臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan微量化學實驗：鋁熱反應的微量示範實驗
林聖揚、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—鋁熱反應，涉及氧化還原反應以及吸熱和放熱。有關氧化還原反應，在102課程綱要微調中被編列於高中基礎化學（二）的「氧化還原反應」應修內容和高中選修化學的「氧化還原反應」主題；在107課程綱要中編列於高中必修化學中的「物質的反應、平衡與製造」主題之「氧化與還原反應」次主題；並編列於國中化學科的「氧化與還原反應」次主題。有關吸熱和放熱，102課程綱要微調被編列在高中基礎化學（一）的「化學反應中的能量變化」應修內容；在107課程綱要中編列於高中必修化學的「能量的形態與轉換」次主題。
雖然鋁熱反應的聲光效果引起很多人的興趣，但是這實驗具危險性，無法讓學生動手操作，必須由專業教師來演示。我們企圖開發以微量實驗的設計來演示鋁熱反應。我們的構想是用最少量的鋁熱劑又能發揮鋁熱反應的效果為設計目標，我們規劃本示範實驗的教學以POE (Prediction – Observation – Explanation) 為教學策略。
n 過去的實驗與本次微量的構想
一、過去的實驗設計
傳統上，由於鋁熱反應是非常激烈的反應，產生極高的溫度，以致相當危險。在反應過程中釋放熔融鐵能夠噴出相當遠的距離，而且高溫可能融化金屬容器。通常，需要專業的教師或表演者演示（見圖一），不適合用於學生動手操作實驗。[1]
圖一：鋁熱反應是非常激烈的反應，通常由教師在室外演示
（圖片來源：Thermite, https://en.wikipedia.org/wiki/Thermite.）
示範教學需要讓學生感到直覺衝突的視覺現果，通常需要使用大型的器材而且大量的用藥。經過搜尋，目前已有很多鋁熱反應的示範教學資源，在此列出四種不同的配方及其用量：(1)50-55克的氧化鐵、15克的鋁粉、20-25g的高錳酸鉀以及5–6 mL的甘油（丙三醇）[2]；(2)50 g的細粉狀氧化鐵、15 g的鋁粉、20 g的高錳酸鉀以及數毫升的甘油[3]；(3)40 g的氧化鐵、10 g的鋁、20 g的高錳酸鉀、一小勺的過氧化鈉以及一片鎂帶[4]；(4)9 g的氧化鐵（乾燥）、3 g的鋁粉、一支10公分以上的仙女棒[5]，此為所有教學資源中使用最少量的配方。鋁熱反應會產生相當大的煙霧和火花，必須在戶外通風處或在有特殊裝備的室內表演。
二、本次實驗的設計構想
我們企圖開發使用最少的藥品又不會製造過多煙霧的鋁熱反應，可以在教室中創造歧異事件（discrepant event），讓學生和觀眾可感受到視覺的震撼效果。我們測試一些變因：使用砂浴和鋁盤、大小不同空鋁罐、鋁熱劑（氧化鐵和鋁）配方的使用量、鋁熱劑配方比例的調整、鋁熱劑的點燃方式等。適合於教室中演示的最佳鋁熱劑配方和裝置如下描述。
n 觀賞影片
本實驗由國立彰化師範大學化學系學生林聖揚和顧展兆試作實驗、拍攝影片以及影片後製作，影片如影片一所示。
影片一：鋁熱反應的微量示範實驗 Microscale Demonstration of the Thermite Reaction
（影片網址：https://www.youtube.com/watch?v=LVZKYezxxZM）
n 藥品和器材
空鋁罐（先用磨砂紙去除外層漆） 1個、氧化鐵（Ferric oxide, iron(III) oxide, Fe2O3） 2.5 g、鋁粉（Alumina powder） 1 g、氯酸鉀（Potassium chlorate, KClO3） 1小匙、鎂帶（Magnesium ribbon） 5-8 cm、剪刀 1支、研缽 1組、微量藥匙 1支、天平 1台、秤量紙 2張、打火機 1個、釹鐵硼強力磁鐵 1個，如圖一所示。
圖一：鋁熱反應所需器材和藥品
n 事前準備
1. 秤取1.0 g的鋁粉和2.5 g的氧化鐵粉末，放入研缽中，混合均勻，如圖二所示。
圖二：鋁粉（左）和氧化鐵粉末（右）
2. 取1條5-8 cm長的鎂帶，用剪刀剪成三支分叉，上端彎曲成傘狀，下端彎曲成L型，如圖三所示。
圖三：鎂帶剪成三支分叉（左）和鎂帶做處理（右）
3. 用微量藥匙，撥入均勻混合的兩粉末到一個倒置的鋁罐底部凹槽內。如圖四所示。
圖四：混合粉末放入鋁罐凹槽內
4. 插入處理過的鎂帶在鋁罐凹槽內；並在鎂帶周圍加入1小匙的氯酸鉀，如圖五所示；完成鋁熱反應裝置。
圖五：鎂帶放在鋁罐凹槽內（左）；在鎂帶周圍加入氯酸鉀（右）
n 正式示範
1. 攜帶事前準備的鋁熱反應裝置和太陽眼鏡到教室或表演場所，放置在桌上，如圖六所示。
圖六：鋁熱反應裝置放置在桌上
2. 告訴學生或觀眾鋁罐凹槽內放置的化學藥品及其如何事先準備，亦可請學生觀看（預測階段）。
3. 請學生或觀眾預測點燃鋁熱劑會發生什麼變化及說明可能的原因，並填寫在學習單上（預測階段）。
4. 等學生或觀眾填寫完畢，請學生遠離示範位置約3公尺以上。
5. 教師戴上太陽眼鏡，用打火機點燃鎂帶，如圖七所示；並請學生或觀眾觀察變化現象（觀察階段）。
圖七：打火機點燃鎂帶
6. 請學生或觀眾仔細觀察鋁罐底部凹槽的產物（觀察階段）。
7. 教師用一塊強力磁鐵，吸引何種產物可被吸引（觀察階段）。
8. 請學生或觀眾填寫變化現象在學習單上（觀察階段）。
9. 請學生或觀眾在個人的學習單上撰寫變化現象的理由（解釋階段）。
10. 學生互相討論變化現象背後的化學原理，並在學習單上修改或補充解釋（解釋階段）。
11. 教師總結鋁熱反應的化學原理，在學習單上學生修改或補充解釋（解釋階段）。
12. 教師與學生互相討論或教師提出鋁熱反應的相關應用，並請學生填寫在學習單上。
n 變化過程及現象
混合鋁熱劑（氧化鐵粉末與鋁粉）後，透過鎂帶的點燃和添加少量的助燃物（氯酸鉀）幫助啟動反應，反應的過程中發生劇烈的火花與聲響，最後看到炙熱的鐵，待其冷卻後利用強力磁鐵吸引驗證其產物是否為鐵，其詳細變化過程如下描述。
一、 發生白色強光過程
點燃鎂帶後，剛開始產生小點的白色強光，繼續燃燒白光越來越強，而且白色煙霧越來越多，如圖八所示。
圖八：開始點燃鎂帶（左）；白光越來越強，白色煙霧越來越多（由左而右）
二、 瞬間激烈反應過程
接著，瞬間引起激烈反應，產生強大的火焰，非常壯觀；然後瞬間火焰變小，如圖九所示。
圖九：瞬間引起強大的火焰（左）；然後瞬間變小（右）
三、 衝出金黃色火花過程
然後，產生一叢金黃色的火花並有嘶嘶叫的聲音，火光瞬間大量往上衝出並有很多黃色的光點掉落在桌面上。最後，金黃色的火花變小，掉落在桌面上的光點也逐漸熄滅。其過程如圖十所示。
圖十：一叢金黃色的火花（左）；金黃色的火花變小（由左而右）
四、 反應後檢驗
1. 燃燒熄滅後，鋁罐凹槽出現很多的白色粉末和黑色的小塊狀，如圖十一所示。
圖十一：燃燒熄滅後，產物的外觀
2. 用強力磁鐵可吸起一些小鐵塊，而且可吸起平放在桌面上的鋁罐，其吸力可以使平躺的鋁罐直立，如圖十二所示。
圖十二：強力磁鐵可吸起小鐵塊（左）；磁鐵可以使平躺的鋁罐直立（由中而右）
n 廢棄物處理
l 產物無毒性，粉末先用大量的流水沖掉，固體物可丟棄到回收金屬的垃圾桶中。
n 化學原理與概念
依照鋁熱劑發生反應的四階段過程，涉及的化學原理與概念分別說明如下：
一、 發生白色強光過程—鎂帶燃燒過程
金屬鎂是活潑金屬，易與空氣的氧氣反應，燃燒的溫度約3100℃（3370K）。鎂帶的自燃溫度是473℃（746K），鎂帶燃燒需要點火才能達到反應的活化能，在低溫的潮濕環境中鎂的氧化活化能接近60 kJ/mol，在氧氣中鎂的氧化活化能為148 kJ/mol。[6] 燃燒時產生強烈的且明亮的白光，其用途包括閃光攝影、照明及煙火。金屬鎂燃燒，產生強烈的白光和放出熱量，並產生白色的氧化鎂，其反應如式[1]所示。[6-8]
2Mg(s) + O2(g) → MgO(s) △H = –1204 kJ/mol [1]
二、 瞬間激烈反應過程—氯酸鉀分解過程
藉由鎂帶燃燒所放出的熱量，使氯酸鉀加熱而發生分解反應，產生氧氣和氯化鉀，其反應如式[2]所示。此處氧氣的功能有二：幫助鎂帶繼續燃燒；引燃鋁熱劑。在無催化劑存在下，加熱氯酸鉀會變成過氯酸鉀（potassium perchlorate），其反應如式[3]所示。隨著進一步加熱，過氯酸鉀會分解為氯化鉀和氧氣，其反應如式[4]所示。
KClO3(s) + heat → KCl(s) + 3/2O2(g) [2]
4KClO3(s) + heat → 3KClO4(s) + KCl(s) [3]
KClO4 + heat → KCl + 2O2 [4]
再者，藉由鎂帶燃燒放出的熱量，提供氯酸鉀和過氯酸鉀與鎂的反應，並且放出大量的熱，其反應分別如式[5, 6]所示。[9] 這些反應是煙火、仙女棒及沖天炮等含有火藥成分的激烈反應。通常含有鋁粉和鋁鎂合金粉的閃光粉，鋁粉和鎂粉在過氯酸鉀中燃燒會產生劇烈的白色強光，並造成白色火花的效果。
KClO3(s) + 3Mg(s) → KCl(s) + 3MgO(s) + light [5]
KClO4(s) + 4Mg(s) → KCl(s) + 4MgO(s) + light [6]
三、 衝出金黃色火花過程—鋁熱反應過程
當鎂帶迅速燃燒時以及氯酸鉀和過氯酸鉀與鎂反應時，所產生大量的熱能夠促使鋁熱劑（鋁粉和氧化鐵）迅速產生非常激烈的氧化還原反應，有如爆炸般的反應，並且放出大量的熱，其反應如式[7]所示。[10] 此外，有研究提到：由於鋁熱劑含有過量的鋁，因此鋁粉和與產物鐵熔融而形成鋁鐵合金（Fe3Al）和氧化鋁，其反應如式[8]所示。[11] 對於8Al-3Fe2O3的反應，其反應活化能為145 kJ/mol。[11]
Fe2O3(s) + 2Al(s) → 2Fe(s) + Al2O3(s) H = –847.6 kJ [7]
3Fe2O3(s) + 8Al(s) → 2Fe3Al(s) + 3Al2O3(s) [8]
鋁熱反應本身為放熱反應，生成2莫耳鐵的ΔH° = –849 kJ/mol，這反應產生的溫度可達到約2200℃，足以使熔點為1530℃的鐵發生熔融，以致可觀察到火紅的鐵。[12]
四、 反應後檢驗—產生金屬鐵
鋁熱反應的產物之一為金屬鐵，可用磁鐵的吸引來判斷是否產物為鐵。金屬鐵有順磁性（paramagnetism），可被磁鐵吸引。順磁性是指一種物質的磁性狀態，有些物體當受到外部磁場的影響而產生指向相反的磁化向量的特性，這樣的物質具有正的磁化率。與順磁性相反的現象被稱為抗磁性，不會被磁鐵吸引。[13-15]
簡單地說，原子外圍的電子之量子數分成四種：主量子數、角量子數、磁量子數及旋量子數。順磁性主要依據旋量子數，每一個軌域都可以填滿兩個旋量子數不同的電子（+1/2和-1/2），以鐵為例，鐵的電子組態如圖十三所示：
圖十三：鐵的電子組態
依照洪德定則（Hund’s rule），金屬鐵的3d有五個軌域，只有六個電子，其中一個軌域填滿兩個電子，其他四個軌域中有四個未成對電子（unpaired electrons），因此可以推知金屬鐵是順磁性的物質，如圖十四所示。[13-15]
圖十四：金屬鐵的3d軌域中有四個軌域填未成對電子
（圖片來源：http://goo.gl/GJjkIy）
在1893年，德國化學家Hans Goldschmidt發現鋁熱法，最初的目的是在於不用碳的條件下製備出高純度的金屬，Goldschmidt發現的鋁熱法亦可用來焊接，在1899年成功應用該方法於焊接鐵軌上。[1]
鋁熱法最常見的組合物是鐵鋁熱劑。通常使用的氧化劑為氧化鐵（iron(III) oxide）或氧化鐵與氧化亞鐵混合（iron(II,III) oxide），前者會產生更多的熱量，後者是更容易點燃，這可能是由於氧化物的晶體結構不同所致。鋁熱反應有許多用途，鋁熱劑不是炸藥。鋁熱反應以極高的溫度下使用在非常小的區塊上，可用於切割金屬或焊接金屬，而無需複雜或重型的設備。鋁熱反應用於純化礦石的某些金屬，此被稱為鋁熱劑處理，或鋁熱反應（aluminothermic reaction）。此反應的修改，可用來獲得純鈾。鋁熱反應的溫度極高，亦用於製作燃燒彈，可熔穿裝甲。銅鋁熱劑（氧化劑為氧化亞銅或氧化銅）用於電氣連接，焊接厚銅使導線接在一起，廣泛用於電力事業和通訊工業。[1]
n 示範教學原理
化學反應千變萬化，聲光色俱全而且多彩多姿。化學示範（Chemical demonstrations）是透過驚奇有趣的化學實驗來展示化學的奧妙和魅力，在教學中常創造歧異事件（discrepant event）以互動方式來引起學生對化學的興趣，進而促進學生對化學知識的理解。因此，化學示範強調娛樂性和教育性，它是一種非常有勁道的教學策略。鋁熱反應的過程中瞬間產生激烈的火花和尖銳的聲響，教師很容易用此示範實驗來創造歧異事件。
藉由引人注意的示範實驗和歧異事件，教師創造教學方法去「鉤住」學生的學習。歧異事件使學生產生興趣和好奇心而去探究有關特別的現象。[16] 歧異事件創造認知失調（cognitive dissonance），或皮亞傑所說的失衡（disequilibrium），因為如此事件的觀察不真正地同化學生既有的理解。歧異事件的觀察與學生先前經驗是直覺相反的，使得學生迅速地產生疑問。教師可以透過鋁熱反應的示範教學，讓學生的認知失衡，感到驚訝而後產生疑問和好奇，對鋁熱反應感到興趣，進而學習氧化還原反應以及放熱和吸熱。
化學教師要在什麼時機揭露歧異事件所涉及的「化學概念和原理」給學生或觀眾呢？研究指出「對學習者展示的直覺冒犯事件必須在如此的方式，在該事件下的科學原理不立刻地被揭露。」[16] 本示範實驗的規劃採用POE教學策略，以符合科學原理不立刻地被揭露。POE是Prediction（預測） – Observation（觀察） – Explanation（解釋）」的簡稱，由White and Gunstone 在1992年提出，作為一種有效的教學策略引發學生的想法，並促進學生對於他們想法的討論。該教學序列最初源於Champagne, Klopfer及Anderson於1980年所發展之DOE（Demonstration – Observation – Explanation）的研究工具。[17]
