臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan綠色化學創意競賽：臺灣師大附中學生設計微量的沉澱實驗 ／ 廖靜宜、王威傑、周秉滽
星期六 , 11, 7 月 2015 本期專題, 第8期 ／ 2015年7月 在〈綠色化學創意競賽：臺灣師大附中學生設計微量的沉澱實驗 ／ 廖靜宜、王威傑、周秉滽〉中留言功能已關閉
綠色化學創意競賽：
臺灣師大附中學生設計微量的沉澱實驗
廖靜宜*、王威傑、周秉滽
國立臺灣師範大學附屬高級中學
*[email protected]
n 參加活動緣起
我（通訊作者）從事教職滿20年，希望學生將化學學習當作是一件有趣的事，而化學實驗的進行就是最能夠引起學生興趣的方法之一。尤其是擔任學校數理資優班的化學老師及專題研究老師，除了化學知識的加深加廣，訓練基本的實驗操作和積極安排各項實驗，都是兩年的專研課程中很重要的一環。不管是課本內的實驗，或者是從期刊和網路上所搜尋到的有趣實驗，都是每周四下午在化學實驗室中例行事務，這是學生和我自己最期待的課程。而課程中所學習到的內容，漸漸累積以後，就開始積極參加一連串的科學競賽、科學展覽……。學生參與科學競賽過程之中，必須了解實驗原理並設計實驗，再針對實驗過程所遇見的各樣問題找出解決之道，這樣的訓練，除了培養分工合作的團隊精神，並且能夠影響學生未來的重要能力，絕非紙筆測驗所能達成！
去年參加了北一女中所舉辦的綠色化學研習會，會中介紹了幾個關於綠色化學的重要概念，以及對於高中化學實驗減毒、減量的改良，化學和環保結合的概念感到相當有趣，在主辦單位大力宣導第一屆「綠色化學創意競賽」活動開跑下，於是找了幾位高一數理資優班剛剛分組，選擇了化學專研的學生，開始做這樣的活動。
n 從實驗手冊讀起到喜獲支援
學生一方面從高中的實驗手冊開始讀起，一方面尋找網路上可參考資料，經過討論，組成了五個小組接受了這樣的挑戰。這五個題目居然很幸運地有三件通過了初審，到國立臺灣師範大學化學系進行複審報告，算是在數資班化學專研的第一場正式校外競賽。
最後獲得銀牌獎的這一組學生，其實最要感謝的是臺灣大學化學系，在訓練數理資優班的課程上，我參考了台大的普化課程，並且請益臺灣大學化學系的佘瑞琳老師，佘老師的願意傾囊相授實驗技巧，還願意借用藥品給我們，獲得相當多的支援。學生靈活巧妙地在這個實驗上展現出綠色化學的重要意義，最後還能在頒獎的會場上有條理地介紹這次的作品設計跟大家，讓我真正覺得我是以學生為榮，看到學生能在科學領域上的成長並受到肯定，對我來說是最大的喜悅！
n 設計理念與改良
一、 得獎作品
l 作品名稱：溶解度法則實驗之減量。
l 參賽學生：王威傑、周秉滽；指導教師：廖靜宜。
l 得獎名次：高中組綠色化學（減毒減量）創意競賽銀牌獎。
二、 設計理念
在高中的化學實驗課程中，學生需要熟記沉澱表才能夠在「化學尋寶」這類實驗題材解題，這個實驗涉及陰、陽離子的沉澱反應和鑑定分析，有助於刺激學生活用既有的化學知識，並培養學生分析和解決問題的能力。在高中化學或是國中科學奧林匹亞的國手訓練營中，也常將「化學尋寶」和離子鑑定分析列為培訓課程。「離子沉澱反應」是現行高中課綱中《基礎化學》的應修內容，103學年度以前，編於《基礎化學（一）》，屬於學科能力測驗自然科第一部分之命題範圍。自103學年度起，因應課綱微調，編於《基礎化學（二）》，屬於學科能力測驗自然科第二部分之命題範圍。回顧歷年的學測自然科試題，「離子沉澱反應」出現的頻率相當高，單題或題組型式都有，測驗的內容不限於基礎知識，透過命題者的巧思，不僅測驗考生基本的科學知識和概念，進而測驗考生分析、應用與推理的能力。
每次上課講到沉澱表，總是希望學生能夠先將它背熟，但學生覺得背這樣的表是一件非常痛苦的事，有些老師會利用口訣來幫助學生記憶，但是還是很容易忘記，不如利用實驗讓學生們能夠眼見為憑，增加印象讓沉澱表更加容易記憶。不過此實驗不僅要耗費大量的藥品，實驗後還需要清洗大量的試管（見圖一），所以我們希望設計微量卻又可以清楚觀察離子沉澱的實驗！
圖一：常見的沉澱物（取自照片）
（圖片來源：翰林版基礎化學(二)課本第一章p. 14）
三、 設計的目的和過程
（一）設計目的
本實驗的設計目的：(1)減少實驗產生廢液，(2)減少需要清洗容器之數量，(3)減少實驗所需空間。
（二）研究方法（見圖二）
(1) 配製各類的金屬陽離子硝酸鹽溶液（例如硝酸鉀、硝酸銀等）
(2) 配製各類的陰離子鈉鹽溶液（例如氯化鈉、硫酸鈉等）
(3) 舊方法與新方法的觀察與比較。
圖二：研究方法概念圖
（三）研究過程
A. 原課本實驗步驟
1. 配製各種陰陽離子的溶液，濃度皆為1 M，分別如圖三和圖四所示。
圖三：陰離子溶液
圖四：陽離子溶液
2. 在試管內，混合各類的陰離子溶液與陽離子溶液，觀察沉澱並記錄，如圖五和圖六所示。
圖五：先使用原方法並測定廢液的產生量。
圖六：觀察並記錄產生沉澱的結果
3. 實驗完成後整理、清洗器材。
B. 新設計實驗步驟
1. 事前繪製備表格沈澱表格並影印，放在透明投影片上。
2. 配製各種陰離子和陽離子的溶液，濃度皆為1 M。
3. 以滴管吸取各種陰離子和陽離子溶液。
4. 按順序，每空格分別滴加一滴的陰離子和陽離子溶液在透明投影片上，如圖七所示。
圖七：以滴管吸取溶液滴於繪有表格的投影片上
5. 觀察沉澱反應的情形，並記錄，如圖八所示。
圖八：沉澱反應的情形（左圖用白底，右圖用黑底）
6. 實驗完成後整理、清洗器材。
（四）研究結果
沈澱法則實驗採用傳統方式以試管作為反應容器，其總廢液量為357.0 mL。採用創新的方法以投影片作為反應場所，總廢液量僅為3.0 mL。綜合以上，廢液量減少99%，如圖九所示。
圖九：傳統方式的廢液量（357.0 mL，圖左四量筒）；創新方法的廢液（3.0 mL，圖右的量筒）
n 參賽學生心得
我是溶解度法則改良實驗的作者之一，周秉滽。一開始，我們（第二和三作者）做這個實驗只是因為段考的範圍就是溶解度法則；固體物質置入水中，有些會溶解，有一些則會沉澱，而溶解與沉澱並沒有像週期表一樣那麼有規則性，對初學者的我們而言，要把沉澱表規則背熟，真的是非常困難。為了幫助記憶，老師會有一些有趣的口訣，我們學校自然科老師團隊也開發並完成手機App、電腦遊戲、音樂MV，然而就算我們知道這些東西會沉澱，而且知道是什麼顏色的，在記憶時仍然會混淆。所以化學老師決定要把學生帶進實驗室讓他們親眼觀察，他們認真的做出紀錄實驗的表格，讓學生理解整個實驗。可是進到實驗室前的大量不同種類的陰陽離子藥品的配製，還有實驗結束後更嚴重的問題，就是廢棄藥品的處理，這些困難點都是讓學校老師不想進行這個實驗的考慮因素。
我們做了實驗後，清洗實驗時使用的大量試管以及處理實驗後產生的大量廢液，才讓我們真正體會到為何這個實驗化學老師通常不會帶學生到實驗室親自體會。以我們從實驗室找到的藥品來說，九種陽離子、七種陰離子組合的結果總共有63種，另外還需要加上陽離子以及陰離子的對照組，因此所使用的試管總數為63支 + 9支 + 7支= 79支，以一支滴管大約可吸取3 mL液體來計算，產生的廢液大約是[63 × (3 + 3)] mL + [9 × 3] mL + [7 × 3] mL = 426 mL，一個高中的化學實驗室，一桌可坐4人，每桌一組實驗器材，一個班大約40人，所以這樣產生的廢液量大約4260 mL，已經超越4公升。
既然問題的根源來自於這大量的廢液，那就從廢液減少做起。想起高一時的專題研究課程中，化學老師曾經參考台大化學系普通化學實驗中的一個簡易實驗（詳見台大普通化學實驗課本沉澱規則及酸鹼指示劑），用滴管吸取過量的溶液會造成大量的廢液，如果沉澱反應明顯的就算只有一滴也能清楚觀測，那就只用一滴就好，所以我們特製以有實驗表格的透明片作為反應場所，只要A4大小的一片就能夠取代大約80支試管的功能，而且清洗也相對簡單許多。
以上就是我們作品的完整理念，很慶幸能夠以這樣的改良實驗得到銀牌獎的殊榮，我想從這個實驗我們可以得到一個重要的啟示，就是其實綠色化學的願景並沒有想像中的困難，只要多花一點腦筋，就可以把原本製造的大量廢液壓縮到只剩下1/119，期待未來可以利用這類的實驗低成本的微量實驗讓學生融會貫通課綱所要表達的觀念。
n 結語
綠色化學競賽能夠給學生一個發揮創意以及學習團隊合作的機會，對指導老師而言，則多了一次學習以及觀摩的機會，看到其他得獎隊伍的發表，能夠激勵自己更加努力去尋找實驗的創新與改良，在比賽之前的綠色化學研習會，更是提供了許多老師集體努力研發的成果，這些都是讓我在化學領域上不斷成長的機會。
綠色化學創意競賽：光華高中學生改良電解水實驗方便觀察離子移動 ／ 陳恆毅、陳怡仁、周育柔、陳冠綺、林千程
星期四 , 9, 7 月 2015 本期專題, 第8期 ／ 2015年7月 在〈綠色化學創意競賽：光華高中學生改良電解水實驗方便觀察離子移動 ／ 陳恆毅、陳怡仁、周育柔、陳冠綺、林千程〉中留言功能已關閉
綠色化學創意競賽：
光華高中學生改良電解水實驗方便觀察離子移動
陳恆毅*、陳怡仁、周育柔、陳冠綺、林千程
臺南市立光華高級中學
*[email protected]
n 參賽緣由
自從我（通訊作者）從事教職以來，引導學生將所學知識應用在實驗上，就是我的教學理念之一。為此，即便課務繁忙，我仍積極帶領學生組隊參加各項科學競賽，包括遠哲科學趣味競賽、化學創意闖關比賽、思源科學創意競賽、科學展覽等。每次學生參與科學競賽，我指導他們親手設計並操作實驗，並針對實驗過程所遇見的各樣問題找出解決之道，這正是影響學生未來的重要能力，絕非紙筆測驗所能達成！
某次看到綠色化學創意競賽的宣傳海報，對於結合化學和環保的概念感到相當有趣，於是找了幾位高二多元智慧班的學生進行討論，並決定要設定題目來進行研究。學生很有意願接受挑戰，同時我們也覺得這是一個很有意義的活動。從一開始的實驗取材我們就選擇天然材料，並且以可以重複使用的設備作為實驗器材。如此，綠色環保的口號，便能在生活和教學中落實。
n 激發學生潛能
此次參賽的學生來自光華高中的特色班級—多元智慧班，在一般的學業課程之外，另有特色課程「自主學習」、「數位學習」、「創意課程」，課程以專題導向式學習為基礎的學習（project-based learning, PBL）方式進行，故能激發學生的學習潛能，使入學成績PR值不如明星高中的學生，仍能在各項競賽與全國好手同台。這次，綠色化學組隊的學生能和全國名校學生一起切磋學習，甚至一起上台領獎，對學生來說是很重要的一次成功經驗。
我在帶領學生過程中有很深的感觸，如果老師能看到學生課業以外的多元能力，並給予學生機會、養分，學生會有自主積極的學習行為，不但在多元智慧班的自主課程時間進行實驗，還願意主動利用自己晚上跟假日時間留校把實驗完成，在這當中也學習到時間管理的重要性。一開始雖然要花以較多時間帶領學生去討論、設計實驗、注意實驗安全等等，不過只要學生學習到這套科學方法，之後就可以自己設計實驗、購買材料、配製藥品、進行實驗、結果分析…。看到學生能在動手做科學上獲得成長與成就，常常對自然科學產生更大的興趣，就會對這些學科花更多時間去研讀，另一方面學科成績上也有顯著的進步！看到學生除了在自然學科成績上有所成長，更對動手做實驗有實務的經驗，我覺得這才是完整的科學教育，能讓我有更多的能量與熱情再去帶領學生學習！
n 設計理念與改良
一、 得獎作品
l 作品名稱：觀察離子移動情形—以紫色高麗菜為指示劑改良電解水實驗。
l 參賽學生：周育柔、陳冠綺、林千程；指導教師：陳恆毅、陳怡仁。
l 得獎名次：高中組綠色化學（減毒減量）創意競賽銅牌獎。
二、 設計理念
高中的化學實驗課程中介紹到電解水實驗，電解時觀察正極產生的氫氣和負極產生的氧氣；之後分別取出兩極附近的液體，再以酸鹼指示劑（石蕊試紙、酚酞指示劑、廣用指示劑…）檢驗其酸鹼性。不過此作法只能知道靠近兩極端的酸鹼性，並無法觀察到離子移動的狀況。我們希望設計一種可以觀察電解水時離子移動狀況的實驗！
在實驗器材和藥品方面，我們希望使用的是對環境沒有汙染的紫色高麗菜當作天然酸鹼指示劑，洋菜粉用來當作水溶液瞬間「凍結」起來的材質，導電材質是可反覆使用的惰性電極—石墨！本實驗所使用的器材都是日常生活用品在超商中就可以買到，而且操作簡單，試藥用量甚少，不具危險性。本實驗能達到教學的實驗目的，並符合綠色化學原則，落實永續教育的目標！
三、 涉及的原理和概念
常見的電解水實驗，如圖一所示：電解的產物在陽極（+）產生氧氣且周圍的液體呈現酸性，如[1]所示；在陰極（–）產生氫氣且周圍的液體呈現鹼性，如[2]所示。
陽極（+）：2H2O(l)→ O2(g) + 4H+(aq) + 4e– [1]
陰極（–）：2H2O(l) + 2e–→ H2(g) + 2OH–(aq) [2]
圖一：常見的電解水裝置
利用天然的紫色高麗菜汁作為指示劑，高麗菜汁加到煮沸後的洋菜粉溶液，菜汁和洋菜粉溶液混合成果凍狀的固體，在此狀況下，混合的溶液不會再流動；陽極電解時產生的H+會往陰極移動，陰極電解時產生的OH–會從往陽極移動，由指示劑的顏色可觀察到兩者會在中間相遇；依果凍狀的菜汁顏色改變，透過紫色高麗菜的顏色與酸鹼值對照表（見表一），很容易得知電解水過程中的酸鹼值變化，如此即可觀察水中H+、OH–移動的狀況。
表一：紫色高麗菜的顏色與酸鹼值對照表
|
pH |
1-2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9-10 |
10-11 |
11-13 |
13↑ |
|
顏色 |
紅 |
粉紅 |
粉紫 |
淡藍紫 |
藍紫 |
紫青 |
青綠 |
翠綠 |
草綠 |
黃綠 |
深黃 |
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圖示顏色 |
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四、 實驗過程
（一）製作含紫色高麗菜汁的洋菜果凍
1. 秤取50 g的紫色高麗菜，撕碎並倒入果汁機中，再倒入50 g的水，搖動果汁機以確保每片紫色高麗菜都有切碎，進行榨汁。取出後倒入濾布，擠出其汁液，再使用濾紙二次過濾。
2. 取1克的洋菜粉和44克水放入保鮮盒中，微波50秒製作成果凍溶液，如圖二（左）所示；在其凝固前倒入各5 mL的紫色高麗菜汁和1 M硝酸鉀溶液，並使用玻棒攪拌，以減少氣泡的產生，放置常溫待其凝固，再放入冰箱保存，即完成果凍。
3. 為方便事後的電解，裁切相同大小成為長4 cm、寬1.6 cm、高1.5 cm，如圖二（右）所示。
圖二：濾液到入保鮮盒中（左）和裁切含紫色高麗菜汁的洋菜果凍（右）
（二）電解水反應裝置和操作方法
1. 本實驗所設計的電解水反應裝置，包含鉛蓄電池（12 V）、含紫色高麗菜汁的洋菜果凍等，如圖三所示。
圖三：電解水反應裝置
2. 用削鉛筆機削尖石墨棒，如圖四（左）所示，以尖端插入含紫色高麗菜汁的洋菜果凍兩端內0.5公分，進行電解，如圖四（右）所示。
圖四：石墨棒削尖（左），方便插入含紫色高麗菜汁的洋菜果凍內（右）
3. 開始電解並計時，如圖五（左）所示，直到正極和負極電解產生酸和鹼而使得紅色和黃綠色完全交會時才停止電解，並計算電解完成所需時間，如圖五（右）所示。
圖五：開始電解並計時（左），紅色和黃綠色完全交會時才停止電解的時間（右）
4. 每次電解結束後，必須充電鉛蓄電池，並在每次電解前確認鉛蓄電池充飽。
（三）電解實驗影片
影片網址：以紫色高麗菜為指示劑改良電解水實驗，https://www.youtube.com/watch?v=u_yyzaOBGnw, YouTube.
