如圖十二右所示。其兩極發生的半反應和全反應及其氧化還原電位請詳見「原理和概念」一節。
圖十二：左管（陽極）冒泡氧氣（左）；右邊石墨棒（陰極）上附著紅色金屬銅（右）
n 廢棄物處理和安全注意事項
l 在電解後的溶液體積很小，因此可以用衛生紙將它擦乾後直接丟棄。
l 以透明吸管當作電解裝置，在電解後可以直接丟棄到垃圾桶中。
l 以鉛筆的筆芯（石墨棒）可用清水清洗後妥善保存，可以重複使用。
l 銅導線可用砂紙將表面磨亮後妥善保存，可以重複使用。
n 教學提示
l 製作電解槽的透明吸管在彎折處容易有破裂的現象，因此利用膠帶將它纏繞兩圈，使其增加厚度及韌性。
l 進行微量電解時，由於透明吸管的彎折處為整個電流通路中阻力最大的地方，因此會有發熱的現象，藉此可以讓學生體驗電解時熱量的變化。
n 比較一般電解與微量電解
l 在藥品用量方面：一般電解所用的電解液體積大約100 mL，而微量電解所用的電解液體積大約2 mL。微量電解的使用藥品量約為一般電解的1/50倍而已。
l 在器材大小方面：使用微量電解的器材比一般滴定小很多，因此收拾方便，儲存空間小。
l 在經費花費方面：微量電解可以使用日常生活中回收的吸管來作為容器，可以達到環保再利的目的，而一般電解所用的燒杯或U型管，容易有破裂或割傷的危險。微量電解的成本低於一般電解甚多，且較安全。
l 在實驗操作方面：微量電解所用的迴紋針電極，通常在表面會鍍上一層鎳金屬，因此電解可能會有一些不可預期的反應發生。
n 結語
國中自然科的電解硫酸銅實驗、高中化學的電解電鍍及高職化工科的電解碘化鉀實驗，不僅使用量多，且反應後會產生含重屬銅與含碘的有毒廢液。本實驗透過微型化的實驗設計與改良，達到減量、減廢、符合綠色化學原則，達到永續地球的目標。
本微量電解裝置適用於國中自然與生活科技、高中化學的電解電鍍及高職化工科的實驗室教學。目前國中和高中教師普遍感到化學教學時間不足，而且玻璃器材易被打破又擔心學生操作實驗的危險，以致帶領學生進入化學實驗室的意願不高。本微量電解實驗不需準備大量的玻璃器皿，學生又可以自製簡易的電解裝置並親自操作實驗，提高學生體驗動手做的樂趣，提升學生的實驗操作技術並增強對實驗原理的理解。
n 參考資料
1. Electrolysis, https://en.wikipedia.org/wiki/Electrolysis.
2. Electrolysis of potassium iodide, https://www.flinnsci.com/media/620463/91208.pdf.
3. C2.7 Electrolysis, https://goo.gl/zDD3zf.
4. Standard electrode potential (data page), https://en.wikipedia.org/wiki/Standard_electrode_potential_(data_page).
n 學生實驗手冊
下載本微量實驗的學生實驗手冊—「電解的微量實驗」。
微量化學實驗：酸鹼滴定的微量實驗 ／ 黃稜蘊、楊水平
星期一 , 4, 7 月 2016 本期專題, 第14期 / 2016年7月 在〈微量化學實驗：酸鹼滴定的微量實驗 ／ 黃稜蘊、楊水平〉中留言功能已關閉微量化學實驗：酸鹼滴定的微量實驗
黃稜蘊、楊水平*
國立彰化師範大學化學系
*[email protected]
n 前言
本實驗的主題—酸鹼滴定—在102課程綱要微調中被編列於10項高中選修化學實驗之一，滴定屬於一項重要的化學實驗技術，其化學計算也是非常重要。在107課程綱要（草案）中，酸鹼滴定被歸類在「物質的反應、平衡與製造」的主題和「CJd-Ⅴa-6酸鹼滴定原理與定量分析」次主題的學習內容。
本實驗企圖設計酸鹼滴定的微量實驗，包含裝置的製作和定量測量實驗，提供給高中自然組化學選修的學生動手做實驗的參考。期望透過本實驗設計的優點，微量化一般滴定使用大量的化學藥品，減少藥品的浪費，以符合綠色化學的推廣理念，也期望學生能夠學習微量酸鹼滴定的技術。
n 原理和概念
酸鹼滴定或酸鹼中和滴定是一種測量體積的定量分析法，也是分析化學的基礎。本實驗所提供的氫氧化鈉溶液並非標準溶液，必須用標準酸來標定其濃度。鄰苯二甲酸氫鉀（potassium hydrogen phthalate, KHP）可以當作標準酸，因為苯二甲酸氫鉀的純度高且其Ka = 5.72 x 10-6（在25℃下）不會太弱。在室溫下，鄰苯二甲酸氫鉀在水中能夠釋放一個質子與氫氧化鈉反應，其反應如式[1]所示：
[1]
利用已知濃度的鹼或酸溶液，以滴定方式測定酸或鹼溶液的未知濃度，其原理主要是當酸鹼反應達到當量點時，氫離子（H+）的當量數等於氫氧根離子（OH–）的當量數，藉此推知未知濃度，如式[2]所示。若酸為單質子酸而且鹼為單一氫氧根離子，則未知濃度的計算，如式[3]所示。
Na × Va = Nb × Vb [2]
Ma × Va = Mb × Vb [3]
此處，Na：酸的當量濃度，Va：酸的體積，Nb：鹼的當量濃度，Vb：鹼的體積。Ma：酸的體積莫耳濃度，Mb：鹼的體積莫耳濃度。
本實驗的氫氧化鈉溶液的濃度標定和待測樣品的濃度測定，在酸鹼滴定時都可以使用酚酞指示劑的開始變色（呈現粉紅色）當作滴定的終點。
n 過去實驗設計與本次微量設計構想
一、 過去的實驗設計
一般的酸鹼滴定裝置係由一個鐵架、一個滴定管夾、一支滴定管、一支錐形瓶及一個漏斗所組成，如圖一所示。滴定管的容量有大有小，其大小分為為50.00 mL、25.00 mL和10.00 mL，在臺灣常見的滴定管的容量為50.00 mL，在英文版化學實驗教科書中偶而會見到10.00 mL的滴定管，此為小量的滴定管。
圖一：一般的酸鹼滴定裝置
（圖片來源：https://goo.gl/nwDlxW和https://goo.gl/nwDlxW）
二、 本次微量實驗設計構想
本酸鹼滴定微量裝置的設計係由一支丟棄式塑膠移液管（PS製移液管，精確到2.000 mL）、一支塑膠注射針附針頭（2.5 mL）所組成，利用砂紙磨平注射針頭，在移液管的前端與注射針頭之間以及在移液管的後端與注射針筒之間，利用石臘膜或雙面膠接合。我們企圖設計合乎使用藥品減量、器材大小縮小、經費花費更少、實驗操作簡易以及操作時間花費更少的微量滴定裝置。
n 微量滴定管的製作和操作
一、 器材和工具
丟棄式塑膠移液管（PS製移液管，2.000 mL in 1/100 mL TD 20℃） 1支（見圖二）、剪刀 1支、塑膠注射針附針頭（2.5 mL） 1支、防水砂紙（150#粗目） 1小張、石臘膜（parafilm, 約1.0 cm x 2.0 cm，或用雙面膠取代） 2小張。
圖二：各種體積刻度的丟棄式塑膠移液管
（圖片來源：http://goo.gl/z7zXIJ（左）和http://goo.gl/dT7RYd（右））
二、 微量滴定管的製作
1. 取一支2.000 mL丟棄式塑膠移液管，用剪刀剪掉此管後端的棉花部分，如圖三所示。
圖三：用剪刀剪掉移液管的後端（左）；剪掉棉花部分的移液管（右）
2. 取一支塑膠注射針的針頭，使用剪刀截斷鐵製的針頭，保留鐵製的針頭約1.0公分，如圖四所示。（注意：保留鐵製的針頭約1.0公分，否則填充滴定液會自動藉由毛細作用而滴下。）
圖四：用剪刀截斷鐵製的針頭
3. 手持針頭的開口，垂直地抵住磨砂紙，以旋轉圓圈的方式磨平針頭的開口，如圖五左所示。磨平的針頭，以避免刺傷皮膚，如圖五右所示。
圖五：用磨砂紙磨平針頭的開口（左）；磨平的針頭（右）
4. 用石臘膜（或雙面膠）纏繞移液管的前端，以增加前端的厚度，使針頭的套頭與移液管的前端能夠緊密接合，如圖六所示。
圖六：用石臘膜纏繞移液管前端，以增加前端的厚度
5. 用針頭緊密地套住移液管的前端，如圖七左所示。然後用石臘膜纏繞接合處，使其緊密連接在一起，如圖七右所示。
圖七：用針頭套緊移液管的前端（左）；用石臘膜纏繞在接合處（右）
6. 取一支塑膠注射針筒，針筒的前端直接插入移液管的後端開口，使之緊密接合，如圖八左所示。若接合處無法密合，則用石臘膜或雙面膠設法緊密接合在一起。組裝完成的一支2.000 mL微量滴定管，如圖八右所示。
圖八：針筒的前端直接插入移液管的後端開口（左）；組裝完成的一支微量滴定管（右）
三、 微量滴定管的操作
1. 吸取溶液：取一支自製微量滴定管，透過針頭的開口吸取溶液。方便的作法是用一隻手握住注射針的筒管，藉由手指輕輕地使力，往上推針筒的推拉桿來吸取溶液，吸取的動作盡可能緩慢，不宜過急，如圖十所示。
圖十：微量滴定管吸取溶液的操作
2. 滴定溶液：方便的作法是用一隻手握住注射針的筒管，藉由手指輕輕地使力，往下壓針筒的推拉桿。當壓下推拉桿時，移液管內的溶液會緩慢地滴下來。壓下推拉桿的動作不宜過大，滴定溶液的滴加速率就不會過快，如圖十一所示。
圖十一：利用手指輕輕地使力，壓下針筒的推拉桿
3. 為方便讀取刻度，手指應該放置在溶液到達的刻度處附近，如圖十二所示。
圖十二：手指放置於溶液到達的刻度處附近
4. 在滴定終點前，若控制得宜，則溶液會自動停止滴下。若控制不得宜，以致溶液仍然繼續滴下，則用手指（戴乳膠手套）輕輕抵住針頭的開口，很容易使之停止滴下，如圖十三所示。
圖十三：用手指（戴手套）抵住針頭的開口使溶液停止滴下
5. 微量滴定管的清洗：滴定完畢後，先排除在微量滴定管內的溶液，再吸取並排除自來水兩次，然後用蒸餾水清洗一次。
n 滴定步驟
一、 使用一般滴定管滴定
(一) 藥品與器材
1. 滴定管 1支、鐵架和滴定管夾 1組、錐形瓶 1個、漏斗 1個、量瓶（100 mL） 1支、玻璃移液管（20 mL） 支。
2. 0.1 M NaOH（待標定） 100 mL、0.1 M KHP（已知濃度） 100 mL、食用醋 15 mL、酚酞指示劑 少許。
3. 配製鄰苯二甲酸氫鉀（KHP）溶液：稱取1.7971 g的KHP（莫耳質量為204.22 g/mol），放入100 mL的量瓶，用蒸餾水稀釋到刻度線，並混合均勻。此處[KHP] = 0.0880 M。
(二) 氫氧化鈉的濃度標定
1. 清洗滴定管：用滴定管刷沾肥皂水或清潔劑水，插入滴定管中來回刷洗。用自來水沖掉掉肥皂水或清潔劑水，直到滴定管沒有泡沫。用蒸餾水潤洗滴定管兩次。用0.1 M氫氧化鈉潤洗滴定管兩次。
2. 用0.1 M氫氧化鈉填充滴定管，並記錄起始刻度。
3. 取20.00 mL的KHP溶液（已知濃度），裝在一個250 mL錐形瓶中，並加入2滴的酚酞指示劑。
4. 以0.1 M NaOH緩慢地滴定，一邊滴定一邊搖晃錐形瓶，直到溶液呈現粉紅色，持續15秒不腿色即滴定終點，記錄NaOH的最後刻度。
5. 重複滴定步驟三次。
6. 計算NaOH溶液的體積莫耳濃度。
(三) 未知食用醋的測定
1. 用已標定的NaOH溶液，填入滴定管中，並記錄其起始刻度。
2. 用一支10.00 mL的移液管，轉移5.00 mL的食用醋到一支250 mL的錐形瓶中，再加入約20毫升的蒸餾水。
3. 加入2滴的酚酞指示劑，搖晃溶液均勻。
4. 以NaOH溶液緩慢地滴定，直到溶液呈現粉紅色，持續15秒不褪色，記錄NaOH的最後刻度。
5. 重複滴定步驟三次。
6. 計算食用醋的醋酸體積莫耳濃度。
二、 使用微量滴定管滴定
(一) 藥品與器材
1. 微量滴定管 2支、小燒杯或小玻璃瓶（約30-50 mL） 1個。
2. 0.1 M NaOH（待標定） 6 mL、0.1 M KHP（已知濃度） 3 mL、食用醋 0.6 mL、酚酞指示劑 3滴。
3. 配製鄰苯二甲酸氫鉀（KHP）溶液：稱取1.7971 g的KHP（莫耳質量為204.22 g/mol），放入100.00 mL的量瓶，用蒸餾水稀釋到刻度線，並混合均勻。此處[KHP] = 0.0880 M。【此量足以30組使用】
(二) 氫氧化鈉的微量標定
1. 清洗微量滴定管：先吸取自來水並排除兩次，然後用蒸餾水清洗一次，用0.1 M氫氧化鈉潤濕一次。
2. 用一支微量滴定管，吸取0.1 M氫氧化鈉，並記錄起始的刻度。【操作過程請見「微量滴定管的製作和操作」一節】
3. 用另一支微量滴定管，取1.000 mL的KHP溶液（已知濃度），裝在一個小的玻璃瓶（或試飲杯）中，並加入1滴的酚酞指示劑。【操作過程請見上述】
4. 以NaOH溶液緩慢地滴定，並搖晃小玻璃瓶，直到溶液呈現粉紅色，持續15秒不腿色即滴定終點，如圖十四所示。
5. 記錄NaOH的最後刻度。
6. 重複滴定步驟三次。
7. 計算NaOH溶液的體積莫耳濃度。
圖十四：滴定過程的顏色，滴定剛開始（左）；滴定中途（中）；及滴定終點（右）
(三) 食用醋中醋酸濃度的微量測定
1. 稀釋5倍的食用醋：用一支20 mL的移液管，取20.00 mL的食用醋，放入100 mL的量瓶，用蒸餾水稀釋到刻度線，並混合均勻。【此量足以提供30組實驗之用】
2. 清洗微量滴定管：先吸取並排除自來水兩次，然後用蒸餾水清洗一次，用0.1 M氫氧化鈉潤濕一次。
3. 用一支微量滴定管，吸取0.1 M氫氧化鈉，並記錄起始的刻度。【操作過程請見「微量滴定管的製作和操作」一節】
4. 用另一支微量滴定管，取1.000 mL稀釋5倍的未知濃度食用醋，裝在一個小的玻璃瓶（或試飲杯）中。【操作過程請見上述】
5. 再加入約1 mL的蒸餾水，並加入1滴的酚酞指示劑。