在進行POE教學之前，教師事先建立一個能夠使學生驚訝，且易於觀察主題的示範實驗，並在示範前告知學生等下你要準備做什麼事，其教學流程：(一)預測：要求學生獨立地寫出實驗即將發生什麼的預測；要求學生思考他們將看到什麼並思考說明可能的原因。（二）觀察：教師演示示範實驗；讓學生有足夠的時間觀察現象；要求學生寫下觀察到的變化現象。（三）解釋：要求學生對於觀察的現象做出修改或補充解釋；當學生於講義上撰寫好解釋後，一起討論他們的想法。[18]
n 教學提示
l 上課時間安排：POE教學說明，約5分鐘；示範實驗，約5分鐘；學生撰寫POE和討論，約15分鐘；教師總結，約10分鐘。
l 本實驗可配合國中自然與生活科技的「氧化與還原」學習內容、高中基礎化學和高中選修化學的「氧化還原反應」和「放熱和吸熱」學習內容進行此示範教學。
l 針對此示範實驗，教師應注意安全，雖然反應物的使用量很少，但是依然會產生火光和高溫。鎂帶燃燒會放出刺眼白光（有紫外光），必須戴使用太陽眼鏡。
l 雖然本實驗藥品取用少量，但是在操作時，必須在通風良好的教室中演示，並配戴標準的實驗安全配備，並與學生保持一定的安全距離。由於反應更激烈，以致危險性更高，不建議在教室中演示，宜在戶外進行。
l 本實驗使用的空鋁罐可用丟棄的鋁罐，節省實驗成本。藥品用量相當少，可以避免浪費藥品。
l 若鋁熱反應的反應物（鋁和氧化鐵）增加一倍的使用量，反應變化會更戲劇性，整個鋁罐底部會被熔化掉，整塊火紅的熔化鐵會掉到鋁罐的內部。
n 結語
經測試結果，在藥品用量方面，2.5 g的氧化鐵和1 g的鋁粉即可作為具有聲光效果的鋁熱反應之示範實驗，比傳統上使用50 g的氧化鐵和15 g的鋁粉，節省約20倍的用量。雖然用量變少很多，但是此鋁熱反應所產生的聲光效果依然明顯，教師可以藉此示範實驗創造歧異事件。
本文的鋁熱反應過程以圖文並茂方式分四階段詳密描述，在變化現象方面：(1)瞬間激烈反應過程、(2)瞬間激烈反應過程、(3)衝出金黃色火花過程、以及(4)反應後檢驗。在化學原理和概念方面：(1)發生白色強光過程—鎂帶燃燒過程、(2)瞬間激烈反應過程—氯酸鉀分解過程、(3)衝出金黃色火花過程—鋁熱反應過程、以及(4)反應後檢驗—產生金屬鐵。此外，在示範教學方面，概括地描述示範教學的原理：歧異事件和POE的教學策略。這些資料可提供教師演示此鋁熱反應的教學參考。
n 參考文獻
1. Thermite, https://en.wikipedia.org/wiki/Thermite.
2. Thermite Reaction, http://cldfacility.rutgers.edu/content/thermite-reaction.
3. The Thermite Reaction, he General Chemistry Demo Lab, http://www.ilpi.com/genchem/demo/thermite/.
4. Thermite Reaction, https://ncsu.edu/project/chemistrydemos/Thermochem/Thermite.pdf.
5. The thermite reaction, Royal Society of Chemistry, http://goo.gl/xKXpbj.
6. Oxidation of Magnesium: Implication for Aging and Ignition, Hongqi Nie, Mirko Schoenitz, and Edward L. Dreizin, J. Phys. Chem. C, 2016, 120 (2), pp 974–983. http://goo.gl/MLdklx.
7. Magnesium, Wikipedia,https://en.wikipedia.org/wiki/Magnesium.
8. Chapter 5. Thermochemistry, http://web.gccaz.edu/~ldiebolt/Chm151/ch5an.pdf.
9. Potassium chlorate, https://en.wikipedia.org/wiki/Potassium_chlorate.
10. The Thermite Reaction, http://www.ilpi.com/genchem/demo/thermite/.
11. Kinetics of thermite reaction in Al-Fe2O3 system, Run-Hua Fan, Hong-Liang Lü, Kang-Ning Sun, Wan-Xia Wang, and Xin-Bing Yi, Thermochimica Acta., 2006, 440 (2), 129–131. 440 (2006) 129–131, http://goo.gl/IiriIu.
12. Smashing Thermit Reaction, Flinn Scientific, Inc., http://goo.gl/w5D5LV.
13. 化學示範實驗：紙鈔含鐵嗎？（Is There Iron in Paper Dollar Bills?）﹝II﹞，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=33760。
14. Paramagnetic Properties of Fe, Fe2+ and Fe3+, http://chemed.chem.purdue.edu/demos/demosheets/6.3.html.
15. Paramagetism, http://en.wikipedia.org/wiki/Paramagnetism.
16. Eugene L. Chiappetta and Thomas R. Koballa, Jr.;Science Instruction in the Middle and Secondary Schools, 8th Ed., 2014, Pearson, Upper Saddle River, N.J.
17. 楊凱梯、王子華、邱美虹。應用數位影音融入POE教學改善國小高年級學童脊椎動物分類另有概念之效益研究。科學教育學刊。2009, 17(5), 387-407.
18. Predict, Observe, Explain (POE), Chris Joyce, http://arbs.nzcer.org.nz/strategies/poe.php.
n 學生實驗手冊
下載本微量實驗的學生POE學習單—「鋁熱反應的微量示範實驗」。
自製安全酒精燈
林宣安
臺中市立長億高級中學國中部
[email protected]
n 前言
在國中和高中的自然科學實驗室中，酒精燈是不可缺少的設備之一。然而，酒精燈的使用確實隱藏著潛在的危險與不便，不僅不易在加熱過程中調整火的大小，而且不小心打翻使得酒精溢出著火是讓人最害怕之處。在課堂上教師會教導學生處理方式（見附註），若不幸發生酒精溢出，不僅學生會緊張，而且教師也可能頓時手足無措。在某些經費較充裕的高中或大學實驗室，通常改用本生燈，甚至直接使用電磁加熱攪拌器（加熱板，或使用加熱包），加熱板的單價不低，加上若全班6~10個加熱板同時啟動，跳電的機會很高，校方還得再重新調整電路，才能負擔如此大功率的電器設備。
因此，有廠商已經開發所謂的安全酒精燈，相對於加熱板或本生燈的確方便和安全許多，雖然這類的安全酒精燈還是無法調整加熱的火量，但是在國中經費有限的情況之下也是一個可行的替代方案。筆者長期在實驗室的教學過程中這樣的困擾，因此重新設計一個可調整火力大小的安全酒精燈，而且幾乎完全不用錢喔！
n 所需器材
鐵製小盒（如喉糖盒或糖果盒） 二盒、衛生紙（鋪滿鐵盒） 數張、電鑽 一支、螺絲（長度要能鎖住鐵盒） 一根、藥用酒精 約25 mL、鋁箔膠帶 一捲、小馬達支架 2個
n 製作方法
1. 準備兩個相同大小的鐵盒。取得第一個鐵盒的上蓋，如圖1左圖之右邊所示，利用電鑽，每間隔約1公分鑽出透氣孔，如圖1右圖所示。
圖1：第一個鐵盒的上蓋（左之右方）；在上蓋處鑽出透氣孔（右）
2. 取得第二個鐵盒的下盒，如圖2左圖之左邊所示。先合併第一個和第二個鐵盒的下盒底部，然後利用鋁箔膠帶，固定兩盒在一起，如圖2之右圖所示。〔固定是為了架高上方的鐵盒，也可以方便在使用時移動酒精燈不會燙傷。〕
圖2：第二個鐵盒的下盒（左之左方）；固定兩個鐵盒的下盒在一起
3. 在第一個鐵盒和第二個鐵盒的底座，鑽出一個與上蓋透氣孔相對的鎖孔，如圖3所示。
圖3：在一個鐵盒和第二個鐵盒的底部鑽出一個鎖孔
4. 利用螺絲，牢牢地鎖緊兩個鐵盒，如圖4所示。鎖緊鐵盒不僅可以避免不小心打翻時吸滿酒精的衛生紙掉出來，而且鐵盒鎖緊也能避免蒸散出來的酒精蒸氣使鐵盒衝開。
圖4：利用螺絲固定住上蓋（左）；底部鎖上螺絲的情況（右）
5. 利用鐵剪，減掉第二個鐵盒上蓋的部分外緣，以便鐵蓋蓋在鑽好透氣孔的上盒，如圖5所示。
圖5：減掉第二個鐵盒上蓋的部分外緣
6. 利用鐵剪，裁剪這個上蓋的中央成為大小相同的兩半，當作調整火力大小的擋板，如圖6所示。在擋板上固定一個把手（筆者是利用小馬達支架，讀者也可以直接利用鐵絲作成合適的形狀），方便拿取且不易燙傷，如圖6所示。
圖6：第二個鐵盒上蓋的中央處剪成兩半並加上把手
7. 利用擋板的關閉程度，可調整透氣孔的數量而改變火力大小，如圖7所示。
圖7：擋板全關，完全沒有透氣孔（上）；擋板開三分之一，火力較小（上）
擋板開一半，火力中等（下）；擋板全開，火力較大（下）
8. 在第一個鐵盒的內部，塞滿衛生紙，以便吸收藥用酒精，如圖8所示。
圖8：利用衛生紙吸收藥用酒精
n 使用過程
1. 在自製酒精燈的衛生紙上，加入適量的藥用酒精，注意不可加過量而使得酒精溢出。
2. 取一小張衛生紙（長約10公分，寬約1.5公分），一端旋轉成為細長狀當作燈芯，另一端在中央處撕開成為兩半。細長狀的一端穿出透氣孔，如圖9之左所示；另一端的衛生紙在鐵盒內部呈現張開狀，以便吸收酒精，如圖9之右所示。
圖9：利用衛生紙當燈芯（左）；張開內部的衛生紙，方便吸收酒精（右）
3. 利用螺絲，鎖緊此安全酒精燈的裝置，然後點燃燈芯。
4. 等待一段時間，當外蓋升高溫度使內部的酒精蒸發，或稍微左右搖動酒精燈座使外蓋快速升高溫度，如此可使酒精燈的火力快速增大。
5. 調整擋板的開關程度，可調整加熱的火力大小，擋板的開啟孔數越多，火力越大，如圖10所示。
圖10：擋板開小，火力小（左）；擋板開大，火力大（中）；擋板全開，火力很大（右）
6. 若要熄滅酒精燈，則可直接利用濕抹布蓋上。
n 安全宣告
l 本安全酒精燈內部的藥用酒精被衛生紙吸附，不會因打翻酒精燈而溢出酒精釀成火災（見圖11）。雖然本酒精燈安全性極高，但是畢竟還是有明火與高溫，因此強烈建議務必在有師長指導的情況下才能使用，中小學學生不宜獨自製作與操作。
圖11：本安全酒精燈內部的酒精被衛生紙吸附，不易打翻而溢出酒精
l 本安全酒精燈使用過後不久溫度仍然很高，千萬不可直接碰觸上蓋的氣孔。最好以濕抹布蓋上降溫後再收拾存放，這樣也可避免內部未用完的酒精快速蒸發。
l 由於事先利用一個鐵盒，墊在發熱的鐵盒的下方，因此本酒精燈的熱量不容易傳導到桌面。若需移動，只要手持下方鐵盒處，不會燙傷皮膚，安全性高。
l 由於利用衛生紙吸附藥用酒精，因此只要確認在加入酒精時沒有多餘的酒精溢出（全部被衛生吸收），就不會因鐵盒傾倒而從透氣孔或鎖孔溢出酒精。
n 測試結果
本自製安全酒精燈係利用一些日常生活的廢棄物製作而成，雖然礙於填充酒精的體積（約可填充25公克的藥用酒精），而且使用的時間沒有一般酒精燈長，但是熱效率卻提高許多。依照筆者的測試，同樣加熱100毫升的水（見圖12），一般酒精燈加熱30分鐘仍然未沸騰（燒杯內的水已蒸發約30~40毫升），而自製安全酒精燈在火力全開的情況下約5分半就已沸騰。若以最小火力供應，也可以使用約140分鐘。
圖12：和一般酒精燈的加熱效率比較
n 結語
透過利用一些日常生活的廢棄物，設計自製安全酒精燈，作者期望這樣的改良式安全酒精燈能夠讓中小學的自然科學實驗更順利更安全。作者更期望化學教育工作者致力開發更便利更安全的理化實驗裝置，使現場教學的教師更樂於進入實驗室，使學生更喜歡上實驗課。
n 附註
不慎打翻酒精燈，千萬不能緊張，也不要用水直接澆熄。若溢出酒精不多，則可能不會造成災害；若溢出酒精太多，則潑水反而使藥用酒精燃燒的範圍擴大。最好的處理方式是利用濕抹布覆蓋在燃燒處，就能迅速地控制住火勢。
創意微型實驗—微型濾紙色層分析
方金祥
創意微型科學工作室
[email protected]
將顏色之三原色紅、黃、藍等三種顏色依照不同比例混合在一起時即可呈現出各種顏色來，市售彩色筆的顏色之多也是如此，如要將已混合在一起的彩色筆的顏色分開來，進而了解是由哪幾種顏色混合起來的，有些是可猜出來的，譬如橘色是由紅色和黃色混合而成的，綠色是由黃色和藍色混合而成的，紫色是由紅色和藍色混合而成的，但是黑色彩色筆到底是由那些顏色混合起來的就很難猜出來，若欲將混在一起的顏色加以分開，就必須利用科學的方法，如色層分析法。作者於民國八十一年八月曾在聯合報科學專刊寫了一篇動手做做看（揭開黑色彩色筆的奧秘，如附件一所示），也就是利用簡易微型色層分析法將黑色彩色筆出離出不同顏色來，本文將以橘色和黑色彩色筆為例，分別以手動圓形水平展開、自動水平展開及自動垂直上升展開等三種不同的微型色層分析法將其顏色分開以供作參考。