（四）比較不同濃度的電解質對電解的影響
1. 使用定量瓶，配製2 M、3 M、4 M的KNO3溶液。
2. 在三個保鮮盒裡都分別配製含紫色高麗菜汁的2%洋菜粉溶液，然後分別在三個保鮮盒加入5 mL的2 M、3 M、4 M的KNO3溶液後均勻攪拌，放置常溫待其結成凍，如圖六所示。
圖六：含紫色高麗菜汁的洋菜果凍之不同濃度的KNO3，4 M（左）、3 M（中）、2 M（右）
3. 結成果凍後，從保鮮盒取出，用刀片切成長4 cm、寬1.6 cm、高1.5 cm。
4. 開始電解並計時，電解產生酸和鹼直到正極和負極的紅色和黃綠色完全交會時才停止電解，並計算電解完成所需時間。
5. 觀察變化情形，並比較不同濃度的電解質對電解的影響。
五、 實驗結果與討論
比較不同濃度的電解質對電解的影響，如表二所示
表二：比較不同濃度的電解質對電解的影響
|
濃度 |
1 M |
2 M |
3 M |
4 M |
|
碰觸時間 |
7分 |
6分46秒 |
6分08秒 |
5分48秒 |
|
對電解影響 |
時間較長
未產生煙霧 |
時間稍長
產生煙霧 |
時間稍長
產生煙霧 |
時間較短
產生煙霧 |
實驗結果發現，提高濃度對電解效率只有些微增加，卻造成煙霧的副作用，因此是以1 M KNO3是最佳的實驗條件。1 M的KNO3之所以不會產生煙霧是因為KNO3濃度在電解過程中其劇烈程度還不至於會產生煙霧，而2 M、3 M、4 M的KNO3因反應過於劇烈會產生煙霧。再者，在電解時反應太過劇烈而造成碳棒上脫落成為碳粉。
本改良電解水實驗可以利用紫色高麗菜的顏色變化，觀察到水中H+、OH–移動的狀況！實驗結果顯示紫色高麗菜以榨汁法和2%洋菜粉濃度為電解最佳的條件。在添加電解質實驗中以1 M的KNO3效果最佳，在改變電壓實驗中以12 V電解效果最好；電解時間從18分→7分，大幅提升電解效率，解決耗能疑慮。
本實驗使用的器材和藥品為紫色高麗菜、洋菜粉和石墨，實驗操作時間短，而且試藥用量少危險性低，不僅能讓學生有安全的學習環境，並符合綠色化學原則，落實永續教育的目標！
n 參賽學生心得
一、參與契機
剛接觸到綠色化學創意競賽時，我們（第三～五作者）都想不到原來這次的經驗遠比我們想像的還要寶貴。與老師討論研究題目時，還不是很熟悉電解的我們，對於許多概念和想法通常是一知半解，不過我們非常感謝指導老師的耐心引導，帶領我們慢慢步入正軌，開啟這段研究之路，並且讓我們解開許多未知的謎題。
二、瓶頸難題
從一開始進入實驗步驟時，對於實驗室和器材使用上都還不是很熟悉，連基本的設計實驗都是老師按部就班的教導，才讓我們有所進步，過程中花費了許多的時間留校做實驗、經歷了無數次的失敗，我們才漸入佳境；慢慢的我們對這些實驗也有所想法，自己用心投入，設計實驗、操作實驗器材和藥品、完成實驗，並試著對實驗結果和數據提出說明解釋。
三、成功喜悅
在實驗室裡實行了數十次的實驗，第一次成功的時候，那種成就感是無法形容的，一瞬間感覺所有的辛苦和努力都有了回報，不過好結果總是匆匆消逝，接下來的實驗並沒有想像中的順遂，那次的成功如夢一般，與往後數次的實驗呈現強烈的對比，實驗結果都沒達到預期的好，進度變得很慢；但我們嘗試找出問題所在，然後進行改良之後，抓出一套成果最好的比例，將製成果凍的方法訂定一套標準作業程序（standard operation procedure，常縮寫並簡稱為SOP），才使我們的實驗有了大幅度的前進。
至實驗尾聲，我們如所願的達成了我們訂定的目標，而在過程中我們也意外的獲得其他的實驗結果。我們能從一個看似簡單的實驗，延伸出許多料想不到的成果，那是當初我們無法預料到的，也可能是另一個科學研究的新主題，我們也很樂見這樣的小插曲，這是完全不一樣的學習經驗。
四、競賽報告
在聽到競賽初審通過後，我們和老師都是極其興奮，但我們的憂慮也悄悄在心中上升，尤其對於上台簡報都會心生畏懼，經過好幾次的演練、計時，矯正許多咬字和說法，還有老師們給予我們的提點與指導，感覺自己的狀態越來越好，才漸漸放下心中的那顆大石頭，對上台簡報也越來越有信心，等到決賽那天，我們也能勇敢的打開了背後坐滿評審教授的那扇門。
五、得獎心情
銅牌！這是偌大的喜悅啊！感覺之前所做的努力都苦盡甘來，這是我們和老師一起贏得的榮耀，在領到獎狀和獎牌的那一刻更是令人富滿成就感，不禁感謝這些研究歷程中幫助過我們的人，還有學校的支持；也就是因為有老師和同學們的共同努力，才讓我們嚐到這顆勝利的果實。
n 結語
本實驗設計的電解水實驗，的確可以觀察電解水時離子移動情形的實驗方法！而且本實驗所使用的藥品與器材都是很安全且試藥用量甚少，並符合綠色化學原則，能達到教學目的，進而往綠色化學邁進！落實永續教育的目標！
n 參考資料
1. 蔬果變色－天然酸鹼指示劑，http://www.shs.edu.tw/works/essay/2012/02/2012022314332957.pdf。
2. 以紫色高麗菜為指示劑改良電解水實驗之研究，http://www.shs.edu.tw/works/essay/2009/04/2009040223250241.pdf。
3. 硝酸鉀，維基百科，http://zh.wikipedia.org/wiki/硝酸鉀。
4. 電解，維基百科，http://zh.wikipedia.org/wiki/硝酸鉀。
5. 下世代能源材料–石墨烯，物理雙月刊，33期2卷，2011年4月，頁178。
6. 石墨烯於超級電容之應用研究，新新季刊，第42卷第1期，業3521。
綠色化學創意競賽：中和高中學生改良有毒的高錳酸鉀實驗 ／ 陳欣怡、陳芊君
星期三 , 8, 7 月 2015 本期專題, 第8期 ／ 2015年7月 在〈綠色化學創意競賽：中和高中學生改良有毒的高錳酸鉀實驗 ／ 陳欣怡、陳芊君〉中留言功能已關閉
綠色化學創意競賽：
中和高中學生改良有毒的高錳酸鉀實驗
陳欣怡*、陳芊君
新北市立中和高級中學
*[email protected]
n 教師教學反思
學生常常問我（通訊作者）：「為什麼要學化學？」，我起初總是回答：「生活上有許多可以用到化學的地方，你學好之後就可以好好應用。」但，每次上課學生總會問說：「老師，這題會不會考？」；「老師，這個要不要背？」；「老師，我們來考前猜題好不好？」…，這些問題讓我明白：「他們還是不懂學化學的功用和愉快」。因此，我嘗試在課堂上與學生討論時事，讓他們可以更加了解生活上的應用；把課本的實驗改變，讓他們方便了解原理與操作；設計專題課程〝新聞中的科學〞報告，除了讓學生們可以把所學的科學原理應用到生活上，更可以讓他們增加思考能力。另外，我也積極帶領學生組隊參加各項科學競賽，包括化學創意闖關比賽、旺宏科展、科學展覽、清華盃高中化學學科能力競賽…。透過這些活動，除了可以讓他們擴展視野之外，在競賽過程所遇見的各樣問題，透過彼此互相討論和搜尋資料尋找解決之道，而所有的過程是為了讓學生明白：學習應用的能力才是重點，而不是考試的分數！
n 師生參與過程
於學校的網頁上看到「綠色化學創意競賽」的活動訊息，深感化學和環保作結合的概念是十分重要的，我們每次進行化學實驗時，除了學習知識和技能之外，可以為環境做些事，讓地球永續發展更是重要。於是找了我任教的高二科學班的學生進行討論，科學班的學生，在〝專題課程〞中，除了有各種實驗進行之外，還有新聞中的科學報告（見圖一）和校慶成果發表（見圖二和圖三）等。此專題課程的目標，除了訓練基本的實驗能力和加深加廣的課程之外，還期待他們能透過實驗學習研究精神與良好的研究態度；透過上台報告學習投影片製作能力、訓練台風與欣賞批判的能力；透過校慶的科學班成果發表，學習自己籌辦活動能力與知識分享和對週遭環境的關懷。這一切都是希望學生們不再只侷限於紙筆的學習，處處斤斤計較於分數與漠視環境的破壞。而是能夠讓學生能「學會各種能力，貢獻所學，熱愛自然與科學。」
圖一：專題課程—新聞中的科學報告
圖二：專題課程—校慶成果發表盛況
圖三：專題課程—校慶成果發表海報
我在帶領學生的過程中，最讓我有感的事不是找尋主題和設計實驗，而是最後決定方法和理論結果後，開始驗證自己的推論，在實驗過程中芊君同學（第二作者）並不是很順利，而她總能非常有毅力與耐心地把問題一一化解，看到學生在實驗中實事求是的態度、百折不撓的研究精神與不求回報的決心，我自嘆不如，而看到她的努力研究終於獲得肯定，更是替她開心。但最開心的是：她得獎的心態，雖然她沒能上台報告，但在台下她卻能與不認識的同學們交流分享彼此的實驗。我知道，我們未來又多了一位人才！更是期待，她未來可以在她自己的領域發光發熱。
n 設計理念與改良
一、得獎作品
l 作品名稱：踏破「鐵」鞋無「錳」處，得來全是環保術。
l 參賽學生：陳芊君；指導教師：陳欣怡。
l 得獎名次：高中組綠色化學（減毒減量）創意競賽銅牌獎。
二、 設計理念
在現今環保意識高漲的時代，化學常被認為是不環保的、危害環境和傷害身體健康的，這種刻板印象導致許多人聞〝化學〞色變，而這樣的競賽，讓我們學習思考如何保護環境和認識正向的化學。
因此，在選擇要改良哪一個高中課本實驗時，我（第二作者）思考許久採用老師的提議改良「過錳酸鉀滴定草酸鈉」實驗，這是選自高三選修化學上氧化還原的教材，此實驗的目的是用來教導學生利用氧化還原滴定，求未知物濃度或含量。原課本實驗為：利用已知濃度的過錳酸根離子在酸性下與未知濃度的草酸根離子發生氧化還原，達到當量點時，在計算未知濃度的草酸根離子濃度。既然是用來教學，那麼對環境以及操作者本身危害大的錳離子應該被替換，從原本實驗的過錳酸根離子改為鐵離子。此一改良降低了反應物的毒性，也因實驗的改良而消失，大大的降低了整個實驗的毒性。在查閱電位表之後，決定「使用常見且危害性小的鐵離子代替錳離子」。
三、 涉及的原理和概念
此反應中，草酸根離子會失去兩個電子，而鐵三價離子會得到一個電子，反應式如式[1]所示。藉由「氧化還原的得失電子莫耳數會相等」的關係，能列出關係式[2]：
[1]
氯化鐵濃度 × 氯化鐵體積 × 1 ＝ 草酸鈉濃度 ×草酸鈉體積 × 2 [2]
並且藉由關係式[2]，算出未知的草酸濃度。
以碘作為指示劑，當達到當量點時，多餘的Fe3+與I–發生反應形成碘分子，與洗米水中的澱粉當作指示劑，產生藍黑色錯合物。
四、實驗過程
實驗的概要裝置圖如圖四所示。
圖四：實驗概要裝置圖
本實驗的詳細過程如下：
改良一：過錳酸鉀溶液更換為氯化鐵溶液
1. 配製未知濃度的FeCl3溶液：秤取3.25克的FeCl3倒入燒杯中，再加入少許的蒸餾水使溶解。溶解後倒入1000.0 mL容量瓶中，加蒸餾水至刻度線為止。
2. 用此溶液潤洗滴定管，並置入滴定管中。
3. 配製0.0500 M Na2C2O4洗米水標準溶液（以洗米水當溶劑並當指示劑）：秤取1.675克的Na2C2O4倒入燒杯中，再加入少許的蒸餾水使溶解。溶解後倒入250 mL容量瓶中，加蒸餾水至體積250mL為止。
4. 於錐形瓶內置入5.0 mL的0.0500 M Na2C2O4洗米水溶液和0.350 g的KI。
5. 置入一支溫度計，並放置錐形瓶在恆溫水槽中，加熱至80℃。
6. 讀取在滴定管內FeCl3溶液的初讀數。開始滴定，達滴定終點時，溶液成深藍色。讀取FeCl3在滴定管內的末讀數。
7. 重複以上步驟五次後，算出五次實驗所使用的FeCl3劑量。
8. 算出五次實驗所得的FeCl3濃度，求其平均值。
改良二：降低溫度
1. 與改良一的步驟1~4相同。
2. 置入一支溫度計，並放置錐形瓶在恆溫水槽中，加熱至70℃、60℃、50℃、40℃。
3. 重複與改良一的步驟6～8。
改良三：降低草酸鈉溶液的濃度
1. 與改良一的步驟1~2相同。
2. 配製0.0250 M Na2C2O4洗米水標準溶液（以洗米水當溶劑並當指示劑）：取50 mL配製好的0.0500 M Na2C2O4，倒入100.0 mL容量瓶內，加蒸餾水至刻度線為止。
3. 於錐形瓶內置入5.0 mL的0.0250 M Na2C2O4洗米水溶液和0.350 g的KI。
4. 置入溫度計，並放置錐形瓶在恆溫水槽，加熱至50℃。
5. 重複與改良一的步驟6~8。
改良四：草酸鈉溶液改為草酸溶液
1. 與改良一的步驟1~2相同。
9. 配製0.025 M H2C2O4洗米水溶液標準溶液（以洗米水當溶劑並當指示劑）：秤取0.225克的H2C2O4倒入燒杯中，再加入少許的蒸餾水使溶解。溶解後倒入100.0 mL容量瓶中，加蒸餾水至體積100mL為止。
2. 於錐形瓶內置入5.0 mL的0.0250 M H2C2O4洗米水溶液和0.350 g的KI。
3. 置入一支溫度計，並放置錐形瓶在恆溫水槽中，加熱至50℃。
4. 重複與改良一的步驟6~8。
改良五：減少碘化鉀的使用量
1. 與改良一的步驟1~2相同。
2. 配製0.025 M H2C2O4洗米水溶液標準溶液（以洗米水當溶劑並當指示劑）：取改良四中配製的0.025 M H2C2O4洗米水溶液使用。
3. 於錐形瓶內置入5.0 mL的0.025 M H2C2O4洗米水溶液和0.250 g的KI。
4. 重複與改良一的步驟6~8。
五、 實驗結果與討論
改良一：過錳酸鉀溶液更換為氯化鐵溶液
反應溫度：80℃；氯化鐵溶液測定濃度：0.0199 M；氯化鐵溶液配製濃度：0.0200 M；
誤差：–0.5%。實驗結果的準確度佳、可行性亦佳。
改良二：降低溫度
滴定時，氯化鐵溶液配製濃度：0.0200 M，控制不同溫度的實驗結果如表一所示。
表一：控制不同溫度的實驗結果
|
溫度（℃） |
80 |
70 |
60 |
50 |
40 |
|
推算濃度（M） |
0.0199 |
0.0200 |
0.0200 |
0.0199 |
— |
|
誤差（%） |
–0.5 |
0 |
0 |
–0.5 |
— |
滴定時，溫度控制在40℃下，氯化鐵與草酸鈉不反應。其餘溫度控制在80℃~50℃下，實驗結果的準確度極佳（誤差低於1.0%）、可行性亦佳。
改良三：減少草酸鈉溶液的濃度
降低Na2C2O4的濃度為原先的一半，FeCl3等體積稀釋，但使用劑量不變。反應溫度：50℃；氯化鐵溶液測定濃度：0.00962 M；氯化鐵溶液配製濃度：0.0100 M；誤差：3.8%。實驗結果的準確度尚可（誤差大於1%，小於5%）、可行性尚可。
改良四：改變草酸鈉溶液為草酸溶液
Na2C2O4改成H2C2O4，陰離子不改變。反應溫度：50℃；氯化鐵溶液測定濃度：0.00999 M；氯化鐵溶液配製濃度：0.0100 M；誤差：0.1%。實驗結果的準確度極佳（誤差低於1.0%）、可行性亦佳。
改良五：減少碘化鉀的使用量
Na2C2O4改成H2C2O4，陰離子不改變，碘化鉀用量減少。氯化鐵溶液測定濃度：0.00996 M；氯化鐵溶液配製濃度：0.0100 M；誤差：0.4%。實驗結果的準確度極佳（誤差低於1.0%）、可行性亦佳。
由本次的研究結果得知，在過錳酸鉀滴定草酸鈉的實驗中，若把過錳酸鉀溶液換成氯化鐵溶液，被滴定的草酸鈉改為草酸，且用洗米水當溶劑和當指示劑，減少碘化鉀的使用量，反應溫度降為50℃時，其實驗誤差很小，可以用來替代過錳酸鉀滴定草酸鈉。
六、 設計特點
l 此次改良選修化學（上）氧化還原滴定的實驗，更改毒性高的過錳酸鉀為無毒性的氯化鐵。
l 實驗結果顯示：若只用氯化鐵取代過錳酸鉀會無法辨識滴定終點，因此須加入少量碘化鉀當指示劑。
l 把被滴定的草酸鈉改為草酸，可以避免使用高危險性的硫酸。
l 降低反應溫度，以減少能源損耗。
l 洗米水代替澱粉，達到回收再利用。
n 參賽學生心得
一、參與契機
在校慶的活動中，我們探討〝食〞的安全。在高中基礎化學（二）第四章中，教導我們綠色化學的概念，我（第二作者）常常想：「人們常為了便利，在不知覺中破壞了生活環境。」為了能深入了解綠色化學，為了讓自己可以為環境盡一份心力，我思索著：「身為一位高中生，我可以做些甚麼事？」。當看到「綠色化學創意競賽」時，深覺這就是我可以為環境盡一份心力的事，因此果斷地參加了這競賽。
二、瓶頸難題
我的主題選定並沒有花費太多時間，但讓我覺得困難的事是，究竟甚麼藥品可以取代有毒性的過錳酸鉀﹖在蒐尋過各種物質的還原電位後，並與老師討論後，我決定利用氯化鐵來取代過錳酸鉀。原本過錳酸鉀除了當氧化劑之外，本身還可以當作指示劑，如果換成氯化鐵，那麼達當量點時顏色不明顯，這樣不就無法確定滴定終點了。為了這指示劑我找尋了許多資料，都沒有線索，在一次上課時，老師講到碘的直接和間接滴定，我突然想到可以如法泡製，於是選擇用碘化鉀並用洗米水中的澱粉當作指示劑。
在決定之後，我在實驗的過程中碰上了一些麻煩。在原來實驗中，過錳酸鉀在酸性下氧化力很強，反應比較明顯，而且高錳酸鉀顏色比較深，容易判定終點。然而，我換成鐵離子時，氧化力比較弱，如果指示劑加太多會造成實驗誤差；如果指示劑加太少，顏色會不明顯造成終點判定不易。
另外，滴定實驗本來就需要細心和耐心，對我這個性粗線條的人來說，這過程真是讓我吃足苦頭，常常一不小心就超過當量點很多了，為此我花了許多時間重複練習滴定技巧，來解決我的人為誤差。
三、成功喜悅
在實驗室裡進行了數十次的實驗，第一次成功的時候，我很擔心會誤判，還特別請老師幫忙判定滴定終點，當時我的心情非常忐忑，擔心是誤會一場，但老師說：「這顏色是正確的喔！」，那種開心是無法言喻的，但又擔心自己的粗心會造成誤差，因此我每次都會把藥品用量精準地記錄，並且重複相同的實驗五次，這樣方便我可以減少我的人為誤差。而實驗數據的處理後，看到的結果精準度都很高，這讓我手舞足蹈。
四、競賽報告
當同學告知競賽初審通過後，我和老師都非常開心，因為這是我第一次參加校外的比賽通過初審。但考驗又來了，雖然在專題課上我有多次上台簡報的經驗，但面對專業的大學教授們讓我非常的惶恐，因為這是我第一次到校外比賽，我不想要丟臉。還好有老師和同學們的幫忙，經過好幾次的演練、計時和修正。最後在比賽當天，我在等待區不斷演練，希望可以把演練的結果完美呈現在評審教授面前，當我關上那扇門時，我非常開心，因為我已經盡力了。
