臺灣化學教育

大學入學考試與化學評量：
清華盃化學競賽及其試題與大學指考題目之比較

洪嘉呈

國立清華大學化學系
[email protected]

n   前言

目前國內有關高中化學科大型的考試和競賽，除了每年七月初的大學入學指定科目考試外，最受到高中老師和學生重視者，當屬每年十月於國立清華大學舉行的「清華盃全國高中化學科能力競賽」。根據筆者多年參與此項活動的經驗，藉由本文介紹清華盃化學競賽並分享個人的心得，另外也對大學指定科目考試（指考）化學考科與化學能力競賽，兩者題目的差異提出一些粗淺的看法，供讀者參考。

n  指考化學考科與清華盃化學能力競賽

一、指考化學考科

大學指考如同早年的大學聯考，目的在於評量學生對高中三年化學內容的學習成果，以作為大學入學的依據。因此，從每年的考題可以看出，其試題的嚴謹程度是相當高的；每一個題目都必須符合課綱，且要考慮題目的難易度和鑑別度。試題在成為正式測驗的考題或收錄到題庫之前，都必須經過大考中心所聘請的教授群充分討論和修改，並經由入闈人員進行最後的審視，期望藉由多層把關以求得考題的盡善盡美，並達到評量的目的。由於大學指考關係到考生能否進入理想中大學的權益，其影響之大不可言喻，因此受聘出題的大學教授們無不絞盡腦汁來出題目，並儘量結合生活與時事來增加考題的活潑性。此外，從近年來的指考題目也可發現，實驗相關的問題也愈來愈普遍，這類題型的目的當然是希望高中化學教學能正常化，畢竟化學是一門實驗的科學，而且與我們的生活緊密結合。

二、清華盃高中化學能力競賽

有別於大學入學考試中心所負責的大學指考，清華盃高中化學能力競賽乃是由清華大學化學系和水木化學文教基金會（清華大學化學系系友會）所主辦，其目的並非作為大學取才的依據，而是提供讓全國高中生互相切磋化學的學習成果平台，並提升高中生對化學的興趣與推廣化學教育。此外，這項活動經費的主要來源是向國內化學相關企業募款而來，藉由這些企業的贊助，也讓參加的學子們能夠認識國內的化學產業。清華盃化學競賽自2004年舉辦第一屆以來，目前已經辦了十一屆了，參加的人數大致上逐年增加，如表一的統計顯示，過去三年每年都有超過3500人和120個以上的高中（職）學校參加，顯然此活動已成為高中生年度一大盛事。

表一：2012至2014年清華盃化學競賽參加校數和人數統計

清華盃化學競賽分為兩階段—筆試和實作，而且以四人一組的方式報名，必須整組筆試的成績表現優異，才能進入第二階段的實作。主辦單位因受限於實驗場地和設備，每年能進入第二階段的人數不超過50人（12組），因此絕大部分的參加者都只會參加筆試。以下筆者就其試題的命題方向和內容等做一說明，並與大學指考的試題做一比較。從過去所舉辦過的11屆清華盃中，可以發現筆試的時間、考題方式和考題數目是不斷地做調整，唯一不變的是均以選擇題的方式來進行。考試時間只有第一屆是80分鐘，之後就都是100分鐘，開始的兩屆之總分為100分，之後就都改為120分；計分方式則是到了2010年開始不倒扣，2011年之前題數都是維持在80題以上，且都是單選題，自從2012年後，總題數減為70題，但其中有20題的多選題，這大概是目前為止最大的改變。這些調整主要是來自於一些曾帶隊參加的高中老師之建議，並希望能夠提高鑑別度與增加題目的多樣性。圖一為清華盃化學競賽的筆試和實作地點，圖二為清華盃化學競賽的實作競賽情況。

圖一：清華盃化學競賽的筆試和實作地點（左）、筆試前考生們在緊鄰化學館的草皮上休息（右）

圖二：清華盃化學競賽的實作競賽情況

n  比較清華盃化學試題與指考化學試題

既然名為化學競賽，其命題的內容就比較廣泛，大致上符合高中化學的教材內容，但總會有不少題目略超過高中課本的範圍，此一命題的方向和考量與大學指考可說不同。化學競賽的考試時間100分鐘，比指考的80分鐘長，但是題數是指考的兩倍以上。不僅個別的題目較難，其整體的筆試難度是高於指考。雖然如此，但提升高中生對化學的興趣仍是此競賽最主要的目的；有鑑於此，主辦單位考量到一般程度的學生，並為了鼓勵學生們學習化學，單選題一直是維持四選一的方式，與指考的五選一有所不同。此外，化學競賽的題目中一定會加入基本觀念題，讓考生對自己的化學學習保有成就感。