n 微型濾紙色層分析之原理
微型濾紙色層分析乃是利用濾紙與水來進行分離色素的一種色層分析法，其原理是依據畫在濾紙上之彩色筆的顏色被濾紙吸附（Adsorption）能力及在水中之分配（Partition）能力的不同，而產生在濾紙上有不同的移動速度及出現不同顏色及其所處的位置。
n 材料與藥品
塑膠培養皿（直徑9 cm）、塑膠培養皿（直徑14 cm）、濾紙（185 mm）、塑膠滴管、黑色彩色筆、橘色彩色筆、塑膠滴管、水。
n 微型濾紙色層分析實驗操作
微型濾紙色層分析展開法分成手動圓形水平展開、自動水平展開及自動垂直上升展開等三種方法：
一、 手動圓形水平展開
(一) 黑色彩色筆
1. 準備一個直徑9 cm的塑膠培養皿，如相片一所示。
相片一：塑膠培養皿
2. 用黑色彩色筆在一張濾紙的正中央處畫一個直徑約為2 cm的空心圓，如相片二所示。
相片二：黑色彩色筆（左）、濾紙正中央處畫一個空心圓（右）
3. 將畫好圓形之濾紙置放在塑膠培養皿的上方，如相片三所示。
相片三：濾紙置於塑膠培養皿上
4. 用塑膠滴管吸取水，並在濾紙上空心圓的中央處逐滴地滴入水，如相片四所示。
相片四：將塑膠滴管中之水逐滴滴於空心圓之中央處
5. 待第1滴水擴散之後再滴入第2滴水、第3滴水，以此類推，如相片五所示。
相片五：滴入之水擴散之後再繼續滴滴水
6. 當水滴入濾紙直至能看到彩色筆的顏色分開且呈現明顯的顏色來為止。
7. 待濾紙上之水乾了之後，再將置放於塑膠培養皿之濾紙取下來。
(二) 橘色彩色筆
1. 準備一個直徑9 cm的塑膠培養皿。
2. 用橘色彩色筆在一張濾紙的正中央處畫一個直徑約為2 cm的空心圓，如相片六所示。
相片六：橘色彩色筆（左）、濾紙正中央處畫一個空心圓（右）
3. 將畫好圓形之濾紙置放在塑膠培養皿的上方。
4. 用塑膠滴管吸取水，並在濾紙上空心圓的中央處逐滴地滴入水，如相片七所示。
相片七：塑膠滴管中之水逐滴地滴入空心圓中
5. 待第1滴水擴散之後再滴入第2滴水、第3滴水，以此類推。
6. 當水滴入濾紙直至能看到彩色筆的顏色分開且呈明顯的顏色來為止，如相片八所示。
相片八：彩色筆的顏色分開來
7 待濾紙上之水乾了之後，再將置放於塑膠培養皿之濾紙取下來。
二、自動水平展開
(一) 黑色彩色筆
1. 取一個直徑14 cm的塑膠培養皿，並加入水約3 mm高度後備用，如相片九所示。
相片九：塑膠培養皿
2. 用黑色彩色筆在一張濾紙的下方處畫一個畫一小弧形，如相片十所示。
相片十：濾紙的下方處畫一個畫一黑色小弧形
3. 用剪刀在小弧形的下方剪開，然後向下摺90o，如相片十一所示。
相片十一：小弧形的下方剪開（左）、剪開之濾紙向下摺90o（右）
4. 將濾紙置於上述加有水的塑膠培養皿上，並使其下摺之濾紙下端浸入塑膠培養皿之水中，則塑膠培養皿中的水會由於毛細作用，自動沿著下摺之濾紙向上升，然後再往水平方向擴散，並將黑色中之成分慢慢推開，如相片十二所示。
相片十二：水經毛細作用自動沿著下摺之濾紙向上升然後再往水平方向擴散
(二) 橘色彩色筆
1. 取一直徑14 cm的塑膠培養皿，並加入水約3 mm高度後備用，如相片十三所示。
相片十三：塑膠培養皿
2. 用橘色彩色筆在一張濾紙的下方處畫一個畫一小弧形，如相片十四所示。
相片十四：濾紙的下方處畫一個畫一橘色小弧形
3. 用剪刀在小弧形的下方剪開，然後向下摺90o，如相片十五所示。
相片十五：小弧形的下方之濾紙剪開後濾紙向下摺90o（右）
4. 將濾紙置於加有水的塑膠培養皿上，並使其下摺之濾紙下端浸入塑膠培養皿之水中，則塑膠培養皿中的水會由於毛細作用，自動沿著下摺向上升，然後再往水平方向擴散，並將橘色中之成分慢慢推開，如相片十六所示。
相片十六：水經毛細作用自動沿著下摺之濾紙向上升然後再往水平方向擴散
三、自動垂直上升展開法
(一) 黑色彩色筆
1. 取一塑膠培養皿，並加入水約3 mm高後備用，如相片十七所示。
相片十七：加入水的塑膠培養皿
2. 將一張圓形濾紙剪成10 x 8 cm的長方形，並用黑色彩色筆在距離濾紙下端1.5 cm處畫一條線，如相片十八所示。
相片十八：濾紙下端1.5 cm處畫一條黑線
3. 將畫有黑線條的長方形濾紙對摺再對摺，然將其撐開，如相片十九所示。
相片十九：將對摺的長方形濾紙撐開
4. 將對摺並已撐開的長方形濾紙垂直置於裝有水的塑膠培養皿上待其展開，如相片二十所示。
相片二十：濾紙垂直置於塑膠培養皿上待其展開
(二) 橘色彩色筆
1. 取一塑膠培養皿，並加入水約3 mm高後備用，如相片二十一所示。
相片二十一：加入水的塑膠培養皿
2. 將一張圓形濾紙剪成10 x 8 cm的長方形，並用橘色彩色筆在距離濾紙下端1.5 cm處畫一條線，並將長方形濾紙對摺再對摺後撐開約120o角，如相片二十二所示。
相片二十二：將對摺的長方形濾紙撐開
3. 將對摺並已撐開的長方形濾紙垂直置於裝有水的塑膠培養皿上待其展開，如相片二十三所示。
相片二十三：濾紙垂直置於塑膠培養皿上待其展開
(三) 雙色彩色筆
1. 取一塑膠培養皿，並加入水約3 mm高後備用，如相片二十四所示。
相片二十四：加入水的塑膠培養皿
2. 將一張圓形濾紙剪成10 x 8 cm的長方形，並用分別黑色與橘色彩色筆在距離濾紙下端1.5 cm處各畫出一條線，並將長方形濾紙對摺後撐開約120o角，如相片二十五所示。
相片二十五：長方形濾紙對摺後撐開約120o角
3. 將對摺並已撐開的長方形濾紙垂直置於裝有水的塑膠培養皿上待其展開，如相片二十六所示。
相片二十六：濾紙垂直置於塑膠培養皿上待其展開
n 微型色層分析實驗結果
將黑色及橘色彩色筆分別畫在圓形濾紙或長方形濾紙上後，依手動圓形水平展開、自動水平展開及自動上升展開等三種微型色層分析展開法展開之結果分述如下：
一、手動圓形水平展開
(一) 黑色彩色筆
當水逐滴滴入置於塑膠培養皿上方之濾紙上的黑色空心圓時，水會經由毛細作用以水平向四周擴散，直至能看到彩色筆的顏色明顯地被分開，直至可以看出黑色彩色筆被分出藍色、黃色及紅色來且成圓環狀，其中紅色在濾紙上被水帶動得最快，因此紅色呈現在濾紙的最外圍，其次是黃色呈現在濾紙的中間，而被帶動得最慢的則是藍色呈現在濾紙的內圈。
由此一黑色彩色筆由分出來所呈現的色層分析圖（簡稱層析圖）之顏色， 可知黑色彩色筆的顏色是由藍色、黃色及紅色等三種顏色所組成的，如相片 二十七所示。
相片二十七：黑色彩色筆以手動圓形水平展開所呈現的圓環狀層析圖
(二) 橘色彩色筆
當水逐滴滴入置於塑膠培養皿上方之濾紙上的橘色空心圓時，水會經由毛細作用以水平向四周擴散，直至能看到彩色筆的顏色明顯地被分開，直至可以看出橘色彩色筆被分出黃色及紅色來且成圓環狀，其中黃色在濾紙上被水帶動得最快，因此黃色呈現在濾紙的外圍，而黃色而被帶動得較慢的呈現在濾紙的內圈。
由此一橘色彩色筆由分出來所呈現的層析圖之顏色，可知橘色彩色筆的顏色是由黃色和紅色等等兩種顏色所組成的，如相片二十八所示。
相片二十八：橘色彩色筆以手動圓形水平展開後所呈現的圓環狀層析圖
二、自動水平展開
(一) 黑色彩色筆
當塑膠培養皿中之水經毛細作用由下摺之濾紙上升至黑色彩色筆的小弧形顏色時，水會再經由毛細作用向前端以水平擴散，直至能看到彩色筆的顏色明顯地被分開，即呈現出黑色彩色筆被分出藍色、黃色及紅色來且成扇形狀，其中紅色在濾紙上被水帶動得最快，因此紅色呈現在濾紙的最外上扇形，其次是黃色呈現在濾紙的中間扇形，而被帶動得最慢的則是藍色呈現在濾紙的內圈扇形。
由此一黑色彩色筆由分出來所呈現的層析圖之顏色，可知黑色彩色筆的顏色是由藍色、黃色及紅色等三種顏色所組成的，如相片二十九所示。
相片二十九：黑色彩色筆以自動水平展開後所呈現的扇形狀的層析圖
(二) 橘色彩色筆
當塑膠培養皿中之水經毛細作用由下摺之濾紙上升至橘色彩色筆所畫的小弧形處時，水會再經由毛細作用向前端以水平擴散，直至能看到彩色筆的顏色明顯地被分開，而呈現出橘色彩色筆被分出黃色及紅色來且成扇形狀，其中黃色在濾紙上被水帶動得最快，因此黃色呈現在扇形的上層上，而紅色則呈現在扇形的下層。
由此一橘色彩色筆由分出來所呈現的層析圖之顏色，可知橘色彩色筆的顏色是由黃色及紅色等兩種顏色所組成的，如相片三十所示。
相片三十：橘色彩色筆以自動水平展開後所呈現的扇形狀的層析圖
三、自動垂直上升展開
(一) 黑色彩色筆
當塑膠培養皿中之水經毛細作用由濾紙下端慢慢上升至黑色彩色筆所畫的直線處時，水會再經由毛細作用以垂直上升並加以擴散，直至能看到彩色筆的顏色明顯地被分開，即呈現出黑色彩色筆被分出藍色、黃色及紅色來且成水平一字形，其中紅色在濾紙上被水帶動得較快，因此紅色呈現在一字形上的最上層，其次是黃色呈現在一字形上的中間層，而藍色則呈現在一字形的最下層。
由此一黑色彩色筆由分出來所呈現的一字形層析圖之顏色，可知黑色彩色筆的顏色是由藍色、黃色及紅色等三種顏色所組成的，如相片三十一所示。
相片三十一：黑色彩色筆以自動上升展開後所呈現的一字形層析圖
(二) 橘色彩色筆
當塑膠培養皿中之水經毛細作用由濾紙下端慢慢上升至橘色彩色筆所畫的直線處時，水會再經由毛細作用以垂直上升並加以擴散，直至能看到彩色筆的顏色明顯地被分開，而呈現出橘色彩色筆被分出黃色及紅色來且成水平一字形，其中黃色在濾紙上被水帶動得較快，因此黃色呈現在一字形的上層上，而紅色則呈現在一字形的下層。
由此一橘色彩色筆由分出來所呈現的層析圖之顏色，可知橘色彩色筆的顏色是由黃色及紅色等兩種顏色所組成的，如相片三十二所示。
相片三十二：橘色彩色筆以自動上升展開後所呈現的一字形層析圖
(三) 雙色彩色筆
當塑膠培養皿中之水經毛細作用由濾紙下端慢慢上升至畫在濾紙下方左邊的黑色彩色筆直線處，此刻也同時水也上升至畫在濾紙下方右邊的橘色彩色筆直線處時，塑膠培養皿中之水會再經由毛細作用以垂直上升並加以擴散，直至能看到彩色筆的顏色明顯地被分開，在左邊的呈現出黑色彩色筆被分出藍色、黃色及紅色來且成水平一字形，其中紅色在濾紙上被水帶動得較快，因此紅色呈現在一字形上的最上層，其次是黃色呈現在一字形上的中間層，而藍色則呈現在一字形的最下層。而在右邊的則呈現出橘色彩色筆被分出黃色及紅色來且成水平一字形，其中黃色在濾紙上被水帶動得較快，因此黃色呈現在一字形的上層上，而紅色則呈現在一字形的下層。由此一畫在同一水平直線上之黑色及橘色彩色筆，由分出來所呈現的層析圖之顏色，可知黑色彩色筆的顏色是由藍色、黃色及紅色等三種顏色所組成的，而橘色彩色筆的顏色是由黃色及紅色等兩種顏色所組成的，如相片三十三所示。
相片三十三：畫在同一水平線上之黑色和橘色以自動上升展開後所呈現的一字形層析圖
n 微型色層分析之特點
1. 微型濾紙色層分析法器材簡單，不須用到藥品，只需一般水及塑膠培養皿即可。
2. 操作容易又安全有趣，極適合學生親自做實驗。
3. 在幾分鐘之內，即可看出彩色筆的顏色被分離出來。
n 微型色層分析使用時應注意之事項
1. 微型色層分析所用的塑膠培養皿，在置放濾紙前其圓周上必須保持乾燥沒有水分。
2. 進行手動圓形展開法時，必須將水逐滴滴入空心圓之正中央，待水擴散之後再滴第2滴第3滴….。
3. 進行自動水平展開法時，必須將下摺濾紙與塑膠培養皿中之水保持接觸狀態，才能使水連續經由毛細作用將水吸往上面水平之濾紙。
4. 進行自動垂直上升展開法時，必須將濾紙對摺再對摺，然後稍微撐開才使濾紙直立於塑膠培養皿內之水中，而不致於濾紙吸水後軟掉而傾倒下去。
n 結語
本文中所設計的微型濾紙色層分析，不論是採用手動圓形展開法或自動水平展開法或是自動垂直上升展開法，黑色彩色筆皆可分出藍色、黃色及紅色等三種顏色，由此可知本文中所採用之此一廠牌的黑色彩色筆是由藍色、黃色及紅色所組成，如相片三十四所示。而橘色彩色筆可分出黃色及紅色等分二種顏色，可知此一廠牌的橘色彩色筆是由黃色及紅色所駔成，如相片三十五所示。其中如果不同廠牌之黑色彩色筆，用這三種微型色層分析展開法所分離出來的顏色不一定完全相同，甚至有些廠牌的黑色彩色筆是分不出顏色來的。而不同廠牌之橘色彩色筆，用這三種微型色層分析展開法所分離出來的顏色皆會相同。因此微型色層分析法應用在彩色筆顏色之分離時，既簡單又快速，既方便又有趣，尤其此法可將神秘的黑色彩色筆分離出漂亮顏色來，將更能引起學生對色層分析的學習興趣，使化學之教學過程更生動、活潑、有趣，俾使教與學達到最佳的效果。
相片三十四：黑色彩色筆用三種微型色層分析展開法所分離出來的色彩層析圖
相片三十五：橘色彩色筆用三種微型色層分析展開法所分離出來的色彩層析圖
n 附錄
八十一年八月九日聯合報科學專刊「動手做做看」。
國中學生進行有趣的酯化反應實驗 ／ 黃義傑、張自立、辛懷梓
星期六 , 25, 6 月 2016 化學課程與教學, 第14期 / 2016年7月 在〈國中學生進行有趣的酯化反應實驗 ／ 黃義傑、張自立、辛懷梓〉中留言功能已關閉國中學生進行有趣的酯化反應實驗
黃義傑1, *、張自立2、辛懷梓2
1臺北市立龍門國民中學
2國立臺北教育大學自然科學教育學系
*[email protected]
n 前言
自然與生活科技應重視學生進行實驗的品質，即杜威主張做中學的觀念，學生經由動手做實驗看到不一樣的現象、能了解操作技巧、儀器使用方式並能撰寫實驗報告。至少，科學實驗是會吸引學生目光，有趣的科學實驗會讓學生驚呼連連，在他們身上默默的種下科學種子，相信對於化學人才的培養是很有助益的。
國中自然與生活科技課程（簡稱自然科）在八年級下學期，會向學生介紹一個很著名的化學實驗「酯化反應」，由於自然科在八年級下學期課程有很多實驗（有物理實驗與化學實驗）且時間安排比較緊湊，以翰林版本來說，會把酯化反應放在示範實驗中，其實動手做的學習一定比教師口述式教學還有印象，在此分享自己教學上的實務經驗給有興趣的教師參考，讓學生親自動手做聞聞看酯類的不同味道。
n 教學對象
由於酯化反應會使用濃硫酸，有一定的實驗危險性，本次課程教學的對象設定是八年級下學期的學生，他們對於基礎的化學實驗有一定的熟悉與認識，也能在教師的指導下安全地使用化學藥品與操作本次的實驗設備。