這次比賽讓我學習到的不只是書本上的知識和實驗的操作，而第二關的現場報告，則增進我們對外表達、說明的技巧，也給予我們接受教授指導和建議的機會，是許多高中生可遇不可求的。
五、得獎心情
在公佈得獎名單時，得知我獲得銅牌（見圖五），這是我第一次參加校外比賽獲獎，這讓我開心了好幾天，因為我的努力終於有收穫了。只是我認為我更大的收穫是：在頒獎典禮上，經由葉名倉教授的整理，濃縮所有得獎作品的要點，使我們可以快速交流彼此的想法，也讓我有機會和其他得獎者交換意見；教授同時傳授我們更多綠色化學的相關知識，使我們能夠增廣見識，彼此切磋可以激起更大的創意。
藉由這次比賽，在往後的實驗中，我更加注意藥劑的計量和實驗後所產生的物質回收，感謝主辦單位舉辦這個競賽，希望這樣能激起大眾對綠色化學的創新和關注，若我們願意多一步思考，不但可以改變大家對「化學是汙染環境的元兇」的刻板印象，還能更肯定化學對人類發展的必要性。
圖五：頒獎典禮獲獎
n 參考資料
1. 高中選修化學（上）第五章—氧化還原反應的氧化還原滴定。
2. 碘（Iodine），科學Online（高瞻自然科學教學資源平台）http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=4997。
綠色化學創意競賽：花蓮高工學生研究有效氯含量測定之藥品減量 ／ 陳怡真、賴惠敏、陳振信
星期二 , 7, 7 月 2015 本期專題, 第2期／2014年7月 在〈綠色化學創意競賽：花蓮高工學生研究有效氯含量測定之藥品減量 ／ 陳怡真、賴惠敏、陳振信〉中留言功能已關閉
綠色化學創意競賽：
花蓮高工學生研究有效氯含量測定之藥品減量
陳怡真、賴惠敏、陳振信*
國立花蓮高級工業職業學校化工科
*[email protected]
n 教師指導心得
位於東部的國立花蓮高工，今年建校75週年；當年入列八大省立高工之一，如今學校各項績效與表現依然卓著。創校之初即設立的化工科，今年也將歡度75歲生日。化工科學生在校三年期間，在科內教師通力合作、妥善規劃與執行、嚴格督導與要求下，學生們不僅在專業技能指標之一的乙級化學技術士證照考取率上表現優異，另一項亦視為學生專業技能學習指標之一者為專題製作與小論文撰寫之能力表現。化工科學生自高二起，在科內教師指導下進行專題製作和小論文撰寫之練習，並參加各項校外相關競賽如中小學科學展覽、化工群科學校專題製作競賽、全國高中小論文比賽等活動，此等教學持續進行迄今，也在相關競賽中獲取無數佳績。
自去年六月獲知教育部公告第一屆綠色化學創意競賽活動計畫後，化工科內徵詢即將升上高三之化二學生意願後，自七月暑期開始在科內教師指導下進行資料蒐集、分組討論、題目確認、實驗設計與研究、數據整理、結果討論與分析等一系列工作。
我（通訊作者）在帶領學生進行上述活動過程中感觸最深的是，東部學生雖在學科基礎能力上不如西部，惟可塑性高，循循善誘並適時給與指引，學生們後續進步表現潛力無窮。這次與全國他校學生參與競賽之過程中，所累積經驗讓師生們再一次共同成長與進步，也再一次證明適性教育加上後天努力更能協助東部學生開創技職教育美好與亮麗的人生。
n 設計理念與探討
一、 得獎作品
l 作品名稱：漂白水中有效氯含量分析實驗藥品減量可能性之探討。
l 參賽學生：陳怡真、賴惠敏；指導教師：陳振信。
l 得獎名次：高工組綠色化學（減毒減量）創意競賽金牌獎。
二、 實驗動機與目的
對於現在環境的破壞，實驗時藥品減毒減量是必要的且勢在必行。然而，進行實驗時有些還是使用大量的藥品，為了達到綠色化學減量減廢的目的，我們選定了丙級化學技術士技能檢定術科檢定題目之一的「漂白水中有效氯之測定」作為這次專題的實驗題目。在高工一年級下學期練習此檢定實驗時，我們發現使用硫酸和碘化鉀的用量很多。以一間實驗室16人容量計算，每人每次實驗須耗用30 mL的2.0 M硫酸，一次實驗全部用量接近500 mL；而且2.0 M碘化鉀每人每次實驗耗用20 mL，一次實驗全部用量合計320 mL，碘化鉀價格昂貴，每次實驗所費不貲。在此實驗中，使用了大量的藥品來完成反應，我們想知道若這些藥品不大量使用是否可以完成良好的結果。因此，我們以平衡化學反應式來推算各反應物的莫耳數，以化學計量方式，計算其能完成反應的更低用量，接著我們試著逐漸降低藥品的用量，來確認是否可以完成正確無誤的實驗結果。
本實驗探討不同實驗變因（藥品用量）對實驗結果的影響，以達到減量的目標。探討的項目有二：（一）標定硫代硫酸鈉溶液的硫酸用量減少之可行性研究；（二）測定漂白水中有效氯的碘化鉀和硫酸用量減少之可行性研究。
三、 實驗原理
「漂白水中有效率之測定」實驗是利用碘間接滴定法，由於標準物碘酸鉀與適量的碘化鉀在酸性溶液（硫酸）中反應生成碘，而且碘可與硫代硫酸鈉進行氧化還原反應，以澱粉液為指示劑，因此可利用標準的碘酸鉀溶液來標定硫代硫酸鈉溶液，涉及的反應如式[1]~[2]所示，式[3]是 [1]~[2]的總反應。漂白水中的主要成分為次氯酸鈉，次氯酸鈉中的次氯酸根為強氧化劑，也可利用碘間接滴定法，以硫代硫酸鈉標準溶液來滴定，即可求得漂白水中有效率的含量，涉及的反應如式[4]~[5]所示，式[6]是式[4]~[5]的總反應。
IO3–(aq)+ 5I–(aq) + 6H+(aq) → 3I2(aq) + 3H2O(l) [1]
I2(aq) + 2S2O32–(aq) → 2I–(aq) + S4O62–(aq) [2]
IO3–(aq)+ 6S2O32–(aq) + 6H+(aq) → I–(aq) + 3S4O62–(aq) + 3H2O(l) [3]
OCl–(aq) + 2I–(aq) + 2H+(aq) → I2(aq) + Cl–(aq) + H2O(l) [4]
I2(aq) + 2S2O32–(aq) → 2I–(aq) + S4O62–(aq) [5]
OCl–(aq) + 2S2O32–(aq) + 2H+(aq) → Cl–(aq) + S4O62–(aq) + H2O(l) [6]
四、 實驗步驟
本實驗需用器材如圖一所示。
圖一：實驗實驗用器皿一景
實驗一：標定硫代硫酸鈉溶液／減少2.0 M硫酸用量之可行性研究
1. 配製碘酸鉀標準溶液：精秤0.5000 g乾燥的碘酸鉀，以蒸餾水溶解之，並以容量瓶定量至100.00 mL。[KIO3] = (0.5000 g / 214.0 g/mol) / 0. 1000 L = 0.2336 M
2. 取20.00 mL的碘酸鉀標準溶液，用蒸餾水稀釋至約50 mL。
3. 加入5.0 mL的2 M碘化鉀溶液。
4. 加入5.0 mL的2.0 M硫酸，分別將硫酸的用量降至3.0、1.0、0.50、0.10 mL。
5. 以硫代硫酸鈉溶液（配製0.10 M，未標定）滴定至淡黃色後，再加入澱粉指示劑1 mL，繼續滴定至藍色消失。
6. 重複標定，並計算硫代硫酸鈉溶液的標準濃度平均值。
實驗二：測定漂白水中有效氯含量／減少2.0 M碘化鉀溶液和2.0 M硫酸用量之可行性研究
1. 取2 mL漂白水，並精秤其重量，稀釋至體積50 mL。
2. 加入5.00 mL的2.0 M碘化鉀溶液，分別將碘化鉀溶液的用量降至4.00、3.00、2.00、1.00、0.50 mL。
3. 再加入10.0 mL的2.0 M硫酸，分別將硫酸用量降至8.0、6.0、4.0、2.0、1.0、0.50、0.40、0.25 mL。
4. 以硫代硫酸鈉標準溶液滴定直到淡黃色，再加入澱粉指示劑1 mL，繼續滴定直到藍色消失。
5. 重複滴定，並重複滴定，並計算漂白水中有效氯含量平均值。
五、 實驗結果和討論
實驗一：標定硫代硫酸鈉溶液／減少2.0 M硫酸用量
本實驗藥品用量為固定使用5.0 mL的2 M碘化鉀溶液並且減少2 M硫酸用量之實驗結果，如表一、圖二和圖三所示。
表一：2 M硫酸用量減少之實驗結果
|
硫酸用量（mL） |
5.0 |
3.0 |
1.0 |
0.50 |
0.10 |
|
硫代硫酸鈉溶液滴定體積（mL） |
28.75 |
28.45 |
28.50 |
19.00 |
4.60 |
|
硫代硫酸鈉溶液的真正濃度（M） |
0.0993 |
0.1004 |
0.1002 |
0.1617 |
0.6678 |
圖二：2 M硫酸用量減少，硫代硫酸鈉溶液的滴定體積（橫軸為硫酸用量，縱軸為硫代硫酸鈉溶液體積）
圖三：2 M硫酸用量減少，硫代硫酸鈉溶液的標定濃度（橫軸為硫酸用量，縱軸為硫代硫酸鈉溶液濃度）
添加2 M硫酸用量從5.0 mL減少至1.0 mL時，由圖三得知，硫代硫酸鈉標定的濃度接近0.1 M（平均值為1.000 M）；若2 M硫酸用量降至0.5 mL，則會影響硫代硫酸鈉溶液的標定濃度。由實驗結果看來，推論在適當的硫酸用量下反應即可，我們發現使用體積1 mL的2 M硫酸就足以提供實驗所需酸性條件。透過平衡反應式[1]或[3]，理論上，硫酸與碘酸鉀之莫耳數比為6：1。實際上，硫酸使用的莫耳數為10.0 × 10–3莫耳（5.0 mL × 2.0 M），碘酸鉀使用的莫耳數為0.467 × 10–3莫耳（20.00 mL × 0.02336 M），硫酸與碘酸鉀的莫耳數比為10.0：0.467 = 21.4：1.00，此比值高於6：1甚多，亦即硫酸為過量試劑，與理論相符合。
實驗二：測定漂白水中有效氯含量／減少2.0 M碘化鉀溶液和2.0 M硫酸用量之可行性研究
（一）本實驗藥品用量為固定使用5.0 mL的2 M硫酸並且減少2.0 M碘化鉀溶液用量之實驗結果，如表二和圖四所示。
表二：2.0 M碘化鉀用量與有效氯含量之實驗結果
|
碘化鉀溶液用量（mL） |
5.0 |
4.0 |
3.0 |
2.0 |
1.0 |
0.50 |
|
漂白水重（g） |
2.1382 |
2.1418 |
2.1591 |
2.1326 |
2.1488 |
2.1477 |
|
硫代硫酸鈉溶液滴定體積（mL） |
17.15 |
17.10 |
17.30 |
17.05 |
17.15 |
14.30 |
|
漂白水中有效氯含量（%） |
2.81 |
2.80 |
2.81 |
2.80 |
2.80 |
2.33 |
圖四：2.0 M碘化鉀用量與測定有效氯含量之實驗結果（橫軸為碘化鉀用量，縱軸為有效氯含量）
由圖四得知，添加2.0 M碘化鉀用量從5.0 mL減少至1.0 mL時，測得漂白水之有效氯含量皆接近2.80%，若2 M碘化鉀用量降至0.50 mL以下，則影響漂白水有效中氯含量的結果較多；推論碘化鉀溶液用量應適度過量方能提供反應所需，由實驗結果看來，我們發現碘化鉀的用量1.0 mL就足以提供實驗所需。透過平衡反應式[4]，理論上，次氯酸鈉與碘化鉀的莫耳數比為1：2。實際上，次氯酸鈉計算的莫耳數為1.72 × 10–3莫耳（17.15 mL × 0.100 M），碘化鉀使用的莫耳數為2.0 × 10–3莫耳（1.0 mL × 2.0 M），得到次氯酸鈉與碘化鉀比為17.2：2.0，此比值高於1：2甚多，亦即碘化鉀為過量試劑，與理論相符合。
（二）本實驗藥品用量為固定使用5.0 mL的2.0 M 碘化鉀並且減少2.0 M硫酸用量之實驗結果，如表三和圖五所示。
表三：硫酸用量與有效氯含量之實驗結果
|
硫酸用量（mL） |
10.0 |
8.0 |
6.0 |
4.0 |
2.0 |
1.0 |
0.50 |
0.40 |
0.25 |
|
漂白水重（g） |
2.1450 |
2.1425 |
2.1279 |
2.1353 |
2.1494 |
2.1312 |
2.1395 |
2.1545 |
2.1522 |
|
硫代硫酸鈉溶液 |
16.70 |
16.75 |
16.60 |
16.60 |
16.80 |
16.60 |
16.60 |
13.40 |
8.05 |
|
漂白水中有效氯 |
2.74 |
2.76 |
2.75 |
2.74 |
2.75 |
2.75 |
2.74 |
2.19 |
1.32 |
圖五：2.0 M硫酸用量與有效氯含量之實驗結果（橫軸為硫酸用量，縱軸為有效氯含量）
由圖五可知，添加的2 M硫酸用量從10.0 mL減少至0.50 mL時，測得漂白水之有效氯含量皆接近2.75%，若2 M硫酸用量降至0.40 mL以下，則會影響漂白水中有效氯含量分析的結果；推論實驗應需在適當酸性條件下反應，由實驗結果看來，我們發現硫酸用量0.50 mL就足以提供實驗所需酸性。透過平衡反應式[4]，理論上，次氯酸鈉與硫酸的莫耳數比為1：2。實際上，次氯酸鈉計算的莫耳數為1.66 × 10–3莫耳（16.60 mL × 0.100 M），硫酸使用的莫耳數為2.0 × 10–3莫耳（1.0 mL × 2.0 M），得到次氯酸鈉與硫酸比為1.66：2.0，此比值高於1：2甚多，亦即硫酸為過量試劑，與理論相符合。
前述「實驗二」的實驗條件和結果是(一)固定使用5.0 mL的2.0 M碘化鉀溶液並且減少2 M硫酸溶液用量，則2 M硫酸用量可減少到0.50 mL；(二)固定使用5.0 mL的2.0 M 硫酸用量並且減少2.0 M碘化鉀溶液用量，2.0 M碘化鉀溶液用量可減少到1.0 mL。若此二小實驗合併條件，亦即使用量2.0 M硫酸0.50 mL和2.0 M碘化鉀溶液1.0 mL，則漂白水中有效氯含量之分析是否可行呢？今年三月間指導教師曾於繁忙課務與活動期間抽空試作此一實驗，結果發現我們設計實驗所測得之氯含量與利用標準方法所測得的結果相近，初步確認此實驗同時減少碘化鉀與硫酸的用量條件應為可行。而推測上述實驗條件之高可行性與分析待測樣品（市售漂白水）之純度多為5%以下有相當關係。若樣品濃度較高，則上述實驗條件是否可行可能需進一步研究。
n 參賽學生心得
非常感謝教育部提供這次的機會讓我們（第一和二作者）可以參與這次的專題製作比賽，也讓我們可以與全台高手交流。在製作專題的過程中，花費了我們四個月的時間來完成此作品，從蒐集資料、選擇題目、小組討論、實驗研究、術聚整理到報告撰寫，每一步都紮紮實實的完成。從7月到10月，我們為了完成這個專題而利用自己的暑假和平日的休假時間，希望可以將作品完整地呈現出來，在我們努力的研究與改進下，得到的實驗結果也達到了我們所期望藥品減量的目標與初衷。
決賽當天我們都非常的緊張，雖然老師已經帶我們提早去會場作好準備，但是看到其他組參賽同學堅定的眼神，還是會讓我們有些許畏懼，然而在老師的鼓勵與支持下，我們立即重拾自信。雖然之前就曾參加過一些專題演講的報告，可是在當天口頭報告時還是會緊張，怕自己腦袋空白而口誤，不過我們盡量克服緊張，彼此互相鼓勵，最後終能順利的完成競賽。
在得知自己與同伴們獲獎後，我們很感謝科上的老師能夠肯定我們，讓我們去參加這次的競賽，也很謝謝科內老師們的指導並替我們加油打氣，若沒有他們的鼓勵，我們也不會有機會為校爭光。
在花東地區，要做出一件科展作品其實是難上加難，由於資源的不足及有些器材缺乏的情況下，而導致無法擴大實驗範圍或是做不出來，因此為了讓視野更廣大，我們希望可以藉由一些專題製作比賽或是一些科展活動，可以讓我們到外縣市與其他人多交流觀摩，獲得更多知識及經驗。
最後，希望教育部能夠提供更多關於化學的專題製作比賽，讓那些喜愛動手作實驗的學生能夠有機會展現出他們努力的成品，彼此互相交流切磋而成長。
圖六：競賽頒獎現場，校長親臨道賀
n 結語
關於「漂白水中有效氯含量之測定」，我們發現如下：（一）標定硫代硫酸鈉標準溶液之實驗藥品用量減少：2 M硫酸用量可從5 mL減少至1 mL，相當於減少80%的用量而不影響實驗結果。（二）漂白水中有效氯含量實驗藥品用量減少之可行性研究：2 M碘化鉀用量可從5 mL減少至1 mL，相當於減少80%的用量而不影響實驗結果。2 M硫酸用量可從10 mL減少至0.5 mL，相當於減少95%的用量而不影響實驗結果。（三）此二小實驗合併條件（亦即使用量2.0 M硫酸0.50 mL和2.0 M碘化鉀溶液1.0 mL），結果發現測得的有效氯含量與標準結果相近，初步確認本實驗同時減少碘化鉀和硫酸的用量應為可行。
經過這次的比賽，讓我們學生知道其實化學這個領域是很有趣的，當你發現新結果或是完成一個艱鉅的實驗時，那種感覺是誰也無法體會的，唯獨自己親手下去做，了解整個實驗過程中的每一步，才會知道那些科學家是如此的偉大。
n 參考資料
1. 丙級化學學術科通關寶典（2014）。廖建治、蔡永昌。台科大圖書股份有限公司（新北市）。
2. 有效氯，百度百科（2014），http://baike.baidu.com/view/659742.htm。
3. 澱粉指示劑，化學資訊網站（2001），http://www.chemedu.ch.ntu.edu.tw/questions/answer60.htm。
4. Jiajhu's Blogger（2009）。化學丙級 101年術科練習題 第二站：980302-3漂白水中有效氯之測定，http://a2098101141.blogspot.tw/2012/08/101-980302-3.html。
5. 定量分析及實驗（1998）。林敬二、楊寶旺、陳寶山。高立圖書有限公司（台北市）。
6. 普通化學實驗II（2001）。楊永華。東大圖書公司（台北市）。
7. 分析化學實驗II（2008）。鄭新讚、鄭茜如。東大圖書公司（台北市）。
8. 分析化學實驗II（2002）。張國華、傅芳馨。全華科技圖書股份有限公（台北市）。
9. 化學實驗環境保護篇（2002）。廖明淵。新文京開發出版有限公司（台北縣）。
綠色化學創意競賽：花蓮高工學生研究維他命C含量測定之藥品減量 ／ 陳怡真、黃淑雯、陳振信
星期一 , 6, 7 月 2015 本期專題, 第8期 ／ 2015年7月 在〈綠色化學創意競賽：花蓮高工學生研究維他命C含量測定之藥品減量 ／ 陳怡真、黃淑雯、陳振信〉中留言功能已關閉
綠色化學創意競賽：
花蓮高工學生研究維他命C含量測定之藥品減量
劉怡如、黃淑雯、陳振信*
國立花蓮高級工業職業學校化工科
*[email protected]