雖然清華盃化學競賽並非官方所舉辦，但是其命題的嚴謹度並不亞於指考的試題，競賽的筆試命題由主辦單位邀請的教授群個別出題後，必須經過密集的開會討論修改後才定案，此份試題是命題教授們，花了整個暑假的心血所換來的成果。至於試題的內容，與指考命題方向相近，儘量避免使用考古題，並加入較多實驗相關的試題，以強調化學實驗的重要性。此外，近年的考題中也漸漸加入了一些計算題目，目的在於除了要測試高中生的化學觀念外，也要挑戰學生的計算能力；根據統計與分析發現，相對於觀念題，計算題的答對率偏低，說明了高中生對化學相關的計算有很大進步的空間，這或許是值得高中老師與同學留意的地方。

有別於筆試試題，在清華盃實作實驗部分，基本上會有2到3個題目，而且必須在七小時內完成，題目的內容有別於高中的實驗，是包括了合成、鑑定及分析的綜合性實驗。以第十一屆的題目為例，有兩個題目：（一）螢光分子的合成與未知金屬離子的鑑定，（二）草酸鈷錯合物的合成與水合數的定量分析，在短時間內要完成多項實驗是必須要好好分配時間和規劃實驗流程的；此一部分主要是強調團隊合作，而且必須遵守實驗安全規定並進行正確的實驗操作，目的在於培養參賽者正確的化學實驗觀念和良好的實驗技巧，這與指考化學科的實驗筆試試題是完全不同的。

n  結語

綜觀指考化學考科與清華盃筆試題目，兩者都是根據高中三年所學的化學教材為基礎來命題。兩者不同的是難易度，因為兩者的目的不同，指考關係到大學入學，故命題自由度稍低，而清華盃類似化學能力的挑戰，故命題的彈性就比較大，其題目的變化也比較多，遇到超出範圍的問題時，考生必須要在短時間內根據所學內容去推理和聯想。其實，加入一些超出範圍的題目是有其教育的目的，讓來參加的考生不僅測試自己的化學實力，也能學到以往不知的化學，主辦單位期望這樣的競賽活動，能讓高中生汲取更多的化學知識。

此外，清華盃化學競試活動不僅只有考試，還有筆試後參觀清華大學化學館內實驗室和儀器設備的活動，如圖三所示。透過參觀活動的安排，讓考生能在緊張的筆試之後，放鬆心情來了解一些化學相關的儀器，使參加的學子們有額外的收穫，提升大家對化學的熱情。期望本篇文章除了幫助讀者了解清華盃化學試題與指考化學試題的差異，也能讓讀者對清華盃化學競賽活動有更深一層的認識。

圖三：筆試後參觀化學儀器設備的活動

早期的原子量制定

林煥祥¹、洪振方^2, *

¹國立中山大學通識教育中心
²國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
*[email protected]

很久以前，人類對自然界的一些現象，就充滿著好奇與疑惑。例如：為什麼我們可以聞到花的香味？這些香味是如何傳到我們的鼻子？因此有人就開始猜想這些香氣是由非常微小，小的看不見的粒子在傳達。直到十九世紀初期，化學家們由化學反應所得到的氣體中發現，同樣體積的氫氣及氧氣外表都是無色無味，質量卻不一樣。這個結果讓化學家們更進一步認為，任何物質內，不但有粒子（particles）的存在，而且每種物質之粒子其形狀大小也可能不同。否則同樣是看不見模不著的氫氣及氧氣，外表一樣，為什麼重量會不一樣呢？因此道耳吞（John Dalton, 1766－1844）（見圖1）乃正式提出了他的原子假說。其中比較重要的結論包括：

一、一切物質都是由稱為原子的微小粒子所組成。

二、原子是物質組成的最小單位，無法再行分割。

三、相同元素的原子，其質量與大小都相同。不同元素的原子，其質量與大小都不同。

在以上的結論中，第一與第三點至今仍然適用。但是第二點中所言，原子無法再行分割就不太適用了。因為經由實驗證明，原子的構造尚包括電子、質子、及中子等更小的粒子。這些粒子雖然看不見，我們可以由實驗結果證明它們的存在。不過道耳吞的原子假說在他那時候的科學界而言，貢獻的確不小。