6. 以NaOH溶液緩慢地滴定，並搖晃小玻璃瓶，直到溶液呈現粉紅色，持續15秒不腿色即滴定終點。
7. 記錄NaOH的最後刻度。
8. 重複滴定步驟三次。
9. 計算食用醋中醋酸的體積莫耳濃度。
n 結果與討論
一、氫氧化鈉溶液標定
表一：兩種滴定方式標定氫氧化鈉溶液的數據
|
滴定方式 |
一般滴定 |
微量滴定 |
||||
|
項目 |
試驗一 |
試驗二 |
試驗三 |
試驗一 |
試驗二 |
試驗三 |
|
鄰苯二甲酸氫鉀 |
— |
— |
||||
|
濃度（Ma）, M |
0.0880 |
0.0880 |
0.0880 |
0.0880 |
0.0880 |
0.0880 |
|
體積（Va）, mL |
20.00 |
20.00 |
20.00 |
1.000 |
1.000 |
1.000 |
|
氫氧化鈉溶液 |
— |
— |
||||
|
起始刻度（Vi）, mL |
12.10 |
20.92 |
0.12 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
|
最後刻度（Vf）, mL |
29.74 |
38.02 |
17.56 |
0.900 |
0.889 |
0.894 |
|
使用體積（Vb）, mL |
17.64 |
17.10 |
17.44 |
0.900 |
0.889 |
0.894 |
|
標定濃度（Mb）, M |
0.0998 |
0.103 |
0.101 |
0.0978 |
0.0990 |
0.0984 |
|
濃度的平均值（M）, M |
— |
0.101 |
— |
— |
0.0984 |
— |
|
實驗精確度 |
— |
— |
||||
|
各次試驗的偏差, M |
0.001 |
0.002 |
0.000 |
0.0006 |
0.0006 |
0.0094 |
|
平均偏差, M |
— |
0.001 |
— |
— |
0.0035 |
— |
|
相對平均偏差, % |
— |
1 |
— |
— |
3.6 |
— |
根據表一的實驗結果，以兩種滴定方式標定氫氧化鈉溶液的濃度之差異為0.003 M（= 0.0984 M – 0.101 M），微量滴定標定的濃度稍低於一般滴定，但是兩者濃度差異不大。若以一般滴定的結果當作標準值，則微量滴定的相對誤差百分比為3%。兩種滴定方式的實驗精確度（相對平均偏差）分別1%和3.6%，微量滴定的精確度低於一般滴定，相對平均偏差為3.6%，此值在5%之內，尚可接受。
二、測定食用醋的醋酸濃度
表二：兩種滴定方式測定食用醋的濃度
|
滴定方式 |
一般滴定 |
微量滴定 |
||||
|
項目 |
試驗一 |
試驗二 |
試驗三 |
試驗一 |
試驗二 |
試驗三 |
|
食用醋 |
— |
— |
||||
|
被稀釋的倍數（D） |
1 |
1 |
1 |
5 |
5 |
5 |
|
被滴定體積（Va）, mL |
5.00 |
5.00 |
5.00 |
1.00 |
1.00 |
1.00 |
|
使用氫氧化鈉溶液 |
— |
— |
||||
|
標準濃度（Mb）, M |
0.101 |
0.101 |
0.101 |
0.0984 |
0.0984 |
0.0984 |
|
起始體積（Vi）, mL |
13.63 |
1.23 |
0.00 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
|
最後體積（Vf）, mL |
45.37 |
31.95 |
31.61 |
1.264 |
1.263 |
1.265 |
|
滴定體積（Vb）, mL |
31.84 |
31.95 |
31.61 |
1.264 |
1.263 |
1.265 |
|
食用醋的醋酸濃度 |
— |
— |
||||
|
濃度（Ma）, M |
0.643 |
0.645 |
0.639 |
0.621 |
0.621 |
0.622 |
|
濃度平均值（Maa）, M |
— |
0.642 |
— |
— |
0.621 |
— |
|
實驗精確度 |
— |
— |
||||
|
各次試驗的偏差, M |
0.001 |
0.003 |
0.003 |
0.000 |
0.000 |
0.001 |
|
平均偏差, M |
— |
0.002 |
— |
— |
0.000 |
— |
|
相對平均偏差, % |
— |
0.3 |
— |
— |
0 |
— |
根據表二的實驗結果，以兩種滴定方式，測定食用醋的醋酸濃度之差異為0.001 M（= 0.641 M – 0.642 M），微量滴定標定的濃度與一般滴定幾乎相同。若以一般滴定的結果當作標準值，則微量滴定的相對誤差百分比為0.2%。兩種滴定方式的相對平均偏差分別0.3%和0%，微量滴定的精確度稍高於一般滴定，相對平均偏差0%，接受度很高。
n 廢棄物處理和安全注意事項
l 滴定後的溶液為中性溶液，可倒入水槽，用大量的流水沖掉。
l 使用過後的微量滴定管必須清洗，並排除水分，以避免金屬針頭的內部生鏽。
l 清洗後的微量滴定管應該妥善保管，可以重複使用。
l 未使用的鄰苯二甲酸氫鉀溶液和稀釋的食用醋可倒入水槽，用大量的流水沖掉。
n 教學提示
l 酸鹼滴定的微量實驗上課時間：教師解說實驗裝置：約10分鐘；學生組裝實驗裝置：約20分鐘；學生操作實驗與紀錄結果：約20分鐘；實驗裝置的整理與回收：約5分鐘；實驗數據的處理與討論（可當作家庭作業）：25分鐘。
l 製作微量酸鹼滴定管的針頭開口尖端，必須用磨砂紙磨平，避免刺傷皮膚。
l 用剪刀減斷針頭，保留金屬長度以一公分為佳。水分子對針頭的金屬有附著力（毛細作用），若針頭的金屬太長，則在針筒的溶液會自動從針頭的開口滴下，造成滴定操作不易。
l 製作微量酸鹼滴定管時，特別留意針筒的針頭與移液管前端之間的緊密接合，以及針筒的筒管與移液管後端之間的緊密接合。
l 微量滴定管滴定完畢後應該清洗乾淨，特別留意針頭的保養。清洗方式：先排除在微量滴定管的溶液，再吸取並排除自來水兩次，然後用蒸餾水清洗一次。排除所有水分，以避免針頭的內部生鏽。
l 微量滴定管的方便操作是用一隻手握住針筒的筒管，藉由手指輕輕地使力，往下壓針筒的推拉桿。當壓下推拉桿時，移液管內的溶液會緩慢地滴下來。壓下推拉桿的動作不宜過大，滴定溶液的滴下速率就不會太快。
n 比較一般滴定與微量滴定
l 在藥品用量方面：一般滴定使用鄰苯二甲酸氫鉀溶液的體積為60 mL；微量滴定使用3 mL；使用氫氧化鈉溶液的體積為140 mL；微量滴定使用6 mL；使用食用醋的體積為15 mL：微量滴定使用0.6 mL。微量滴定藥品用量約為一般滴定的1/20倍。
l 在器材大小方面：使用微量滴定的器材比一般滴定為小，因此收拾方便，儲存空間小。
l 在經費花費方面：塑膠移液管每支約為10-12元加上塑膠針筒每支約為5-8元合計15-20元，而一般玻璃滴定管每支價格約500-900元。微量滴定管的成本低於一般玻璃滴定管甚多。
l 在實驗操作方面：在吸取和滴下溶液方面，微量滴定管的操作比一般滴定較為不易，因此正式滴定前應該熟練操作。
l 在時間花費方面：由於微量滴定的使用體積比一般滴定少很多，因此操作時間也少很多。
n 結語
本實驗的微量滴定在藥品用量、器材大小、經費花費及時間花費的優勢比一般滴定好很多；而且經過評估，本實驗設計的微量滴定管之精確度與準確度並不亞於一般的滴定管。再者，微量滴定因使用藥品用量非常少而降低實驗的危險性，也降低對環境的污染。本微量滴定管適用於高中化學和大學普通化學實驗的實驗室教學。
目前高中教師普遍感到化學教學時間不足，學生操作實驗會佔用太多時間，以致帶領學生進入化學實驗室的意願不高。本微量酸鹼滴定的操作時間比一般滴定為少，可以增加教師帶領學生進入實驗室的機會，提高學生體驗動手做的樂趣，讓學生學習實驗的操作技術和科學過程技能。
n 學生實驗手冊
下載本微量實驗的學生實驗手冊—「酸鹼滴定的微量實驗」。
微量化學實驗：碘化亞銅的微量檢驗和硫酸銅的微量滴定（上）／ 黎渝秀、簡菀萱、范祺展
星期日 , 3, 7 月 2016 本期專題, 第14期 / 2016年7月 在〈微量化學實驗：碘化亞銅的微量檢驗和硫酸銅的微量滴定（上）／ 黎渝秀、簡菀萱、范祺展〉中留言功能已關閉
微量化學實驗：碘化亞銅的微量檢驗
和硫酸銅的微量滴定（上）
黎渝秀*、簡菀萱、范祺展
國立中央大學附屬中壢高級中學
*[email protected]
n 前言
在實施國立中央大學附屬中壢高級中學的彈修課程「化學發想與實作」時，學生進行硫酸銅與碘化鉀的反應。剛開始，他們以為產物是硫酸鉀與碘化銅，他們沒想到加入過量的碘化鉀時，卻產生灰白色沉澱物和像碘酒般的溶液，這特殊的反應引起學生的好奇。經文獻探討，灰白色沉澱是碘化亞銅沉澱，而像碘酒般的溶液為三碘錯離子。
為呼應綠色化學實驗減量和減廢的原則，以及落實環境保護和永續經營的理念，我們參考微量滴定的實驗，改善滴定管不易攜帶且價格昂貴的缺點。我們設計的實驗改用注射針筒進行微量氧化還原滴定，並比較其與傳統滴定管實驗的準確值。此外，產生碘化亞銅的沉澱以針筒進行簡單過濾和減壓抽濾，以進行三碘錯離子的微量檢驗。
n 原理
還原劑是一類具有還原性的物質，亦即失去電子的物質；反之，氧化劑是一類具有氧化性的物質，亦即接受電子者。在硫代硫酸鈉與三碘離子（或碘分子）的反應中，硫代硫酸鈉為還原劑，而三碘離子（或碘分子）氧化劑。利用此特性，我們分成兩部分，首先是硫代硫酸鈉溶液的標定，另一部分是以標定過的硫代硫酸鈉溶液測定未知濃度的硫酸銅溶液。
(一) 硫代硫酸鈉溶液的標定
精秤碘酸鉀固體與過量碘化鉀溶液混合，再加入強酸使氧化產生碘分子，如式[1]所示。
IO3–(aq) + 5 I–(aq) + 6H+(aq) → 3I2(s) +3H2O(l) [1]
而過量的碘化鉀溶液會與產生的碘分子形成三碘錯離子，如式[2]所示。
I–(aq) + I2(s) → I3–(aq) K1 = 770 [2]
再以硫代硫酸鈉溶液滴定產生的三碘錯離子至溶液變為淡黃色時，加入澱粉指示劑，溶液呈藍色，直至達當量點時，藍色消失，其反應如式[3]所示：
I3–(aq) + 2S2O32–(aq) → 3I–(aq) + S4O62–(aq) [3]
由式[1]~ [3]得知碘化鉀（KIO3）與硫代硫酸鈉的莫耳數比為1：6，因而硫代碘酸鈉的濃度可以用碘化鉀來標定。
(二) 測定未知濃度的硫酸銅溶液
理論上，Cu2+與I–不易進行氧化還原反應，而生成Cu+和I2，如式[4]所示。
2Cu2+(aq) + 2I–(aq) →2Cu+(aq) + I2(s) [4]
然而，若存在過量的I–，會與生成的I2進行反應，生成I3–，如式[2]所示。
I–(aq) + I2(s) → I3–(aq) K1 = 7 70 [2]
接著，I–與Cu+反應，生成灰色的CuI沉澱，此反應的平衡常數很大，如式[4]所示。
I–(aq) + Cu+(aq) → CuI(s) K2 = 1 × 1012 [5]
綜合反應式[2]、[4]、[5]，得知Cu2+可與I–進行氧化還原反應，產生
CuI沉澱與紅棕色的I3–，此反應幾乎完全，如式[6]所示。
2Cu2+(aq) +5I–(aq) →2CuI(s) + I3–(aq) [6]
對於生成
的定量分析，通常以標定的硫代硫酸鈉進行氧化還原滴定來完成，其反應可視為完全反應，如式[3]所示。
I3–(aq) + 2 S2O32–(aq) → 3I–(aq) + S4O62–(aq) [3]
若白色沉澱的CuI繼續與硫代硫酸鈉反應，溶液中Cu
會逐漸變少，最後整個溶液澄清透明，而形成Cu(S2O3)23–錯離子，如式[7]所示。
CuI(s) + 2S2O32–(aq) → Cu(S2O3)23–(aq) + I–(aq) [7]
n 藥品與器材
(一) 微量實驗方面
A. 藥品每組用量：碘酸鉀（
） 0.022克、0.2 M五水硫酸銅（
） 25 mL、1 M碘化鉀（
） 25 mL、0.1 M硫代硫酸鈉（
） 100 mL、1% 澱粉試液、1 M 硫酸 25 mL、寬版麵條1條（寬約0.5cm）。
B. 器材每組用量：針筒（5 mL） 3支、針筒（12 mL） 2支、針筒（20 mL） 2支、錐形瓶（50 mL） 4支、燒杯（50 mL） 4支、棉花 若干、容量瓶（25 mL） 3個、容量瓶（100 mL） 1個、試管3個。
C. 配製0.1 M硫代硫酸鈉：秤取2.482 g的
至50 mL燒杯中，加入5 mL蒸餾水使之溶解，並倒入25 mL的量瓶內，再以蒸餾水約5 mL清洗燒杯三次，將洗液倒入量瓶內，最後加蒸餾水至量瓶內100 mL刻度。（真正濃度將進行標定）
D. 配製0.2 M硫酸銅：秤取1.250克（0.005 mol）的五水硫酸銅（式量250.0）至50 mL燒杯中，加入5 mL蒸餾水使之溶解，並倒入25 mL的量瓶內，再以蒸餾水約3 mL清洗燒杯三次，將洗液倒入量瓶內，最後加蒸餾水至量瓶內25 mL刻度即可。
(二) 傳統實驗方面
A. 藥品每組用量：碘酸鉀（
） 0.088克、0.2 M五水硫酸銅（
） 100 mL、1 M碘化鉀（
） 100 mL、0.1 M硫代硫酸鈉（
） 250 mL、1% 澱粉試液、1 M 硫酸 100 mL。