本次進行酯化反應的學生為我自己帶的四個班學生，對於基礎的有機化合物單元有一定的概念，能分辨說明酸類與醇類的不同。此外，學生在進入實驗室之前也學習過酯化反應的原理，可以按照教師設計的實驗操作單進行實驗。
n 教學設計
簡單來說，酯化反應的原理是醇與酸的有機化學反應，生成酯和水。教學的設計簡單分為以下步驟，不需要多設計其他特殊的教具，用現有教學資源即可，不會增加教師教學負擔。
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步驟 |
內容 |
補充說明 |
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一 |
教師在課堂上把化學反應的通式寫在黑板上，對於國中學生而言，酯化反應的原理是容易理解。 |
搭配課本上的圖片來說明講解酯化實驗。 |
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二 |
推薦各校教師可以使用各家版本的電子書，電子書搭配的實驗動畫或是示範影片，這些均為免費的教學資源，教師在教學上可以用盡情使用。 |
可以結合步驟一，增加教學的有趣程度，提升學生對實驗的期待。 |
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三 |
進入實驗室進行實驗與完成指定作業。 |
藥品先準備好放在教室前方的準備桌上，以利實驗流暢。 |
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四 |
酯化反應的實驗以濃硫酸當作催化劑，當各組的器材、藥品等準備好後，教師到各組去協助滴濃硫酸。 |
各組需要特別找一個組長特別幫教師注意各組的操作安全。 |
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五 |
設計的一份簡單的實驗操作單，只有A5的大小（A4紙的一半大小），這張的好處是可以讓學生依照步驟檢查實驗器材，各組只要按照步驟進行酯化反應的實驗。 |
實驗操作單請見下面的「實驗操作單」。 |
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六 |
回到課堂上要請各組學生發表自己的想法，教師也可以進行實驗檢討或課後討論與分析。 |
教師可以把寫得很棒的作業分享給各班，讓學生互相觀摩學習 |
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備註：每個步驟時間可以依照教師與各個班級學生的互動情形進行調整，我們實際進行教學時，各班的情況都不盡相同。 |
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n 教學教案（簡案）
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單元名稱 |
酯化反 應 |
教學對象 |
八年級學 生 |
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教學重點 |
認識酯化反應原理與酯化實驗操作 |
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教學活動 |
教材教具 |
評量 |
時間 |
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一、實驗前 1. 認識酯化反應原理。 2. 學習酯化反應的實驗操作。 3. 認識酯類的物理與化學性質。 二、發展活動 1. 進入實驗室操作酯化反應實驗。 2. 完成實驗操作單。 三、綜合活動 1. 引導學生分享酯化實驗心得。 2. 教師整理實驗報告與鼓勵表現優良學生作品。 |
課本、實驗影片、單槍、筆電。 各項藥品與器材（請見實驗操作單） 教師個人網頁 或整理PPT檔 |
口頭詢問 實驗操作單 口頭分享 |
15分 45分 10分 |
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n 相關的注意事項
1. 在進行實驗前，必須再次告知學生酯化實驗有一定危險性，對於某幾位實驗操作技巧不純熟的同學要多次提醒。
2. 在實驗前，務必提醒各班只要攜帶文具與修正帶到實驗室，不用攜帶學生個人的課本，加上有水的緣故，個人的課本或是其他物品可能會因人為的不小心而弄濕。
3. 實驗進行時可以安排兩位同學輪流負責幫班上同學進行拍照，學生看到相機後，他們做實驗會特別認真進入狀況，也可以把照片與表現認真的同學作業放在教師部落格或是個人的臉書上面讓學生觀看。
4. 教師須多加走動注意學生發生的狀況，或是到各組協助實驗。
n 實驗操作單
酯Ester的製備 班級： 座號： 姓名：
【原理】
酯化反應 ð 將酸與醇在濃硫酸的催化下，共熱脫水便可產生酯。
【器材與藥品】
試管（20 mL） 3支、燒杯（250 mL） 1個、量筒（10 mL） 共用、滴管 共用、乙醇（C2H5OH） 2 mL、正戊醇（C5H11OH） 2 mL、冰醋酸（CH3COOH）、2 mL、濃硫酸（H2SO4） 5 mL
【實驗步驟】
A. 冰醋酸 + 乙醇
1. 量取2 mL的乙醇、2 mL的冰醋酸，加入試管中完全混合。
2. 教師協助學生，以滴管取3滴的濃硫酸，滴入試管中，隔水加熱到60℃，並用玻棒攪拌3到4分鐘，如圖1所示。
3. 以手觸試管摸檢查溫度，以手在瓶口搧風揮引氣體嗅聞。
4. 反應完成後加入5 mL冷水，搖動後觀察是否互溶或分層。
圖1：酯化反應裝置圖
B. 冰醋酸 + 正戊醇
本實驗步驟與「冰醋酸 + 乙醇」相同，只是用正戊醇取代乙醇。
【實驗報告】
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描述冰醋酸 + 乙醇的味道 |
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描述冰醋酸 + 正戊醇的味道 |
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實驗心得 |
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1. 實驗操作單可以在學生實驗進行前給學生預習，教師也能在實驗前提醒學生安全注意事項，另外也要求學生在實驗完後能完成實驗的紀錄與心得。
2. 實驗操作單在教師批改完後，可以黏貼在活動紀錄本或是課本上，可以讓學生考前自行複習。
3. 教師批改完實驗操作單後，在發還給各班學生之前，教師先選出優良的作業分享給各班學生觀摩，讓學生學習他人的優點，並且把各班實驗照片給大家回憶，讓整個實驗更完整。
4. 必須要求學生要把實驗操作單於實驗進行完成後完成實驗心得部分，整個實驗紀錄與報告可以在一節課內完成。
n 酯化實驗活動照片
學生進行酯化反應的實驗室活動和各組學生操作實驗如圖2所示，進行酯化反應的實驗過程和學生手搧聞酯化產物的味道如圖3所示。
圖2：學生在實驗室進行實驗狀況（左）；各組學生操作實驗的狀況（右）
圖3：進行酯化反應的實驗過程（左）；學生手搧聞酯化產物的味道（右）
n 與課本實驗不同之處
1. 進行酯化反應時，教師可以故意多滴幾滴濃硫酸，此時試管下方會有課本沒有提到的狀況發生，教師可以與學生討論發生變化的原因。
2. 承上，教師可以故意離開一下，學生不久會發現試管下方的顏色會不見，教師又可以再提問學生發生變化的原因。
n 學生的回饋
我們設計一份問卷，調查並比較學生在進行實驗前與實驗後，對於進行酯化反應實驗的看法，回答問卷的學生共85人。
問題1：在進行酯化反應前，你覺得酯的樣子是什麼？
表一：學生回答問題1的答案統計
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選項 |
A無色液體 |
B油狀液體 |
C透明無色 |
D沒感覺 |
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人數 |
14 |
61 |
8 |
2 |
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比率 |
16.47% |
71.76% |
9.41% |
2.35% |
由表一可知，雖然學生在課堂上已學習理論，他們對於酯的性質還是有一些認知上的差異，再比較學生自己寫的實驗報告，發現學生對於酯化反應的狀況與他們所認知的是不一樣，而不是完全如同課本上說的。
問題2：在進行實驗前，你對於酯化反應這個實驗的態度？
表二：學生回答問題2的統計
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選項 |
A無趣 |
B不想做 |
C想玩玩看 |
D想驗證課本理論 |
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人數 |
1 |
0 |
74 |
10 |
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比率 |
1.18% |
0% |
87.06% |
11.76% |
由表二可以發現到學生在進行實驗前有高達98%的人是有高度意願來進行這個化學實驗，當然會有無意願的學生，可知酯化反應在大部分的學生心中是有興趣的，如果沒有做這個實驗的話，會讓學生覺得可惜。
問題3：進行實驗完後你覺得酯化實驗是？
表三：學生回答問題3的統計
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選項 |
A有趣的 |
B有意義的 |
C一定要做的 |
D無聊 |
E沒興趣 |
F其他 |
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人數 |
54 |
24 |
2 |
0 |
2 |
4 |
|
比率 |
63.53% |
28.24% |
2.35% |
0.00% |
2.35% |
4.70% |
由表三可知道，有94.12%的學生在進行實驗完後，對於酯化反應是還不錯的感覺，在學生的心中是一個有趣的化學實驗，在感官上的體會是與課本的敘述式不一樣的。雖然有4位學生回應的是其他的想法，基本上學生並不會排斥這個化學實驗。
n 學生的實驗心得
本次進行實驗學生班級有4個班，假設為SA班、SB班、SC班及SD班，下面將摘入各班幾位同學特別的實驗心得，分享給大家。數字為學生座號。
圖5：一位學生的實驗報告
SA01：這次實驗做出來的味道跟書本上的不太一樣，但我是覺得很成功，因為反應非常明顯，而且比起香蕉我比較喜歡蘋果。
SA06：我們這組的味道和課本不同，但的確是有水果味，而且成果超成功，同心協力的大家超讚的，比較實驗1與實驗2的味道，我喜歡實驗2的味道。
SA23：第一個實驗在濃硫酸及加熱過程中並無明顯之變化，而冰醋酸加正戊醇在加熱時有黃色散布在底部，並有一些氣體向上升起。我覺得兩者味道都不好聞，其中乙酸乙酯有點嗆鼻。
SB01：成功的那一刻有點興奮，雖然有點小狀況，但整體來說是很有趣的實驗呢！
SB15：原來酯類真的有特殊味道，不過與預想中的水果味不太一樣，不知道是不是商品都有加上其他東西。
SC09：很有趣，不過味道很重。看到有人打破玻璃杯，應該要小心，作為借鏡。
SC13：小時候吃夜市零食，蠻多這種味道，現在想起來突然好惡心。
SD36：第一次加水加太多，所以看不到明顯的分層，第二次加水的比上一次少了許多，所以看得出來明顯的分層，神奇的是，把它攪拌後，分層又慢慢的出現。
SD38：第一次的實驗不小心把試管弄破了，改做第二個實驗時有聞到香蕉的香味，我很喜歡。
這次酯化實驗的結果讓各班學生有不同的感官與刺激，學生的經驗不同，所能體會或是內化心中的程度也不一，經由他們的紀錄，可以了解孩子的想法，亦可印證本文一開始說的做中學觀念，沒有實際體會或是操作是無法說出化學實驗能帶給你的樂趣，不要讓化學變成死背的知識。
n 教師的教學反省
學生因為你的熱情與用心準備實驗，他們從無到有的觀念都是你建立起來，就如同本文的酯化反應實驗，雖然總共花的時間有一節課，似乎教學效率不好，而去補習班先學的孩子或許會有人覺得老師浪費時間，或是會覺得沒甚麼厲害之處，可是他們沒有聞過這些特殊味道，他們沒親自做過不同酯類，就不能體會科學的樂趣與奧秘。
n 結語
身為國中自然科教師常有教學成績的壓力，但是如果能與電學之父—法拉第一樣把化學實驗的樂趣帶給學生知道，內心多少會有一些成就感在，我想這就是自然的魅力所在。很開心自己任教的學生很喜歡化學實驗，當我幫學生在各種大小考試前複習實驗是很有感覺的。在此分享自己的教學經驗，相信你也可以。因此將實驗的過程以及成果撰寫成文章投稿至《臺灣化學教育》，如有任何指教與建議，也歡迎您來信分享。
n 謝誌
在此感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系104學年度第1學期化學特論周金城教授與全體同學在百忙之中提供許多建議並協助修改本文，讓本文可以更好，在此謹深摯謝忱。
n 參考資料
1. 酯化反應，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/酯化反應（104年6月）
2. 陳必榮（95年11月1日），WIDE_KM教師入口網，http://elearning.ice.ntnu.edu.tw/KM/Data/Teacher/5566/Data/教材/2023/1.doc（104年6月）
國小學生製作美麗的天氣瓶
李燕玲
國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班