圖1：道耳吞

（圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/John_Dalton）

n  道耳吞制定的原子量表

道耳吞在發展原子理論的同時，也公布了他制定的原子量表。他以最輕的元素氫為基準，把氫的原子量訂為1，接著再分析各種物質中，每一元素所占的百分比，由此百分比即可求出其他元素的原子量。例如，他由實驗結果證實1 g的氫與7 g的氧完全反應而生成水（當時他用HO表示水的化學式）。因此O的百分比／H的百分比 ＝ 7 g／1 g ＝ 7，他就把氧的原子量訂為7。另外在計算C的原子量時，他由碳 + 氧 → 一氧化碳的反應式中，得知1 g的碳可與0.71 g的氧反應生成一氧化碳，因此碳的原子量就被訂為7 × 0.71 / 1 = 5。我們現在知道這些原子量的數值與現在的原子量表出入很大，最主要的原因，當然是他當時仍然沒有分子的概念，所以錯將水的分子式寫成HO。而且所取的樣品不純，加上實驗設計粗糙，所以所得數據不夠精確（正確的結果應該是，1 g的氫可以和8 g的氧完全反應，而且氫原子與氧原子之質量比應該是1：16）。另外，我們依據當年道耳吞制定原子量的法則來計算氮的原子量，也會發現矛盾的地方。例如：氨及一氧化氮的化學式，依道耳吞的最簡單原則分別是NH及NO。依據實驗結果NH中，H占17.6%，N占82.4%；NO之中，N占63.7%，O占36.4%。若由上列結果去計算N的原子量，則會得到兩種不同的原子量值。現在說明如下：首先，若由NH求之，因為H = 1，則N的原子量 = 1（氫的原子量） × 82.4% / 17.6% = 4.68；而由NO求之，則N的原子量 = 7（氧的原子量） × 63.7% / 36.4%=12。同樣的N元素，卻得到兩種原子量，的確叫人無所適從。

n  貝采利烏斯提出的原子量表

由以上的這個矛盾例子，就可以預測到道耳吞的原子量表，被化學界接受使用的時間不會太長。果然不出所料，連續有許多化學家經由各種實驗制訂了不同的原子量表，而在當時被使用較廣的要算是5年後由貝采利烏斯（Jöns Jacob Berzelius, 1779–1848）所提出的原子量表了。鑑於大部分的元素都會與氧反應，所以他將氧的原子量訂為100，再由各反應的實驗結果算出各種不同元素的原子與氧原子的重量比，求出其他元素的原子量。例如：2體積氫 + 1體積氧 → 2體積水的反應中，若拿了2公升氫（0.18 g）和1公升氧（1.426 g）可完全反應而生成2公升水蒸氣（1.606 g）。若1公升內含有相同數目的原子，則1公升氫／1公升氧 ＝ 0.09 g / 1.426 g = 1 / 16。如果把氧的原子量訂為100，則氫的原子量應為6.25。雖然貝采利烏斯的原子量表仍有許多錯誤的地方（例如：鈉、鉀的原子與氧原子的重量比就不正確），但是在化學史上他是第一位正確求出氫與氧的原子重量比為1：16的化學家。

圖2：貝采利烏斯

（圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/J%C3%B6ns_Jacob_Berzelius）

由於貝采利烏斯利用〝同溫同壓下，同體積的氣體含有相同數目的原子〞（例如：1大氣壓25℃時，1公升的氧與1公升的氫含有相同數目的原子）這個概念去製訂原子量表，而這個概念中的〝原子〞應該是〝分子〞才對，也就因為這個〝分子〞概念在當時尚未發展出來，所以其原子量表內的某些元素之原子量，當然就不正確了。

n  坎尼扎羅制定的原子量表

過了大約50年的時間，在1860年時，坎尼扎羅（Stanislao Cannizzaro, 1826–1910）才將亞佛加厥（Amedeo Avogadro, 1776–1856）的〝分子〞假說發揚光大，並且以碳的原子量等於12為基準制訂了原子量表，其數值與現在的原子量表就非常接近了。