B. 器材每組用量：吸量管（5 mL、10 mL、20 mL） 各2支、錐形瓶（250 mL） 4支、燒杯（100 mL） 4個、滴定管 1支、容量瓶（100 mL）3個、容量瓶（250 mL） 1個、濾紙若干、漏斗2個、試管3個。
C. 配製硫代硫酸鈉溶液：秤取6.205克（0.025 mol）的
式量248.19）至100 mL燒杯中，加入20 mL蒸餾水使之溶解，並倒入250 mL的量瓶內，再以蒸餾水約5 mL清洗燒杯三次，將洗液倒入量瓶內，最後加蒸餾水至量瓶內250 mL刻度即可。（真正濃度將進行標定）
D. 配製硫酸銅溶液：秤取5.0克（0.020 g）五水硫酸銅
式量250.0）至100 mL燒杯中，加入30 mL蒸餾水使之溶解，並倒入100 mL的量瓶內，再以蒸餾水約10 mL清洗燒杯三次，將洗液倒入量瓶內，最後加蒸餾水至量瓶內100 mL刻度即可。
n 研究目的
1. 以自製過濾筒取代漏斗進行簡單過濾及減壓抽濾。
2. 以針筒取代滴定管進行微量滴定，並比較其準確度。
3. 比較「微量實驗」與「傳統實驗」在微量檢驗方面的差異。
4. 比較「微量實驗」與「傳統實驗」在微量滴定方面的差異。
n 研究過程與方法
一、 檢驗碘化亞銅
(一) 微量檢驗
1. 準備兩支試管，先以5 mL的針筒吸取1 mL的蒸餾水，然後分別滴加2滴的0.2 M CuSO4、4滴的1 M KI，使其充分反應，記錄顏色變化。（註：若滴數不易控制，以CuSO4溶液：KI溶液 = 1：2的體積比例加入）
2. 在試管甲中，加入2 mL的乙酸乙酯，使其充分搖盪，觀察並記錄顏色變化。
3. 在試管乙中，以滴管吸取Na2S2O3溶液，逐滴地滴入，一邊滴一邊攪拌。若沈澱呈灰白色或灰黑色，表示其中仍有碘晶體（黑色）存在，持續加入Na2S2O3溶液，直到沉澱物呈白色，繼續滴加直至溶液澄清透明。記錄加入滴數並觀察變化現象。(見圖一)
圖一：碘化亞銅的微量檢驗流程
(二) 傳統檢驗
1. 在微量檢驗的步驟1中，2滴的0.2 M硫酸銅的用量改為0.2 mL，4滴的1 M KI改為4 mL。
2. 重覆微量檢驗的2~3步驟，記錄滴數並觀察變化現象。
二、 標定硫代硫酸鈉溶液
(一) 以針筒微量滴定
1. 取一支10 mL的針筒，盛裝0.1 M Na2S2O3作為微量滴定管，記錄起始刻度V1。
2. 秤取約0.022克（依實際數值記錄）的
，放入50 mL的錐形瓶中，加入約5 mL蒸餾水，使之溶解。然後加入1.0 mL的1 M KI和1.2 mL的1 M H2SO4（見圖二）。
圖二：精秤碘酸鉀、過量碘化鉀及硫酸加入錐形瓶中形成三碘錯離子紅棕色溶液
3. 將上述溶液移至針筒下方，以0.1 M Na2S2O3滴定至淡黃色（見圖三左），此時再加入0.5 mL的澱粉指示劑（見圖三中），繼續滴定至藍色消失為止，記錄最後刻度V2（見圖三右）。
註：澱粉指示劑不先加入係因澱粉–碘錯合物的分離慢且澱粉在酸中不穩定，開始標定時，碘分子的濃度太高，可逆性反應差，因此先用一些Na2S2O3溶液，消耗一些碘分子。
圖三：三碘錯離子與硫代硫酸鈉反應：溶液顏色逐漸變淡黃色(左)；再加澱粉指示劑，溶液變為藍黑色(中)；直至當量點溶液變為無色(右)。
(二) 以滴定管傳統滴定
1. 以上述微量實驗的用量放大4倍量，KI的用量改為0.088克（依實際數值記錄），放入250 mL的錐形瓶中。加入20 mL蒸餾水，使之溶解。然後添加4.0 mL的1 M KI和4.8 mL的1 M H2SO4
2. 移至盛裝Na2S2O3的滴定管下方，記錄起始刻度V1。以0.1 M Na2S2O3滴定至淡黃色，此時再加入2.0 mL的澱粉指示劑，繼續滴定至藍色消失為止，記錄最後刻度V2。
三、 測定未知濃度硫酸銅
(一) 以針筒微量滴定
1. 以5 mL的針筒3支，分別吸取0.2 M、2.0 mL的CuSO4，5 mL的蒸餾水，1 M、2.4 mL的KI於50 mL燒杯中，使其充分反應。靜置混合液1分鐘，使沉澱物沉降至容器底部（見圖四）。
圖四：靜置使沉澱物沉降
2. 以20 mL的針筒，製作過濾筒。製作方式：針筒中塞入棉花約至10 mL處，加一些蒸餾水，使棉花潤溼，再以活塞壓實，使之緊密（見圖五）。
圖五：簡易過濾筒
3. 將上述溶液倒入過濾筒中，以少量蒸餾水沖洗至濾液為無色為止。收集約20 mL的濾液至錐形瓶（見圖六）。（註：若流速較慢時，可塞入針筒活塞以減壓抽氣原理，慢慢推壓進行過濾，若濾液有混濁現象，則進行第二次過濾。）
圖六：微量過濾時，瓶內為紅棕色濾液，而棉花上為灰白色沉澱
4. 上述溶液移至盛裝0.1 M Na2S2O3的針頭開口下方，記錄起始刻度V1。以Na2S2O3溶液滴定至呈現淡黃色，此時加入0.5 mL的澱粉指示劑，繼續滴定至藍色消失為止，記錄最後刻度V2。（註：澱粉–碘錯合物反應可逆性佳，故需靜置1分鐘觀察是否褪色，確定不再變色，即達滴定終點。）
5. 重覆1~4，將步驟4中的澱粉改為約2 cm長的寬版麵條，繼續滴定至寬麵條藍色消失為止，記錄體積（見圖七）。（註：寬版麵條會呈藍黑色，當溶液變透明時，寬版麵條仍未褪色，請繼續緩慢滴加，並充分攪勻至寬版麵條褪色為止。）
圖七：滴定紅棕色濾液：首先滴定至濾液為淡黃色（左）；加入麵條，麵條呈藍黑色（中）；繼續滴加至麵條褪色為止(右)。
6. 計算Na2S2O3溶液滴定所消耗的莫耳數，由平衡方程式中，求得濾液中I3–的莫耳數，因而求得未知濃度硫酸銅的濃度。
(二) 以滴定管傳統滴定
1. 將步驟1中的試劑放大5倍量，放置於100 mL的燒杯中，使其充分反應。混合液靜置1分鐘，以漏斗進行簡單重力過濾（見圖八）。
圖八：簡單重力過濾
2. 移至盛裝裝0.1 M Na2S2O3的滴定管尖口下方，記錄起始刻度V1。以Na2S2O3溶液滴定至溶液為淡黃色，此時加入2.0 mL的澱粉指示劑，繼續滴定至藍色消失為止，記錄最後刻度V2（見圖九）。
圖九：硫代硫酸鈉溶液滴加紅棕色濾液（左）；直到呈現淡黃色（中）；添加澱粉使之呈藍黑色，繼續滴加至濾液藍色消失為止（右）。
〔續《微量化學實驗：碘化亞銅的微量檢驗和硫酸銅的微量滴定（下）》〕
微量化學實驗：碘化亞銅的微量檢驗和硫酸銅的微量滴定（下） ／ 黎渝秀、簡菀萱、范祺展
星期六 , 2, 7 月 2016 本期專題, 第14期 / 2016年7月 在〈微量化學實驗：碘化亞銅的微量檢驗和硫酸銅的微量滴定（下） ／ 黎渝秀、簡菀萱、范祺展〉中留言功能已關閉微量化學實驗：碘化亞銅的微量檢驗
和硫酸銅的微量滴定（下）
黎渝秀*、簡菀萱、范祺展
國立中央大學附屬中壢高級中學
*[email protected]
〔承《微量化學實驗：碘化亞銅的微量檢驗和硫酸銅的微量滴定（上）》〕
n 結果與討論
一、 檢驗碘化亞銅
在「微量檢驗」方面，消耗藥品體積少，因此呈現的顏色與「傳統檢驗」較淺，當試管甲加入2 
乙酸乙酯時，顯然「微量分析」能充分將水溶液層中的碘分子溶解至上層的有機層，而乙酸乙酯對環境的污染較正己烷小，而且碘於有機溶劑中的顏色略為不同（碘分子在正己烷為紫色，在乙酸乙酯為紅棕色），正好讓學生互相比較（見圖十）。
在試管乙中，逐滴地滴加硫代硫酸鈉時，「微量檢驗」所呈現是白色混濁溶液，較「傳統檢驗」易於觀察。起初硫代硫酸鈉溶液滴加8滴時，黃褐色溶液變為透明溶液及原碘化亞銅的白色沉澱；再滴加硫代硫酸鈉溶液12滴時，碘化亞銅與過量的硫代硫酸鈉形成透明無色的錯離子，故白色沉澱消失。而「傳統檢驗」所需滴加硫代硫酸鈉溶液滴數較多，所需分析時間較長（見圖十）。
圖十：微量檢驗與傳統檢驗示意圖
二、 標定硫代硫酸鈉溶液
(一) 以針筒微量滴定
(二) 以滴定管傳統滴定
(三) 分析與比較
1. 「以針筒微量滴定」指示劑為澱粉時，相對誤差百分比為2.0 %；指示劑為寬版麵條時，相對誤差百分比幾乎為0.0%，顯示微量滴定時，指示劑為為寬版麵條時，相對誤差百分比小，且易於觀察。
2. 「以滴定管傳統滴定」，均以澱粉為指示劑，相對誤差百分比為9.0%，較「以針筒微量滴定」的相對誤差百分比大，若以磁石攪拌器輔助滴定實驗，則相對誤差百分比明顯下降許多，可見人為誤差的影響。
三、 測定未知濃度硫酸銅
(一) 以針筒微量滴定
(二) 以滴定管傳統滴定
(四) 分析與比較
1. 「以針筒微量滴定」中，指示劑為澱粉時，快達當量點時，因澱粉–碘錯合物可逆性佳，有時變無色後，靜置1分鐘又呈淡藍色，滴定所需時間較指示劑為寬版麵條久，判斷滴定終點不易。因此我們從相對誤差百分比中端倪：前者23.5%，後者1.25%，顯示指示劑為寬版麵條時準確度較澱粉為佳，相對也是影響硫酸銅濃度準確度的主要原因。
2. 「以滴定管傳統滴定」中，指示劑均為澱粉時，快達當量點時，因濃度較濃，並未如「以針筒微量滴定」中的澱粉–碘錯合物的可逆反應，因此判斷滴定終點非常明顯。相對誤差百分比為5.5%，仍在可予許誤差範圍內。顯然「以滴定管傳統滴定」的指示劑宜以澱粉為佳；「以針筒微量滴定」的指示劑宜以寬版麵條為佳。
3. 在以針筒微量滴定中，當硫酸銅和碘化鉀形成碘化亞銅固體和三碘錯離子溶液時，我們試圖以式[7]作為滴定終點：首先不過濾直接與硫代硫酸鈉進行反應，溶液先由紅棕色混濁變成透明混濁液，再繼續滴加至沉澱消失為止，此時所消耗的硫代硫酸鈉的體積為13 mL，以此作為滴定終點而換算硫酸銅濃度為0.217
，相對誤差百分比為8.5 %，依式[7]換算而得。因此依式[7]為滴定終點，判斷不易，且相對誤差百分比明顯增加。註⑦
註⑦
n 教學指引
(一) 教學時間：以下均為微量實驗操作。
本次專題包含三個主題，教師可依上課時間，調整不同的主題。若是一堂課時間，建議先作第一主題（碘化亞銅的檢驗），同時練習針筒吸取及控制滴數，作為下次主題的前置練習。如此也比較有充分的時間和學生討論硫酸銅與碘化鉀相遇的種種。
|
主題 |
碘化亞銅 |
硫代硫酸銅 |
未知濃度 |
|
教師解說實驗裝置時間（分鐘） |
5 |
5 |
5 |
|
學生組裝實驗裝置時間（分鐘） |
3 |
5 |
5 |
|
學生操作實驗與紀錄結果（分鐘） |
7 |
15 |
20 |
|
實驗裝置的整理與回收時間（分鐘） |
2 |
5 |
5 |
|
實驗數據的處理與討論時間（分鐘） |
8 |
10 |
15 |
|
合計（分鐘） |
25 |
40 |
50 |
(二) 實驗討論
Q1：當硫酸銅溶液加入碘化鉀溶液時會產生沉澱，請以化學反應式表示，並詳加敘述。
答案：2Cu2+(aq) +5I–(aq) →2CuI(s) + I3–(aq)，灰色的CuI(s)和棕色的I3–(aq)。
Q2：試管甲加入乙酸乙酯，其目的為何？
答案：因為乙酸乙酯溶液（上層）會呈現黃色，係因碘分子在有機層溶解度大於水層。
Q3：試管乙逐滴加入硫代硫酸鈉溶液，若發生沉澱消失，其原因為何，試以反應式說明？
答案：形成錯離子。CuI(s) + 2S2O32–(aq) → Cu(S2O3)23–(aq) + I–(aq)
Q4：高中化學實驗室為何很少看到甚或看不到亞銅離子的相關鹽類？請以電位說明。
答案：銅離子與亞銅離子的標準還原電位如式[8]和[9]所示：
Cu2+(aq) + 2e– → Cu(s) E° = 0.34 V [8]
Cu+(aq) + e– → Cu(s) E° = 0.52 V [9]
由式[8] ✕2 –式[9]，得到的反應式，如式[10]所示。
2Cu+(aq) → Cu2+(aq) + Cu(s) ΔE° = 0.18 V [10]
ΔE° > 0，表示這是自發性反應，也就是在水溶液中，亞銅離子會進行自身氧化還原反應，故實驗室難以保存含亞銅離子的相關鹽類。
(三) 注意事項
l 「微量實驗」以針筒取代滴定管進行標定，針筒吸取溶液時，需排除針筒內的氣泡，建議先以蒸餾水作練習，控制針筒的使用，並作針筒體積校正。
l 「微量實驗」以針筒自製過濾筒取代傳統濾紙過濾，操作上簡便，不需要玻璃漏斗，可適用於小學、中學階段。
n 結論
1. 在「碘化亞銅的微量檢驗」中，以自製的過濾筒取代傳統濾紙過濾，操作上簡便，時間較短，準確度不亞於傳統濾紙過濾，適合高中生能進行在教室內的科學實驗。
2. 在「碘化亞銅的檢驗」中，微量觀察的現象明顯且簡單，易於操作，有助於教師課堂上呈現。
3. 由於「以針筒微量滴定」的相對誤差百分比較「以滴定管傳統滴定」（不使用磁石攪拌器）較小，加諸整個試劑用量減少四分之一以上，符合「綠色化學實驗減量、減廢原則」。
4. 此微量的實驗減量，不但便於課堂上的進行，而且能降低對環境的污染。
n 參考資料
1. 第一屆高中職綠色化學（減毒減量） 作品名稱：魔術變變變─碘的氧化還原滴定實驗，http://chem.moe.edu.tw/green/AwardsDetail/27f69899-3718-41e6-af95-de2c0967c53。
2. 施建輝，製備碘化亞銅與其一系列反應，臺灣化學教育，第1期（2014/5月），http://chemed.chemistry.org.tw/?p=982。
3. Microscale experiments -Titration – microscale, http://www.sserc.org.uk/index.php/chemistry-resources/microscale-chemistry/1477-microscale-experiments.