新北市立新莊區光華國民小學
[email protected]
n 前言
自然與生活領域課程在國小階段的孩子對於化學相關的實驗學習實在不多，無意間發現了「天氣瓶」這個有趣又美麗的化學實驗，小學六年級上學期的自然課程正好有關於天氣的單元，以此為延伸學習課程，讓學生可以認識以前的天氣預報裝置，希望學生藉由天氣瓶的製作複習水溶液的相關概念並進行天氣瓶結晶的觀察與紀錄。
n 天氣瓶簡介
天氣瓶，又稱為風暴瓶（Storm Glass），是一種19世紀用來做天氣預測的工具（見圖一），知名天氣學家羅伯特·菲茨羅伊（Robert FitzRoy）在他的航海紀錄上，記錄了如何用天氣瓶來預測天氣。但是後來日本科學家長島和茂（Kazushige Nagashima）進一步研究證實影響天氣瓶中結晶型態的因素主要為環境溫度及溫度變化的速度，與氣壓、濕度、電場及磁場沒有關係，因此瓶內的結晶型態皆為隨機分布，並沒有天氣預測的功能，所以在進行教學時盡量不要強調天氣預測的功能，以免誤導學生。
圖一：天氣瓶
（圖片來源：作者製作）
天氣瓶內結晶的變化，主要是由於溶液內的樟腦、硝酸鉀、氯化銨在水與乙醇混和溶劑內的溶解度會隨著溫度變化。配方中的硝酸鉀、氯化銨及純水主要是促使樟腦晶核的形成，因此瓶中見到的是樟腦的結晶；當溫度變化的時候，三種物質的結晶析出、溶解速度有交互作用。而溫度的變化速率，則會影響結晶的成長大小與結構，當溫度下降的速度較快時（例如：放入冰箱冷藏室），因為有許多晶核形成，會有許多小的樟腦結晶，最後就像雪花一樣（樟腦晶體與冰一樣是六方晶系），而溫度下降的速度很慢時，沒有形成晶核，結晶會慢慢往四周成長，最後像葉子或樹枝狀。
n 天氣瓶參考配方和實驗器材
網路上可以找到的天氣瓶配方有兩種，一種於溫度較低的環境會有明顯結晶，一種則為適合夏季時製作的配方，本次因應教學進行的時間，筆者使用冬季配方，為讓學生觀察天然樟腦粉的含量是否影響結晶高度或形狀，因此將學生分為兩組製作天氣瓶，一組的天然樟腦粉設定為10 g，另一組則為8.5 g，其餘配方和實驗器材則相同。
此次實驗藥品在一般化工原料行都可以買到，價錢上也算平易近人，因此可就近找化工行詢價後購買，甚至有天氣瓶製作組合包（大約150元，只有硝酸鉀、氯化銨及天然樟腦粉，其他材料及器材必須自行準備，且成品約只有80~85 mL），若只是少量製作也可作為選擇；至於盛裝的容器則因藥品有輕微腐蝕性，所以盡量使用玻璃瓶，蓋子則須避免是金屬材質，可到一般五金生活百貨尋找適合的容器，筆者在台北後火車站附近看到不少賣瓶瓶罐罐的商家，玻璃瓶種類眾多、造型各異其趣、容量也有許多選擇，比較容易滿足需求，不妨到此尋寶。
一、冬季配方
硝酸鉀（Potassium Nitrate） 2.5 g（500 g大約170元）、氯化銨（Ammonium Chloride） 2.5 g（500 g大約80元）、天然樟腦粉（Camphor Powder） 10 g（250 g大約250元）、蒸餾水（純水） 33 mL （可以使用泰山純水）、藥用酒精（95% Ethyl Alcohol，Ethanol） 40 mL（500 mL大約75元，在藥局也可購得）（資料來源：城乙化工，http://www.meru.com.tw/index.php）
二、夏季配方
硝酸鉀（Potassium Nitrate） 2.3 g、氯化銨（Ammonium Chloride） 2.3 g、天然樟腦粉（Camphor Powder） 4.4 g、蒸餾水（純水） 16 mL （可以使用泰山純水）、藥用酒精（95% Ethyl Alcohol, Ethanol） 40 mL（資料來源：親子手作DIY，http://pinbox.tw/box/10149）
三、全班器材
紅黃藍水性染料 一組（大約50元）、電子磅秤（最小可秤0.1 g） 一台、溫度計 一支、鍋子（隔水加熱） 一個、微波爐 一台
四、每組器材和藥品
玻璃燒杯兩個（分1、2號杯）、攪拌湯匙 一支、手套 四個、口罩 四個、含蓋可密封玻璃瓶四個，約100 mL（塑膠瓶蓋，一個約20元）。
※採四人一組分組製作及配合玻璃瓶容量，因此筆者將每組配方以五倍的數量先行量配妥當後裝在夾鏈袋中讓學生使用，如圖二所示。
圖二：燒杯、攪拌湯匙、手套、口罩、玻璃瓶、硝酸鉀、氯化銨、天然樟腦粉
n 教學流程
教學準備：教師先行製作天氣瓶數瓶，以便展示給學生觀看。
一、 引起動機
1. 教師將先行製作完成的天氣瓶帶至教室引起學生的興趣，如圖三所示。
2. 教師向學生簡單說明天氣瓶原理與製作方法，並表示將帶領學生製作個人的天氣瓶。
圖三：教師製作天氣瓶數瓶
二、 發展活動
活動一：溶解
1. 以簡報檔複習溶解的概念。
2. 介紹飽和溶液和結晶的概念，如圖四左所示。
活動二：介紹天氣瓶
1. 介紹天氣瓶。
2. 介紹蠶豆症，如圖四右所示。
圖四：結晶概念介紹（左）；蠶豆症的介紹（右）
活動三：製作天氣瓶
1. 介紹天氣瓶的製作與原理。
2. 依序發下實驗器材及藥品，如圖五所示。
3. 讓學生進行天氣瓶的製作，如圖六～七所示。
4. 學生製作天氣瓶的成品，如圖八所示。
圖五：天氣瓶製作方式及實驗器材
圖六：小組進行天氣瓶製作
圖七：混合後的溶液進行隔水加熱（左）；加入色料並分裝完成（右）
圖八：天氣瓶成品（左）；天氣瓶置於教室一隅觀察（右）
三、 綜合活動
活動四：天氣瓶的觀察與紀錄
1. 介紹天氣瓶結晶的形狀。
2. 指導學生如何進行觀察與紀錄。
3. 學習單的填寫與心得分享。
n 學生天氣瓶觀察紀錄及學習單
筆者配合此次課程設計的「天氣瓶觀察紀錄學習單」共分為兩個部分，上半部為溶解及結晶概念、天氣瓶製作流程的填答，在課程進行後，立即讓學生填寫完畢，可檢視學生是否專心聽課，從學生填寫的結果發現大致都能全部答對，少數學生有錯字的情形，如圖九左所示。下半部則為本次教學重點的觀察紀錄及觀察心得，在製作課程進行後兩週左右才進行第一次觀察紀錄，因必須等待天氣瓶中的結晶穩定，又逢今年冬天氣候偏暖，天氣瓶中的結晶遲遲沒有明顯變化，筆者利用課餘大約10分鐘的時間，先請學生將日期、當天預測溫度、觀察當時的溫度寫下後，再讓學生將各自的天氣瓶取回（提醒學生勿過度搖晃天氣瓶，以免影響結晶形狀及高度）觀察形狀、量測高度後完成記錄，如圖十所示。在此之後，筆者利用天氣明顯變冷的時間，讓學生進行觀察，完成12次的觀察記錄大約花費一個月的時間，但每次的觀察不需花費太多時間，因此筆者都是利用課程進行後零碎的時間，並不會耽誤其他課程進行。筆者要求學生在最後的觀察心得部分至少寫下兩點發現及對課程以一到五分進行評分，越喜歡分數越高，多數學生都給了四到五分，從心得分享中也發現學生多數是喜歡此次課程的，如圖九右所示。
圖九：天氣瓶觀察紀錄學習單（左）；學生的天氣瓶觀察紀錄學習單（右）
圖十：2015.11.25，當時氣溫24℃（左）；2015.11.26，當時氣溫21℃（中）；2015.12.17，當時氣溫15℃（右）
n 學生課後回饋
筆者任教的學校位於新北市新莊區，為一所緊鄰工業區且超過100個班級數的大型學校，其中有三分之一強的學生人數為跨區前來就讀，家長的社經背景大多為工商類就業人口，多數平日忙於工作，因此學生較少機會可以接觸類似的化學實驗。筆者執教的班級中有30位學生，包含16名男生及14名女生，班級當中有一位罹患蠶豆症的學生（透過新生兒篩檢即可得知，導師在開始帶領學生時便會有相關資料，若是科任教師在實施本課程之前應先詢問清楚），因此在課程中加入關於蠶豆症的介紹，希望透過課程讓學生更了解如何與此類患者相處。而該名學生在天氣瓶製作時則必須暫時離開教室，由其他學生協助製作完成。以下為學生在完成相關課程之後的回饋摘要整理。
問題1：經過這段時間的觀察，我發現了……
S04：天氣越冷，結晶越高越漂亮；天氣越熱，結晶越少。
S05：結晶會因為重力的關係造成高度越來越矮。
S09：結晶的形狀有很多種，也會隨著溫度變化。
S17：搖動過天氣瓶後，必須經過兩三天後天氣瓶的結晶才會穩定。
S27：即使當初小組內每個人使用的材料都一樣，但結晶的高度還是都不大相同。
問題2：你喜歡天氣瓶（ ）分，為什麼？
S02：我喜歡天氣瓶5分，因為我覺得天氣瓶裡的結晶好漂亮，又很特別，而且是個美麗的裝飾品。
S24：我喜歡天氣瓶5分，因為每天觀察到的結晶都不同，我覺得好有趣哦。
S28：我喜歡天氣瓶5分，因為天氣瓶可以讓我知道現在的溫度是冷還是熱。
S05：我喜歡天氣瓶4分，因為我覺得天氣瓶好有趣，但是我的結晶高度好像都比較矮。
S26：我喜歡天氣瓶4分，因為我覺得天氣瓶好漂亮，但是有時不是非常準確。
n 課程實施問題與注意事項
本次主要課程活動設計大約需兩節課的時間，第一節為複習溶解概念及介紹結晶與天氣瓶，複習溶解概念時學生大都能回答相關的提問，同時也能明白飽和溶液所代表的涵義，但筆者在進行「溫度降低使鹽的過飽和溶液析出鹽巴結晶」的操作並沒有完成，應該完成後續觀察或可利用相關影片協助學生更理解。經過學者研究發現天氣瓶並沒有預測天氣的作用，因此在教學過程中應盡量避免強調天氣瓶有預測天氣的功能，以免對學生產生誤導，可利用相關影片進一步釐清學生的觀念。
第二節則為天氣瓶實際製作及學習單討論與習寫。因實驗藥品有刺激性及輕微腐蝕性，在製作過程應避免讓學生直接接觸，所以全程須戴上口罩及手套，並將教室門窗打開使空氣流通，以免造成學生身體不適。此次製作天氣瓶時因考量實驗器材不足，因此將學生分為四人一組共同製作；筆者將藥品以等比例的方式先行配置並分裝完成，便於實驗操作。製作天氣瓶時，為避免學生操作過程發生錯誤，筆者將燒杯分為1、2號杯，先發下1號杯需要的材料（硝酸鉀、氯化銨及純水），待學生製作完後，再發下2號杯的材料（天然樟腦粉及乙醇），並指派學生依序製作，讓每位學生都有負責的工作。有學生在製作1號杯溶液時發現燒杯變得冰冰涼涼的，可簡單說明溶解的吸熱與放熱反應。
製作完天氣瓶後必須等待一週時間，於結晶穩定後再進行觀察記錄，後續記錄時間每次不超過10分鐘，可利用課餘零碎時間進行。觀察記錄天氣瓶結晶的高度需要扣掉瓶底厚度，學生容易忽略而直接從瓶底往上測量，因此必須指導及提醒。而今年冬天的氣溫常處於偏高的情況，比較不利於進行天氣瓶的觀察（沒有明顯的變化），因此筆者必須等到東北季風增強或大陸冷氣團南下時才讓學生進行觀察記錄，此次從開始進行教學到完成觀察記錄所花費的時間大約為一個半月。做觀察記錄時，學生對於結晶形狀常發出疑問，無法清楚界定結晶的形狀，筆者引導學生可以自行定義結晶的形狀，並沒有標準答案。經過學生的觀察發現使用10 g與8.5 g的天然樟腦粉對於天氣瓶的結晶的高度並無必然的影響，因為結晶高度會受到重力的影響而變低；但氣溫的變化確實會直接反映在結晶的高度上，氣溫愈低，結晶的高度愈高。此次製作的天氣瓶大多加入水性染料，導致有些顏色（如：紫色，因顏色過深）的天氣瓶比較不容易觀察，可以在觀察記錄都完成後再加入染料。最後「天氣瓶觀察記錄學習單」中對於學生反思及回饋的部分未加以規劃，可以增加這個面向的設計，讓學生思考從課程中的所得與困難之處，也可作為教學者進行教學檢討與改進的參考。
n 結語
國小階段的學生因為課程安排的關係，比較沒有機會接觸化學實驗，此次透過天氣瓶的製作讓學生自行完成一個絢麗又有趣的化學裝飾品，學生都顯得相當開心，在觀察的過程常常聽到學生驚呼連連，讚嘆天氣瓶的美麗與多變，希望透過這個教學活動讓學生更喜歡自然領域課程並懂得觀察生活周遭的各種現象。
n 參考資料
1. 天氣瓶配方：親子手作DIY。http://pinbox.tw/box/10149。
2. 天氣瓶，維基百科。https://zh.wikipedia.org/zh-tw/天氣瓶。
3. 許良榮。改良式天氣瓶。臺灣化學教育，第七期。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=6866
4. 蠶豆症：高雄醫學大學維基學習網（KMU Wiki）。http://goo.gl/HYdrw。
5. 天氣瓶製作影片：HOKK fabrica。一起動手D.I.Y打造屬於你的天氣瓶。http://hokkfabrica.com/make-your-own-storm-glass/。
6. TVBS新聞。【科學不一樣】樟腦附著晶核上 溫度變化讓天氣瓶結晶。http://news.tvbs.com.tw/old-news.ht mL?nid=577886。
7. 古時候的天氣瓶裝置：Museum of the History of Science。http://www.mhs.ox.ac.uk/from-stormglass-to-weatherglass/。
n 附錄
附錄一、教學活動設計
附錄二、天氣瓶觀察紀錄學習單
製作我的天氣瓶 姓名：
※有些物質加入水中後，會很均勻的散布在水中，看起來像是消失了，這種現象稱為 。
※被溶解的物質稱為「 」，水稱為「 」當「溶質」溶解在「溶劑」中，就形成了「 」。
※從飽和溶液中凝結出具有一定的幾何形狀的固體的過程叫做 。
簡易氫氣燃料電池車的實作及其探索活動 ／ 張志聰
星期四 , 23, 6 月 2016 化學實驗含影片, 第14期 / 2016年7月 在〈簡易氫氣燃料電池車的實作及其探索活動 ／ 張志聰〉中留言功能已關閉簡易氫氣燃料電池車的實作及其探索活動
張志聰
屏東縣立大同高級中學
教育部高中化學學科中心
*[email protected]
n 影片觀賞
雖然燃料電池是大學學測考題的常客，但是在高中化學課本中卻僅針對方程式介紹以及電壓、電解液等簡略介紹，並強調其在運作上需高溫、昂貴的貴金屬電極等缺點，讓人覺得燃料電池都是極其複雜且昂貴的裝置，僅能在實驗影片中才能看到。本實驗分享一種可以在一般教室中進行的簡易燃料電池車實驗，並可以讓學生進行一系列能源動力相關的實驗。
影片網址：https://goo.gl/lrCeBH, YouTube.