以上三個階段的原子量表之制定方法，雖然各以不同的元素為基準，不過有一共同點就是這些表中的原子量都是相對的數值。因為原子實在是太小了，若用其真正質量表示，的確不方便。就如同我們每個人的頭髮粗細不同，如果要表示其直徑還挺麻煩的。舉例而言，小英頭髮直徑 ＝ 0.002公分，小華頭髮直徑 ＝ 0.003公分，小明頭髮直徑 ＝ 0.004公分，我們可以將小英的頭髮直徑訂為1，則小華頭髮直徑 ＝ 1.5，小明頭髮直徑 ＝ 2（都沒有單位，而只是比值），那麼應用起來是不是比較方便？

不管是在水的化學式或原子量表的制定上，我們可以看出科學家在觀察自然界的現象或化學反應時，都試圖提出各種假說去解釋這些現象或反映，然而限於觀察的範圍不同或科學家概念不足，則其假說所解釋的現象，也有可能就受到限制。例如：在 氫 ＋ 氧 → 水 的反應中，道耳吞只觀察了反應物之間的質量比，忽略了體積比，所以其原子量表自然不夠周全。而貝采利烏斯雖然兼顧了反應物之間的體積比，但缺乏〝分子〞的概念，因此其原子量表中的某些元素的原子量值就有錯誤。直到坎尼扎羅引入分子概念，才得以順利訂出較為正確的原子量表，而在多數化學家的共識下，選定C = 12為基準，藉著其他元素與C的比值，才訂出世界通用的原子量表。

圖3：坎尼扎羅（左）和亞佛加厥（右）

（圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Stanislao_Cannizzaro和http://en.wikipedia.org/wiki/Amedeo_Avogadro）

n  水的分子式（H₂O）發展史

1803年道耳吞為了制定原子量表而進行各種實驗，其中一個定量的實驗中發現，將1 g的氫與7 g的氧反應，正好可以完全反應而形成水8 g。因此，他根據最簡單原則，就把水用HO表示，而且表示了氫與氧反應的反應式，如式[1]所示：

H + O → HO    [1]

此為化學界所發表的研究結果中，最早使用有關於水的化學式。大家都知道這個化學式是錯誤的，然而因為當時的科學家仍然致力於證實道耳吞之原子假說，沒有〝分子〞的概念，而且道耳吞他正致力於制定各元素之原子量表，只針對 氫 ＋ 氧 → 水 這個反應式的反應物間之〝質量〞去實驗，忽略了氣體反應物間的〝體積〞關係，因此他之所以會假設出錯誤的化學式，看來也就不足為奇了。

就在道耳吞制定原子量表的同時期，蓋–呂薩克（Joseph Louis Gay-Lussac, 1778 –1850）將氫氣及氧氣混合並點火製造水蒸氣的實驗中，他仔細地觀察了氫、氧及水蒸氣的體積，並記下了三者之間的關係，如式[2]所示：

2體積氫氣 ＋ 1體積氧氣 → 2體積水蒸氣    [2]

體積比 = 氫氣：氧氣：水蒸氣 = 2：1：2

換句話說，拿2公升的氫氣與1公升的氧氣點火後可以得到2公升氣態的水。這個研究結果，使得大家對道耳吞的最簡單原則所假設的〝HO”（水的化學式）起了疑問，因為根據其表示方法 H + O → HO，當氫與氧反應時，體積比為1：1就錯了，因為實驗結果是2：1，也就是2體積氫可與1體積氧完全反應而產生2體積水。

蓋–呂薩克的實驗結果不但激起其他化學家繼續探討適當的化學式表示方法，他本人更對其他氣體的反應是否會在各反應物及產物之間的體積也是成簡單的整數比感到好奇，因此他陸續做了下列實驗來證明其假說，結果顯示該假說是肯定且一致的，如式[3]和[4]所示：

1體積氮氣 ＋ 3體積氫氣 → 1體積氨氣    [3]

體積比 = 氮氣：氫氣：氨氣 = 1：3：1

1體積氮氣 ＋ 2體積氧氣 → 1體積二氧化碳氣體    [4]