n 學生實驗手冊
下載本微量實驗的學生實驗手冊—「碘化亞銅的微量檢驗和硫酸銅的微量滴定」。
微量化學實驗：水的總硬度微量測定 ／ 黃稜蘊、顧展兆、楊水平
星期五 , 1, 7 月 2016 本期專題, 第14期 / 2016年7月 在〈微量化學實驗：水的總硬度微量測定 ／ 黃稜蘊、顧展兆、楊水平〉中留言功能已關閉微量化學實驗：水的總硬度微量測定
黃稜蘊、顧展兆、楊水平*
國立彰化師範大學化學系
*[email protected]
n 前言
本實驗的主題—錯合滴定（complexometric titration）—在大學普通化學實驗屬於一項常見的實驗單元，也編列在分析化學實驗中，這實驗的學習內容是瞭解EDTA的特性及其應用、EDTA與金屬離子的錯合、金屬指示劑與金屬離子錯合、鈣離子標準溶液的配製、緩衝溶液的配製、EDTA的標定、以及水的總硬度測定。錯合滴定一般用於測定水的總硬度和牛奶中鈣含量，此滴定也是環保署公告的水質檢驗方法之一。錯合滴定並未被編列在102課程綱要微調和107課程綱要（草案）的高中化學的課程中。
作者企圖開發錯合滴定的微量化學實驗，此實驗設計力求實驗的精確度和準確度不低於一般滴定，期望提供給大學普通化學實驗和分析化學實驗、高工化學實驗和高中化學實驗等科目的教學之用。
n 原理和概念
在自然界中形成硬水的主要離子有鈣離子（Ca2+）、鎂離子（Mg2+）、鐵離子（Fe3+）和碳酸氫根離子（HCO3–）。含有碳酸氫根離子的硬水被歸類為暫時硬水，這種硬水可以經由煮沸把水「軟化」，進而以排除二氧化碳的方式去除碳酸氫根離子，不過也會因碳酸根離子（CO32–）的形成，再與鈣離子、鎂離子及鐵離子沉澱而產生水垢。不能藉由煮沸的方式除去金屬離子的硬水稱作永久硬水，其離子有鈣離子、鎂離子、鐵離子以及硫酸根離子（SO42–）。
本實驗的目的是要測量在水中造成永久硬水的金屬離子濃度，使用已知濃度的乙二胺四乙酸（ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA）溶液進行錯合滴定。這種酸在水溶液中扮演多配位之配位基的角色，因為它可以螯合許多金屬離子，而且形成穩定的錯化合物，所以EDTA在化學分析中常被廣泛應用，用它來當作滴定液（titrant）。含有四質子的EDTA分子之結構式，如圖一所示。
圖一：EDTA分子的結構式
（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Ethylenediaminetetraacetic_acid）
習慣上，EDTA的分子用H4Y表示，由於H4Y是一個四質子酸，因此牽涉到很多物種（species）的平衡，大部分含有H4Y、H3Y–、H2Y–2、HY–3、Y–4及H+等離子。在不同的酸鹼環境下，各物種的莫耳分率不同。
由於H4Y只微溶於水中，因此製備EDTA溶液時，需要選用相對可溶的且可購買得到的二鈉鹽類（Na2H2EDTA·2H2O，或以Na2H2Y·2H2O表示）當作起始物。這種鹽類在溶液中存在的大部分物種為H2Y–2離子，其溶液的pH值約為4.40。
EDTA的解離和非解離程度其實與pH值有很大的關聯，在任一個特定的pH值，EDTA各種解離的物種所佔的莫耳分率是可以由四個酸的解離常數計算出來的。這裡不描述其計算過程，計算結果可以得知，例如：pH值在6–9的範圍中，存在高莫耳分率的H2Y2–和HY3–；在pH值9–12的範圍中，存在著很高莫耳分率的Y4–和HY3–。大多數的金屬離子與EDTA的滴定會在鹼性溶液中進行，產生穩定的且一對一的錯化合物。圖二是一個金屬離子和一個EDTA分子所產生的一個六配位之八面體的錯化合物，M–EDTA。
圖二：M–EDTA的八面體錯化合物
（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Medta.png）
通常，在鹼性溶液中金屬離子與EDTA所形成的錯化合物很穩定，不過它們會在中性或酸性溶液中解離，導致形成錯化合物的平衡有所移動，而造成不很穩定的錯合物。因此，要做出精確的滴定反應，必須取決於溶液中合適的pH值範圍，在滴定的過程中，氫離子（H+）會釋放出而使得pH值下降，以致影響到金屬離子與EDTA形成的錯合物。為了維持pH值在合適的範圍，需要使用充足的惰性緩衝溶液系統，例如：氨水（NH3）與氯化銨（NH4Cl）的混合液。
在錯合滴定中，必須使用金屬指示劑（metallochromic indicator），它與大多數的金屬離子產生有顏色的且穩定的錯合物，也能夠當成酸鹼指示劑，例如：羊毛鉻黑T（Eriohrome Black T, EBT）與大部分的金屬離子（M2+）形成酒紅色的錯合物，M(EBT)2+。通常，在鹼性緩衝溶液，金屬指示劑以HIn2–表示，能夠與金屬離子結合而形成錯合物（MIn–）呈現酒紅色，如式[1]所示。
HIn2–(blue) + M2+ → MIn–(wine red) + H+ [1]
在pH 10的緩衝溶液下，EDTA以HY3–和Y4–的形式存在為主。當加入EDTA到上述酒紅色的待測液中，MIn–中的M2+會慢慢地被移走，然後生成較穩定的MY2–的錯化合物，如式[2]和[3]所示。由於CaY2–比MgY2–穩定，因此HY3–優先與Ca2+錯合，再與Mg2+錯合。最後加入的EDTA取代在MgIn–的Mg2+，而增加沒有配位的HIn2–濃度。當HIn2–幾乎沒有金屬離子結合時，呈現純藍色，這顏色表示滴定終點，如式[4]所示。由於HIn2–與鈣離子的反應速率很慢，而與鎂離子的反應速率卻很快，因此在滴定液中加入鎂離子，使滴定終點的顏色變化變得明顯。
M2+ + HY3– → MY2– + H+ [2]
M2+ + Y4– → MY2– [3]
HY3– + MgIn–(wine red) ® MgY2– + HIn2–(blue) [4]
在測定水的總硬度時，通常使用EBT當作金屬指示劑，其與水中的Mg2+錯合，其反應及顏色變化，如式[5]所示。當EDTA與水中的Ca2+和Mg2+錯合完畢後，立即與EBT的金屬離子錯合，變回藍色達到滴定終點，如式[6]所示。
Mg2+(colorless) + EBT(blue) → Mg–EBT(wine red) [5]
Mg–EBT(wine red) + EDTA(colorless) → Mg–EDTA(colorless) + EBT(blue) [6]
由於測定水中的個別的鈣離子和鎂離子的硬度不是很方便，因此假設以鈣離子代表鈣離子和鎂離子之和，並以碳酸鈣（CaCO3）的形式表示總硬度，總硬度的單位通常以mg CaCO3/L（或CaCO3 ppm）表示，如式[7]所示。
CaCO3 ppm = [MEDTA (mol/L) × VEDTA (L) × 100.1 (g/ mol) × 1000 mg/g] / [Vwater (L)] [7]
n 過去實驗設計與本次微量設計構想
一、 過去的實驗設計
一般的酸鹼滴定裝置係由一個鐵架、一個滴定管夾、一支滴定管、一支錐形瓶及一個漏斗所組成，如圖三所示。滴定管的容量有大有小，其大小分為為50.00 mL、25.00 mL和10.00 mL，在臺灣常見的滴定管的容量為50.00 mL，在英文版化學實驗教科書中偶而會見到10.00 mL的滴定管，此為半微量滴定管。
圖三：一般的酸鹼滴定裝置
（圖片來源：http://goo.gl/R8wZ9x和http://goo.gl/F2yLzg）
二、 本次微量實驗設計構想
本次一支微量滴定裝置的設計係由一支丟棄式塑膠移液管（PS製移液管，2.000 mL）、一支塑膠注射針（2.5 mL）附針頭所組成，利用砂紙磨平注射針頭，移液管前端與針頭之間以及移液管後端與針筒之間利用石臘膜或雙面膠接合，並用挖洞的保特瓶當作微量滴定管的支架。作者企圖設計合乎使用藥品減量、器材大小縮小、經費花費更少、實驗操作簡易以及操作時間花費更少的微量滴定裝置。使用2.000 mL的塑膠移液管當作微量滴定管，其測量體積的精確度可達±0.001 mL。在測定水的總硬度時，一般滴定需要兩支滴定管，微量實驗需要兩支微量滴定管。
n 微量滴定管的製作和操作
一、 器材和工具
丟棄式塑膠移液管（PS製移液管，2 mL in 1/100 mL TD 20℃） 1支（見圖四）、剪刀 1支、塑膠注射針附針頭（2.5 mL） 1支、防水砂紙（150#粗目） 1小張、石臘膜（parafilm, 1.0 cm x 2.0 cm，或用雙面膠取代） 2小張、保特瓶 1個、橡皮塞 1個。
圖四：各種體積刻度的丟棄式塑膠移液管
（圖片來源：http://goo.gl/0jh6C0）
二、 製作微量滴定管
1. 取一支2 mL丟棄式塑膠移液管，用剪刀剪掉此管後端的棉花部分，如圖五所示。
圖五：剪掉移液管的後端（左）；剪掉棉花部分的移液管（右）
2. 取一支塑膠針筒的針頭，使用剪刀剪斷鐵製的針頭，保留鐵製的針頭約1公分，如圖六所示。
圖六：用剪刀截斷鐵製的針頭
3. 然後，針頭的開口垂直地抵住磨砂紙，以旋轉圓圈的方式磨平針頭的開口，如圖七左所示。磨平的針頭，避免刺傷皮膚，如圖五右所示。
圖七：用磨砂紙磨平針頭的開口（左）；被磨平的針頭（右）
4. 用石臘膜（或雙面膠）纏繞移液管的前端，以增加前端的厚度，使針頭的接頭與移液管的前端能夠緊密接合，如圖八所示。
圖八：用石臘膜纏繞移液管前端，以增加前端的厚度
5. 再用針頭緊密地套住移液管的前端，如圖七左所示。然後用石臘膜纏繞接合處，使其緊密連接在一起，如圖九右所示。
圖九：針頭套緊移液管的前端（左）；用石臘膜纏繞在接合處（右）
6. 取一支塑膠注射針頭，直接插入移液管後端的開口，使之緊密接合，如圖十左所示。若無法緊密接合，則設法用各種材料（如橡皮管）緊密接合，針筒的前端盡可能接觸到移液管，針筒的前端盡可能接觸到移液管的後端，如圖十右所示。
圖十：針筒直接插入移液管後端的開口（左）；設法用各種材料緊密接合（右）
7. 組裝完成的一支最大容量2.00 mL的微量滴定管，如圖十一所示。
圖十一：完成的微量滴定管，針筒直接緊密套住移液管（上）；
針筒與移液管之間用橡皮管緊密接合（下）
8. 製作微量滴定管的固定架：用剪刀剪去一個保特瓶的下半瓶身形成三個大的孔洞，如圖十二上方三圖所示。插入微量滴定管到一個有孔洞的橡皮塞中，然後插入保特瓶的瓶口，如圖十二左下所示。放置一個白色試飲杯在固定架內，調整微量滴定管的合適高度，如圖十二中下所示。製作完成的微量滴定管固定架，如圖十二右下所示。
圖十二：保特瓶下半瓶身被減成三個大孔洞（上）；微量滴定管插入橡皮塞中（左下）；調整合適位置（中下）；微量滴定管固定架（右下）
三、 操作微量滴定管的方式
1. 吸取溶液：取一支微量滴定管，透過針頭的開口吸取溶液。方便的作法是用一隻手握住注射針的筒管，藉由手指輕輕地使力，往上推針筒的推拉桿來吸取溶液，吸取的動作要緩慢，不宜過急，如圖十三所示。
圖十三：微量滴定管吸取溶液的作法
2. 滴定溶液：方便的作法是用一隻手握住筒管，藉由手指輕輕地使力，往下壓推拉桿。當壓下時，移液管內的溶液會緩慢地滴下來。壓下推拉桿的動作不宜過大，滴定溶液的滴下速率就會控制適宜，如圖十四所示。
圖十四：手指輕輕地使力，往下壓推拉桿
3. 滴定完畢後，先排除在微量滴定管內的溶液，再吸取自來水兩次並排除之，然後用蒸餾水清洗一次。
n 滴定步驟
一、 使用一般滴定管
(一) 藥品、器材及溶液配製
1. 滴定管（50 mL） 2支、鐵架和滴定管夾 1組、錐形瓶（250 mL） 2個、漏斗 1個、量瓶（100 mL） 1支、移液管（50 mL） 1支。
2. 配製0.01 M鈣離子標準溶液：稱取0.10 g（±0.0001 g）的高純度碳酸鈣（calcium carbonate, CaCO3，莫耳質量：100.1 g/mol），加到一支100.00 mL的量瓶中，先加入約50 mL的蒸餾水，再慢慢地加入6 M的鹽酸並搖晃，直到所有的固體溶解且溶液呈現澄清，用蒸餾水加到100.00 mL的刻度線，搖晃使之混合均勻。【本實驗精稱碳酸鈣0.1001 g，[CaCO3] = 0.01000 M】