n 簡介
氫氧燃料電池是直接將化學能轉變為電能的氧化還原裝置，主要燃料以氫氣為主，透過氫氣與氧氣的電化學反應產生電能與熱能，且熱能遠低於一般燃燒石油所產生的熱值，過程中節省了轉換為機械能所需要的能量損耗，因此展現出比內燃機更高能量轉換率。
本實驗利用包覆不織布的碳棒作為電極，使用直流電（3 V）電解食鹽水取得氫氣和氧氣，而包覆在電極上的不織布可減緩氣體自水中逸出的速率；約電解3~5分鐘，即可累積足量的氫氣和氧氣吸附在電極之上。移除直流電源後，充滿氣體的碳棒即可組成簡易的燃料電池，接上裝有低電流馬達的小車後，可使其穩定行進約4公尺的距離，電池放電完畢後，只需再度以直流電進行電解，即可重複使用。
燃料電池之實作與探索活動，幫助學生認識「燃料電池」與其運作原理、能量轉換等有關能源議題，以下說明簡易氫氧燃料電池車的原理及製作過程。
n 藥品與器材
(一)藥品：氯化鈉（NaCl）、氫氧化鈉（NaOH）、碳酸氫鈉（NaHCO3）、醋酸（CH3COOH）自來水。
(二)器材：飽和食鹽水、膠帶、4 cm × 10 cm塑膠底板、輪胎組、鱷魚夾、3號電池座、快乾膠、馬達、不織布、碳棒、泡棉、長25 cm粗塑膠管、9 cm細塑膠管大齒輪、小齒輪、三用電表，如圖1所示。
圖1：製作簡易氫氣燃料電池車所需之器材
n 實驗步驟
一、氫氣燃料電池組裝
1. 利用不織布將碳棒包覆起來，多餘的不織布反摺後，以膠帶固定使其不會鬆脫，如圖2所示。
圖2：利用不織布包覆碳棒，並以膠帶固定不織布使不脫落
2. 取一塊泡棉，將包覆有不織布的碳棒穿過泡棉，如圖3所示。
圖3：兩根電極穿過事先鑽好小洞的泡棉
3. 取長25 cm的粗塑膠管底部以泡棉塞緊使不會漏水為原則，注入10%（重量百分比）食鹽水，食鹽水的高度離上方管口約2 cm，再塞入穿有電極的泡棉固定備用，即完成一個簡易的燃料電池，如圖4所示。※安全提醒：食鹽水濃度不可過高，否則電解可能產生有毒的氯氣，危害身體健康。
圖4：燃料電池組完成圖
二、電解食鹽水收集氫氣及氧氣
1. 組裝完成的燃料電池並沒有正負極之分，需視電解後收集的氣體種類來決定正負極。預先將頂端泡棉上的碳棒調成一長一短，長端接電池正極進行電解，短端接電池負極電解，方便辨識電解完成後的正負極辨識，如圖5所示。
圖5：調整碳棒長短方便辨識充電後的正負極
2. 將電池盒上的黑色線路鱷魚夾（負極）與短端碳棒接上，再將紅色線路鱷魚夾（正極）與長端碳棒接上，打開開關進行電解食鹽水，觀察有何現象，如圖6所示。
圖6：電解食鹽水進行氣體收集
3. 電解約5分鐘後關閉電源，移除兩極的鱷魚夾後，以三用電表量測燃料電池兩極的電壓，如圖7所示。
圖7：測量燃料電池電壓約1.65 V
三、燃料電池車組裝
1. 將透明細塑膠管剪成長兩段，取其中一段塑膠管套入鐵質軸心，再套入大齒輪，輪胎固定在左右兩側，即完成前輪，如圖8左所示。然後，組裝另一段塑膠管形成另一輪胎套件，即完成後輪，再將2組輪胎套件分別使用快乾膠固定於塑膠底板備用，如圖8右所示。
圖8：組裝前輪（左）；組裝後輪（右）
2. 將圓形馬達的軸心套入小齒輪，塞到與馬達軸心切齊即可，如圖9右所示。
圖9：前後輪以快乾膠固定位置
3. 將馬達與前步驟的套件組合，使馬達的小齒輪與前輪的大齒輪可以嚙合，形成之前輪驅動車，如圖10所示。
圖10：小功率馬達（左）；嚙合馬達小齒輪與前輪大齒輪（右）
4. 將電解充電完成的燃料電池放上電池車，並將馬達上的正負極線路接上電池，即完成燃料電池車，如圖11所示。
圖11：完成燃料電池車
n 原理與概念
電化學的領域中，標準狀況下（1 atm、25℃、1 M），氫氧燃料電池的反應式及其對應的電位如式[1]~[3]所示：
陽極：2H2(g) → 4H＋(aq) + 4e– 
= 0.00 V [1]
陰極：O2(g) + 4H＋(aq) + 4e– → 2H2O(l) 
= 1.23 V [2]
全反應：2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) ΔE0 = 
＋
= 1.23V [3]
雖然ΔE0 = 1.23 V＞0，表示這是一個可以自發的反應，但是這個反應的活化能很高，在一般不使用任何的催化劑或點火的情況下，氫氣與氧氣反應將很難進行反應。經實驗量測兩極的電位差約1.65 V，較氫氧燃料電池的理論值為高；電流強度約35 mA。
電解稀的氯化鈉水溶液時（硫酸鈉亦可），水中不停有氣泡發生，此氣泡為氫氣與氧氣，其正負極的反應式如下所示：
陰極（負極）：2H2O(l) + 2e─ → H2(g) + 2OH─(aq) [4]
陽極（正極）：H2O(l) → 1/2O2(g) + 2e─ + 2H＋(aq) [5]
全反應：H2O(l) → 1/2O2(g) + H2(g) [6]
當電解時，電子從電池的負極流出，水分子在陰極得到電子，發生還原反應；另一極，水分子發生氧化反應產生氧氣及氫離子，並放出電子，流回電池的正極。通電約5分鐘後，隨即將充滿氣體的兩碳電極與馬達連接，溶液中的氫氣在鹼性環境中發生氧化反應，失去電子，進入馬達，電能轉換程機械能，使馬達轉動 ；此時溶液中的的氧氣在酸性環境中得到電子發生還原反應，生成水。如此週而復始，直至氣體耗盡後，馬達隨即停止轉動。
n 探索活動學習單
活動（一）：組裝燃料電池並觀察充電和放電時的變化
拍下你的燃料電池裝置照片，觀察電池充電和放電前後電極與電解液的現象，並說明其原因。
（插入照片）
（說明原因）
活動（二）：燃料電池放電的電壓和電流的測定
停止電解後，氫氣和氧氣在電解液中放電，即有電壓。此反應的反應式：2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l)。再利用伏特計測量每30秒的電壓，連續5分鐘。測量初始電壓和電流詳細紀錄於表一。
表一：燃料電池放電的電壓和電流的測定
活動（三）：電解不同電解質和不同材質
1. 準備醋酸（CH3COOH）、氫氧化鈉（NaOH）、碳酸氫鈉（NaHCO3）…等不同酸鹼性電解質溶液，改變不同的電解質，測量並找出何種電解質溶液有最佳起始電壓。
2. 嘗試改變不同種類的碳棒電極，觀察不同種類的碳棒導電度及對氣體吸附的效果，例如：鉛筆芯、2B鉛筆、炭筆、備長炭等，進行相同燃料電池的操作，探究是否與碳棒有相同效果。
3. 如果上述電壓數值不佳，想想看是什麼原因造成這些影響？有什麼方法可以改善？
活動四：不同長度塑膠管對燃料電池電壓及續航力的影響
1. 準備10 cm、15 cm、20 cm等不同長度的塑膠管，製作燃料電池，找出何種長度的塑膠管有最佳起始電壓。
2. 將不同長度塑膠管製作的燃料電池接上電池車，測量電池車行進的距離，找出最佳電池重量與電壓的比例。
n 安全注意及廢棄物處理
l 本實驗使用完畢之電池車及電解液可重複使用，如長期不使用，可將電解液倒出後，按實驗室規定回收。
l 電解食鹽水的濃度不可過高，否則可能產生有毒的氯氣而危害身體健康。
n 參考資料
1. 氫氧電池，https://www.youtube.com/watch?v=0mxzbRqkAiA。
2. 高雄女中化學科主編（民98年），【能源的明日之星 燃料電池】，高雄市：高雄女中。
3. 方金祥（2004年），氫氧燃料電池之微型化設計及在電化學教學應用之研究，化學，62（4），547~554。
原住民族傳統烤肉作法與化學
傅麗玉
國立清華大學師資培育中心
[email protected]
臺灣原住民族的飲食文化與大自然緊密連結。人不是凌駕在萬物之上，而是與萬物共生共存在大自然。無論食物的來源是採集植物或獵取動物，無論是來自山林還是大海，原住民族都依循著一套充滿自然智慧的規範，依照大自然的時序與萬物的生養作息，只取所需的量，嚴禁與大自然爭奪食物，否則大自然將不再提供食物人類。傳統原住民族的生活中，烤肉是一件大事，平日大多以採集的野菜或糧食作物為主，只有在特殊的節慶或祭典時，男子必須進行狩獵，打到獵物才有機會肉食。
n 原住民族狩獵文化和烤肉做法
傳統原住民族文化中，狩獵是男子的工作，泰雅族男子在獵得第一隻獵物後，才能取得文面的資格。女性不可以參與狩獵。狩獵武器是男子的第二生命，不隨意讓他人碰觸，尤其女子不得碰觸，以免日後再也打不到獵物。各部落有所屬的獵場，不得進入其他部落的獵場，就算是打到的獵物跑進其他部落的獵場，也不可以闖入拿取獵物。狩獵的季節有嚴格規定，動物繁殖期（約四月到十月）不可狩獵。最佳的狩獵季節是秋冬，此時動物肥碩，氣溫低獵物不易腐壞，山上的蛇類冬眠，降低被蛇類咬到的風險。獵得的獵物一定帶回部落，參與狩獵者可以分得獵物之外，還要流一些與族人共享或分送給族人。對於只有老弱婦孺而無男子可狩獵的家庭，尤其要特別多給一些。把需要的東西給真正需要的人，才是真正的公平。一起烤食所獵得的肉食是部落共享獵物的一種方式。
原住民族部落中常見的烤肉方式是以竹籤的一端串肉放在炭火上，竹籤的另一端固定在地面。肉的油汁順著竹籤流到地面，不會滴到火焰上與火發生反應（見圖1）。烤肉前備好的炭火並以芭蕉葉覆蓋削好的竹籤（見圖2）。要翻面烤時，將竹籤從地面拔起，再反面插回去即可。原住民族不用鐵製的鐵叉子，更不用鐵網鐵架。烤肉不用醃料調味只抹少許的鹽巴。烤好之後才依個人口味，加放鹽巴。原住民族常在部落的涼棚中，一邊烤肉一邊聊天（見圖3）。在炭火上方的置物架和籐編器具因長期炭火煙燻而得以防腐更耐久（見圖4）。
圖1：原住民族部落的烤肉方式以竹籤串肉且另一端固定在地面，肉的油汁順著竹籤流到地面，不會滴到火焰上與火發生反應（傅麗玉攝，2006）
圖2：備好的炭火（左）與以芭蕉葉覆蓋削好的竹籤（右）（傅麗玉攝，2009）
圖3：在部落的涼棚中一邊烤肉一邊聊天（傅麗玉攝，2009）
圖4：炭火上方的置物架與籐編器具因長期炭火煙燻而得以防腐更耐久（傅麗玉攝2009）
n 烤肉的相關化學反應—梅納褐變反應
烤過的肉會變黑褐色而且有一種香味就是因為梅納褐變（Maillard browning, Millard reaction） 的化學反應所導致的。梅納褐變反應是指在沒有酵素的情況下，還原糖的醛基與胺基酸的胺基所發生的反應。以肉類為例，肉類中的還原糖（一類碳水化合物）與胺基酸（蛋白質的組成單體）在加熱時發生一連串反應後，高溫會加速梅納褐變反應，在食物的表面可以看到所生成的棕黑色固體的大分子物質，稱為類黑精或類黑素（Melanoidin），同時產生數百種甚至一千種不同氣味的中間體分子，包括還原酮、醛以及雜環化合物，讓烤過的肉變得色香味俱全。梅納褐變反應最早是1912年法國化學家梅納（Louis Camille Maillard）所發現，直到1953年John Hodge等科學家才將這個反應正式命名為梅納褐變反應，Hodge所提出的梅納褐變反應歷程相當複雜（見圖5）。Maillard發現將胺基酸和糖類水溶液混合加熱後，會產生黃棕色溶液。但是，梅納的發現並未引起當時法國科學院的科學家的重視。直到食品工業逐漸發達的1950年代，肉類加工、食品儲藏、香精生產、中藥研究等領域，甚至有機體的生理和病理過程相關研究日益發展，梅納褐變反應才受到重視並且成為一項重要的技術。
圖5： Hodge提出的梅納褐變反應歷程
（圖片來源：維基百科，https://zh.wikipedia.org/zh-tw/美拉德反應）
經高溫加熱超過攝氏溫度130°C的含澱粉食物發生梅納褐變反應會產生丙烯醯胺（Acrylamide），其化學式CH2=CHCONH2。食用時要特別注意，因為WHO所屬國際癌症研究機（International Agency for Research on Cancer, IARC），根據動物實驗結果，將丙烯醯胺列為一種疑似致癌的物質。例如馬鈴薯和穀類所含的一種名叫天冬醯胺（Asparagine）的胺基酸含量較高，與馬鈴薯自身含有的大量澱粉一起加熱，會發生梅納褐變反應，生成丙烯醯胺。尤其澱粉含量豐富的馬鈴薯煎炸加熱所做的薯條、洋芋片、炸油條等都可能含有較高量的丙烯醯胺，甚至乳製品、肉類和魚類的油炸食物也都可能在高溫油炸過程產生丙烯醯胺（見圖6）。
（圖片來源：維基百科，https://zh.wikipedia.org/zh-tw/丙烯酰胺）