n 教師指導心得
自獲知教育部公告第一屆「綠色化學創意競賽」活動後，即徵詢並遴選即將升上高三的化二學生，自去年（2014年）七月暑期開始進行資料蒐集、分組討論、題目確認、實驗設計與研究、數據整理、結果討論與結果分析等一系列實驗專題工作。
我（通訊作者）在帶領學生進行上述活動過程中感觸最深的是，學生們雖先天資質不如同年齡的西部學生，平時也無機會參加校外相關競賽或交流活動，惟其過程中願意忍受溽暑氣候，把握難得參賽的機會，努力不懈之態度與精神卻是我願意付出，適時給與指引的最大精神支柱。經由這次參賽過程與獲獎結果，深刻體認到若能適時指引學生，必能激發其蘊藏之無限潛能。
n 設計理念與探討
一、 得獎作品
l 作品名稱：維他命C含量測定之HCl減量使用方法之探討。
l 參賽學生：劉怡如、黃淑雯；指導教師：陳振信。
l 得獎名次：高工組綠色化學（減毒減量）創意競賽銀牌獎。
二、 實驗動機與目的
綠色化學的主旨是在討論如何減量、減毒以及減廢，經過多日的資料蒐集與討論後，我們選擇了丙級化學技術士技能檢定術科檢定題目之一的「維他命C含量測定實驗」作為此次參賽題目。由於實驗中配製碘溶液時所用到的濃鹽酸屬於高濃度與腐蝕性藥品，因此我們想要探討可否降低其濃度和使用量，以降低實驗時可能發生的腐蝕性危險，並且達到綠色化學減量、減廢的主旨。
本次實驗探討以不同實驗變因（改變藥品用量）對實驗結果（維他命C含量）的影響，以達到減量的目標。本研究的實驗變因有：（一）減少鹽酸用量之可行性研究；（二）降低鹽酸濃度之可行性研究；以及（三）碘化鉀減量可行性研究。
三、 實驗原理
碘酸鉀中的碘酸根離子（IO3–）與碘化鉀之碘離子（I–，過量的）在酸性下反應可生成碘分子（I2），由此反應可配製碘溶液，其反應如式[1]所示。
IO3–(aq)－+ 5I–(aq) + 6H+(aq) → 3I2(aq) + 3H2O(l) [1]
由式[1]可知，1 mol的KIO3可產生3 mol的I2。
由於I2會與維他命C進行氧化還原反應，並被還原為I–，因此可以利用碘溶液作為滴定液，並用澱粉當作指示劑，來測定維他命C的含量，其反應如式[2]所示。
C6H8O6（維他命C）(aq) + I2(aq) → C6H6O6（去氫維他命C）(aq) + 2I–(aq)－+ 2H+(aq) [2]
本實驗是利用I2來滴定維他命C的溶液，當達到滴定終點時，維他命C會完全被I2氧化，溶液中多餘的I2即會與澱粉作用，形成深藍色複合體。
四、 實驗步驟
本次實驗所需器材，試樣以碘標準溶液滴定至終點，如圖一所示。
圖一：試樣以碘標準溶液滴定至終點
實驗一：配製碘標準溶液／減少濃鹽酸的用量
A. 配製碘標準溶液（250.00 mL）
1. 原來藥品用量：精秤0.2000g乾燥的碘酸鉀（KIO3），加入約3 g的碘化鉀（KI），加100 mL的蒸餾水和2 mL的濃鹽酸（HCl）溶解固體，用容量瓶，加蒸餾水定量至250.00 mL。
2. 減少藥品用量：與上述步驟相同，唯濃鹽酸2 mL的用量減少到1.0 mL、0.50 mL、0.10 mL。
B. 測定維他命C含量
1. 精秤0.6000 g的維他命C，以蒸餾水溶解，用容量瓶加蒸餾水稀釋至100.00 mL。
2. 用移液管，取上述溶液20.00 mL，稀釋至50 mL，加入1 mL的3%偏磷酸溶液，再加入1mL的0.5%澱粉溶液，以碘標準溶液滴定至終點呈藍色。
3. 重複滴定步驟，計算維他命C含量的平均值。
實驗二：配製碘標準溶液／降低鹽酸的濃度
A. 配製碘標準溶液（250.00 mL）
1. 原來藥品用量：精秤0.2000 g乾燥的碘酸鉀（KIO3），加入約3 g的碘化鉀（KI），加100 mL的蒸餾水和2 mL的濃鹽酸（HCl）溶解固體，用容量瓶加蒸餾水定量至250.00 mL。
2. 減少藥品用量：與上述步驟相同，唯2 mL的濃鹽酸之濃度降低到6 M、3 M、1.5 M、0.5 M、0.25 M、0.125 M、0.0625 M。
B. 測定維他命C含量
1. 與「實驗一」相同。
實驗三：配製碘標準溶液／減少碘化鉀的用量
A. 配製碘標準溶液（100 mL）
1. 減少藥品配製量（從減少250.00 mL到100.00 mL）：精秤0.0800 g乾燥的碘酸鉀（KIO3），加入約1.2 g的碘化鉀（KI），加30 mL的蒸餾水和0.8 mL的濃鹽酸（HCl）溶解固體，用容量瓶，加蒸餾水定量至100.00 mL。
2. 改變藥品使用量：與上述步驟相同，唯1.2 g的碘化鉀（KI）的用量減少到0.9 g、0.6 g、0.3 g。
B. 測定維他命C含量
1. 與「實驗一」相同。
五、 實驗結果和討論
實驗一：配製碘標準溶液／減少濃鹽酸的用量
在配製碘標準溶液方面，減少濃鹽酸的用量對測定維他命C含量之影響，如表一和圖二所示。
表一：減少濃鹽酸的用量與測定維他命C含量之數據
|
試驗 |
濃鹽酸用量（mL） |
維他命C含量 |
標準偏差（%） |
|
1（原本） |
2.0 |
30.46 |
— |
|
2 |
1.1 |
29.12 |
4.40 |
|
3 |
0.50 |
29.58 |
2.89 |
|
4 |
0.10 |
29.02 |
4.73 |
圖二：減少濃鹽酸的用量對測定維他命C含量之影響
以圖二來看，由減少濃鹽酸用量的實驗結果，我們發現濃鹽酸用量可以從原本的2.0 mL降低至0.10 mL，雖然維他命C含量平均值稍微地逐漸減少，但是此與原來實驗結果之標準偏差為4.73，接近丙級化學技術士技能檢定術科之核可範圍（4%）內。因此，實驗中的濃鹽酸取用量可以被降低（降低幅度達95%），減少廢液排放量。
實驗二：配製碘標準溶液／降低鹽酸的濃度
在配製碘標準溶液方面，降低鹽酸的濃度對測定維他命C含量之影響，如表二和圖三所示。
表二：降低濃鹽酸的濃度與測定維他命C含量之數據
|
試驗 |
鹽酸濃度（M） |
維他命C含量 |
標準偏差（%） |
|
1（原本） |
12.0 |
30.46 |
— |
|
2 |
6.0 |
30.35 |
0.36 |
|
3 |
3.0 |
29.01 |
4.76 |
|
4 |
1.5 |
30.87 |
1.35 |
|
5 |
0.50 |
31.22 |
2.50 |
|
6 |
0.25 |
30.41 |
0.16 |
|
7 |
0.125 |
28.04 |
7.94 |
|
8 |
0.0625 |
27.45 |
9.88 |
圖三：降低濃鹽酸的濃度對測定維他命C含量之影響
原本實驗使用的鹽酸為濃鹽酸（12 M），本實驗我們想要降低鹽酸的濃度，除了減少廢液排放量之外，還可以降低實驗時的危險性。以圖三來看，由鹽酸濃度改變的實驗的結果，我們發現，本實驗的鹽酸可以用較低的濃度，鹽酸的濃度最低可以降至0.25 M來測定維他命C的含量。我們持續試著降低至0.125 M鹽酸，導致標準偏差過大，這可能是因鹽酸濃度過低而導致滴定量及含量降低；為了確保降低鹽酸濃度而維他命C的含量也隨之降低，我們使用0.0625 M的鹽酸探討其結果，從結果得知因鹽酸濃度過低而維他命C的含量會逐漸下降。故本實驗鹽酸濃度下降至最低濃度為0.25 M。
實驗三：配製碘標準溶液／減少碘化鉀的用量
在配製碘標準溶液方面，減少碘化鉀的用量對測定維他命C含量之影響，如表三和圖四所示。
表三：減少碘化鉀的用量與測定維他命C含量之數據
|
試驗 |
碘化鉀用量（g） |
維他命C含量 |
標準偏差（%） |
|
1（原本） |
1.2 |
29.82 |
2.10 |
|
2 |
0.9 |
30.74 |
0.92 |
|
3 |
0.6 |
32.05 |
5.22 |
|
4 |
0.3 |
無法測得 |
無法測得 |
圖四：減少碘化鉀的用量對測定維他命C含量之影響
由於碘化鉀的價格相當昂貴，因此我們試著減少碘化鉀的使用重量，原本用1.2 g開始減少ˊ至0.9 g、0.6g、0.3 g的碘化鉀來比較維他命C含量的變化。以圖四來看，若碘化鉀秤取量達0.3 g時即產生黑色顆粒沉澱物，而會導致反應無法完成，故碘化鉀可降低至最低秤取量為0.9 g。
根據上述三個實驗，分別進行個別的實驗條件（0.10 mL的濃鹽酸、2.00 mL的0.25 M鹽酸、配製100 mL碘標準溶液之0.9 g的碘化鉀）的結果是可接受的。然而，若合併這些實驗條件之研究（亦即合併使用0.10 mL的濃鹽酸和0.9 g的碘化鉀，或使用2 mL的0.25 M鹽酸和0.9 g的碘化鉀），則維他命C含量之測定結果是否仍在可接受範圍內呢？由於學生在三年級尚需上課等因素，以致合併這些條件的研究未能延續，尚不知其可行性。
n 參賽學生心得
很感謝教育部給遠在東部的我們（第一和二作者）參賽的機會，也讓我們從中體認到對於環境的愛護其實可以從實驗時就開始做起。參與這次「綠色化學創意競賽」是一個思考創意的過程，全程中我們總思考著如何才能降低實驗對環境之危害，如何在維持相同精準的實驗結果之情況下亦能夠達到減毒、減量以及減廢的宗旨。
我們從一開始選擇題目到研究討論之過程，經過一連串實驗的瓶頸，經常有想要放棄的念頭，但此同時又會想到放棄是懶人一事無成的藉口；最後仍然堅持了下來。經過了半年多來的努力，從暑期一開始就投入全部心力，致力於綠色化學這項競賽活動中，因此，這次的收穫不只是在獲得實質的獎牌、獎狀及獎金上，我們也學到了對於環境的維護、用最簡單的方式，達到最完善的實驗，這就是我們想做的，目的為的就是減少對環境的破壞，盡力地在綠色化學這個領域上做推廣。圖五為參賽師生領獎現場，花蓮高工校長親臨道賀。
圖五：師生領獎現場，校長親臨道賀
n 結語
在化學丙級技術士技能檢定術科考試的「錠劑中維他命C含量之測定」實驗中，我們探討在配製碘標準溶液方面，使用鹽酸的體積用量和濃度對維他命C測定，我們發現：（一）濃鹽酸用量改變可以從原本2.0 mL減量至0.10 mL，降低幅度達95%；（二）2.0 mL的鹽酸濃度可以從原來的12 M降低至0.25 M，減量幅度達98%；以及（三）實驗所需配製之碘標準溶液可從250.00 mL降至100.00 mL；而碘化鉀的重量也可從3 g減量至0.9 g，減量幅度達70%。根據實際實驗，分別進行個別的實驗條件的結果是可接受的。若合併這些條件，則維他命C含量之測定結果是否仍在可接受範圍內呢？目前尚不知其可行性，有待進一步研究。
花蓮高工能在全國性的競賽中獲得獎項，對東部學生來說是莫大的榮耀與鼓舞，相信日後憶起參賽過程中付出之點滴甘苦與獲獎結果，能在其遭逢人生困境時燃起努力奮鬥不懈之火花。
n 參考資料及其他
1. 丙級化學學術科通關寶典（2012版）。台灣科大。編著：廖建治、蔡永昌。
2. 定量分析及實驗（1998）。林敬二、楊寶旺、陳寶山。高立圖書有限公司（台北市）。
3. 普通化學實驗II（2001）。楊永華。東大圖書公司（台北市）。
4. 分析化學實驗II（2008）。鄭新讚、鄭茜如。東大圖書公司（台北市）。
5. 分析化學實驗II（2002）。張國華、傅芳馨。全華科技圖書股份有限公司（台北市）。
6. 化學實驗環境保護篇（2002）。廖明淵。新文京開發出版有限公司（台北縣）。
綠色化學創意競賽：花蓮高工學生研究二氧化錳的回收再利用 ／ 陳弘欽、詹秉澄、陳昭華、黃玄智
星期日 , 5, 7 月 2015 本期專題, 第8期 ／ 2015年7月 在〈綠色化學創意競賽：花蓮高工學生研究二氧化錳的回收再利用 ／ 陳弘欽、詹秉澄、陳昭華、黃玄智〉中留言功能已關閉
綠色化學創意競賽：
花蓮高工學生研究二氧化錳的回收再利用
陳弘欽、詹秉澄、陳昭華、黃玄智*
國立花蓮高級工業職業學校化工科
*[email protected]
n 教師指導心得
學生在11月底興奮地傳了簡訊告訴我（通訊作者）：「老師，我們綠色化學（減毒減量）專題製作獲獎了，謝謝老師！」，雖然僅是短短的得一句話，卻難以掩蓋學生獲獎的喜悅，以及被肯定的鼓勵，相信這對這群參與製作的學生絕對是正向的加分。擔任化學化工科的教師以來，一直以將學生所學的專業知識能應用在實驗上，並培養學生發現問題和解決問題的科學能力，作為教學最重要的理念，只要學生願意，一定盡全力協助到底。
花蓮高工化工科的學生是一群學業知識刺激較少、但非常純樸的孩子，除了入學的PR值明顯不如西部的學生之外，接受外來資訊的刺激亦是不夠，導致研究的主動性及積極度低落，需要老師更多的關注和協助。這一次有機會參加第一屆綠色化學（減毒減量）的專題競賽就是一種肯定，能獲獎更是加倍的鼓勵。但一路走來：搜尋資料、實驗研究、數據整理、結果呈現、與全國好手同台切磋，最後上台一起領獎，整個過程清楚地看見學生快速的成長與進步，積極參與實驗及研究（見圖一），這對學生來說絕對是一次成功的經驗，對指導老師而言亦是一次難得進化成長的機會。
圖一：參與學生認真研究討論實驗情況（相片人物：陳弘欽、詹秉澄）
n 設計理念與研究
一、 得獎作品
l 作品名稱：真的不要把我丟掉！雙氧水分解實驗中催化劑二氧化錳的回收再處理。
l 參賽學生：陳弘欽、詹秉澄、陳昭華；指導教師：黃玄智。
l 得獎名次：高工組綠色化學（減毒減量）創意競賽銅牌獎。
二、 設計理念
利用二氧化錳催化雙氧水產生氧氣的實驗，是在學習化學知識中第一個接觸催化反應，利用二氧化錳在反應中擔任催化劑加速雙氧水分解為氧氣和水，但經實驗的結果及其他的參考文獻資料顯示，使用過的二氧化錳再次催化雙氧水產生氧氣的效能會變得非常差，因此使用過的二氧化錳往往不被再次使用，而直接依實驗室廢棄物管理規則以重金屬丟棄規定棄置。
而二氧化錳被歸類為「催化劑」，催化劑定義為在某反應步驟中參與反應，形成中間產物後，在接下來的步驟中又變回原物質。所以完成催化反應後催化劑的質量及組成理論上是不會改變的。就是這點讓我們感到好奇，既然它是催化劑那為什麼重複使用後催化效果會差距那麼大？所以我們對此來設計此次的實驗。
三、 實驗原理
雖然二氧化錳可以當此反應的催化劑，加快生成氧氣的速率，但是經過我們實驗後發現二氧化錳在催化過後再次進行催化的反應效能就會大幅下降，所以我們針對要如何回覆二氧化錳催化雙氧水效能這一點來設計實驗。其中有加入酸、鹼、還原劑、氧化劑到反應裡，有在二氧化錳催化雙氧水完後，用各種不同藥品清洗二氧化錳等。最後發現酸會抑制反應、鹼可以增快反應，而用酸來洗過二氧化錳後也可以有效的使二氧化錳回覆效能。
四、 研究過程
實驗一：探討二氧化錳未處理就回收使用的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係
1. 實驗器材：錐形瓶（100 mL）、量筒（2000 mL）、攪拌器、磁石、鐵架、固定夾、塑膠管、塑膠盤，
2. 架設實驗裝置如圖二所示。
圖二：二氧化錳催化雙氧水實驗裝置
3. 秤取0.3克的二氧化錳和3克的雙氧水（35％）。
4. 置入二氧化錳到有側管錐形瓶中，放入磁石，加入10 mL的去離子水，開啟攪拌機，加入3克的雙氧水後迅速蓋上橡皮塞。
5. 計錄時間和氧氣生成的體積。
6. 待反應完成後，把瓶內的液體倒入蒸發皿內，潤洗乾淨。
7. 加熱蒸發皿內液體，剩少許後放入105度℃的烘箱內，烘半小時，回收二氧化錳。
8. 重複實驗4次，取4次實驗的平均值。
9. 取第一次實驗回收的二氧化錳，重複4次步驟3.~7.。
10. 取第二次實驗回收的二氧化錳，重複4次步驟3.~7.。
11. 取第三次實驗回收的二氧化錳，重複4次步驟3.~7.。
12. 取第四次實驗回收的二氧化錳，重複4次步驟3.~7.。
實驗二：探討二氧化錳回收後加酸處理的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係
1. 實驗步驟的前半段與實驗一的步驟1.~6.相同。
2. 回收二氧化錳秤重後，以1克的二氧化錳比1 mL的1 M硫酸的比例，加入硫酸到二氧化錳中，攪拌均勻後，靜置5分鐘，然後烘乾。
3. 取第一次回收的二氧化錳、秤取並加酸處理，重複4次實驗一的步驟3.~7.。
4. 取第二次回收的二氧化錳、秤取並加酸處理，重複4次實驗一的步驟3.~7.。
5. 取第三次回收的二氧化錳、秤取並加酸處理，重複4次實驗一的步驟3.~7.。
6. 取第四次回收的二氧化錳、秤取並加酸處理，重複4次實驗一的步驟3.~7.。
實驗三：探討二氧化錳回收後加鹼處理的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係
1. 實驗步驟的前半段與實驗一的步驟1.~6.相同。
2. 回收二氧化錳秤重後，以1克的二氧化錳比1 mL的1 M氫氧化鈉的比例，加入氫氧化鈉溶液到二氧化錳中，攪拌均勻後，靜置5分鐘，然後烘乾。
3. 取第一次回收的二氧化錳、秤取並加鹼處理，重複4次實驗一的步驟3.~7.。
4. 取第二次回收的二氧化錳、秤取並加鹼處理，重複4次實驗一的步驟3.~7.。
5. 取第三次回收的二氧化錳、秤取並加鹼處理，重複4次實驗一的步驟3.~7.。
6. 取第四次回收的二氧化錳、秤取並加鹼處理，重複4次實驗一的步驟3.~7.。
五、 研究結果和討論
實驗一：探討二氧化錳未處理就回收使用的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係
二氧化錳回收次數與雙氧水生成氧氣速率之關係，如表一和圖三所列。
表一：二氧化錳回收次數與雙氧水生成氧氣速率
|
二氧化錳 |
新鮮第0次
（藥品罐取出） |
第1次
（不處理） |
第2次
（不處理） |
第2次
（不處理） |
第2次
（不處理） |
|
O2平均生成速率
（mL/s） |
5.21 |
1.00 |
0.35 |
0.18 |
0.18 |
圖三：二氧化錳回收次數與雙氧水生成氧氣速率之關係圖
從表一和圖三得知，催化劑二氧化錳會隨著回收次數而降低，可能是因為二氧化錳與雙氧水反應後，有某些物質卡在二氧化錳的表面上，而降低了反應速率。也可能是因為在回收二氧化錳時，因為加熱把溶液蒸乾後，有某些物質殘留在二氧化錳表面上，而因表面積下降而降低了反應速率。