3. 配製0.01 M EDTA：稱取0.76 g的Na2EDTA·2H2O（disodium ethylenediaminetatraacetate dihydrate，莫耳質量：372.24 g/mol），加到一個250 mL的錐形瓶中，加入0.01 g的六合水氯化鎂（magnesium chloride hexahydrate, MgCl2·6H2O），用蒸餾水加到200 mL的刻度線。
4. 配製pH 10緩衝溶液：在一個小錐形瓶中，加入40 mL的濃氨水（conc. NH3·H2O）和40 mL的蒸餾水，再加入5.6 g的氯化銨（ammonium chloride, NH4Cl），混合均勻，用橡皮塞塞住瓶口。
5. 配製EBT指示劑：溶解0.5 g的Eriochrome Black T在100 g的三乙醇胺（Triethanolamine）或2-甲氧基甲醇（2-Methoxymethanol）中，或溶解在95%乙醇中，若溶液呈現紫色或酒紅色，則滴加pH 10 緩衝溶液直到變成藍色。（注意：因為這指示劑暴露在空氣中會變成酸性溶液，因此宜在使用前配製。）
(二) EDTA的濃度標定
1. 清洗滴定管：用滴定管刷沾肥皂水或清潔劑水，插入滴定管中來回刷洗。用自來水沖掉掉肥皂水或清潔劑水，直到滴定管沒有泡沫。用蒸餾水潤洗滴定管兩次。用0.1 M EDTA溶液潤洗滴定管兩次。
2. 取一支滴定管，用0.1 M EDTA溶液填充之，並記錄起始刻度。
3. 用另一支滴定管，用碳酸鈣標準溶液填充之，轉移25.00 mL的碳酸鈣標準溶液於一支錐形瓶中。
4. 使用PE滴管，加入1 mL緩衝溶液後，再加入3滴EBT，此時溶液呈現酒紅色。
5. 以EDTA溶液緩慢地滴定，一邊滴定一邊搖晃錐形瓶，直到溶液轉變成純藍色即為滴定終點，記錄EDTA的最後刻度。
6. 重複滴定步驟三次。
7. 計算EDTA溶液的體積莫耳濃度。
(三) 測定水的總硬度
1. 用已標定的EDTA溶液，填入滴定管中，並記錄其起始刻度。
2. 用50.00 mL的移液管，分兩次取得共100.00 mL的水樣品。
3. 使用PE滴管，加入4 mL緩衝溶液後，再加入3滴EBT。溶液呈現酒紅色。
4. 以EDTA溶液緩慢地滴定，直到溶液呈現純藍色，記錄NaOH的最後刻度。
5. 重複滴定步驟三次。
6. 計算水樣品的硬度。
二、 使用微量滴定管
(一) 藥品、器材及配製溶液
1. 微量滴定管 2支、微量滴定管固定架（而保特瓶做成） 1個、試飲杯（或小玻璃瓶，約30～50 mL） 1個、量瓶（100.00 mL） 1支、移液管（10.000 mL） 1支。
2. 配製0.01 M鈣離子標準溶液：與一般滴定相同。【100 mL溶液約可供20組使用】
3. 配製0.01 M EDTA：與一般滴定相同。【200 mL溶液約可供20組使用】
4. 配製EBT指示劑：與一般滴定相同。
(二) EDTA的微量標定
1. 清洗微量滴定管：先吸取並排除自來水兩次，然後用蒸餾水清洗一次。
2. 用一支微量滴定管，吸取0.1 M EDTA溶液，固定在微量滴定管固定架，並記錄起始刻度。【操作過程請見「微量滴定管的製作和操作」一節】
3. 用另一支微量滴定管，取1.000 mL的碳酸鈣溶液（已知濃度），如圖十五左所示，裝在一個白色試飲杯（或小玻璃瓶）中，如圖十五中所示。加入0.5 mL緩衝溶液，並加入3滴的EBT指示劑，此時溶液呈現酒紅色，如圖十五右所示。【操作過程請見上述】
圖十六：轉移碳酸鈣溶液到白色試飲杯中（左和中）；加入緩衝溶液和指示劑呈現酒紅色（右）
4. 用0.1 M EDTA溶液緩慢地滴定，並搖晃飲紙杯，直到溶液變成純藍色即滴定終點，如圖十六所示。
圖十六：滴定過程的顏色，剛開始滴定（左）；接近終點時（中）；及滴定終點（右）
5. 記錄EDTA的最後刻度。
6. 重複滴定步驟三次。
7. 計算EDTA溶液的體積莫耳濃度。
(三) 水的總硬度微量測定
1. 清洗微量滴定管：先吸取並排除自來水兩次，然後用蒸餾水清洗一次。
2. 用一支微量滴定管，吸取0.1 M EDTA溶液，並記錄起始刻度。【操作過程請見「微量滴定管的製作和操作」一節】
3. 用一支10.00 mL的移液管，取得10.00 mL的水樣品，加入2 mL緩衝溶液後，再加入3滴EBT。溶液呈現紅色，裝在一個很小的玻璃瓶（或試飲紙杯）中。【操作過程請見上述】
4. 以EDTA溶液緩慢地滴定，並搖晃小玻璃瓶，直到溶液變成純藍色即滴定終點。
5. 記錄EDTA的最後刻度。
6. 重複滴定步驟三次。
7. 計算水樣品的總硬度
n 結果與討論
一、EDTA溶液標定
表一：兩種滴定方式標定EDTA溶液的數據
根據表一的實驗結果，用兩種滴定方式，標定EDTA溶液的濃度差異為0.00057 M（= 0.009631 M – 0.01020 M），微量滴定標定的濃度稍高於一般滴定，但是兩者的濃度差異不大。若以一般滴定的結果當作標準值，則微量滴定的相對誤差百分比為5.9%。兩種滴定方式的實驗精確度（相對平均偏差）分別0.39%和0.2%，微量滴定的精確度稍高於一般滴定，兩者的相對平均偏差都低於1%。
二、測定樣品硬度的濃度
表二：兩種滴定方式測定樣品硬度
計算水的硬度，以一般滴定的試驗一為例，計算過程如下：
此自來水樣品含CaCO3的毫莫耳數 = 0.009631 M × 9.08 mL = 0.0874 mmol
此自來水樣品含CaCO3的毫克數 = 0.0874 mmol × 100.1 g/ mol = 8.75 mg
此自來水樣品的總硬度 = 8.75 mg/ 100.0 mL = 0.0875 mg/mL = 87.5 mg/L = 87.5 ppm
根據表二的實驗結果，以兩種滴定方式，測定水的總硬度之差異為4.8 ppm（= 91.6 ppm – 86.8 ppm），兩者差異不大。若以一般滴定的結果當作標準值，則微量滴定的相對誤差百分比為5.5%。兩種滴定方式的實驗精確度（相對平均偏差）分別1.2%和0.1%，微量滴定的精確度稍高於一般滴定。
n 廢棄物處理和安全注意事項
l 滴定後的溶液倒入廢液桶集中處理。
l 使用過後的微量滴定管必須清洗，並排除水分，以避免金屬針頭的內部生鏽。
l 清洗後的微量滴定管應該妥善保管，可以重複使用。
n 教學提示
l 錯合滴定的微量實驗上課時間：教師解說實驗裝置：約15分鐘；學生組裝實驗裝置：約15分鐘；學生操作實驗與紀錄結果：約20分鐘；實驗裝置的整理與回收：約5分鐘；實驗數據的處理與討論：25分鐘。
l 微量滴定管的針頭尖端必須用砂紙磨平，避免刺傷皮膚。
l 用剪刀減斷針頭，保留金屬長度以一公分為佳，針頭長度不宜過長。若針頭的金屬太長則水滴會自動從針頭的開口滴下。
l 製作微量滴定管時，特別留意針筒的針頭與移液管前端之間的緊密接合，以及針筒的筒管與與移液管後端之間的緊密接合。
l 滴定完畢後的微量滴定管應該清洗乾淨，特別留意針頭的保養。清洗方式：先排除在微量滴定管的溶液，再吸取並排除自來水兩次，然後用蒸餾水清洗一次。排除所有水分，以避免針頭生鏽。
l 微量滴定管操作方式：用一隻手握住注射針的筒管，藉由另一隻手的手指輕輕地使力，當壓下推拉桿後，移液管內的溶液會緩慢地滴下來。壓下的動作不宜過大，滴定溶液的速率就會控制適宜。
l 操作微量滴定管必須注意擠壓推拉桿的力道與針頭滴下液體的快慢之相關性，擠壓的力道應該控制得宜，避免過度擠壓導致過量的滴下液體。
n 比較一般滴定與微量滴定
l 在藥品用量方面：一般滴定碳酸鈣溶液的使用體積約為75 mL；微量滴定約為3 mL；一般滴定EDTA溶液的使用體積約為100 mL，微量滴定約為6 mL。微量滴定的使用藥品量約為一般滴定的1/20或更低。
l 在器材大小方面：使用微量滴定的器材比一般滴定小很多，因此方便收拾且儲存空間小。
l 在經費花費方面：塑膠移液管每支約為10–12元加上塑膠針筒每支約為5–8元合計15–20元，而一般玻璃滴定管每支價格約500–900元。微量滴定管的成本低於玻璃滴定管甚多。
l 在操作技術方面：微量滴定管的操作比一般滴定較為不易，在正式滴定前應該熟練操作。
l 在時間花費方面：微量滴定的操作時間比一般滴定少很多。
n 結語
在藥品用量、器材大小、經費花費及時間花費方面，本實驗的微量錯合滴定的優勢設計比一般滴定好很多。再者，微量滴定因藥品用量少而降低實驗的危險性，也降低對環境的污染。本微量實驗的精確度不亞於一般滴定，適用於大學普通化學實驗和高工化學實驗的教學，也提供給有高度興趣的高中學生作為進階化學實驗實作的參考。
飲用水的品質關係到我們的日常生活的品質，水的總硬度測定是分析化學實驗的基礎實驗之一，若透過本微量錯合滴定的設計來親自測定自己常喝的水，則學生對落實綠色化學會有更深入的體認，並且學習分析化學實驗更感到興趣。
n 學生實驗手冊
下載本微量實驗的學生實驗手冊—「水的總硬度微量測定」。
微量化學實驗：波以耳定律的微量實驗
李錡峰、楊水平*
國立彰化師範大學化學系
*[email protected]
n 前言
本實驗的主題—波以耳定律—在102課程綱要微調中被編列於高中基礎化學（三）的物質狀態之氣體定律，屬於一項重要的課程內容，其化學計算尤為重要，唯在99課綱中並沒有編列此定律為實驗。在107課程綱要（草案）中，波以耳定律被歸類在主題—「物質系統—氣體」和次主題的學習內容—「CEc-Ⅴa-3理想氣體三大定律與理想氣體方程式」之中，在學習內容說明中提到可以演示實驗說明三大定律。
本實驗企圖開發波以耳定律的微量化學實驗，包含定性觀察實驗和定量測量實驗，提供給高中自然組化學選修的教師演示實驗和學生動手做實驗的參考。
n 原理和概念
波以耳定律（Boyle’s law）是由英國科學家羅伯特·波以耳（Robert Boyle, 1627~1691），在1662年根據實驗結果發現：「在密閉容器中的定量氣體，在恆溫下，氣體的壓力與體積成反比關係。」這是人類歷史上第一個發現的定律。馬略特（Mariotte）在1676年發表在《氣體的本性》論文中提到：「一定質量的氣體在溫度不變時其體積與壓力成反比」。波以耳和馬略特是各自分別獨立確立此定律，因此在英語國家，這一定律被稱為波以耳定律，而在歐洲大陸則被稱為馬略特定律[1]。波以耳定律的實驗裝置，如圖一所示。波以耳定律的氣體動力論的微觀說明，如圖二所示。
圖一：波以耳實驗裝置圖
（圖片來源：The Gas Laws, http://goo.gl/VUYyn0）
圖二：波以耳定律的氣體動力論的微觀說明
（圖片來源：The Gas Laws, https://goo.gl/uP8a4c）
波以耳定律描述為在定溫時，定量氣體的壓力（P）與其體積（V）成反比關係，可用公示[1]或[2]表示：
[1]
[2]
根據波以耳定律的實驗結果，可以用四種函數表示，如圖三所示：
圖三：四種函數表示波以耳定律
n 過去實驗設計與本次微量設計構想
一、 過去實驗設計
我們發現在臺灣至少有兩項傳統的波以耳定律的定性實驗，其一為利用注射筒連結底片盒，透過擠壓使底片盒蓋發射出去；放五個吹好的小氣球到一個可抽氣真空密封罐中，抽出罐內的氣體，可見到氣球逐漸長大，並互相擠壓的有趣畫面[2]。其二為一個手動抽氣裝置連接到一個塞住橡皮塞形成密閉系統，在瓶中放入刮鬍刀泡泡，抽出罐內的氣體，可見到泡泡逐漸長大，這實驗以影片方式呈現[3]。
我們也發現在臺灣至少有一項傳統的波以耳定律定量實驗，其係利用長型玻璃管、橡膠及水，架設一組密閉裝置，如圖四所示。該實驗設計上具有方便觀察的特色，教學上也涵蓋趣味性、知識性及合作性，唯器材較龐大、不易取得。其實驗操作方式是將一定量氣體封閉於玻璃管上方，用手指蓋住下方管口，爾後，將手指稍微鬆開。玻璃管內向下的壓力為與大氣壓力達成力平衡，封閉的氣體體積會增加，以致氣體壓力減小，觀察不同的氣體體積的變化與壓力的關係[4]。
圖四：波以耳定律的定量實驗示意圖