要注意的是，一般人很容易將焦糖化（caramelization）與梅納反應混淆。醣類在沒有胺基酸或其他含氮物質的情況下，加熱到120℃會開始脫水並裂解的過程稱為焦糖化反應。最常見的就是時下流行的焦糖烤布蕾。又例如不同種類的咖啡豆有不同含量的醣類，經過烘焙之後，會產生不同的風味。蛋炒飯在烹飪過程中，蛋汁與米飯表面在加熱時產生焦糖化反應，米粒會因脫水而變硬且粒粒分明。但是其他含有蛋白質氨基酸的肉類、魚肉與蔬菜等食物則不會發生焦糖化反應。
n 原住民族傳統烤肉與現代烤肉的比較
原住民族的烤肉方式非常簡單，只用竹籤而不是一般的鐵製的鐵叉子，更不用鐵網鐵架，而是以竹籤串肉。現代流行在烤肉或油炸肉時加入許多調味料或加澱粉。在高溫燒烤或油炸過程，添加在肉上的調味料與澱粉會因發生梅納褐變反應而產生丙烯醯胺。原住民族烤肉類單純只是肉類，不加其他物質，完全以食材的新鮮度與火候提升食物的美味，是比較健康的處理方式。此外，原住民族烤肉使用木炭，比較不會產生煙霧造成對食物與空氣的污染，且火力穩定，溫度夠高，足以烤出美味的食物（見圖7）。但無論是哪一種處理方式，肉類的食用都要適量，以免因為偏食而造成健康問題。傳統上，原住民族對於狩獵的時間、獵物物種、大小與數量都有嚴格的禁忌規範，所得的獵物採用分享、分擔與共食，即使食物再少也要分享，就是要大家都能有食物吃，都一起活下來。在此情況下，其實個人的肉食量遠低於蔬菜的食用量，是非常具有健康管理與生態保育的智慧。
圖7： 炭火上的烤肉色香味俱全（傅麗玉攝，2006）
n 參考資料
1. 古屏生（2011）。山裡來的健康原味。臺北：大寫出版社。
2. 左藤秀美（2004）。用科學方式瞭解「熱」的為什麼。臺北：大境文化。
3. 杉田浩一（2016）。料理好科學。臺北：馬可孛羅文化。
4. Robert L. Wolke （2015） 原著What Einstein Told His Cook 2。鄭煥昇、黃作炎和洪慈敏譯。料理科學。臺北：采實文化。
5. 美拉德反應，維基百科，https://zh.wikipedia.org/zh-tw/美拉德反應。[2016/6/17]
6. 丙烯醯胺，維基百科，https://zh.wikipedia.org/zh-tw/丙烯酰胺。[2016/6/21]
7. 達西烏拉彎.畢馬（田哲益）（2001）。台灣的原住民–泰雅族。臺北：臺原出版社。
氧化物、過氧化物或超氧化物與其化學猜謎 ／ 施建輝
星期二 , 21, 6 月 2016 第14期 / 2016年7月, 高中化學教學疑難問題與解題 在〈氧化物、過氧化物或超氧化物與其化學猜謎 ／ 施建輝〉中留言功能已關閉氧化物、過氧化物或超氧化物與其化學猜謎
施建輝
國立新竹科學園區實驗高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]
n 鹼金屬、鹼土金屬與氧氣反應的產物是氧化物、過氧化物還是超氧化物？
鹼金屬、鹼土金屬與氧氣反應時，能形成各種類型的氧化物，包括氧化物（oxide）、過氧化物（peroxide）或超氧化物（superoxide），表1是鹼金屬元素在過量的且乾燥的氧氣中燃燒的產物，可看到鋰生成氧化鋰（Li2O），鈉生成過氧化鈉（Na2O2）和部分超氧化鈉（NaO2），鉀、銣、銫分別生成超氧化鉀（KO2）、超氧化銣（RbO2）與超氧化銫（CsO2）。
鹼金屬、鹼土金屬與氧氣反應時，何時生成氧化物、過氧化物或超氧化物？同一種金屬元素可否在不同條件下生成氧化物、過氧化物或超氧化物？這三種類型的氧化物中，超氧化物O的氧化數為
，是一個分數，為何是分數？這些困擾高中化學教師多年的問題，筆者試著解析此一問題，希望提供教師們一個清晰的解釋。
n 氧離子（O2−）、過氧離子（O22−）與超氧離子（O2−）的電子組態與其氧化數
1. 氧原子的電子組態為1s22s22p4，氧離子（O2−）多了兩個電子，故其電子組態為1s22s22p6。以氧化鋰（Li2O）為例，這是一個離子化合物，由2個鋰離子（Li+）與氧離子（O2−）以離子鍵結合，在這個化合物中，O的氧化數為−2。
2. 氧分子（O2）依據價鍵理論，其結構具有雙鍵、符合八隅體法則（Octet rule），如圖1所示。根據這個結構而言，氧分子應該是逆磁性（diamagnetism）。但是若將液態氧通過磁場，卻發現其被磁場吸引，如圖2所示，表示其具有順磁性（paramagnetism），應該具有未成對的電子，也表示價鍵理論無法真實的呈現氧分子的電子組態，故必須改以分子軌域（molecular orbital）的理論才能解釋此一實驗結果。以分子軌域理論來看氧分子，其價電子之MO為(σ2s)2(σ*2s)2(σ2px)2(π2py)2(π2pz)2(π*2py)1(π*2pz)1，如圖3所示，可看到各有一個未成對的電子在π*2py與π*2pz，證實液態氧具有順磁性。
圖1：氧分子（O2）的結構符合八隅體法則
圖2：液態氧的順磁性實驗
（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Paramagnetism）
圖3：氧分子（O2）的分子軌域
3. 過氧化鈉（Na2O2）也是一個離子化合物，由2個鈉離子（Na+）與過氧離子（O22−）以離子鍵結合。過氧離子（O22−）為氧分子（O2）得到2個電子，其價電子之MO為(σ2s)2(σ*2s)2(σ2px)2(π2py)2(π2pz)2(π*2py)2(π*2pz)2。這2個電子由2個氧原子平分，每個氧原子得到1個電子，故過氧化物中O的氧化數為−1。
4. 超氧離子（O2−）為氧分子（O2）得到1個電子，其價電子之MO為(σ2s)2(σ*2s)2(σ2px)2(π2py)2(π2pz)2(π*2py)2(π*2pz)1。這1個電子由2個氧原子平分，每個氧原子平均得到 
個電子，故超氧化物中O的氧化數為
，這就是為何超氧化物的氧會有分數之氧化數的緣故。
n 鹼金屬、鹼土金屬的氧化物
1. Li和鹼土金屬在O2中燃燒生成氧化物，其反應如式[1]和[2]所示。
4Li + O2 → 2Li2O [1]
2M + O2 → 2MO （M為Be、Mg、Ca、Sr、Ba） [2]
2. Na與Na2O2反應，可得氧化鈉（Na2O），其反應如式[3]所示。
2Na + Na2O2 → 2Na2O [3]
3. K、Rb、Cs與硝酸鹽（MNO3）反應，可得氧化物，其反應如式[4]所示。
10M + 2MNO3 → 6M2O + N2 （M為K、Rb、Cs） [4]
n 鹼金屬、鹼土金屬的過氧化物
鹼金屬、鹼土金屬（除Be外）都能生成相對應的過氧化物，但是製備方法各異，敘述如下。
1. 過氧化鋰（Li2O2）：LiOH·H2O與H2O2反應，經減壓、加熱脫水製得，其反應如式[5]所示。
2LiOH·H2O + H2O2 → Li2O2 + 4H2O [5]
2. 過氧化鈉（Na2O2）：在除去二氧化碳（CO2）的乾燥空氣通入熔融鈉中，控制空氣流量和溫度，即可製得過氧化鈉（Na2O2），其反應如式[6]所示。
2Na + O2 → Na2O2 [6]
說明：過氧化鈉會與二氧化碳反應，生成碳酸鈉（Na2CO3）與氧氣，其反應如式[7]所示。
2Na2O2 + 2CO2 → 2Na2CO3 + O2 [7]
3. 其餘鹼金屬之過氧化物（M2O2）難以用製備過氧化鈉（Na2O2）的方式製得純過氧化物，因為這些過氧化物很容易進一步氧化為超氧化物（MO2）。其製備方式為在低溫下，通氧氣於這些金屬的液氨溶液中製得，其反應如式[8]所示。
2M + O2 
M2O2 （M為K、Rb、Cs） [8]
4. 過氧化鎂（MgO2）無法以Mg與氧氣反應獲得，只能在液氨溶液中製得，其反應如式[9]所示。
Mg + O2 
MgO2 [9]
5. 過氧化鈣（CaO2）的製備方式是先製得八水合過氧化鈣（CaO2·8H2O），再經脫水而得。八水合過氧化鈣的製備是以CaCl2·6H2O、H2O2、氨水為原料反應而得，其反應如式[10]和[11]所示。
CaCl2·6H2O + H2O2 + 2NH3 + 2H2O → CaO2·8H2O + 2NH4Cl [10]
CaO2·8H2O 
CaO2 + 8H2O [11]
6. 過氧化鍶（SrO2）與過氧化鋇（BaO2）則是以SrO和BaO與O2在一定條件下反應製得，其反應如式[12]和[13]所示。
2SrO + O2（2×107Pa） 
2SrO2 [12]
2BaO + O2（1×105Pa） 
2BaO2 [13]
n 鹼金屬、鹼土金屬的超氧化物
鹼金屬（除Li外）、鹼土金屬（除Be與Mg外）都能生成相對應的超氧化物，其製備方法敘述如下。
1. 通O2於Na、K、Rb、Cs的液氨溶液中製得，其反應如式[14]所示。
M + O2 
MO2 （M為Na、K、Rb、Cs） [14]
2. K、Rb、Cs於過量的O2中燃燒製得，其反應如式[15]所示。
M + O2（過量） → MO2 （M為K、Rb、Cs） [15]
3. 也可將加壓的O2和Na2O2在高溫下反應製得超氧化鈉（NaO2），其反應如式[16]所示。
Na2O2 + O2 (1.5 × 107 Pa) 
2NaO2 [16]
4. 超氧化鈣、超氧化鍶與超氧化鋇由相對應的過氧化鈣、過氧化鍶與過氧化鋇和H2O2在真空下加熱製得，其反應如式[17]所示。
MO2 + 2H2O2 
M(O2)2 + 2H2O （M為Ca、Sr、Ba） [17]
n 過氧化物與超氧化物的用途
1. 鹼金屬的過氧化物中，以過氧化鈉最常見也最實用。過氧化鈉與水或稀酸反應會生成H2O2，H2O2又可立即分解，其反應如式[18]~[20]所示
Na2O2 + 2H2O → H2O2 + 2NaOH [18]
Na2O2 + H2SO4 → H2O2 + Na2SO4 [19]
2H2O2 → 2H2O + O2 [20]
因此過氧化鈉可以做為氧化劑、漂白劑與供氧劑。
2. 超氧化物主要的用途是做為氧化劑與供氧劑。如果使用超氧化鉀充填在呼吸面罩中，能發生反應，其反應如式[21]和[22]所示
4KO2 + 2CO2 → 2K2CO3 + 3O2 [21]
4KO2 + 4CO2 + 2H2O → 4KHCO3 + 3O2 [22]
其反應釋放出的氧氣可供面罩配戴者呼吸。在特殊場合，例如礦坑、水面下、高山上或高空飛行等，這種特殊面罩是非常有用的。
n 化學猜謎的回顧與分享
高中化學在「氧化還原反應」這個單元中會提到氧化數的觀念，在氧（O）的部份，會介紹過氧化物與超氧化物，有學生會問：何時會生成過氧化物？何時會生成超氧化物？任課教師若沒有事先準備，還蠻容易被學生們當場考倒，筆者也遇過學生問起這個問題，一時之間確實無法清楚地回答學生的問題，後來翻閱幾本相關化學書籍，才對這個問題有比較清楚的概念。之後，陸續有其他教師問起這個問題，才決定撰寫這篇文章提供教師們參考。
一、化學猜謎：某一化學物質（兩個字）
筆者於化學的教學方面，曾開創「化學猜謎」的活動，兼具知識性、挑戰性與趣味性，進行方式以3~4位同學組成一組，以組為單位回答問題，答案寫在答案卷上，如表2所示。
表2：化學猜謎的答案卷
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題號 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
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第一個提示 |
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第二個提示 |
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第三個提示 |
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第四個提示 |
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「化學猜謎」的實施過程，每一謎底播放六張投影片，說明如下：
(1) 第1張投影片：謎底是某一化學物質，有兩個字，每一個題目有4個提示，如圖5上左所示；