再由表一和圖三可得知，在第1次回收後催化速率就明顯下降，而第2~4次回收之催化速率卻很接近。如果是因為有某些物質卡在二氧化錳上的話，那麼在第1次回收後，二氧化錳的表面積就已經被佔據了大部分，因此後續的反應速率才會降低到很接近。
實驗二：探討二氧化錳回收後加酸處理的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係
二氧化錳回收後加酸（1 M硫酸）處理的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係，如表二和圖四所示。
表二：二氧化錳經「硫酸」處理回收次數與催化生成氧氣速率表
|
二氧化錳 |
新鮮第0次
（藥品罐取出） |
回收第1次
（硫酸處理） |
回收第2次
（硫酸處理） |
回收第2次
（硫酸處理） |
回收第2次
（硫酸處理） |
|
O2平均生成速率
（mL/s） |
5.20 |
4.47 |
3.85 |
3.03 |
2.95 |
圖四：二氧化錳經「硫酸」處理回收次數與催化生成氧氣速率圖
從表二和圖四得知，回收後加酸處理的二氧化錳之催化效果比回收後沒加酸處理的二氧化錳好很多，這可能是因酸性物質將二氧化錳表面上的物質給作用掉而提高反應速率。
再由表二和圖四看到，在加酸第2次回收時氧氣生成速率最高，而在第3次和第3次回收時又明顯下降，這可能是因雙氧水在酸性環境下較安定而使得反應速率變慢。
實驗三：探討二氧化錳回收後加鹼處理的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係
二氧化錳回收後加鹼（1 M氫氧化鈉）處理的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係，如表三和圖五所示。
表三：二氧化錳經「氫氧化鈉」處理回收次數與催化生成氧氣速率表
|
二氧化錳 |
新鮮第0次
（藥品罐取出） |
第1次
（NaOH處理） |
第2次
（NaOH處理） |
第2次
（NaOH處理） |
第2次
（NaOH處理） |
|
O2平均生成速率
（mL/s） |
5.19 |
13.61 |
24.89 |
34.86 |
45.34 |
圖五：二氧化錳經「氫氧化鈉」處理回收次數與催化生成氧氣速率圖
由表三和圖五得知，氫氧化鈉愈多時氧氣生成速率也會愈快，這可能是因雙氧水在鹼性環境下較不安定，或者是二氧化錳會跟氫氧化鈉起作用而提高二氧化錳的催化效能。
n 參賽學生心得
一、參與契機
快暑假時，我們（第一～第三作者）偶然在化工科的網頁上看到了「綠色化學創意競賽」的資料，與科上老師討論後這是一項值得參加的競賽，於是找了志同道合的同學來參加這項科學的專題比賽，那時我和組員對於這個比賽也只是懵懵懂懂，而題目也是和指導老師共同討論而定，實驗研究開始時對原理或是步驟等，其實也都不是很了解，不過在我們指導老師：黃玄智老師與科上其他位老師的指導、幫忙下，讓我們對於此實驗以及其結果都有很好的收穫。
二、瓶頸難題
我們的實驗：二氧化錳催化雙氧水，雖然是一簡單且基礎的實驗，但是要如何準確的紀錄反應速率這可就傷透了我們的腦筋，我們總共試了三個不同的方法，有用薊頭漏斗來加雙氧水，發現雙氧水不會整個下去，導致每次反應都不均，有用針頭從橡皮塞裡加入，但是加入時的時間又會有所差距，到最後則是用最簡單、陽春的直接拿燒杯加入後立刻蓋上蓋子。但此反應因為是非均相反應，所以還得想辦法使每一次的反應環境都相同，所以我們又用了磁石攪拌器。在收集氣體時要注意管子高度以及容器內是否有氣體等，每一個細節都很折騰人呢，不過到最後有好的數據呈現出來那就不會白費了。
三、成功喜悅
我們在實驗室總共進行了數百次的實驗。當第一批的結果出來後，那種成就感真的很棒，感覺一切的努力都值得，不過那一批的結果還不足以我們來完成專題，所以我們只能一直做一直做，並從中找到如何增快二氧化錳催化雙氧水的速度，而最後發現在反應中加鹼可以使反應快上不少，也知道了二氧化錳在催化完雙氧水後其表面可能就受到了污染，使表面積減少，減緩速率，之後發現用硫酸去清洗二氧化錳可以有效的增快其催化反應，此結果真的讓我們開心不少，也使我們的專題結果更完整。
四、競賽報告
在得知初審通過後，科上老師以及我們都很興奮，但也有點擔心，擔心實驗能不能如期完成，擔心口頭報告時是否會順利等，為此在口頭報告前科上老師替我們好好訓練了一翻，使我們更有信心來去面對這次的報告。當天的報告情形我到現在還記憶猶新呢，還記得總共有五位教授在聆聽我們的專題，那種感覺真的很棒，因為這代表著自己的作品有一定的水準可以讓那麼多位教授一起評分，而報告結束後教授也給了我們很多良好的建議，例如說找出此反應的半反應式就會得知鹼確實可以加速反應，而加酸則反之等，真的很感謝那五位教授。
五、得獎心情
得知我們有得獎真的很興奮，我的夥伴以及科上老師也都很開心，因為這是對我們作品最好的肯定，另外北上至台大領獎及刊登在報紙上，更是倍感榮耀（圖六），在這三個多月中，更學到資料收集、實驗研究及結果數據整理的能力，雖然花費的時間很多、少了睡眠及休息的時間，但這絕對是值得的。最後我們非常感謝指導老師以及科上老師的幫忙與指導，若沒有他們的幫忙的話，那我們可能就無法順利完成實驗呢！而在得了這個獎之後我們也要再接再勵地研究我們的專題，希望能夠有更好的收穫，讓自我的能力與實力能更上層樓。
圖六：獲獎學生綠色化學領獎新聞／李蔡彥司長（中）、花工葉日陞校長（左一）、指導老師黃玄智（右一）、詹秉澄（右二）、陳弘欽（右三）及其餘參加同學。
n 結語
本研究有下面四點發現：（一）二氧化錳催化雙氧水效能會隨著使用次數和回收次數而降低。（二）回收並加酸處理之後的二氧化錳能維持一次較高的效果，但第二次回收之後每況愈下，但仍然比未處理的好。（三）回收並加酸處理之後的二氧化錳能一直維持較高的效能，且甚至比未處理得還好上很多。（四）回收過後的二氧化錳只要加入一點氫氧化鈉溶液即可恢復催化的效果，因此二氧化錳不必要丟棄，可重複使用。
這次的專題製作競賽讓東部優秀的孩子能找到可以發展與突破的舞台，就算沒有得到任何獎項，整個過程亦是不斷的在學習，學習時間的管理、學習從錯誤中改進、學習不放棄，人生何嘗不也是這樣的過程循環！學生就如同一顆充滿生命力的種子，老師就像水和空氣，學校是土壤，而給予學生參與的競賽的舞台就如同陽光（方向），只要陽光普照、土壤肥沃以及充足的水和空氣，相信所有的種子都能發芽、成長、茁壯、開花及結果。
n 參考資料
1. 不要把我丟掉，http://www.tyc.edu.tw/files/CD/science45/technical/0911/091103.pdf。
2. 普通化學實驗I，謝澤民，台科大圖書股份有限公司。
3. 普通化學I、II，蔡永昌，台科大圖書股份有限公司。
4. 2-2氧，國中理化，https://market.cloud.edu.tw/content/junior/phy_chem/pd_kc/tag.1.2.1.1.html。
5. 二氧化錳，維基百科，http://zh.wikipedia.org/zh-tw/二氧化錳。
6. 雙氧水，維基百科，http://zh.wikipedia.org/zh-tw/雙氧水。
論述關於測定化合物中基本分子的相對質量，以及它們在化合物中的比例之方式 ／ 亞佛加厥、胡景瀚
星期六 , 4, 7 月 2015 未分類 在〈論述關於測定化合物中基本分子的相對質量，以及它們在化合物中的比例之方式 ／ 亞佛加厥、胡景瀚〉中留言功能已關閉論述關於測定化合物中基本分子的相對質量，
以及它們在化合物中的比例之方法
作者：Lorenzo Romano Amadeo Carlo Avogadro（亞佛加厥）
譯者：胡景瀚*
國立彰化師範大學化學系
*[email protected]
n 譯者導讀
阿密迪歐∙亞佛加厥（Amedeo Avogadro，1776–1856年），義大利化學家，如圖一左所示。他於1811年發表這篇名為《論述關於測定化合物中基本分子的相對質量，以及它們在化合物中的比例之方法》的論文，原文為法文，本文則譯自該文的英譯（Essay on a Manner of Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies, and the Proportions in Which They Enter Into These Compounds），如圖一右所示。
圖一：阿密迪歐∙亞佛加厥（左）和該文英譯版本（右）
（圖片來源：Amedeo Avogadro, Wikipedia和Essay on a Manner …, web.lemoyne.edu）
在這篇論文中，亞佛加厥提出兩個假設。
第一個假設：在相同的溫度和壓力下，相同體積的任何氣體的數目都相同。
第二個假設：氣體分子皆由數個「基本分子」組成，當它與另一種氣體分子結合時，化合分子可以分裂成兩個或更多個分子。
亞佛加厥從給呂薩克（M Gay-Lussac）的論文（1809年）出發，給呂薩克指出當兩種氣體化合時其體積為整數比，當產物為氣體時，產物的體積也和反應物氣體的體積為整數比。亞佛加厥說明，若接受假設一，則給呂薩克的結果就很容易理解為兩種參與反應分子的一比一、一比二…等倍數的組合。亞佛加厥假說一經過大量的實驗證實，後來稱此假說為亞佛加厥定律（Avogadro's law）。假設二則說明為何某些反應的產物分子體積是第一種氣體的二倍（而非一倍）。根據這兩個假設，亞佛加厥利用已知的各種氣體的密度計算氣體分子的相對質量（若接受假設一，則氣體分子的相對密度就是相對質量），推翻道耳頓（1808年）對某些基本分子質量的預測，並證明依此預測的氣體密度與實驗相符。亞佛加厥舉了許多的例子，以下我們僅以其中兩個例子簡述他的推論。
I. 已知1體積的氧氣和2體積的氫氣組合成2體積的水，從氣體的密度知道氧氣的質量約為氫氣的15倍（道耳頓的預測是6倍），並預測水分子的質量是氫氣的(15 + 2) / 2 = 8.5倍（道耳頓的預測是6 + 1 = 7倍），這個結果和水和氫氣的密度比相符。亞佛加厥並指出道耳頓的錯誤是因為他假設水中的氫和氧的組成是一比一所造成的。
II. 從氣體的密度知道氮氣的質量約為氫氣的13倍（道耳頓的預測是5倍），已知1體積的氮氣和1體積的氧氣組合成2體積的一氧化氮（現代名詞，亞佛加厥並不知道分子式），因此亞佛加厥預測一氧化氮的質量是氫氣的(15 + 13) / 2 = 14倍（道耳頓的預測是6 + 5 = 11倍），同樣地，這個結果和一氧化氮和氫氣的密度比相符。
儘管亞佛加厥在這篇論文（及其後續論文）中表示，他的假說可以準確地預測分子量，亞佛加厥的論文被忽略了近50年之久。半個世紀之後，當亞佛加厥的分子假說被逐漸接受，分子量和原子量的混亂歷史方才豁然開朗。這段過程是許多科學史學者深感興趣的主題。
值得注意的是，在這篇文章中亞佛加厥並未使用「原子」（atom）一詞。我們可以將文章中的「基本分子」（elementary molecule）視為道耳頓的「原子」，將「化合分子」（composite molecule）視為現代的分子。亞佛加厥並沒有像某些教科書所描述的，假設氫和氧是雙原子分子，他說的是氣體分子由數個「基本分子」所組成，分裂後的化合分子可能包含第一種及第二種組成分子中的二分之一、四分之一…等等數目的基本分子。
翻譯本文的目的，在幫助讀者及譯者本人，了解亞佛加厥的原始想法，甚或解開譯者在閱讀教科書時心中的疑惑。在翻譯時，為減低讀者在閱讀上可能遭遇的困難，我們將多數論文中的分子名稱譯為現代的分子名稱，如「一氧化二氮」（原文：nitrous oxide）、「鹽酸」（原文：muriatic acid）、「二氧化碳」（原文：carbonic acid）等。
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論述關於測定化合物中基本分子的相對質量，
以及它們在化合物中的比例之方式
Essay on a Manner of Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies, and the Proportions in Which They Enter Into These Compounds
Lorenzo Romano Amadeo Carlo Avogadro
Journal de physique, de chimie et d’histoire naturelle. 73: 58-76 (1811)
n I.
給呂薩克先生在一篇很有趣的論文中指出，氣體總是以非常簡單的體積比例結合。而且，當結合的結果是氣體時，它的體積也和組成氣體成非常簡單的比例關係。然而，化合物（compound）中的成分（substance）的質量似乎只和參與結合分子的相對數目，以及化合分子（composite molecule）的數目成比例。我們同時又必須接受，組成氣體和結合氣體的體積為簡單比例的事實。在此我要呈現的第一個假說，而且顯然是唯一可以被允許的假說，是相同體積的任何氣體的數目都相同，或正比於其體積。如果我們假設，相同體積的不同氣體的數目不相同，我們幾乎不可能構思，如何根據規範分子間距離的定律來理解前述的簡單相關，這些相關讓我們體認到體積與分子數目之間的關係。另外，我們都了解氣體分子相距甚遠，因而沒有吸引力，它們對「熱質」（caloric）1的吸引或強或弱，但是熱質對氣壓的影響在各種氣體中是相當的，因此各種氣體中分子間的距離相同，或者說相同體積內各種氣體中分子的數目相同。道耳頓卻提出一個完全相反的假說，他認為所有氣體的「熱質」的量都是相同的，對「熱質」吸引較強的分子吸收較多的「熱質」，對「熱質」吸引較弱的分子則吸收較少的「熱質」，前者的分子間距離（譯註：以及體積）因此小於後者。但是如果我們無視分子對「熱質」的吸引對體積造成的影響，我們其實無法決定要接受可能的假說中的哪一個。如果不是因為我們提議的假說是基於氣體體積結合的簡單關係的話，我們則會採取中性立場，考慮道耳頓基於未知定律—分子間的距離和「熱質」的量會改變的假說。
從這個假說出發，很明顯地我們可以輕易測量氣體分子的相對質量，以及這些氣體分子的相對數目。進而，各種氣體分子的質量比等於同溫同壓下氣體的密度比，且在化合物中基本分子的數目可以立即地藉由氣體的體積比計算而得。例如氧氣和氫氣的密度比為大氣氣體的1.10359和0.07321倍，這個比例就是相同體積下，氧氣和氫氣的質量比，也就是兩種氣體的質量比。因此，氧氣的質量大約是氫氣的15倍，更準確的說，是15.074倍。由相同的方法，我們得到氮氣和氫氣的密度比為大氣氣體的0.96913和0.07321倍，氮氣的質量是氫氣的13，或更準確的說，是13.238倍。另外，我們知道氫氣和氧氣以體積2比1的比例組合成水，也就是說水是由一分子的氧和二分子的氫組合而成。同樣的我們從給呂薩克得到的氨、一氧化二氮（nitrous oxide）、一氧化氮（nitrous gas）、以及二氧化氮（nitric acid）2的體積比，我們將推得氨是一分子的氮和三分子的氫組合而成，一氧化二氮是一分子的氧和二分子的氮組合而成，一氧化氮是一分子的氮和一分子的氧組合而成，二氧化氮是一分子的氮和二分子的氧組合而成。
n II.
乍看之下，我們的假說似乎和物質化合的觀點有不相容之處。由二種或多種基本分子（elementary molecule）組成的分子，其質量應該是這些基本分子的質量和。如果某分子（molecule of one substance）和兩個或更多的分子結合，則化合分子中應該含有相同數目的該物質的分子。所以，我們的假說指出，當某氣體和兩倍或多倍體積的其它氣體結合時，如果產物是氣體，其體積必與第一種氣體相等。然而，一般而言情況卻非如此。例如，根據給呂薩克水氣體的體積是氧氣的兩倍，是氫氣的一倍。若要使我們的假說與前述事實一致，我們推論所有簡單氣體的分子都不是單一基本分子，3而是由某個數目的基本分子互相吸引而成。而且，當第二種物質與這種簡單氣體結合形成分子時，這個化合分子（compound molecule）可以分裂成兩個或更多個部分（或分子），其中包含原氣體分子中的二分之一、四分之一…等等的數目的基本分子，以及第二種氣體分子中的二分之一、四分之一…等等的數目的基本分子（同樣的我們可以說，化合分子的第一種氣體的分子數目是第二種氣體的二分之一、四分之一…等等）。因此，化合分子的數目是第一種氣體的兩倍或四倍等，其倍數正是化合氣體和第一種氣體的體積比。4
檢視諸多已知化合氣體之後，我發現所有化合物的體積都是前述第一種氣體的整數倍。我們從水已經看到這個結果。同樣地我們知道，氨氣的體積是其組成氮氣的兩倍。給呂薩克指出一氧化二氮的體積和組成它的氮氣體積相同，是氧氣體積的兩倍。最後，一氧化氮的體積是由相同體積的氮氣和氧氣所組成的，也就是說，一氧化氮的體積是氮氣或氧氣體積的兩倍。所以，在上述過程中必定有分子被分裂為二，也可能被分裂為四或八份…等等。我們必須預設化合分子可以分裂，否則他們所組成的化合分子的質量將大於組成分子。我們可以想像，大自然會有讓化合分子變回組成分子的方法，我們所討論的現象也顯示這種方法是存在的。此外，我們還可以藉一氧化氮的例子讓我們接受組成分子分裂的事實，同體積的氮氣和氧氣組成一氧化氮，反應氣體的體積並未減少。除了分子分裂，我們還有什麼理解這個過程的可能呢？假設氣體分子之間的距離夠遠，彼此之間沒有吸引力，我們無法想像某種氣體分子與另一種氣體分子會互相吸引。但是在前述的分裂假說中，我們很容易了解到，兩種不同的組成分子真的會結合成一種分子，而且如果化合分子沒有分裂成兩個相同的分子，化合分子的體積會減少一倍。5關於前述的這些現象，給呂薩克清楚地指出，氣體結合時體積的減少並不是原分子的體積誤差造成的。氣體分子的結合，以及化合分子的分裂，成功地解釋了一氧化二氮和一氧化氮反應過程的體積關係。
n III.