我們發現一部影片，提到波以耳定律的定量微量實驗，由美國Flinn Scientific, Inc製作，先利用小型滴管內裝紅色水，再用節流夾密閉此滴管的開口，然後用書本重壓滴管擠壓處，觀察紅色水在滴管的移動距離。用放置書本的本數（氣體的壓力）對移動距離（氣體的體積）作圖，可得知波以耳定律的壓力與體積的粗略定量關係[5]。
二、 本次微量實驗設計構想
(一)在定性實驗方面
本實驗波以耳定律的微量定性實驗之設計構想是，使用注射針筒和氣球製作而成，如圖五所示：
圖五：波以耳定律的微量定性實驗裝置
根據波以耳定律，當密閉針筒內的推拉桿不推入或拉出時，氣球內的壓力（P1）與原本針筒內的壓力相同，也與外界的大氣壓力相等，設此時氣球的體積為V1。當推拉桿向外拉時，針筒內的壓力變小，使氣球內的空氣壓力（P2）變小，以致氣球的體積變大，設此時氣球的體積為V2。亦即，當推拉桿向外拉時，氣球內部的體積從V1變到V2（V1 < V2），氣球的壓力從P1減少到P2（P1 > P2）。
(二)在定量實驗方面
本實驗波以耳定律的微量定量實驗設計構想是，使用電子秤、注射針筒、橡皮塞及施力的手所組成，如圖六所示：
圖六：微量定量實驗的裝置
當密閉的針筒不受外界施壓時，假設針筒內部的氣體體積為V1，其壓力為P1，此時的壓力等於大氣壓力Patm（可視為1 atm）。當針筒內部的空氣受到外界的施力（設為Fd），而使得空氣受到擠壓，以致受到更大的壓力（設為Pd），此時的壓力為Pgas（= Patm + Pd），其體積減少到V2。
根據壓力公式，
[3]
此處，P：受到的壓力（gw/cm2)，F：施力（gw），W：向針筒施壓之重量（gw），A：針筒內部的受力面積（cm2）；且1 atm = 1033.6 gw/cm2。
當施力於針筒時，施加的重量除以針筒內部的截面積A，便可得到施加的壓力Pd。因此針筒內部的空氣壓力為：Pgas = Patm + Pd = Patm + 
Patm + 
【實驗一：波以耳定律的定性微量實驗】
n 藥品與器材
氣球（小型氣球） 二個、注射針筒（50 mL，不必注射針頭） 一支。
n 實驗步驟
1. 取一個小氣球，套住一支50 mL的注射針筒的開口，用一支手的手指捏著，用另一手打氣，使小氣球膨脹，如圖七左所示。取下膨脹的小氣球，用手擠壓氣球使其局部膨脹，如圖七右所示，以致降低氣球的張力，以利後續氣球的膨脹。
圖七：用注射針筒充氣小氣球（左）；用手擠壓氣球使其局部膨脹（右）
2. 使用注射針筒充氣此氣球，充氣成一個約5~10元硬幣大小的小氣球。以旋轉方式，使小氣球緊縮成一個小圓形狀，然後打死結，如圖八左所示。形成一個小圓形狀的小氣球，如圖八右所示。
圖八：小氣球打死結（左）；形成一個小圓形狀的小氣球（右）
3. 放入此小氣球到針筒內部，如圖九左所示。盡可能地移動推拉桿到針筒的前端，再用一個小氣球套住針筒前端的開口，作為封口之用，如圖九右所示。
圖八：放入小氣球到針筒內部（左）；用一個小氣球套住針筒的開口（右）
3. 移動推拉桿至不同的體積刻度處，觀察氣球體積的變化，如圖九所示。
圖九：移動推拉桿，觀察氣球體積的變化
n 結果與討論
本實驗波以耳定律的微量定性實驗的結果，如圖十所示。
圖十：由左而右，推拉桿的體積刻度位置：13 mL、20 mL、30 mL、40 mL、50 mL及60 mL。
由觀察得知，當推拉桿逐漸向外拉時，造成針筒內部的體積逐漸變大，使得針筒內部的壓力逐漸變小，以致氣球內部的壓力逐漸變小，造成氣球的體積變大。這現象符合波以耳定律的定性描述。
【實驗二：波以耳定律的微量定量實驗】
n 藥品與器材
注射針筒（25 mL） 一支、矽膠橡皮塞 一個、廚房用料理秤（最大稱重為7000 g，精確度至1 g）。
n 實驗步驟
1. 取一個矽膠橡皮塞，放置在廚房用料理秤的稱盤中間位置。
2. 取一支25 mL的注射針筒，移動推拉桿使其恰好在25 mL的刻度線。
3. 用一支手的手掌，輕輕地壓著針筒的推拉桿，使針筒的開口端頂住橡皮塞的中央位置，此時不對料理秤施力，如圖十一所示。
圖十一：針筒的開口端頂住橡皮塞的中央位置
4. 在不對料理秤施力的情況下，此時針筒的刻度線恰好在25 mL的位置。扣除毛重（按「去皮」鈕）矽膠橡皮塞和注射針筒。此時針筒的內部的氣壓為Patm（可視為1 atm）。
5. 用手掌輕輕地對料理秤施力，當針筒的體積每次改變2～3 mL時，紀錄施加的重量，如圖十二所示。
圖十二：用手掌輕輕地對料理秤施力
6. 在施力方面，剛開始的前半段，輕輕地對料理秤施力即可。在後半段，對料理秤的施力需要越來越大，如圖十三所示。（註：必要時，用兩支手的手掌對料理秤施力。）
圖十三：由左而右，對料理秤的施力需要越來越大
n 結果與討論
針筒直徑（2r）： 2.0 cm，針筒內部（A = πr2）： 3.14 cm2；
大氣壓力Patm： 1.0 （atm）
(一) 波以耳定律微量定量實驗的原始數據和數據處理，如表一所示。
表一：波以耳定律微量定量實驗的原始數據和數據處理
|
試驗編號 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
針筒內部氣體體積Vgas（mL） |
25.0 |
23.0 |
20.0 |
18.0 |
15.0 |
13.0 |
|
施壓於針筒的重量W（g） |
0 |
229 |
725 |
1248 |
2038 |
2740 |
|
往下施壓的壓力Pd（atm） |
0.00 |
0.071 |
0.223 |
0.385 |
0.628 |
0.884 |
|
針筒內部氣體壓力Pgas（atm） |
1.00 |
1.07 |
1.22 |
1.38 |
1.63 |
1.88 |
|
Pgas × Vgas （atm·mL） |
25.0 |
24.6 |
24.5 | 24.9 |
24.4 |
24.0 |
|
試驗編號 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
針筒內部氣體體積Vgas（mL） |
10.0 |
8.0 |
|
|
|
|
|
施壓於針筒的重量W（g） |
4629 |
6685 |
|
|
|
|
|
往下施壓的壓力Pd（atm） |
1.43 |
2.06 |
|
|
|
|
|
針筒內部氣體壓力Pgas（atm） |
2.43 |
3.06 |
|
|
|
|
|
Pgas × Vgas （atm·mL） |
24.3 |
24.5 |
|
|
|
|
(二) 施加針筒之重量（W）對針筒內部氣體體積（Vgas）作圖，如圖十四所示。
圖十四：施加針筒的重量對針筒內部氣體體積作圖
由圖十四的趨勢線得知，若對針筒內部氣體施加的重量越大，則其體積越小。反之，若對氣體施壓的重量越小，則其體積越大。施加的重量與氣體的體積作圖並未呈現一條直線，而呈現彎曲狀。
(三) 針筒內部的氣體壓力（Pgas）對氣體體積（Vgas）的作圖，如圖十五所示。
圖十五：氣體壓力對氣體體積作圖
由圖十五的趨勢線得知，若對針筒內部的氣體施加的壓力越大，則其體積增加越小。反之，若對氣體施壓的壓力越小，則其體積減少越大。施加的壓力與氣體的體積之趨勢線並未呈現一條直線，而呈現彎曲狀，施加的壓力與氣體的體積之關係非常接近成反比。本實驗結果非常符合波以耳定律。
(四) 針筒內部的氣體壓力乘以體積（Pgas × Vgas）對氣體壓力（Vgas）作圖，如圖十六所示。
圖十六：氣體的壓力乘以體積對氣體的體積作圖
由圖十六的趨勢線得知，針筒內部的氣體壓力乘以體積對氣體體積作圖，趨勢線的斜率為0.044，呈現一條趨近的水平線。本實驗結果非常符合波以耳定律。
(五) 計算針筒內部的氣體壓力（實驗值），以編號3為例計算之。
當密閉的針筒不受外界施壓時，假設針筒內部的氣體體積為V1，其壓力為P1，此時的壓力等於大氣壓力Patm（可視為1 atm）。當針筒內部的空氣受到外界的施力（設為Fd），而使得空氣受到擠壓，以致受到更大的壓力（設為Pd），此時的壓力為Pgas（= Patm + Pd），其體積減少到V2。
根據壓力公式，
[3]
此處，P：受到的壓力（gw/cm2)，F：施力（gw），W：向針筒施壓之重量（gw），A：針筒內部的受力面積（cm2）；且1 atm = 1033.6 gw/cm2。
當施力於針筒時，施加的重量除以針筒內部的截面積A，便可得到施加的壓力Pd。因此針筒內部的空氣壓力為：Pgas = Patm + Pd = Patm + 
Patm + 
Pgas = Patm + Pd = 
(六) 計算針筒內部的壓力（理論值）並計算實驗的誤差百分比。
根據波以耳定律，針筒內部的壓力（P1）乘以體積（V1）為定值，由已知的1大氣壓下的體積，可以推知改變體積（V2）下理論值的壓力（P2）。亦即利用 
，計算P2。
，得到
= 1.25 atm
誤差百分比 = 
n 廢棄物處理和安全注意事項
l 本實驗未使用化學藥品，無藥品的危險性問題，唯使用過後的吹氣氣球不建議再利用。
l 使用過後的注射針筒可以重複使用，不可丟棄，應該妥善儲存。
l 本實驗不使用注射針頭，針頭必須集中妥善保管，避免不當適用或不慎刺傷自己或他人。
n 教學提示
l 上課時間：教師實驗解說：約10分鐘；學生組裝實驗裝置：約5分鐘；學生操作實驗與紀錄結果：約15分鐘；實驗裝置的整理與回收：約5分鐘；實驗數據的處理與討論：25分鐘。
l 本實驗可配合基礎化學（三）氣體定律單元實施，亦可在107課程綱要（草案）中氣體的學習內容「CEc-Ⅴa-3理想氣體三大定律與理想氣體方程式」中進行教學。
l 教師必須提醒學生當使用廚房料理秤時，施力的大小必須小於最大秤量值，以免電子秤發生故障。
l 針對此定量實驗，教師可給予學生不同大小的針筒或其他變因，讓學生探索不同變因對波以耳定律的影響。
l 學生對料理秤施力時，若使用單手不易施加較大的力量，則使用雙手會方便施力。
l 本實驗未使用化學藥品，因此無汙染性亦無毒性，可在一般的教室或家中進行，不一定要在化學實驗室中實施。
l 本實驗可兩三組共用一台廚房料理秤（約300元），以節省經費發費開支。
n 比較傳統實驗和微量實驗
1. 在藥品用量方面：傳統的定量實驗使用水作為壓力來源；傳統的定性實驗使用刮鬍泡泡作為密閉氣體的來源，屬於消耗品；本實驗只有使用一個小氣球為消耗性，未用化學藥品。
2. 在器材大小方面：傳統的定量實驗使用112 cm的長玻璃管，器材較大形；定性實驗使用較大型的錐形瓶和抽氣器，以達到示範實驗的效果；本實驗使用的器材體積較小，易於攜帶和儲存。
3. 在實驗操作方面：傳統的定量實驗需用加工長型玻璃管，且操作步驟較多；本實驗使用塑膠器材，且操作步驟較少且安全性較高。
4. 在時間花費方面：傳統的定量實驗步驟較多，以致實驗說明花較多時間；雖然本實驗涵蓋定性和定量實驗，但是裝置組裝非常簡易，可以在一節課完成實驗。
n 結語
傳統的波以耳定律實驗在設計與操作上較為複雜，器材的取得也相對不易。然而本實驗具有微量實驗之特色，例如：不需使用化學藥品，以致無汙染物產生、使用的器材不多。唯使用廚房用料理秤，價格稍貴。在實驗操作方面，器材容易取得並可重複使用，不具危險性。本實驗可在一般的教室或家中進行，不一定在化學實驗室中實施，教師教學方便，學生學習輕鬆。本實驗波以耳定律的微量化學實驗的開發，包含定性觀察實驗和定量測量實驗，可提供給高中自然組化學選修的教師演示實驗和學生動手做實驗的參考。
n 參考資料
1. 波以耳–馬略特定律，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/玻意耳–马略特定律。
2. 蔡明亮，波以耳定律的印證，http://www.mingdao.edu.tw/chemical/data/Boyle%20law.pdf。
3. 教育部化學學科中心，氣體性質示範實驗(一)波以耳定律，https://www.youtube.com/watch?v=CMUSFUokW4U
4. 梁立國，簡易的波以耳定律實驗，http://ir.fy.edu.tw/ir/bitstream/987654321/13392/2/04-1.實驗-P10207-梁立國–簡易的波以耳定律實驗.pdf。