(2) 第2張投影片出現第1個提示，如圖5上中所示，給各組20秒的時間討論，並將討論後的答案寫在答案卷中第1題的第1個空格，若不知答案為何，在該空格打「û」；
(3) 第3張投影片出現第2個提示，如圖上右5所示，同樣給各組20秒的時間討論，討論後，若覺得原先答案正確，則在第2個空格打「ü」，若覺得原先答案錯誤，則在第1個空格的答案上打「û」，並將正確的答案寫在第2個空格；
(4) 依此類推，第3個提示，如圖5下左所示；第4個提示，如圖5下中所示；謎底揭曉，如圖5下右所示。
(5) 給分原則：若每題10分，出現第1個提示答對者給10分，出現第2個提示答對者給6分，出現第3個提示答對者給4分，出現第4個提示答對者給2分，完全錯誤的不給分。
圖5：化學猜謎的題目設計原貌（上左）；第1個提示（上中）；第2個提示（上右）；第3個提示（下左）；第4個提示（下中）；謎底揭曉（下右）
二、化學猜謎：某一化學物質（四個字）
運用這篇文章的主題，設計化學猜謎的題目，如圖6所示。
圖6：化學猜謎的題目設計原貌（上左）；第1個提示（上中）；第2個提示（上右）；第3個提示（下左）；第4個提示（下中）；謎底揭曉（下右）
完成此一化學猜謎的題目後，本人會進行機會教育，告訴學生們化學藥品不是媒體的報導總是負面消息，它們其實是可以用來救人的。在礦坑工作的礦工經常面臨礦坑崩塌的危險，若礦場主人能珍惜為其工作的礦工的安全與寶貴的性命，應該要讓每位礦工攜帶裝有超氧化鉀的面罩進入礦坑，若真的不幸遇到礦坑崩塌，戴上這種特殊面罩，其內的超氧化鉀將會提供氧氣並吸收二氧化碳，提供的氧氣能讓礦工們呼吸並維持生命，吸收二氧化碳則避免二氧化碳濃度太高而窒息。因此，我會向學生們強調，今天大家學到的是一種神奇的化學藥品—超氧化鉀。
接著進行氧化數的教學，介紹超氧化鉀中氧的氧化數。經過這樣的教學安排，學生們的學習意願明顯的提高。
n 參考資料
1. 劉新錦、朱亞先、高飛編著，無機元素化學（第二版，2010），科學出版社。
2. 劉翊綸主編，基礎元素化學（第一版，1992），高等教育出版社。
3. 嚴宣申、王長富編著，普通無機化學（第二版，1999），北京大學出版社。
4. 宋其聖主編，無機化學學習筆記（第一版，2009），科學出版社。
《臺灣化學教育》第十三期（2016年5月）
目 錄
n 主編的話
u 第十三期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕
n 本期專題【專題編輯／洪振方】
u 化學探究教學／洪振方〔HTML｜PDF〕
u 化學探究教學：介紹一本化學探究的免費書籍—Inquiry in Action: Investigating Matter Through Inquiry／林靜雯〔HTML｜PDF〕
u 化學探究教學：融入綠色化學於化學探究課程設計（上）／周芳妃、張永佶、詹莉芬、陳祖望、繆慧娟、林依萱、王琳嘉、林采緹、鄭如芬〔HTML｜PDF〕
u 化學探究教學：融入綠色化學於化學探究課程設計（下）／周芳妃、張永佶、詹莉芬、陳祖望、繆慧娟、林依萱、王琳嘉、林采緹、鄭如芬〔HTML｜PDF〕
u 化學探究教學：引導國中生開發水災防治包專利作品的探究教學歷程／黃琴扉〔HTML｜PDF〕
u 化學探究教學：思考才是關鍵—探究蠟燭之蕊／林瑞文〔HTML｜PDF〕
u 化學探究教學：氧化還原反應的國中探究教學／林宣安〔HTML｜PDF〕
u 化學探究教學：家政教室裡的化學探究—饅頭大賽／鐘建坪、何建中〔HTML｜PDF〕
u 化學探究教學：淺談探究式教學在化學科展上的應用／曾鶯芳〔HTML｜PDF〕
n 教學教法／化學課程與教學【專欄編輯／施建輝】
u 武陵高中跨科選修課程：科學生活家／張明娟、李嘉芳、張美慧〔HTML｜PDF〕
n 教學教法／高中化學教學疑難問題與解題【專欄編輯／施建輝】
u 藍印術的另類實驗與探討檸檬酸根的反應／施建輝〔HTML｜PDF〕
n 化學實驗／微型化學實驗【專欄編輯／方金祥】
u 創意微型實驗—微型變色自來水裝置與在化學教學演示上之應用／方金祥〔HTML｜PDF〕
n 化學實驗／化學實驗含影片【專欄編輯／廖旭茂】
u 感熱紙的熱致作畫和酸鹼多段變色實驗／廖旭茂、黃家均、林群耀、廖心妍〔HTML｜PDF〕
n 評量測驗／化學競賽【專欄編輯／方金祥】
u 指導學生科學展覽和獨立研究的態度與方法／曾鶯芳〔HTML｜PDF〕
第十三期 主編的話
邱美虹
國立臺灣師範大學科學教育研究所教授
美國國家科學教學研究學會（NARST）理事長（President）
國際純粹化學與應用化學聯盟（IUPAC）執行委員會常務委員
中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員
[email protected]
提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決問題也許僅是一個數學上或實驗上的技能而已。而提出新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，卻需要有創造性的想像力，而且標誌著科學的真正進步。 愛因斯坦
於107年實施的12年國民基礎教育在總綱中指出，新課程應以素養導向、連貫統整、多元適性為主，國小強調「跨科統整」；國中自然科學以分科（生物、理化、地科）教學為主，跨科統整為輔；高中為分科教學（物理、化學、生物、地科），增加校訂必、選修課程。在高中必選修學分數與分配為部定必修12學分（全部高中生修習），其中包含物理、化學、生物、地科各2學分（合計8學分），〈自然科學探究與實作〉課程4學分，後者提供跨科統整與動手做、動腦想的學習機會。同時，部定選修32學分，含物理10學分、化學10學分、生物8學分、地球科學4學分。個人認為整體而言，自然科學必修學分從16學分降到12學分，12學分又分給四科，在高中一年級階段，每學科僅有兩學分，在這兩學分中，學生要完成修習四學科的基礎概念和實驗基本技能，方能在高中二年級的〈自然科學探究與實作〉的四個學分（上下學期各二）的課程中進行探究，以這樣濃縮的時數，又要馬兒好，又要馬兒不吃草，實在有點為難現場的科學教師。試想：若要在學校科學課程中落實探究與實作的活動並達到原來探究課程設計的初衷，教師必須在高一階段培養學生建構基礎的科學概念和進行探究所需的基本能力，高二必須要提供良好的探究與實作課程，再基於學生的背景知識與技能，提供適當的探究主題或問題以進行科學探究與實作活動與評量其成效，否則〈自然科學探究與實作〉的課程與教學，無異是緣木求魚，空有其名。反之，若能有好的配套措施（教師、教材、課程、評量等），真正落實探究與實作的科學課程，將危機轉為契機，我們可望在新的自然科學領域中透過師資培育提升自然科學教師的專業素養，並能培養出新一代具科學素養的學生（不分理工或人文社會），那國家的未來亦可藉此而更具競爭力。究竟探究課程在化學課程中要如何設計、學習表現應該是什麼才能彰顯這樣的課程是達到培養學生探究與實作能力的目標呢？此次本期專題便是以化學探究教學為主題，探討探究式教學如何可以落實在學校化學課程中。
本期專題領頭羊一文是由此次專題主編高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所洪振方所長為讀者展開此次專題的介紹，洪教授過去長期投入科學探究研究主題，在此領域有深厚的基礎。此次特別用心邀稿，其文章內容兼顧既有的資源介紹、課室教學、校本課程的研發、競賽等等議題，合計七篇文章，提供有意於研發與實施探究課程的化學科教師參考。
首先由東華大學課程與潛能開發學系林靜雯教授介紹一本由美國化學會（American Chemical Society）出版的化學探究教材免費書籍—Inquiry in Action: Investigating Matter Through Inquiry，內容從〈科學問題及其探究〉到化學的基礎概念，適合3至8年級學生（7-12歲）學習也可延伸到11-12年級的教學，端視教師如何規劃課程內容。作者以第一章為例，說明如何從調查研究之問題出發，到研究流程、預期結果、活動單、評量的設計，可做為教學模組設計的框架。
其次是我將其他文章分成三類：第一類是與生活主題相關的探究課程、第二類是從學科概念出發的探究課程、第三類是以科展為主的探究活動。第一類是兩篇與生活情境相關的探究課程文章，分別是由高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所黃琴扉助理教授撰寫的〈引導國中生開發水災防治包專利作品的探究教學歷程〉，其內容是在教學中融入環境問題本位學習（Environmental Problem-Based Learning, EPBL）的概念設計含有環境教育的教學模式；以及新北市立錦和高級中學（國中部）鐘建坪和何建中老師的〈家政教室裡的化學探究—饅頭大賽〉，讓學生從生活中的議題連結化學概念，使學生體會及認識生活情境中的化學，並透過活動發展學生的科學探究、反思、表達的能力。第二類有三篇文章是以學科本位出發而設計的探究課程，如臺北市立第一女子高級中學化學科周芳妃老師等人的校本課程〈融入綠色化學於化學探究課程設計〉，採取校內跨班選修探究式教學的化學課程，透過減量化學藥品培養學生發問、尋找變因、體會永續生態的重要性。其次是高雄市立左營國民中學林瑞文老師的〈思考才是關鍵—探究蠟燭之蕊〉，蠟燭燃燒現象是學校教學中常進行的實驗，簡單易執行的實驗過程，但要設計好的實驗引導學生思考並不容易，作者透過預測─觀察─解釋（Prediction-Observation-Explanation, 簡稱POE）的設計，激起學生使用先前知識、讓學生進行有目的的觀察與思考，再透過實驗蒐集證據，提出合理的解釋。如此循序漸進有系統的設計，可以讓學生集中注意力在自己學習內容的應用與反思。這一類的最後一篇文章是臺中市立長億高級中學（國中部）林宣安老師的〈氧化還原反應的國中探究教學〉，不願意學生失去探究科學的體驗機會，林老師透過課本的實驗引導學生進行邏輯思考與認識分析方法，並提供學生表達與提出自己想法與解釋的機會，再進一步驗證其所提出的想法，在有限的授課時間限制下，這不失為一可參考的實例。最後一篇也是屬於第三類的文章是由國立高雄師範大學附屬高級中學退休教師曾鶯芳老師撰寫的〈淺談探究式教學在化學科展上的應用〉，科展活動一向是最能展現科學探究歷程的一種科學活動，但也通常容易流於菁英教育，曾老師從四人科展小組的個案出發來介紹探究活動的進行歷程，並以個人的經歷談起如何推展出探究活動、帶領學生進行科展主題與問題的選取與驗證，但也於文末說明該校現行所有高一新生皆需參與科展的製作，且專業教師或教授會提供輔導，我想這樣的在全校展開全面普及科學探究活動的做法，才是有教無類、提升所有學生思考知能、問題解決、依據證據下結論的能力的培養。
最後，本期常態性專欄文章有國立武陵高級中學張明娟老師等人的〈跨科選修課程：科學生活家〉，其中非常特殊的是此課程結合化學、家政、國文三個學科的教師共同發展出的協同教學內容，其中包括(1)手工豆腐、(2)手工肥皂、(3)食用油的應用與檢驗的三大主題課程。不僅學習內容整合，且跨科教師的協同合作模式，更可供未來發展跨科的探究與實作課程之參考。國立新竹科學園區實驗高級中學施建輝老師的〈藍印術的另類實驗與探討檸檬酸根的反應〉，並介紹其他老師所使用的藍印術方式，施老師有進一步分別加以評析不同的實驗，對進行普魯士藍實驗的限制與其可行性；若要實施，亦可根據學校的經費與設備加以評估適用的實驗。其次，創意微型科學工作室方金祥教授介紹的〈微型變色自來水裝置與在化學教學演示上之應用〉，結合大氣壓力和虹吸現象與酸鹼中和反應對微型水龍頭流出之水進行酸鹼實驗之顏色變化的觀察。再者，國立大甲高級中學廖旭茂老師等人的〈感熱紙的熱致作畫和酸鹼多段變色實驗〉，該實驗演示是利用烙鐵，熱風槍以及指甲油瓶的酸與鹼溶液將傳真紙的特性及反應發生的原理加以介紹，並說明若有傳真紙塗層中可能存在發展劑─雙酚A，此化合物可透過勤洗手清除，但不可用乾洗手液，以避免導致吸收了雙酚A。最後一篇是國立高雄師範大學附屬高級中學（退休教師）曾鶯芳老師以其豐富的科展經驗再度將其個人如何帶領學生進行科展的歷程與成果分享給本期刊讀者，大家可一睹為快。