道耳頓隨意的猜測了化合物中的最可能的分子相對數目，並致力於修正簡單化合物中分子的質量比。如果我們的假說可以成立，我們就可以利用準確的實驗數據來確認或修正他的結果，更重要的是根據各種氣體的體積標示分子的質量大小，這些體積關係和分子的分裂有關，這是道耳頓完全不知道的。
道耳頓假設6水是由一分子的氫和一分子的氧組成的，根據這一點，以及這兩種分子的質量比，一分子的氧的質量應該是一分子的氫的7
倍，或者根據道耳頓，是6倍。根據我們的假說，這個比例是兩倍大，也就是15倍。至於水分子，其質量約為15 + 2 = 17（將氫的質量定為1）。如果沒有前述的分子一分為二，只考慮氫和氧的一比一組成，水的質量是8
，或更準確的8.537。這個數字可以從水蒸氣的密度0.625和氫氣的密度0.0732相除而得。7這個數值與道耳頓假設的7，只相差了水分子的氫和氧的組成比例。所以道耳頓推論的，大致正確的氧—氫質量比來自於兩項互補的錯誤：他對氧的質量判斷錯誤，以及他忽略了組合分子的分裂。
道耳頓假設一氧化氮是由一分子的氮和一分子的氧組成的，從我們的假說也發現的確如此。因此如果道耳頓沒有使用和我們不同的氧質量，並且使用和我們一樣的相對質量時，他也會得到與我們相同的，以氫的質量為1的氮的質量。但因為他假設的氧分子質量小於我們所假設的一半，他得到的氮分子的質量也小於我們所假設的一半，是5而非13。對於一氧化氮，道耳頓因為忽略分子的分裂得到的質量是6 + 5 = 11，然而我們的答案約為(15 + 13) / 2 = 14。或者更準確地說，是(15.074 + 13.238) / 2 = 14.156，這個數字可以從給呂薩克測量的一氧化氮密度1.03636除以0.07321而得。道耳頓也用了同樣的方法預測一氧化二氮（nitrous oxide）的質量，而我們的方法又再度修正了他的結果。道耳頓得到6 + 2 × 5 = 16，而根據我們的方法質量應該是(15.074 + 2 × 13.238) / 2 = 20.775，這個數字一樣可以從給呂薩克測量的一氧化二氮密度1.52092除以氫的密度而得。
關於氨，道耳頓假設的組成分子相對數目從我們的假說看來是完全錯誤的。他假設氮和氫以一比一的比例組合，然而我們知道一分子的氮會與三分子的氫組合。根據他的推論，氨的質量應為5 + 1 = 6，而根據我們的方法則為(13 + 3) / 2 = 8，或是更準確的從氨的密度得到8.119。考量未被道耳頓列入考慮的分子的分裂，我們又部分地修正了道耳頓的錯誤。
我們剛才討論的所有化合物都由一分子的組成分子和一或多分子的另一組成分子結合而成。亞硝酸（nitrous acid）是另一個氮和氧的化合物，其中氮和氧的分子數比值都不是1。根據給呂薩克的實驗，亞硝酸由1份的氧和3份的一氧化氮組成，或相等地，由3份的氮氣和5份的氧氣組成。因此根據我們的假說，亞硝酸（nitrous acid）是由3分子的氮和5分子的氧所組成的，這將使我們的分裂假說無法自圓其說。但是這種組合方式可以視為前面描述過的簡單組合，也就是將亞硝酸視為1分子的氧和3分子的一氧化氮（nitrous gas）之組合。3分子的一氧化氮各包含半分子的氧和半分子的氮，也就是包含了部份進入亞硝酸（nitrous acid）的分裂的氧分子。如果沒有其它分裂，亞硝酸（nitrous acid）的質量相對於氫會是57.542，密度相對於空氣是4.21267。但是有可能至少還有一次一分為二的分裂，因此亞硝酸（nitrous acid）的密度還會再減半，8我們必須等到亞硝酸的密度被實驗測量出來才能得知。9
n IV.
我們可以再多檢視幾個化合物，從中可以看出我們的假說至少可以推測出分子的相對質量及它們在化合物中的數目，並將我們的結果與道耳頓的推測結果做比較。給呂薩克指出，如果三氧化硫由100倍重的硫和138倍重的氧組成，而二氧化硫10氣體的密度是空氣的2.265倍（由Kirwan測得），如果我們接受給呂薩克的實驗數據，三氧化硫由接近2倍體積的二氧化硫和1倍體積的氧的氣體組成，如果測量所依據的基礎一致的話這個比值會是整數。如果我們假設Kirwan的測量正確，丟棄關於三氧化硫的錯誤數據，我們發現二氧化硫中有100倍重的硫和95.02倍重的氧，因此三氧化硫中氧的相對質量是95.02 + (95.02 / 2) = 142.53，而非138。如果反過來，我們假設三氧化硫的質量比為正確，二氧化硫中會有100倍重的硫和92倍重的氧，二氧化硫的密度是空氣的2.30314倍，而非2.265倍。
如果能更準確的測量三氧化硫的質量組成，並驗證或修正二氧化硫的密度的話，將會對前述的第一個假設11有利。三氧化硫質量組成的誤差，是由低估氧的比例所造成，也是高估了二氧化硫的密度的原因。測量必須使用乾的二氧化硫，我們知道硫裡面含有一些氫，氫在操作過程中一定被轉化成了水，這個多出來的質量被加進三氧化硫的質量之中。因此我假設，二氧化硫中有100倍重的硫和95.02倍重的氧，12而非92倍重的氧。13
要測量三氧化硫中分子的質量，要先知道硫氣體（譯註：原文為sulfuric radical）形成二氧化硫時和氧氣結合的體積比。在其它的反應中我們已經看到類似的情況，其中牽涉到分子的一分為二和體積的加倍，我們猜測這裡情況也是如此。硫氣體的體積是二氧化硫的一半，因此與它結合的氧的體積也只有一半。在這個假設下，硫氣體的密度相對於氧是100比95.02 / 2，即100比47.51，硫氣體的密度因而為空氣的2.323倍。根據我們的假說，分子的質量比等於密度比，硫氣體的質量相對於氫是2.323比0.07321，即31.73比1。一個硫分子結合兩個氧分子而形成二氧化硫，二氧化硫結合一個氧分子再形成三氧化硫。二氧化硫的分子組成方式和二氧化氮相似，三氧化硫的組成方式則和氮的化合物沒有相似之處。二氧化硫的質量考量分裂後是(31.73 + 2 × 15.074) / 2，即30.94，這也可以由二氧化硫的密度2.265除以氫氣的密度而得。至於三氧化硫的質量，因為不知道形成時有無進一步的分裂，我們無從得知。14
道耳頓假設三氧化硫由2分子的氧和1分子的硫組成，二氧化硫由1分子的氧和1分子的硫組成。這兩個假設是不對的，因為根據給呂薩克的結果，相對同樣的硫，在二氧化硫和三氧化硫氧中的含量比是1比1
磷和硫極為相似，15顯然我們可以假設磷酸（phosphoric acid）由3分子的氧和1分子的磷組成，亞磷酸（phosphorous acid）由2分子的氧和1分子的磷組成，我們可以從這個假設出發計算磷的質量。Rose利用和在三氧化硫系統類似的方法，發現磷酸約含115倍重的氧和100倍重的磷。如果假設磷和硫一樣也含有少量的氫，其中還會有更多的氧。我們假設這項修正和在三氧化硫的情況相當，我們將氧的質量提升到120。從我們的假說得到磷的質量是氫的約38倍。道耳頓對亞磷酸和磷酸的處理和他對假設二氧化硫和三氧化硫的方式相似，但因他使用了不同的亞磷酸和磷酸的質量，他得到了與我們相異的錯誤的磷的比例，他得出的磷質量是氫氣的8倍。16
讓我們再看看另一個比硫或磷在自然界中扮演更重要角色的物質，也就是碳化合分子中的組成分子的質量。很清楚地，二氧化碳（carbonic acid）的體積與進入其中的氧的體積相同，如果我們允許氣態碳分子被一分為二，使其體積加倍，像在其它反應所發生的一樣，我們必須假設這體積是它結合的氧體積的一半，所以二氧化碳為1個碳和2個氧分子所組成，就如同前面的二氧化硫和亞磷酸一樣。這裡我們發現，由氧和碳的質量，碳氣體的密度是空氣的0.832倍，質量是氫氣的11.36倍。這個假設裡有一個困難，我們賦予碳的質量小於氮和氧的質量，我們或許會想要利用這些碳在高溫下聚集而得到更高的分子量，如我們在硫和磷所發現的一樣。我們可以假設碳分子形成二氧化碳時分裂為4份或8份來避免這個難題，如此我們就會得到前面的2或4倍的質量。但是這樣的組成不同於前面所談的酸，而且根據其它的例子，這種假設不僅和分子的大小有關，也和物質的其它未知性質有關。因此二氧化硫這個大分子在正常溫度和大氣壓力下仍然可以維持氣態，分子幾乎大到和硫的分子一樣。鹽酸（muriatic acid）氣體其質量及密度更為可觀。我們待會談到的汞，汞分子遠大於鐵分子，在不足以將鐵氣化的低溫下汞卻是氣態的。因此我們有足夠的理由將二氧化碳視為前述方法的組合，如同二氧化氮（硝酸，nitric acid）、二氧化硫和亞磷酸一樣，我們將碳分子的質量定為11.36。
道耳頓對於二氧化碳也做了一樣的假設，因此將碳分子的質量定為4.4，與他所定的氧分子質量相比，這比值與我們的碳對氧質量比為11.36比15幾乎相同。
以我們訂的碳分子質量和密度，根據給呂薩克的實驗，一氧化碳由等體積的碳氣和氧氣組成，因此碳和氧分子以1比1的比例組合，然後再分裂，和一氧化氮的情形完全一樣。
二氧化碳分子的質量為
(11.36 + 2 × 15.074) / 2 = 20.75 = 1.5196 / 0.07321
一氧化碳分子的質量為
(11.36 + 15.074) / 2 = 13.22 = 0.96782 / 0.07321
n V.
在簡單的非金屬物質中，還有一個分子是我們要討論的。這個物質是氣態的，因此我們的原理將會引導出它的質量。但是戴維（Davy）最近的實驗以及給呂薩克和Thenard稍早的實驗都迫使我們遠離了先前的想法，雖然給呂薩克等人也曾利用這些想法來解釋他們的實驗結果。這物質稱為氧化鹽酸（oxymuriatic acid，譯註：氯氣17），就我們目前所知，我們必須將它視為未分解的，而且鹽酸是它和氫的化合物。我們將運用我們的理論來探討這兩個物質的組合。
根據給呂薩克和Thenard的實驗，氧化鹽酸的密度是空氣的2.470倍，利用Biot和Arago量得的氫氣密度，氧化鹽酸的質量是氫氣的33.74倍。根據戴維的測量，100立方英吋的氧化鹽酸重74.5克，而同體積的氫為2.27克，所以氧化鹽酸的質量是74.5 / 2.27 = 32.82。加入其它的考量後戴維決定的質量是32.9，兩組數據差別很小。給呂薩克和Thenard以及戴維的實驗都指出同體積的氧化鹽酸和氫氣組合形成鹽酸，且鹽酸的體積為二者之和。根據我們的假說，這意味鹽酸是由氧化鹽酸和氫氣以一比一的比例組合再一分為二分裂而成，這個分裂過程是我們看過許多次的。利用鹽酸的密度，求得氧化鹽酸的密度是1.272，或由Biot和給呂薩克的實驗數據得到1.278。假設實驗結果正確，氧化鹽酸的密度應為2.483，質量為33.91。利用這個質量我們可以求得鹽酸的質量為34.91 / 2 = 17.45 = 1.278 / 0.07321。戴維的實驗量得100立方英吋的鹽酸重39克，由此而得的數據稍有不同，氧化鹽酸的質量為33.36，鹽酸的質量為17.18。
n VI.
讓我們將我們的假說應用在幾個金屬物質上，根據Fourcroy和Thenard的實驗結果，氧化亞汞（mercurous oxide）由100倍重的汞吸收4.16倍重的氧而得，給呂薩克假設氧化亞汞的形成方式和一氧化二氮相似，氣態汞與二分之一體積的氧結合，由我們的說法是1分子的氧結合2分子的汞。如果是這樣，那麼汞氣體和氧氣的密度比是100比8.32，其密度是空氣的13.25倍，質量是氫氣的181倍。從氧化汞（mercuric oxide）來看，氧氣的相對體積加倍，氧化汞由等體積的汞和氧結合而成，應該是由一對一的汞和氧分子組成的。然而有某些理由讓我覺得氧化亞汞才符合前述的觀察（譯註：由等體積的汞與氧結合），氧化汞則含1個汞和2個氧分子。汞氣體的密度和質量因此是前述假設的兩倍，也就是密度為26
、質量為362。我的想法可以從其他金屬，尤其是鐵得到佐證。由另一位化學家Hassenfratz的分析，最為人知的金屬氧化物，黑氧化物（black oxide）18和紅氧化物（red oxide）19含有質量相對於100倍鐵，31.8倍和45倍的氧。我們看到後者的氧比前者多出幾乎半倍的量，因此我們很容易想到，在第一個氧化物中1分子的鐵結合2分子的氧，而在第二個氧化物中結合3分子的氧。如果是這樣，而且假設黑氧化物的實驗比例較為準確，紅氧化物中氧和鐵的質量比是47.7比100，和Proust所發現的48相當接近。一分子的鐵和氧的質量比是100比15.9，約為氫的94倍。從以上分析可知應該還會有一個含有15.9倍氧和100倍鐵重的鐵的化合物，可能是白氧化物（white oxide），雖然到目前為止的實驗指出這個物質含有更高比例的氧。對於前面兩個汞的氧化物，其中一個包含的氧分子的數目是另一個的兩倍，顯然與黑氧化物和白氧化物的關係相似，紅氧化物則與汞氧化物無相似之處。
同樣地，其他大部分金屬氧化物也是含有1或2個氧，所以由其中的元素質量比，我們可以算出金屬的質量。例如我發現鉛分子的質量是206，銀分子的質量是198，銅分子的質量是123。20
n VII.
將我們的原理應用在鹽類（saline compounds），將讓我們有機會了解一項這些物質相關理論中的重點。給呂薩克指出在中性的氨的碳酸化物（carbonate）、氟硼酸化物（fluoborate）和氯化物（muriate）由等體積的氨氣和酸所組成。先考慮碳酸，我們的假說認為這個鹽由一分子的碳酸（carbonic acid）21和一分子的氨組成（取前面所訂的數值，且與分裂無關），也就是1分子的碳，2分子的氧，1分子的氮和3分子的氫，質量是57.75。考量組成份子的預先分裂，這分子的質量減為28.87，如果酸和鹼在結合前還有進一步的分裂，分子的質量還要再減半。
給呂薩克曾經懷疑氣態的酸和鹼作用，形成中性的鹽時的等體積關係。這就等同於懷疑我們所說的，相同數目的酸和鹼分子作用，形成中性的鹽，但是某些情況的確違背了這個規則。酸性、鹼性和中性等想法，是我曾經在我關於這個主題的論文中描述過的（Journal de Physique, tome lxix.），這些想法在我看來仍然是最適於說明酸鹼作用的。根據我的觀點，所有物質形成時內部都由強度不一的酸或鹼性部分所組成，這一序列（series）的酸和鹼的強度與他們接觸後的正電或負電的量有關。我稱物質在這個尺標上的性質為氧化性（oxygenicity），尺標中酸性物質排在最前面。在尺標中有一個我們稱為中性（neutral）的點，當物質的聚集狀態允許他們呈現酸鹼性時，中性點之上為酸性，之下為鹼性。化合物在這尺標中佔據一點，此點與他們所含物質的氧化性及組成物的質量比有關。所以，中性物質是由一個酸性和一個鹼性物質以固定比例所組成（見前述論文）。22認知酸和鹼結合為中性物質的簡單比例，讓我們更能正確的理解中性狀態的性質。兩個分子結合為一時，其氧化性與他們的質量沒有關係，而當一定數量的這些分子聯合時會產生特定程度的氧化性，而其酸鹼程度與組成物的質量和氧化性有關。我們必須承認，關於相對於中性的分子氧化性程度我們還不是很確定，氧化性程度與酸或鹼的多餘質量（酸或鹼性由此而生）有關，當酸和鹼為簡單比例組合時沒有這種性質，只有當酸或鹼分子產生堆疊（aggregation）時，化合物才會顯現出酸性或鹼性。我們必須考量這個原先未被計入的質量，才能得到真正的簡單酸和鹼分子的組成比例。因此在幾種酸和鹼分子可能結合的簡單比例中，有一種比例是中性的，也就是它的氧化性在如前所述的中性位置。以這種比例的酸和鹼結合的分子，當它逸失一個或得到一個組成分子時，它的氧化性會在中性位置的兩端擺盪，這個位置是所有的中性化合物所共有的。在各種酸和鹼分子的任意數字組合比例中只有一種會落在這個中性的氧化性尺標上。很明顯的，這種理解化合物的中性的方法調解了Haüy在Traité de Physique發表的理論。
根據我們的理論，很明顯地當氧化性差異不大的兩種酸和兩種鹼分子成對組合時，如果其中一種酸分子和與它結合的鹼分子的質量比與另一化合物的酸和鹼分子質量比相同，讓兩種化合物為中性的酸和鹼分子比例可以是相同的（may be the same）。但是也有反例，碳酸和其它幾種酸和氨組合成中性物質時會有體積比為1比2等簡單比例。然而，我們仍然可以利用這些簡單比例和其它資訊，得到這些分子的質量和組成分子的氧化性，這些結果或可讓我們決定或至少猜測化合物中酸和鹼的簡單比例，不過這要靠實驗來確認或修正這些理論預測。
n VIII.