5. Boyle’s Law Lab, https://www.youtube.com/watch?v=vSFVMJQ4J7U.
n 學生實驗手冊
下載本微量實驗的學生實驗手冊—「波以耳定律的微量實驗」。
微量化學實驗：亞佛加厥定律的微量實驗 ／ 李錡峰、楊水平
星期三 , 29, 6 月 2016 本期專題, 第14期 / 2016年7月 在〈微量化學實驗：亞佛加厥定律的微量實驗 ／ 李錡峰、楊水平〉中留言功能已關閉微量化學實驗：亞佛加厥定律的微量實驗
李錡峰*、楊水平
國立彰化師範大學化學系
*[email protected]
n 前言
在102課程綱要微調中，亞佛加厥定律（Avogadro’s law）被列入於基礎化學（二）的氣體定律單元之中，不過，由於其與道耳頓的原子說以及其與給呂薩克的氣體化合體積定律有密切相關，因此在基礎化學（一）中，雖然未提到亞佛加厥定律，但是一些出版社列入此定律在教科書中。在107課程綱要（草案）中，亞佛加厥定律被歸類在主題—「物質系統—氣體」和次主題的學習內容—「CEc-Ⅴa-3理想氣體三大定律與理想氣體方程式」之中，在學習內容說明中提到可以演示實驗說明三大定律。
可惜的是，在舊課程綱要和新課程綱要（草案）中，並沒有納入亞佛加厥定律為實驗項目，為讓學生有機會操作此定律的機會，作者企圖設計一項簡單的亞佛加厥定律的微量實驗。本實驗力求使用無毒的且微量的藥品，且使用小型的器材，易於攜帶且可回收再使用，以符合微量化學的特色。
n 原理和概念
亞佛加厥（Amedeo Avogadro, 1776-1856）於1811年提出亞佛加厥假說（Avogadro’s hypothesis）。其假說認為：在同溫同壓下，同體積的兩個氣體有相同的分子數。亞佛加厥定律係由亞佛加厥假說演變而來[1]，亞佛加厥定律描述為：在恆定的溫度和壓力下，氣體的體積與分子數（或莫耳數）成正比。在數學上，此定律表示為：體積（V）= 常數（K）× 莫耳數（n）或體積與莫耳數為定值[1,2]，如式[1]所示。
本實驗設計一個密閉容器，在定溫定壓下，加入：(一) 0.010～0.10 g不同重量的小蘇打粉（NaHCO3）作為限量試劑。(二) 加入5.0 mL固定體積的食用醋（含CH3COOH）作為過量試劑。混合後發生化學反應而產生CO2氣體，如式[2]所示：
NaHCO3(s) + CH3COOH(aq) → CO2(g) + CH3COONa(aq) + H2O(l) [2]
根據式[2]得知，碳酸氫鈉（NaHCO3）的反應係數與二氧化碳（CO2）的反應係數相同，因此使用的碳酸氫鈉莫耳數等於產生的二氧化碳莫耳數。
n 過去實驗設計與本次微量設計構想
一、 過去實驗設計
我們發現至少有兩項已有的亞佛加厥定律的定性實驗，其一為利用氣球和寶特瓶製作一個密閉系統，利用氫氧化鈉溶液吸收在系統內的二氧化碳氣體分子，最後使氣球在寶特瓶內膨脹的有趣畫面[1]；其二為同時置入食用醋以及小蘇打粉在一個寶特瓶中，並套上氣球，觀察其產生的氣體充滿於氣球的變化，這實驗以影片方式呈現[3]。我們也發現一項此定律的定量實驗，使用250 mL的塑膠瓶和60 mL的注射針筒為主要器材，組合成密閉系統，製造二氧化碳氣體[4]。
二、 本次微量實驗設計構想
本實驗設計的亞佛加厥定律之定量實驗係以針筒和氣球製組合成一個反應產生氣體的密閉系統，並以食用醋及小蘇打粉作為產生的氣體來源，此二物質為沒有毒性的常用食品，且反應不會發生危險。
圖一：亞佛加厥定律的定量實驗裝置
根據亞佛加厥定律係指在同溫和同壓（同T、P）時，同體積的氣體含有相等數目的分子，亦即氣體的體積與莫耳數成正比，如式[1]所示：
在一支大型針筒內，
氣體體積
先用一支中型針筒注入特定體積的氫氧化鈉溶液Vsb，其含
莫耳數。再使用一支小型針筒，透過針頭，注入過量的體積為Vac的食用醋到密閉系統中，立即發生反應，產生二氧化碳氣體，使密閉系統的體積變為
。然後，補償針筒內部的摩擦力所造成的體積差Vfri，可計算得知產生二氧化碳氣體的實際體積
計算如式[2]所示：
產生二氧化碳的實際體積（
） =
產生氣體後的刻度體積（
） – 原先預留15.0 mL（
） – 注入碳酸氫鈉溶液的體積（Vsb） – 注入食用醋的5.0 mL（Vac） + 針筒內部在停留處的摩擦力所造成的體積差（Vfri） [2]
再來，重複上述的實驗，取不同重量的小蘇打粉，進行各次試驗。經過數據收集和處理，得知其產生氣體的毫莫耳數與其體積之關係是否呈現成正比，以及產生二氧化碳毫莫耳數乘以體積之關係是否為定值，以判定這些結果是否符合亞佛加厥定律。
n 藥品與器材
塑膠注射針筒（50 mL, 25 mL或10 mL, 5 mL，後兩者含針頭） 各一支、小蘇打粉（碳酸氫鈉） 1.0 g、食用醋 50 mL、小型氣球 2～4個、攜帶式電子天平（精稱到0.01 g） 一台、廚房用量杯（100 mL），塑膠杯（或試飲杯） 1個，如圖二所示。
圖二：亞佛加厥定律的定性實驗需用藥品和器材
n 實驗步驟
一、評估針筒內部的摩擦力效應
1. 一支50 mL的大型針筒，移動推拉桿到50.0 mL的刻度線，如圖三左所示，用力擠壓動推拉桿，然後放開，推拉桿會自動地往外移動，當停止時，紀錄其刻度，如圖三右所示。這兩體積刻度差被視為針筒內部在停留處的摩擦力所造成的體積差。
圖三：先移動推拉桿到固定的刻度線（左）；再用力擠壓推拉桿（右）
2. 重複上述步驟，移動推拉桿分別到40.0 mL、30.0 mL、20.0 mL及10.0 mL的刻度線，紀錄其停止時的刻度。
二、定量實驗步驟
1. 配製碳酸氫鈉溶液：用攜帶式電子天平，透過一支吸管取藥，稱取1.00 g小蘇打粉（碳酸氫鈉），放入100 mL的廚房用量杯中，加入飲用水，邊加入邊用吸管攪拌均勻，直到100 mL的刻度線。【此處碳酸氫鈉溶液的濃度為0.010 g/mL】
2. 磨平針頭：取兩支注射針頭，先用剪刀減掉其尖端，然後用粗砂紙磨平針頭；針頭亦可直接在砂紙上磨平。
3. 取一支5.0 mL的小型針筒附磨平的針頭，慢慢地吸取5.0 mL的食用醋，備用。若針筒內含有氣泡，則持針頭朝上，用手指輕敲針筒促使氣泡移到上方，再排除氣泡。
4. 取一支25.0 mL（或10 mL）的中型針筒附磨平的針頭，慢慢地吸取1.0 mL的碳酸氫鈉溶液。若針筒內含有氣泡，則持針頭朝上，用手指輕敲針筒促使氣泡移到上方，再排除氣泡。
5. 取一支50.0 mL的大型針筒，移動推拉桿到15.0 mL的刻度處，手持針筒使開口朝上。插入中型針筒的針頭到大型針筒的開口，注入1.0 mL的碳酸氫鈉溶液，如圖四左所示。然後，用小氣球套住大型針筒的開口處，作為密閉系統的封口之用。套住的小氣球的長度不宜過多，約1公分長度即可，轉折小氣球到針筒開口端的測邊，如圖四右所示。
圖四：碳酸氫鈉溶液（左）；套住小氣球在針筒的開口處（右）
6. 然後，插入小型針筒的針頭到大型針筒的開口內，快速地注入5.0 mL的食用醋，如圖五左所示。注入完畢，立即拔出針頭，並且用大拇指緊壓開口，形成一個密閉系統，如圖五右所示。
圖四：準備注入食用醋（左）；注入完畢用大拇指緊壓開口（右）
7. 搖動大型針筒，促使食用醋的醋酸與碳酸氫鈉反應，直到推拉桿不再移動，紀錄其刻度。
8. 排除大型針筒內的溶液，並用飲用水清洗乾淨。
9. 重複步驟3-8，碳酸氫鈉溶液的用量分別由1.0 mL改為2.0 mL、3.0 mL、4.0 mL、5.0 mL、6.0 mL、7.0 mL、8.0 mL、9.0 mL及10.0 mL，並分別記錄其最後刻度。
10. 產生二氧化碳的實際體積（
） = 產生氣體後的刻度體積（
） – 原先預留15.0 mL（
） – 注入碳酸氫鈉溶液的體積（Vsb） – 注入食用醋的5.0 mL（Vac） + 針筒內部在停留處的摩擦力所造成的體積差（Vfri）
n 結果與討論
(一) 評估針筒內部的摩擦力效應，如表一所示。
表一：評估針筒內部摩擦力所造成的體積差之實驗數據
圖五：針筒內部在各刻度處的摩擦力所造成的體積差
由圖五的趨勢線得知，針筒內壁與推拉桿之間摩擦力所造成的體積差，隨氣體體積的增加而增大，且呈線性關係。此摩擦力效應可以補償當氣體在針筒內部產生時因摩擦力引起的體積減少，例如：當二氧化碳氣體在針筒內部產生後，產生的二氧化碳氣體為24.0 mL，則此時要加上在24.0 mL處的補償體積1.9 mL，而得到實際體積為25.9 mL。
(二) 亞佛加厥定律的定量實驗的原始數據和數據處理，如表二所示。
碳酸氫鈉濃度（Csb）： 0.010 g/mL；碳酸氫鈉莫耳質量： 84.0 g/mol；溫度： 26.1 ℃
表二：亞佛加厥定律定量實驗的原始數據和數據處理
*產生二氧化碳的實際體積（
） = 產生氣體後的刻度體積（
） – 原先預留15.0 mL（
） + 注入碳酸氫鈉溶液的體積（Vsb） – 注入食用醋的5.0 mL（Vac） + 針筒內部在停留處的摩擦力所造成的體積差（Vfri）
圖五：二氧化碳毫莫耳數與其體積的關係
由圖五的趨勢線得知，產生的二氧化碳毫莫耳數與其體積呈現成正比關係，這關係符合亞佛加厥定律的定量描述。
圖六：二氧化碳體積乘以毫莫耳數對其毫莫耳數作圖
由圖六的趨勢線得知，由於趨勢線的斜率為0.039，趨近於0（編號1的VCO2 / nCO2為23 mL/mmol，比其他值的差異為大，因此刪除之），因此二氧化碳毫莫耳數乘以體積幾乎為固定值，這符合亞佛加厥定律的定量描述。由表一的VCO2 / nCO2和圖六的趨勢線得知，二氧化碳毫莫耳數乘以體積分別為24.8 mL（平均值）和24.9 mL（倒推值），此二值與氣體在常溫常壓下，24.5 mL/mmol或24.5 L/mol之值極為接近。
(三) 計算產生二氧化碳的實際體積（實驗值）和理論值，並計算誤差百分比。
二氧化碳的實際體積（
）（實驗值） = 產生氣體後的刻度體積（
） – 原先預留15.0 mL（
） – 注入碳酸氫鈉溶液的體積（Vsb） – 注入食用醋的5.0 mL（Vac） + 針筒內部在停留處的摩擦力所造成的體積差（Vfri）。
以編號3為例，產生二氧化碳的體積（實驗值） = 23.8 mL – 15.0 mL + 3.0 mL – 5.0 mL + 1.9 mL = 8.7 mL。
以編號3為例，利用理想氣體方程式
，計算產生二氧化碳的理論體積（理論值） = 1.0 atm 
= 
0.082 L·atm/K·mol 
V = 0.0088 L = 8.8 mL
比較產生二氧化碳體的理論值與實驗值，可得到本實驗的誤差百分比。
誤差百分比=
，這誤差百分比很小，可見此定量實驗是非常好的設計。
n 廢棄物處理和安全注意事項
l 本實驗使用的藥品小蘇打粉和食用醋均為家用食品，無毒性且無污染性，實驗完畢廢液可以倒入水槽，用自來水沖倒。
l 使用後的針筒和金屬針頭應該用清水清洗乾淨，並自然乾後妥善保存，回收再利用。若損壞不堪使用，則應該依照生化廢棄物規範集中處理，不可任意丟棄於一般垃圾桶中。
n 教學提示
l 上課時間：教師實驗解說：約10分鐘；學生組裝實驗裝置：約5分鐘；學生操作實驗與紀錄結果：約20分鐘；實驗裝置的整理與回收：約5分鐘；實驗數據的處理與討論：20分鐘。
l 本實驗可配合基礎化學（三）氣體定律單元實施，亦可提供107課程綱要（草案）中氣體的學習內容「CEc-Ⅴa-3理想氣體三大定律與理想氣體方程式」中實施，教師可以讓學生操作本實驗，讓他們從動手的過程學習亞佛加厥定律。
l 教師應該提醒學生使用針筒注入碳酸氫鈉溶液和食用醋時，必須特別小心，以免螫傷。
l 教師可以提醒學生或教導學生，透過化學計量，計算出本實驗使用的碳酸氫鈉溶液和食用醋，何者為限量試劑？何者為過量反應物？
l 建議此定量實驗的數據收集要多一點，若只有三或四個試驗，則實驗結果可能不甚理想。
l 學生計算產生二氧化碳的實際體積可能對於扣除體積或加上體積產生混淆，教師應該提醒學生強調如何計算二氧化碳的實際體積的觀念。
l 本實驗使用的化學藥品為無毒性且反應無危險性，可在一般教室中或在家中進行實驗。
n 比較傳統實驗和微量實驗
1. 在藥品用量方面：傳統的定性實驗需要大量的藥品，這些藥品具有危險性；本實驗使用的藥品均為家庭食品，無毒性和無危險性，且小蘇打粉只用1 g和食用醋的醋酸只用2.3 mL（50.0 mL × 4.5%），兩藥品的用量為微量。
2. 在器材大小方面：傳統的定性實使用寶特瓶和定量實驗使用塑膠瓶，相對來說器材較大；本實驗所需的器材為針筒，相對來說體積較小，易於攜帶且易於儲存。
3. 在經費使用方面：傳統的定性實驗需用的藥品種類較多且用量較大，花費也較多；本實驗需用的藥品為微量，因此花費較少。
4. 在實驗操作方面：傳統的定性實驗有危險性藥品，必須特別小心。相對而言本實驗操作較安全，惟使用針筒的針頭必須小心，避免螫傷。
5. 在時間花費方面：傳統的定性實驗步驟較少，可在短時間內完成實驗；雖然本實驗為定量實驗，裝置操作簡易，但是操作時間和數據處理需花較長時間。
n 結語
傳統的亞佛加厥定律定性實驗和定量使用較大的器材，並且藥品使用種類較多且具危險性。本定量實驗具有微量化學的特色，例如：使用微量的且無汙染的化學藥品（均為家庭食品，易於取得）、使用的器材不多且可回收再使用。無論氣體的毫莫耳數與其體積呈現成正比關係，或是二氧化碳毫莫耳數乘以體積的實際值與理想值極為接近，本實驗結果令人滿意。因此，本微量實驗設計可以適用於基礎化學（二）和新課綱的氣體為主題的教師教學和學生的學習。