體積比 = 氮氣：氧氣：二氧化碳氣體 = 2：1：2

圖4：蓋–呂薩克

（圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Louis_Gay-Lussac）

到了1808年，貝采利烏斯藉著蓋–呂薩克的〝氣體反應物及產物的體積成簡單整數比”概念，提出更精確的水之化學式：O + 2H。3年後，亞佛加厥提出了一個假說，對於往後的化學發展具有重大的影響力，他進一步解釋了蓋–呂薩克氣體反應體積之假說中的一段敘述。當年蓋–呂薩克除了用實驗結果支持了氣體反應物及產物的體積成簡單整數比外，更提出下列的假說：〝在同溫同壓下，各氣體都含有數目相同的粒子（particles）”。在當時該假說中所謂的粒子也就是道耳吞所謂的原子，然而亞佛加厥卻大膽認為該〝粒子”應該是〝分子”而非〝原子”。分子是由一種或多種原子所組成，例如O原子與O原子可組合成氧分子（O₂）。這一項假說也解決了道耳吞原子說中某些不能解釋的現象。前面曾經提到有關道耳吞對水化合反應的錯誤假設為 H + O → HO，表示1體積氫與1體積氧反應能得到1體積水。而此項預測與蓋–呂薩克之實驗結果不合。若利用亞佛加厥之分子概念，則道耳吞所面臨的矛盾即可迎刃而解。首先我們把氫氣看成是雙原子之分子，氧氣也是雙原子分子，則其反應式如式[5]所示：

    如此很容易就解釋了蓋–呂薩克的實驗結果。

亞佛加厥的這項分子假說提出之後，在當時並未受到重視，部分原因乃是原子論的創始人道耳吞及當權派人物貝采利烏斯堅持認為同類原子必然互相排斥，例如：O原子與O原子不可能結合成氧分子（O₂）。當時亞佛加厥也無法提出合理的解釋，因此這項偉大的貢獻直到亞佛加厥逝世之後，也就是距他提出時約50年，才由亞佛加厥的學生坎尼扎羅進一步提出一些有利的說明，而為化學界所接受該分子假說。

改良式天氣瓶

許良榮

國立台中教育大學科學教育與應用學系
[email protected]

n  影片觀賞

本文介紹號稱可以預測氣候的「天氣瓶」的發展歷史、製作方法、實驗結果以及原理，本文也描述作者的「改良式天氣瓶」。

影片網址：「科學遊戲實驗室」天氣瓶，http://www.ntcu.edu.tw/scigame/weather glass.wmv。
（此影片需要先下載而後開啟。）

n  簡介

最近在網路廣為流傳一種可以預測氣候的「天氣瓶（storm glass或weather glass）」，由瓶子中的結晶型態以及狀態，來預測天氣的陰晴冷熱。網路上也有販售天氣瓶的成品以及實驗DIY配料包（例如參考資料1～3）。

天氣瓶的歷史已有二百多年（參考資料4），十九世紀中葉，英國舊倫敦橋就有販售類似天氣瓶的「晴雨計（barometer）」。在發展過程中，天氣瓶曾被稱為storm glass（風暴瓶）、weather glasses（天氣瓶）、wind glasses（颳風瓶）……等等。根據McConnell（2006）的考證，天氣瓶的創始者是一位法國的國會律師Pierre Legaux（1748–1827）。在1779年時Legaux開始觀察天氣瓶，製作了「預報瓶（pronostic；法文）」觀察氣象，並預報了天氣好壞、下雪、颳大風、起霧等氣候。這些觀察結論發表於1780年4月。Legaux並沒有明確描述Pronostic的內容物，但是包含了揮發性液體以及被溶解的固體。有趣的是1780年4月29日的大風暴在二天前就被預測了！

後來Legaux將預報瓶的配方告知並送一支給法國著名的氣象學家Louis Cotte，結果Cotte觀察了一年，在1788年指出結果並沒有看到Legaux所說的預報效果，只觀察到瓶內的結晶會隨著溫度增加與減少。1865年法國氣象學會副會長Eugène Grellois（1811–77）則認為要製造天氣預測瓶根本就是浪費時間。

英國氣象學家Robert Fitzroy（1805–65)，在一些有名的航行（例如生物學家達爾文的小獵犬號）觀察與紀錄氣象變化，於1861年描述了如何用天氣瓶來預測天氣，因而常被誤認為是天氣瓶的創始者。Fitzroy的描述如下：