從本文可以看到，在許多問題上我們的特定結果和道耳頓的結果一致，然而我們是從一般性的原理出發，道耳頓則只是被細節所引導。這些一致性證實了我們的假說，這個假說本質上只在道耳頓的結果上加以準確獲得質量的新方法，這個方法是我們由其與給呂薩克所建立的一般性事實的連結而得到的。道耳頓假設化合物由固定比例組成，這是針對穩定化合物的實驗結果，也是道耳頓最感到興趣的。在氣體之間，只有這一類的組合可以發生，如果不是如此，將會出現很大的比例數字，產生巨大的分子。儘管可能分裂，其機率是相當低的。我們可以理解在固體和液體中的化合分子因為緊密地堆積，分子間的距離和其內部的基本分子間的距離相當，化合分子可能會有更複雜的基本分子比例，甚至是所有可能的比例。不過這些化合物和我們持續關切的分子屬於不同的類型。這個區別或許可以調解貝托萊先生（Berthollet）關於化合物中的組成分子是否有固定比率的想法。
n 附註
1. 譯註：熱質（caloric）是當時被認為可以從高溫流向低溫的一種沒有質量的氣體，物質吸收熱質後溫度會升高。
2. 譯註：原文的硝酸（nitric acid）其實是二氧化氮，nitrous acid和nitrous gas分別為一氧化二氮和一氧化氮。
3. 譯註：亞佛加厥的「基本分子」很像我們所知的原子。
4. 原註：例如，水分子將由半分子的氧和一分子的氫，或等同於兩份半分子的氫組成。
5. 譯註：例如，一體積的氮和一體積的氧組合成二體積的一氧化氮，一對一反應理應生成一體積的化合物，所以推論化合物經過分裂，這裡「分子」指的是原來分子的「一半」。
6. 原註：接下來我會利用道耳頓在湯姆森的《化學的系統》（System of Chemistry）中所說明的觀念。
7. 譯註：這些密度值是相對於大氣密度的倍數。
8. 譯註：從此可知亞佛加厥並不知道氮氣和氧氣是雙原子分子，他認為這些氣體可能再分裂一次或更多次。
9. 譯註：這一段文字可能討論的是數種氮氧混合物，而非亞佛加厥所認為的純物質。
10. 譯註：原文中為「亞硫酸」（sulphurous acid）。
11. 譯註：即亞硫酸的實驗數據較為準確的假設。
12. 原註：原誤植為92.02。
13. 原註：這是我再看到戴維關於氧化鹽酸的論文之前寫的，這篇論文也包含硫和磷的新實驗結果。戴維測得的二氧化硫氣體的密度只有2.0967，補強了我們的看法。如果採用這個數字，二氧化硫中硫和氧的質量比是100比111，三氧化硫中硫和氧的質量比是100比167，而非138。也有可能戴維量到的二氧化硫的密度太低了。
14. 原註：戴維在這篇論文中暗示了二氧化硫和三氧化硫（sulphuric radical）中氧和硫的相對分子數，由他測得的二氧化硫的密度，三氧化硫的密度是1.9862，質量是氫的27.13倍。戴維用類似的計算得到一半的數字13.7，因為他假設的氧分子的質量來自於道耳頓對於水分子的假設，是我們的一半。
戴維利用他所量到的硫化氫（sulphuretted hydrogen）的密度1.0645，並假設硫化氫含一分子的硫和一分子的氫，得到相似的三氧化硫的質量13.4，和Kirwan的結果很接近。我們假設的硫的質量幾乎是兩倍，因此我們必須假設硫化氫是一個硫分子和至少兩個氫分子組合的結果。氫分子的體積是硫氣體的兩倍，像在其它分子所出現的一樣。我說至少有兩個氫分子，因為實驗顯示硫中含有氫，如果這樣氫的數目還會更多。如果硫中含有一分子的硫基（sulphuric radical）和一分子的氫，硫化氫將含一分子的硫基和三分子的氫，這可藉由比較硫化氫和二氧化硫的密度而得知，假設兩個數據都完全正確。舉例來說，假設戴維所量的硫化氫密度正確，且為硫基分子和兩分子的氫結合，三氧化硫的質量是氫的27.08倍。如果硫化氫含三分子的氫，27.08其實是一分子的三氧化硫和一分子的氫的組合，三氧化硫的質量減為26.08。如果正確的二氧化硫密度確認了這兩種結果何者正確，就可以知道哪一個理論是正確的，但是從至今的實驗中我們仍然無法得到確切的驗證。
15. 譯註：亞佛加厥對於磷的分析誤差極大。
16. 原註：戴維對亞磷酸和磷酸採用了和我們相同的氧分子和磷的數目，而仍然使用約為我們一半的氧分子質量，得到磷分子的質量是16.5，如果用我們的氧質量，則磷的質量相對於氫應為33而不是38。這個差異來自戴維的磷酸實驗值，他的氧對磷質量比是136比100，而不是我們的120比100。後續的實驗會澄清這個迷惑。
17. 譯註：當時的科學家認為它是氧和鹽酸（muriatic acid）的化合物。
18. 譯註：氧化亞鐵（FeO）。
19. 譯註：氧化鐵（Fe2O3）。
20. 原註：這裡我應該談一下鉀分子，戴維假設氧化鉀（譯註：原文為「碳酸鉀」potash）由鉀和氧分子組成，將鉀的質量訂為40.5，這個數字是以氧分子重7.5計算而得。如果像我們一樣假設氧分子的質量幾乎是兩倍，利用戴維的假設，鉀的質量也是兩倍81。但是也有可能（氧化鉀不適合和其他金屬類比）氧化鉀中一分子的鉀結合二分子氧，那麼鉀的質量還要再加倍為162。或者氧化鉀是以二分子的鉀結合一分子氧，那麼鉀的質量應為40.5。
由戴維所訂的鉀的質量，假設氧化鉀的氯化物（muriate of potash）含一分子的鉀和一分子的酸，氧化鹽酸的質量是32.9。因為氧化鹽酸的質量從我們的假說或從它的密度計算都非常接近32.9，如果我們假設鉀分子的質量不同，氧化鉀的氯化物的分子組成一定有其它的比值。假設鉀的質量是81，以及硫化鉀（sulphide of potassium）中的硫和鉀是一對一組合，硫的質量將是27而非戴維所發現的13 1/2。這個結果和我們計算的二氧化硫質量，和戴維的數值是一致的。
21. 譯註：此處「碳酸」指的是二氧化碳。
22. 原註：從這個觀點，如戴維那樣將氧化鹽酸和氧視為性質相似的物質，一點也不特別，它們只是顯示出氧化（oxygenic）性罷了。我曾經在我的論文中討論到鹼性，如果鹼性物質是氧化物，鹼性是很容易用這些想法來解釋的。
端午吃粳粽說化學
傅麗玉
國立清華大學師資培育中心
[email protected]
端午節剛剛過，想必許多人都吃了粽子。炎熱的天氣，難免想起小時候的端午節最愛吃的粳粽。我看過母親把一大盆的糯米用水浸泡，然後放入一種粉狀的東西，只要一點點就夠了，與糯米攪拌在一起，包到竹葉中。母親說米不能放滿，否則煮熟時，糯米會膨脹而漏出來。然後放入水中煮熟，冷卻後放在冰箱冰涼，就變成小巧晶透又冰冰涼涼的粳粽（見圖1）。吃粳粽的時候，可以沾上一層厚厚的砂糖，也可以拼命地沾糖漿大吃，甚至有時奢侈地淋上一大匙蜂蜜，那是難忘的人生幸福（見圖2）。我記得母親說那種粉叫做「粳粉」。兒時的我好奇地問過母親為什麼糯米會變成透明的粳粽，母親說是因為加入「粳粉」。其實「粳粉」的成分的確是讓糯米變成透明的關鍵。台語說的「粳粉」就是鹼粉，台語發音的「粳粽」就是「鹼粽」。但是，為什麼加入粳粉，糯米就會變成晶透的鹼粽？粳粉是什麼成分？
圖1：小巧的粳粽（傅麗玉攝，2015）
圖2：搭配蜂蜜享用晶透冰涼的粳粽（傅麗玉攝2015）
n 當今普遍的粳粽做法
根據老一輩的說法還有筆者在市場的詢問，目前為了省時省工，已經很少採用古法製作鹼粽。當今粳粽的做法是先將糯米浸泡一或半小時，加上鹼粉攪拌均勻後，放著約十二小時才可開始用粽葉包裹，米量約七分滿，然後用竹葉將米包裹成粽子，用棉繩綁緊。但是要注意竹葉中不可以放滿米，以免因為米煮熟後體積膨脹而擠出來。煮沸一大鍋水，滴入少許沙拉油，放入鹼粽，水要蓋過粽子，以小火煮三至四小時，熄火再燜1小時。撈起粽子，讓粽子變涼，放到冰箱冷藏至 冰涼就可以吃了。
n 粳粉成份與粳粽相關的化學反應
葡萄糖分子互相「手拉手」（α-鍵）構成澱粉分子。但因為葡萄糖分子結合的構造不同，澱粉可分為直鏈澱粉和支鏈澱粉。糯米的澱粉有較多的支鏈澱粉分子結構（見圖3）。支鏈澱粉子與支鏈澱粉子的OH基彼此之間會形成許多分子內氫鍵，因而互相吸引。因此，相較一般的米飯，糯米飯的口感比較黏。
圖3：糯米澱粉的支鏈分子結構
粳粽的製作應用的是糯米的「澱粉糊化」反應。「澱粉糊化」又稱為「澱粉α化」，是指澱粉在水中加熱，澱粉顆粒吸水膨脹。未經加熱的生澱粉顆粒由規則排列的結晶區及具有親水性質但排列不規則的結晶區所組成。生澱粉經過加水加熱後，規則排列的結晶區的構造被破壞，澱粉顆粒吸水，澱粉顆粒體積變大，同時黏度增加而造成膨潤現象（swelling）。如果繼續加熱到60℃與80℃之間，支鏈澱粉的雙股螺旋結構會被解開，澱粉顆粒被破壞而形成半透明的膠體溶液，然後水分子再與葡萄糖分子以氫鍵結合，造成澱粉分子的體積膨脹甚至破裂，這個過程稱為「澱粉糊化」。「澱粉α化」讓大分子轉換為小分子，更容易食用。
另一種澱粉糊化的方法為「鹼糊化」或「化學性糊化」。直接加入鹼液如粳粉，在不加熱條件下，能加速澱粉產生糊化作用。澱粉加入鹼液可使澱粉分子分散（dispersion）和糊化，縮短澱粉的糊化分離時間。適量的鹼可以使粉狀在受熱分解時，吸收水份，產生黏彈性。加入鹼粉，可讓澱粉分子結構破壞，發生糊化反應。糊化後的澱粉，由於多糖分子吸水膨脹以及氫鍵斷裂，更容易被澱粉酶水解，進入人體後容易消化。粳粽的原料是糯米，主要的成分是澱粉。鹼性添加物能使糯米中的澱粉與蛋白質糊化凝結。因為米粒遇鹼後進行糊化，澱粉會快速膨潤，比上述用水浸漬所造成的膨脹程度更大，而且會變成一整塊QQ的物體，最後就不太看得到米粒的形狀（見圖4和圖5）。做鹼粽用的粳粉成分為碳酸鈉、碳酸鉀或氫氧化鈉，都是強鹼性的化學物質，具有腐蝕性，若直接食用，會嚴重地傷害人體。
圖4：鹼性的粳粉使糯米的澱粉快速膨潤，糊化凝結，米粒形狀被破壞而黏成一團，變成有黏彈口感的粳粽（傅麗玉攝，2015）
圖5：鹼性的粳粉使包紅豆餡的鹼粽糯米米粒和紅豆顆粒形狀被破壞而黏成一團（傅麗玉攝，2015）
n 懷念粳粽最古老的做法
古早年代，人們用草木灰製作鹼水，以稻草梗燒成灰，溶於水中，等待沈澱，便可以得到天然的鹼水。在化學科技尚未普及的年代，台灣人做粳粽的過程非常繁瑣。首先要做的準備工作就是製作鹼水。先將硬木或稻草燃燒成木灰，在一個底部已經打洞的水桶的底部鋪上一層曬乾的乾淨稻草，倒入約半桶的木灰。將此裝有木灰的水桶放入另一個大的乾淨水桶中。倒入一些乾淨的雨水或泉水，確保水質是無污染的軟水。外面的水桶可以收集從內桶過濾出來的鹼水。將收集到的鹼水再倒回內桶，每天至少反覆收集三遍，連續至少三天，最後所得到的水就是天然的鹼水，含有一些碳酸鈉和碳酸鉀的成分，可用來製作鹼粽。適量的鹼會使支鏈澱粉受熱分解時，吸收水份，讓澱粉有更好的黏彈性，口感有嚼勁。鹼水也有防腐以及中和酸性的功用。只是使用天然的鹼水所做成的鹼粽，糯米的糊化程度較小，其內部還可以看到米粒和紅豆的形狀（見圖6）。當今天然的鹼水所做成的鹼粽非常稀少，筆者四處尋訪採用天然鹼水做鹼粽的店家，最終也只找到一家。
圖6：使用天然的鹼水所做成的紅豆鹼粽內部還可以看到米粒和紅豆的形狀（傅麗玉攝，2015）
使用粳（鹼）粽油、粳（鹼）粉務必千萬小心，粳油、粳粉都屬於強鹼性，添加少許到糯米中，雖然對人體無立即的傷害，但若直接誤食粳油、粳粉，其強鹼會造成食道嚴重傷害。往年曾有民眾誤食「粳（鹼）粽油」造成食道嚴重傷害的不幸事件。如果可以多花一些時間，採用古老的方法製作鹼粽，應該是比較安全的。
n 參考資料
1. 吳嘉麗（2004）。化學、食品與社會。台北：中國化學會出版。
2. 左卷健男（2005）。圖解化學超有趣。台北：世茂出版社。
3. 鹼粽，維基百科，http://zh.wikipedia.org/zh-tw/鹼粽 [2015/2/17]
4. Homemade Lye from Wood Ash, http://www.aselfsufficientlife.com/homemade-lye-from-wood-ash.html [2015/2/19]
創意化學實驗—親生活環保電池 ／ 黃琴扉、梁騏霖、劉嘉茹
星期三 , 1, 7 月 2015 家庭化學實驗, 第8期 ／ 2015年7月 在〈創意化學實驗—親生活環保電池 ／ 黃琴扉、梁騏霖、劉嘉茹〉中留言功能已關閉
創意化學實驗—親生活環保電池
黃琴扉*、梁騏霖、劉嘉茹
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
*[email protected]
n 前言
環境教育是目前全世界亟欲推行的教育理念，而其中，節能省碳、節能省電的概念更是日常生活中環境教育的重點。能源與供電是近代人類發展與生活進步的重要驅動力，在日常生活中，人們可以利用能源來使冰箱運轉而保存食物，可以使電燈發光而提供夜間照明，也可以利用石油等能源，提供工廠的運作與汽車的驅動；由此可見，能源與供電對現在人類的生活有不可取代的地位。以日常生活中常見的1.5伏特乾電池（碳鋅電池）而言，其可應用於日常生活中的手電筒照明、時鐘及鬧鐘的轉動、小型電動工具的驅動等，然而乾電池屬於一次性電池，用完即需要回收，使用後會造成許多廢棄物的堆積與環境污染，而乾電池中的電解液若使用不當或放置過久，也會滲出鋅殼外層，導致化學物質外漏的危害，另外，鹼性電池使用氫氧化鉀當電解液，雖然可延長使用時間，但使用後仍需要回收，同樣造成廢棄物堆積與環保問題，而鹼性電解液若不小心外漏，更對人體皮膚造成腐蝕等危害。
目前市面上也有販售許多可充電電池，其電壓也維持在1.5伏特左右，使用的便利性與一般乾電池相似，更提供了可充電的優勢，因此降低了廢棄物的產生，也可以再次循環使用，但是其充電來源是採用家用供電系統進行充電，因此仍是耗費了家用供電能源。再者，充電電池的充電時間往往高達6-8小時，因此對於急需用電的民眾來說是非常不方便的，因此仍有可改善的空間。總結上述，目前的乾電池或充電電池，都需要採用化學物質當導電液，乾電池屬於一次性電池，用完即丟，造成廢棄物堆積，也不能重複使用，而充電電池雖然可以充電後再重複使用，但是其充電來源是家用供電能源，因此並沒有達到實際節省能源的功用。
為了提供一個更環保、更省能的電源，許多研究人員，甚至學生的科學覽展都投入了水果電池的研發。然而，綜觀水果電池的各類研究，大多數均嘗試在改良不同金屬片搭配後電壓大小，或利用不同的果汁、搭配不同濃度，進行相關研究報告。換句話說，傳統的水果電池製作方法，都是以不銅金屬片，插在不同的水果上面，進行電壓或電流的測試，其在操作時果汁的汁液會四處流動，而操作完畢後，那顆水果也無法再利用了；於是，每次要製作水果電池時，就必須再切一顆水果，然後弄得到處都是汁液，非常不方便，導致傳統水果電池的推廣性降低，實用性也降低。為了解決上述一系列的問題，本文作者自行開發了全新的「親生活環保電池」，其設計與組裝詳細說明如下。
n 原理和概念
電化學反應的原理如式[1]~[3]所示。
陰極半反應（銅線，正極）：2H+(aq) + 2e–→ H2(g) E°（標準還原電位） = 0.00 V [1]
陽極半反應（鋁線，負極）：Al(s) → Al3+(aq) + 3e– E°（標準氧化電位） = +1.66 V [2]
電池總反應：2Al(s) + 6H+(aq) → 2Al3+(aq) + 3H2(g) △E°（電位差） = +1.66 V [3]
n 裝置之設計與製作
一、 材料和藥品
鋁線（4公尺） 1條、廢棄電線（15公分） 2條、鱷魚夾 4個、廢棄粗銅線（2公尺）1條、菜瓜布（不限顏色） 1塊、廢棄中藥罐（含藥罐蓋子，100 mL） 1個、檸檬汁 100 mL，如照片一所示。
照片一：所需材料和藥品（由左而右排列）
二、 設計與製作過程
1. 利用鐵釘和手邊可用的工具，將中藥罐的上蓋鑽兩個孔洞，讓鋁線與銅線可以穿出孔洞，方便日後攜帶保存，如相片二所示。
相片二：用鐵釘將中藥罐蓋子鑽孔
2. 利用小型圓筒狀物體，例如麥克筆等，將鋁線捲成小螺旋形狀（相片三），以當成其中一個電極。將鋁線捲成螺旋形狀的主要目的是可以縮小整體體積，卻可以大大增加接觸的表面積，使電解液與電極的反應快速且增加兩者的接觸表面積。
相片三：利用小型圓筒狀物體（如麥克筆），將鋁線（銀色）捲成螺旋形狀
3. 利用較大型圓筒狀物體，例如化妝水瓶等，將銅線捲成大螺旋形狀（相片四），以當成其中一個電極。將銅線捲成螺旋形狀的主要目的是可以縮小整體體積，卻可以增加接觸的表面積，使電解液與電極的反應快速且增加兩者的接觸表面積。
相片四：利用較大型圓筒狀物體（如化妝水瓶），將銅線（紅銅色）捲成螺旋形狀
4. 依中藥瓶的高度，剪裁菜瓜布（相片五），使菜瓜布捲成圓筒狀置入中藥瓶內，菜瓜布的用途是隔絕鋁線與銅線，但卻能溝通兩個電極，並且能讓電解液通過，其原理與科學家伏打最早期利用沾了食鹽水的濕布隔絕兩片金屬片的原理相似。
相片五：依中藥瓶的大小，剪裁菜瓜布