n 參考資料
1. 氣球在密閉瓶中膨脹，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=14800。
2. Avogadro’s law, https://en.wikipedia.org/wiki/Avogadro’s_law.
3. Science Experiment Demonstrating Avogodro’s Law, https://www.youtube.com/watch?v=OwI9rjmxSL4.
4. Experiment 1: Gases, http://faculty.concordia.ca/bird/C206/labs/pdf/CHEM206_Expt1A_Avogadros_law.pdf.
n 學生實驗手冊
下載本微量實驗的學生實驗手冊—「亞佛加厥定律的微量實驗」。
微量化學實驗：製作五彩焰色試驗棒 ／ 賴亭伶、陳斾玎
星期二 , 28, 6 月 2016 本期專題, 第14期 / 2016年7月 在〈微量化學實驗：製作五彩焰色試驗棒 ／ 賴亭伶、陳斾玎〉中留言功能已關閉微量化學實驗：製作五彩焰色試驗棒
賴亭伶1, *、陳斾玎2
1國立中興高級中學
2國立花蓮女子高級中學
*[email protected]
n 前言
介紹高中基礎化學（一）第2章原子中電子的排列（依據102微調版課程綱要基礎化學（一）第2章原子中電子的排列；107新課程綱要高中化學必修內容）時，總是會提到能階與電子躍遷，並討論這個過程中不同元素會放出不同色的光，即為絢爛煙火的發光原理。單純口頭講解對學生而言依然抽象，本文想以仙女棒的概念出發，透過在線香上附著不同成分金屬鹽類，製造彩色焰色棒，讓學生可透過肉眼看到顏色，進而理解煙火的發光原理。
n 焰色的原理
原子中的電子會存在於原子核外不同能階，最穩定時的狀態稱為基態（ground state），當原子吸收能量後，其電子會被激發至更高能階，稱為激發態（excited state），此時的電子處於不穩定狀態，會以電磁波之形式釋放能量，最後回到基態，整個過程稱為電子躍遷（electronic transitions）。
透過儀器測量出電子躍遷的電磁波波長(或頻率)並依照大小順序排列，可以繪製出光譜，並以波長大小區分為紫外光譜、可見光譜、紅外光譜。當躍遷過程的波長處於可見光範圍時，就變成我們肉眼看到的顏色。不同原子（或離子）其原子核外能階間能量差不同，發生電子躍遷時放出的可見光顏色亦不同，因此可以藉此顏色判別所含有元素種類，即為焰色試驗（flame test），這也是煙火具有不同顏色火花的原理。
一般的焰色試驗會將待檢測樣品放在惰性金屬絲（例如金）上，以本生燈（藍色火焰）加熱，由於樣品中雜質常含有鈉元素（其焰色為黃色），會干擾觀察，因此焰色試驗會使用鈷藍色玻璃來過濾掉黃光，使樣品的焰色能清晰地呈現。
本實驗結合煙火的構想，從仙女棒出發，摻入不同鹽類或離子，製作可放出不同色光的五彩焰色試驗棒。為減低黃光的干擾，本實驗的部分照片會以藍色玻璃紙包覆相機鏡頭拍攝。
n 藥品與材料
1. 藥品：硝酸鉀（KNO3）、鎂粉（Mg powder）、氯酸鉀（KClO3）、氯化銅（CuCl2）、氯化鈉（NaCl）、氯化鍶（SrCl2）、硫酸銅（CuSO4）、氯化鋇（BaCl2）
2. 材料：線香、糯米漿糊
3. 器材：刮勺、硏缽、攪拌棒、手套、打火機
n 設計構想
參考市面上仙女棒中含有的成分（硝酸鉀、氯酸鉀、硝酸鋇、鎂粉、鐵粉、鋁粉、碳粉），我們想設計出簡易且微量的彩色仙女棒。經過測試，發現除了主要燃料硝酸鉀和氯酸鉀外，金屬粉末鎂粉、鋁粉及鐵粉，燃燒時可以產生火花和白光等效果，由於本實驗不需火花效果，且鋁粉和鐵粉燃燒緩慢，對彩色仙女棒燃燒幫助不大，因此將兩粉末刪除；雖然鎂粉可以幫助燃燒，但是劇烈的白光會干擾焰色的呈現，因此在本實驗中刪減鎂的用量。而一般仙女棒還會添加硝酸鋇、碳粉，由於此兩項成分燃燒時放出綠色和橘光亦會干擾焰色觀察，因此予以刪除。
在使粉末附著的黏著劑採用糯米糨糊，乃因其燃燒時不會如一般膠水產生難聞氣味，且較一般黏著劑使用澱粉加水配置來得方便許多。
n 製作過程
經過實驗測試，我們以硝酸鉀、氯酸鉀、鎂粉三種成份（取用的重量比為25：12：3）配製出作為焰色試驗棒燃燒基底之混合物質（底下簡稱為基底），並且呈現焰色的鹽類與此基底，以重量比1：1混合。表一為各種焰色燃燒物含有之成分整理，表一內的藥品量約可製作3~5枝五彩焰色試驗棒。
表一：焰色試驗棒的成分含量比例
|
焰色╱成分 |
黃 |
青綠 |
紅 |
藍綠 |
綠 |
|
含有成份 |
氯化鈉4克 |
氯化銅4克 |
氯化鍶4克 |
硫酸銅4克 |
氯化鋇4克 |
|
基底重量 |
硝酸鉀2.5克、氯酸鉀1.2克、鎂粉0.3克（總重4克） |
||||
微量的五彩焰色試驗棒的製作步驟如下：
1. 基底部分：秤量基底的藥品並均勻混合，如圖一所示。（注意：混合成分含有硝酸鉀，故製作步驟中所有混合過程盡量以攪拌代替研磨）
圖一：基底的藥品(從左至右分別為硝酸鉀、氯酸鉀及鎂粉，硏缽內為三者粉末混合)
2. 摻入各種焰色之成分：準備五杯不同的焰色鹽類粉末4克，並與4克的基底混合（見圖二），小心將各杯拌勻。
圖二：五種不同成份焰色粉末與基底
3. 目測線香將長度大致分為五個等分，每次只用糯米糨糊塗在一等分的線香上。輕灑第一成份（如氯化鈉）的粉末使其附著於線香上，稍微用刮勺壓實粉末，如圖三所示。本實驗可以使用一般長度線香，亦可選用市售較短、較小之線香，減少藥品用量。
圖三：粉末用糯米糨糊塗抹在線香上
4. 重複步驟3，繼續均勻地塗抹其他四種焰色粉末在其他四等分線香上。（注意：在塗抹過程中，兩成份間不可留有空隙，以免燃燒不連續。）
5. 放置塗抹完成之焰色試驗棒，小心擺放使其乾燥。乾燥後的五彩焰色試驗棒成品，如圖四所示。
圖四：五彩焰色試驗棒成品
6. 用打火機點燃焰色試驗棒，觀察其焰色。若焰色與理論不一致，則用藍色玻璃紙貼在眼鏡的鏡片上，隔著一層濾光紙，再觀察其焰色；或用藍色玻璃紙包覆相機的鏡頭，再拍攝其焰色，如圖五所示。
圖五：用藍色玻璃紙包覆相機的鏡頭拍攝焰色
n 結果與討論
等待焰色試驗棒完全乾燥後，在暗室中用打火機點燃。由於氯化銅、硫酸銅及氯化鍶的焰色不如預期，這三者的焰色都受到干擾，因此使用藍色玻璃紙作為濾光工具觀察。五彩焰色試驗棒的焰色如圖六所示。
圖六：五彩焰色試驗棒的焰色（由上而下，由左而右）：黃色（含氯化鈉）、紅色（含氯化鍶）、青綠色（含氯化銅）、藍綠色（含硫酸銅）、綠色（含氯化鋇），其中後三者（氯化銅、硫酸銅及氯化鋇）以藍色玻璃紙包覆相機鏡頭拍攝到的焰色。
一般試驗拍到或看到硫酸銅的焰色為藍綠色，這可能是硫酸銅的成分不純含有鈉離子，以致拍到或看到為藍綠色的焰色。本實驗使用藍色玻璃紙作為濾光工具，拍到為純藍色，而不是藍綠色，這可能是鈉離子的黃光被藍色玻璃紙吸收，而拍攝到為純藍色的焰色。
n 廢棄物處理和安全注意事項
l 因為實驗藥品中含有硝酸鉀粉末，有燃燒之危險，所以實驗過程中如需將藥品混合，則盡量以攪拌代替研磨。
l 為防止吸入粉末狀藥品，製作過程應全程配戴口罩。
l 完成之焰色試驗棒成品要以自然方式風乾、曬乾，使糨糊乾燥後才可點火燃燒，避免焰色試驗棒中含有水分造成燃燒不易。
l 為防止火花危險，點燃焰色試驗棒時，應戴麻布手套。
n 焰色試驗棒之特點
l 準備器材簡單，操作容易。
l 藥品只需少量，即可做出多支仙女棒。
l 用線香取代金屬支架可減少燃燒後金屬的殘留，減少環境污染。
l 仙女棒輕便又方便攜帶，可在實驗室內、教室內或戶外操作。
l 點燃仙女棒時會發出不同的焰色，可加深學生對於不同物質進行電子躍遷放出不同顏色可見光之概念。
n 教學提示
l 上課時間：教師展示實驗：約5分鐘；學生觀察與討論結果：約10分鐘；實驗解說與概念統整：約15分鐘；電子排列觀念延伸講解：約20分鐘。
l 本實驗可配合基礎化學（一）第2章原子中電子的排列單元實施。本實驗亦可提供107課程綱要（草案）中的學習內容「CAa-Ⅴc-3元素依原子序大小順序，有規律的排列在週期表上」，教師可以演示本實驗說明。
l 本實驗可配合教師講解能階的概念後實施，透過學生討論加深對能階與能量不連續等抽象概念之理解，並引導其思考電子排列的觀念。
l 此實驗由於藥品種類較多、操作偏重複，且完成之焰色棒需要放置於通風處一段時間使其完全乾燥才可點燃，因使適合作為課堂演示而非學生操作。若要讓學生動手製作，應於實驗室中進行，且應該穿實驗衣並做好適當防護措施。
n 結語
化學是一門探究物質的實驗科學，而化學實驗在化學學習中相當重要，藉由簡易的生活化實驗活動能有效增進學生學習動力。目前實驗課在高中實施的情形並不理想，其主要原因不外乎課堂時間不夠、實驗設備不足、課程繁重、升學的壓力等因素。因此，縮短實驗所需時間、節省藥品消耗、給學生親自動手做實驗的機會，引起學生學習興趣並增進對化學原理、現象之了解，進而提高學生學習化學之動機與對科學之興趣。
期望透過本實驗簡單動手製作簡易的仙女棒，並與日常生活現象做連結，讓學生實際印證課堂學習到的知識，進而讓新舊知識產生連結以增進其對科學的興趣。
n 學生實驗手冊
下載本微量實驗的學生實驗手冊—「製作五彩焰色試驗棒」。