1.        如果天氣瓶中的液體澄清，是晴朗的好天氣。

2.        如果液體為雲狀（cloudy），那麼天氣多雲並可能降雨。

3.        如果液體中有點狀的固體，則天氣可能會潮濕或多霧。

4.        液體為雲狀並有星狀小結晶，表示會有雷雨。

5.        在冬天有陽光的時候，如果液體中有小星狀結晶，那麼表示將要下雪。

6.        如果有大片的結晶分佈，那麼可能為陰霾天氣（下雨或下雪）。

7.        瓶子底部有結晶，為低溫寒冷的天氣。

8.        瓶子頂部有絲狀結晶，將是颳風的天氣。

Fitzroy以上的描述，並未獲得明確的驗證，由相關資料顯示（參考資料5～7），天氣瓶並不具有預測天氣的能力。另一方面，目前天氣瓶的配方與McConnell（2006）提及的早期配方並不相同，但是都包含溶解樟腦的酒精溶液以及溶解鹽類的水溶液。作者沒有搜尋到本實驗配方的來源，由發表的論文作者以及配方的比例（例如參考資料8～10），猜測可能是來自於日本學者的研究。

n  藥品與器材

硝酸鉀、氯化銨、蒸餾水、樟腦（Camphor）、乙醇（酒精）、錐形瓶、橡皮塞、溫度計

n  實驗步驟

依據參考資料11、12的配方，天氣瓶的製作過程與現象如下：

1.        分別秤取2.5 g硝酸鉀（KNO₃）以及2.5 g氯化銨（NH₄Cl），加入33 mL蒸餾水中。

2.        秤取10 g樟腦（Camphor，C₁₀H₁₆O），加入40 mL乙醇（酒精）中。

3.        將上述二步驟的溶液互相混合在錐形瓶中（會形成白色沉澱的溶液），然後將錐形瓶以橡皮塞密封。

4.        完成後，將混和溶液放置於35℃溫水中水浴（隔水加熱）並輕輕搖晃，白色沉澱會逐漸溶解，約20分鐘後形成澄清透明溶液。

注意：加熱時，由於已經用橡皮塞密封，請注意水溫溫度不要太高，以避免瓶內的酒精蒸氣壓太高而爆開。

註：隔水加熱之後，如果無法成為澄清無色溶液，可能是樟腦的純度有問題，市售的樟腦常含有萘（Naphthalene），建議購買化學原料行的試藥級樟腦，純度比較有保障。

5.        在靜置冷卻過程中，天氣瓶會出現「下雪」的現象—溶液中出現很多雪花狀結晶，紛紛下降到瓶底（見圖1之左圖），頗為美觀。大約一小時後，瓶中的沉澱相當多，而且溶液上方也有懸浮的結晶（見圖1之中圖）。繼續靜置一天，瓶子中的結晶大多沉降到底部，並有大略成樹枝狀的結晶，而上方則為澄清溶液（見圖1之右圖）。

註：圖1為室溫20℃時的實驗結果，如果室溫越高，結晶的量就會減少。室溫超過31℃，則不會產生結晶，而形成無色透明的溶液。

圖1：雪花狀結晶（左），約一小時後的結晶現象（中），靜置一天後有樹枝狀的結晶（右）

完成上述實驗步驟之後，作者繼續觀察約四週（氣溫變化約16～25℃，包括晴天和陰天以及寒流），結果發現天氣瓶並不能預測氣候，至少看不出晴天、陰天的變化！

由於天氣瓶中的沉澱量相當多，難以看出特定的結晶型態，於是作者將樟腦減少為8.5 g，實驗結果的結晶就相當漂亮（見圖2），都是成為樹枝狀。所謂的「漂亮」是指結晶形狀有明顯單一特徵，不是粉狀、霧狀、模糊或是混雜不同型態的結晶。

圖2：減少樟腦用量，結晶都是樹枝狀，相當漂亮

由於不少文獻指出天氣瓶的變化主要是「溫度」的影響，作者將天氣瓶溶液裝進試管中（試管內徑約2.2公分），觀察結晶的高度變化。結果發現氣溫越低，結晶高度越高，例如16℃時高度約5.5公分（見圖3之左圖），18℃時為5.2公分（見圖3之中圖），20℃時則降低至4.9公分（見圖3之右圖）。但是放置越久，整體的結晶高度會有逐漸降低的現象（一週以後低於4.0公分），可能是地心引力使結晶更為緊實的因素所造成。Tanaka, Hagano, Kuno & Nagashima（2008）的研究也發現溫度反覆上升與下降多次，天氣瓶的結晶高度有逐漸變小的現象。