5. 剪裁完菜瓜布之後，再將菜瓜布捲成圓筒狀，置入中藥瓶內備用，如相片六所示。
相片六：將菜瓜布捲成圓筒狀，置入中藥瓶內
6. 將螺旋形鋁線置入菜瓜布內層，再將螺旋形銅線放在菜瓜布外層，以當成電池的正、負兩極，如相片七（左）與相片七（右）所示。為了讓讀者能更清楚地看出鋁線與銅線的放置方式，因此相片七（左）將以綠色菜瓜布為示範，使鋁線與銅線的放置方式能清楚顯示；但是，相片七（右）則顯示了較為優美的放置方式，亦即將最外層用白色的菜瓜布再次圍繞，則可使銅線不外露，增加美感。
相片七：菜瓜布使鋁線與銅線隔開（左），最外層也用白色的菜瓜布圍繞，使銅線不外露（右）
7. 依上述步驟即可組裝完成「親生活環保電池」。
三、 實驗步驟與電壓、電流檢測
1. 將環保電解液倒入中藥瓶內：
進行實驗前，先將環保電解液（如檸檬汁、各種果汁、食鹽水等）倒入中藥瓶內，並讓汁液蓋過螺旋形鋁線與銅線之上如相片八所示。
相片八：將環保電解液（如檸檬汁）倒入中藥瓶內
2. 利用三用電錶檢測電壓
(1) 將三用電錶轉到20伏特處，準備進行電壓檢測，如相片九所示。
相片九：將三用電錶轉到20伏特處，準備進行電壓檢測
(2) 先將鱷魚夾裝在兩條廢棄的電線上，將兩條電線分別纏繞在銅線與鋁線上，並連結三用電錶，進行電壓的檢測，如相片十所示。由三用電錶的數據顯示可以明顯看出，「親生活環保電池」的電壓可以快速地穩定在0.5伏特左右，比一般水果電池的電壓大而穩定。
相片十：以三用電錶檢測，「親生活環保電池」可達0.5伏特
3. 利用三用電錶檢測電流
先將鱷魚夾裝在兩條廢棄的電線上，將兩條電線分別纏繞在銅線與鋁線上，並連結三用電錶，將三用電錶轉到200毫安培，進行電流的檢測，如相片十一所示。由三用電錶的數據顯示可以明顯看出，「親生活環保電池」的電流可以快速地穩定在6毫安培（mA）左右，為一般水果電池電流的60倍左右。
相片十一：以三用電錶檢測，「親生活環保電池」可達6毫安培
4. 讀者可自行進行串聯、並聯與其他創意改良
本研究自行開發的「親生活環保電池」，製作非常簡便快速，因此如果想要利用電池串聯的概念來提高總電壓量，可以製做多個「親生活環保電池」，並利用廢棄的電線與鱷魚夾進行電池的串聯，如相片十二所示。
相片十二：可簡易串聯多個「親生活環保電池」
此外，使用者也可依照不同的需求，在此裝置內倒入不同濃度的溶液、不同果汁的汁液，或混合食鹽等方式，進行不同的創意實驗改良；此外，也可將鱷魚夾裝置於LED燈、小鬧鐘等裝置上，更添趣味與實用性。本文利用三個「親生活環保電池」串聯並連接上紅色LED燈，使其在夜晚發出明亮光線，並可當成生日蛋糕的造型燈（相片十三（左）（右））；讀者也可依照類似的想法自行發揮創意。
相片十三：紅色LED燈在夜晚特別明亮（左），也可當成蛋糕蠟燭裝飾（右）
(四) 重覆利用、清洗與收納方式
1. 將環保電解液倒回收納瓶中，可重覆使用
實驗結束後，只要將環保電解液（如檸檬汁、食鹽水等）倒回收納瓶中，放置冰箱冷藏，即可重覆循環使用，直到不能發電為止，如相片十四所示。如果已經無法發電，可以再於液體內加入少許食鹽，即可充電重新循環發電。
相片十四：將環保電解液倒回收納瓶中重覆使用
2. 用清水直接沖洗「親生活環保電池」裝置，並蓋上瓶蓋收納保存
將電解液倒回收納瓶之後，再以水龍頭的清水直接沖洗「親生活環保電池」裝置，最後蓋上已經鑽孔的瓶蓋進行收納保存，為了避免鋁線和銅線容易刺到手，因此收納後建議將鋁線和銅線反摺，提高安全性；收納後的「親生活環保電池」裝置攜帶十分方便，對於提升電池本身的應用價值有極大的助益，如相片十五所示。
相片十五：「親生活環保電池」簡易收納圖
n 親生活環保電池之特點
「親生活環保電池」，完全符合環境保護、節約能源、減廢減量、高安全性等微型裝置與環境教育的整體概念，其特點如下：
l 電壓穩定達0.5 V，電流可達6 mA。
l 簡易進行串聯，串聯增強電壓。
l 操作皆不沾手，輕便容易攜帶。
l 材料容易取得，製作方法簡便。
l 電解液可回收，重覆多次使用。
l 組裝費用低廉，只需40-60元。
n 結語
所謂的環境教育，就是希望人人都能從愛護環境、保護環境著手，運用問題解決能力，思考如何解決生活中的環境破壞、環境污染、能源缺乏等困境，進而主動具有環境保護、節能省碳與節能省電的積極作為。有鑑於此，本文作者積極地利用創意的方式，開發新型環保電池，以取代容易造成汙染與廢棄物堆積的乾電池。
過去許多研究均嘗試用水果電池取代一般電池，並透過不同水果種類、不同果汁濃度、不同電極片等嘗試，試圖提升水果電池的電壓與電流；然而水果電池在操作上容易產生汁液噴濺、水果浪費等問題，在使用上並不方便，也較難普及化。為了解決上述一系列的問題，本文作者自行開發了全新的「親生活環保電池」，該電池製作方便簡易，幾乎從生活中隨手可得的器材中就可以製做出可循環利用、方便性極佳、價格極為便宜（每組裝置約台幣40-60元）的「親生活環保電池」；本研究經過測試後發現，每個單獨的「親生活環保電池」電壓可穩定達0.5伏特以上，電流也可穩定達到6毫安培以上（為一般水果電池的60倍），效果令人驚艷。
除此之外，「親生活環保電池」在倒取果汁汁液時，完全不沾手，使用完畢後，汁液可倒回收納瓶回收再利用，而整組裝製攜帶方便，更達到環境保護、減廢減量、高安全性、高方便性等優點，讓學生、教師、一般民眾都可以從生活中直接體驗環境教育的核心價值，並能透過動手做瞭解化學電池的相關原理。因此在理論學習、動手做學習與實務應用上，都具備高度的價值；期盼本篇文章能開啟拋磚引玉的成效，鼓勵相關研究人員、教師、民眾等加入環境友善生活用品或教材教具的開發，一起為更美好的環境努力。
探究「紅綠燈」示範實驗的多彩顏色
廖旭茂1, 2, *、陳嬿竹1、羅珮綺1、林芳瑜1
1國立大甲高級中學
2教育部高中化學學科中心
*[email protected]
n 影片觀賞
多彩紅綠燈的實驗是國立大甲高中學生專題研究課程的主題之一，本影片是由作者學生在國立大甲高中化學實驗室拍攝，提供不同pH值下，靛胭脂（indigo carmine）指示劑的變色。
（影片網址：啟動多彩紅綠燈，https://youtu.be/K84YbFeGCYA, YouTube.）
n 簡介
在示範實驗中，突發的火焰、爆鳴聲以及多彩的顏色變化最受到學生的喜愛；能夠在不同的酸鹼性或氧化還原反應中變色的指示劑，常在課堂中被老師們拿來吸引學生的目光，如藍瓶實驗、紅綠燈實驗、彩虹連線及乾冰魔法變色實驗。紅綠燈實驗所用的指示劑為靛胭脂，是一種酸鹼指示劑，也是一種氧化還原指示劑，在氫氧化鈉存在的鹼性環境中，加入葡糖糖等還原醣後，會因電子得失多寡，產生兩階段變色：先變紅色，再轉為黃色。不同酸鹼、氧化還原環境交織成多彩顏色的變化。
跟BR振盪反應（Briggs-Rauscher oscillating reaction）一樣，紅綠燈實驗最能引起學生好奇心，但也是不容易將變色原理解釋清楚的演示實驗，透過本校專題研究課程，引導學生探索紅綠燈實驗的變色反應之成因，在數位感測器的即時監測協助下，經過一番努力，學生終於解開紅綠燈變色反應的機制，所謂「教學相長」，在指導學生探索時，老師也在受益匪淺、成長許多。本文除介紹實驗溶液的配製，供高中教師進行演示實驗的參考，並提供分光光度計時間掃描監測法，探索紅綠燈變色的成因，撥絲抽繭，讓原本複雜的化學原理能夠獲得合理的解釋。
n 藥品與器材
1%靛胭脂 3 mL、葡萄糖 9.0克、氫氧化鈉 9.3克、250 mL 血清瓶 3個、500 mL 錐形瓶 3個、矽膠塞 3個、電子天平 1台、玻棒 1支、塑膠滴管 3 支、分光光度計 1部、比色槽 1個。
n 實驗步驟
一、課堂上的化學演示
(一)三種不同pH值溶液的配製
1. 溶液A：0.30公克的氫氧化鈉、3.0公克的葡萄糖，溶於蒸餾水中，加入1毫升1%的靛胭脂溶液，配製成150毫升的溶液。[NaOH] = 0.050 M，[葡萄糖] = 0.11 M。
2. 溶液B：1.5公克的氫氧化鈉、3.0公克的葡萄糖，溶於蒸餾水中，加入1毫升1%的靛胭脂溶液，配製成150毫升的溶液。[NaOH] = 0.25 M，[葡萄糖] = 0.11 M。
3. 溶液C：7.5公克的氫氧化鈉、3.0公克的葡萄糖，溶於蒸餾水中，加入1毫升1%的靛胭脂溶液，配製成150毫升的溶液。[NaOH] = 1.25 M，[葡萄糖] = 0.11 M。
(二)演示過程：溶液配製完成後，塞入矽膠塞後靜置，溶液最後會轉呈為黃色。當溶液晃動時，空氣中的氧氣會與靛胭脂作用，溶液表面局部呈紅色，故學生面前，應小心輕輕地拿起錐形瓶，緩緩晃動瓶身，先讓溶液變成紅色，接著快速晃動瓶身，讓溶液轉變成氧化態的黃色。不同pH值的A、B、C三溶液的顏色變化如圖1~3所示。
圖1：搖晃溶液A呈現藍、靛、紫、紫紅、紅、橘、黃多彩的顏色變化
圖2：搖晃溶液B呈現綠、紅、黃類似紅綠燈的顏色變化
圖3：搖晃溶液C呈現黃、紅、黃類似紅綠燈的顏色變化
二、利用分光光度計探索變色反應的過程
除了演示實驗外，可於專題選修課指導學生學習探究變色反應的機制，其中分光光度計就是一個好的監測工具，除了可以減少目測觀察會造成實驗的誤差，更準確掌握顏色的深淺與變化，探索不同條件下變色過程中吸收度隨時間的變化。本方法以靛胭脂最終還原態—黃色的最大吸收波長，約430 nm附近，進行Time Scan，監測紀錄吸收度最低點（紅色過渡狀態）出現的時間的差異。以下針對溶液酸鹼度、葡萄糖濃度等變因對變色反應速率的影響。
(一)不同鹼性溶液，連續三次搖晃變色，找出並比較吸收度與時間的關係。
1. 在高鹼性（[NaOH] = 1.25 M）下，連續三次搖晃變色，找出並比較吸收度與時間的關係。
2. 在中鹼性（[NaOH] = 0.25 M）下，連續三次搖晃變色，找出並比較吸收度與時間的關係。
3. 在低鹼性（[NaOH] = 0.050 M）下，連續三次搖晃變色，找出並比較吸收度與時間的關係。
(二)固定氫氧化鈉濃度，不同的葡萄糖濃度，找出並比較吸收度與時間的關係。
葡萄糖的濃度分別為0.033 M、0.050 M、0.10 M三種。圖4為分光光度計的操作過程。
圖4：吸取配製好溶液置入比色槽內，以分光光度Time-scan模式觀測吸收度的變化
n 原理與概念
紅綠燈實驗的指示劑—靛胭脂，跟藍瓶實驗使用的亞甲藍染料一樣，是氧化還原指示劑，雖不若亞甲藍普遍，但也是便宜、安全的食用色素（藍色二號），廣泛地應用於食品添加及要用膠囊上。
在演示紅綠燈實驗時，當含靛胭脂的葡萄糖溶液加入適量的氫氧化鈉時，溶液立刻由藍色變為綠色，一段時間逐漸轉成紅色，接著變成黃色。當劇烈搖晃錐形瓶時，溶液由黃色轉成紅色，再由紅色轉成綠色，顯示靛胭脂於反應過程中被氧化。靛胭脂氧化還原的結構變化如圖5所示：
圖5：靛胭脂氧化態呈現綠色，中間態（半醌類）為紅色，還原態呈黃色。
靛胭脂也是一種酸鹼指示劑，pH值低於11.4為藍色，高於13.0為黃色；pH值介於11.4~13之間溶液會呈現黃、藍兩色的中間色—綠色。當高鹼性（1.25 M NaOH）的葡萄糖溶液，靛胭脂呈現黃色；當低鹼性（0.050 M NaOH）的葡萄糖溶液，靛胭脂呈現深藍色；而當中鹼性（0.25 M NaOH）的葡萄糖溶液，靛胭脂呈現介於藍色與黃色之間的綠色。
當靛胭脂與葡萄萄糖作用時，中間態的顏色為紅色，最終還原態為黃色；多彩的顏色變化發生在而低鹼性的葡萄糖溶液，溶液呈現由藍、靛、紫、紫紅、紅、橘、黃的多彩顏色，其中紫色的出現乃是藍色與紅色的中間色；而橘色則是紅色與黃色的中間色。多彩紅綠燈的相關解釋，如圖6所示：
圖6：靛胭脂的葡萄糖溶液在不同氧化還原和酸鹼條件下多彩的顏色變化
n 進階研究的結果與討論
一、由影像紀錄觀察紅綠燈實驗變色反應過程
不同pH下，連續綠→紅→黃搖晃變色多次，由觀察結果發現：搖晃次數越多溶液的顏色越淡，變為還原態所需的時間越來越短，搖晃至第六次後顏色不再有明顯的變化。圖7為搖晃第一、二、三次的溶液變色之顏色深淺比較圖。
圖7：搖晃次數越多溶液的顏色越淡
由顏色的變淡來推論：靛胭脂指示劑本身亦為反應物，參與變色反應的進行；而綠→紅→黃循環變色所需的時間逐次縮短。根據文獻來推論：第一步驟：靛胭脂先跟氧氣反應變成氧化態（中鹼性為綠色），這一步驟相當快速，還原態的黃顏色，但只要手稍微搖動瓶身，溶液隨即由黃變紅，再用力搖晃，溶液再由紅色轉為氧化態的綠色。接下來，第二步驟：鹼性的葡萄糖溶液跟氧化態的靛胭脂作用，這一個步驟較慢，通常需要200~300秒的時間才會完成，其中葡萄糖被氧化成葡萄醣酸根，而氧化態的靛胭脂線被還原成紅色的半醌類（semiquinone），接著繼續被還原成黃色的烯醇類。因此推斷靛胭脂指示劑在變色反應中擔任中間者的角色，促進變色反應的進行。可能的反應過程如圖8所示。
圖8：紅綠燈變色反應可能的反應過程
二、利用分光光度計，探究變色反應速率
以靛胭脂黃色溶液（還原態）的最大吸收波長430 nm，進行Time Scan，監測變色過程中吸收度的變化，並紀錄吸收度最低點出現的時間的差異。其結果如下：
(一)不同鹼性溶液連續三次搖晃變色，吸收度與時間的關係。
1. 在高鹼性（1.25 M NaOH）環境下，連續三次搖晃變色
圖9：連續三次搖晃變色，吸收度（y軸）與時間（x軸）的關係
由圖9得知：每一次開始的吸收度大小：第一次 > 第二次 > 第三次，最低點吸收度出現的時間分別為140 sec、32 sec、10 sec。
2. 在中鹼性（0.25 M NaOH）環境下，連續三次搖晃變色
圖10：連續三次搖晃變色，吸收度（y軸）與時間（x軸）的關係
由圖10得知：各次搖晃在開始時的吸收度大小：第一次 > 第二次 > 第三次，吸收度最低點出現的時間分別為265 sec、15 sec、7 sec。
3. 在低鹼性（0.050 M NaOH）下，連續三次搖晃變色
圖11：連續三次搖晃變色，吸收度（y軸）與時間（x軸）的關係
由圖11結果得知：每一次開始的吸收度大小：第一次 > 第二次 > 第三次，吸收度最低點出現的時間分別為330 sec、17 sec、15 sec。
4. 在不同的鹼性葡萄糖溶液，吸收度與時間的關係（靜置）
圖12：不同濃度氫氧化鈉下，搖晃第一次的變色吸收度（y軸）與時間（x軸）之關係
從圖12得知，高鹼度的葡萄糖液剛開始呈黃綠色，對430 nm波長的吸收度最大；低鹼度的葡萄糖液開始呈藍色，對430 nm波長的吸收度最小。而代表紅色出現，在高鹼度、中鹼度、低鹼度下，吸收度最低點出現的時間分別在140 sec、265 sec、330 sec出現。鹼性越強，吸收值最低點出現的時間最早，代表變色反應速率越快；鹼性越弱，最低點來的時間越晚，代表變色反應速率越慢。
(二)不同的葡萄糖濃度，吸收度與時間的關係
圖13：不同的濃度葡萄糖下，搖晃第一次的變色吸收度（y軸）與時間（x軸）的關係
從圖13得知，低濃度的葡萄糖液開始的吸收度最大；高濃度的葡萄糖液的吸收度最小。而溶液轉變為紅色時，吸收度位於曲線的最低點，出現的時間高濃度最快，低濃度最慢。若以最低點出現的時間倒數為反應速率，則可發現反應速率與濃度的關係，成高度正相關。
依據以上實驗結果判斷，紅綠燈變色反應的反應速率確實與C6H12O6和NaOH的濃度有極高的正相關。
n 安全注意及廢棄物處理
l 本實驗的產生的鹼液，可先中和，再請依實驗室廢棄物規定，統一回收處理。
n 參考資料
1. Skoog, Douglas A.（原著者），闕山仲等（編譯者）。分析化學，第五版。台北市：藝軒出版社。民國81年。
2. 台北市立北一女中主編（民85）。高級中學數理叢書：化學第二輯。教育部中等教育司。
3. 陳英佳（民100）。紅綠燈—氧化還原指示劑的變色反應。彰化師大網站：中學化學示範實驗，http://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/26609 [103年10月]。
4. Beyond the blue bottle, http://goo.gl/yeyavE.[103年10月]
5. Indigo carmine, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Indigo_carmine. [103年10月]
6. Reduction potential, http://en.wikipedia.org/wiki/Reduction_potential. [104年02月]
7. Bassam Z. Shakhashiri, Chemical Demonstration：A Handbook for Teachers of Chemistry, 1985, Volume2, p142, The University of Wisconsin press.