圖3：結晶高度：16℃時約5.5公分（左）、18℃時約5.2公分（中）、20℃時約4.9公分（右）

總結實驗結果以及文獻資料，天氣瓶並不能有效預測天氣，最多可以當為一個很粗略的溫度計，以及漂亮的裝飾品。不過在科學教學上，天氣瓶仍有其價值，例如可以當為探究結晶與溫度關係的學習主題、鑑賞結晶之美以及培養細心與耐心的科學態度。

n  原理與概念

樟腦（C₁₀H₁₆O）為白色固體，分子結構如圖4所示，易溶於酒精而不易溶於水。Mjojo（1979）的研究指出樟腦的結晶有三種相（phase），在室溫時為「六方晶系（hexagonal crystals）」，類似雪花的結晶。而硝酸鉀、氯化銨則易溶於水，並隨溫度而改變溶解度，溫度越高則溶解度越大。

圖4：樟腦的分子結構式

Tanaka, Hagano, Kuno & Nagashima（2008）的研究發現影響天氣瓶的結晶的主要因素是「溫度」。而該研究以X光繞射分析發現，天氣瓶內的結晶為樟腦的結晶，不是硝酸鉀或氯化銨的結晶。另一方面，硝酸鉀、氯化銨以及水，主要的作用為促使樟腦晶核的形成（nucleation），產生小的星狀、雪花狀結晶。換言之，形成小雪花（見圖1之左圖）是因為冷卻較快時，樟腦迅速產生較多的晶核而分別結晶。當溫度降低很慢沒有產生晶核時，則結晶以「擴散」的方式成長，使結晶變長而成為樹枝狀（見圖2）。

Mitsuya, Takahashi & Nagashima（2014）的研究發現，天氣瓶中結晶的平衡溫度（結晶為零成長）是31.4℃。顯示在31.4℃以上，天氣瓶的樟腦結晶才有可能全部溶解為澄清透明溶液。

n  教學提示

在教學上，建議不要過於強調天氣瓶的預測功能，可以指導學生實驗與討論以下問題：(1)以溫水隔水加熱，天氣瓶成為澄清無色溶液之後，分別放置於「溫水浴」（慢速的自然冷卻）、「室溫（沒有水浴，冷卻較快）」或是「冰水浴（快速冷卻）」，觀察結晶的變化與型態有何差別？(2)分組製作天氣瓶，並以拍照或素描紀錄結晶情形（同時記錄溫度變化），共同討論各組的結晶型態有何差別？(3)進行長時間的觀察以及紀錄，討論天氣瓶可以預測氣候的變化嗎？

n  安全注意及廢棄物處理

1.        本實驗使用純的樟腦，但很多市售的樟腦含有萘，對「蠶豆症」患者有危險性，請留意之！

2.        實驗後廢棄溶液，請依實驗室廢棄物規定，統一回收處理。

n  參考資料

1.        日本Tempo Drop天氣瓶，樂沛裝飾品，http://www.showyour.com.tw/goods.php?id=79。

2.        北國結晶風暴球，賽先生科學玩具，http://www.mr-sai.com/web/product.php?id=JPY120589。

3.        利泰化學原料儀器行，http://www.ritaichemical.com.tw/product-detail-897370.html。

4.        McConnell, A. (2006). Will the true originator of the storm glass please own up. AMBIX, 53(1), 67–75.

5.          天氣瓶，維基百科，http://zh.wikipedia.org/wiki/天氣瓶。

6.        Can storm glasses predict the weather? The Straight Dope, http://www.straightdope.com/columns/read/2963/can-storm-glasses-predict-the-weather.

7.        流言揭秘：天氣預報瓶真能預報天氣？新浪新聞，http://news.sina.com.tw/article/20150123/13717907.html。

8.        Mitsuya, T., Takahashi, K., & Nagashima, K. (2014). Cyclic growth and dissolution of camphor crystals in quinary, ternary, and binary solutions: A study on crystal behavior in storm glass. Journal of Crystal Growth, 401, 233-237.

9.        Tanaka, Y., Hagano, K., Kuno, T., & Nagashima, K. (2008). Pattern formation of crystals in storm glass. Journal of Crystal Growth, 310, 2668-2672.

10.    Mjojo, C. C. (1979). Order–disorder phenomena. Part 2. Order–disorder phase equilibria in D- and L-systems of camphor and related compounds. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions 2, 75, 692-703.

11.    How to Make a Storm Glass To Predict the Weather, about, http://chemistry.about.com/od/chemistryhowtoguide/a/stormglass.htm.

12.    自製天氣瓶，emocky，http://www.emocky.com/自製天氣瓶/。

淌血的心—硫氰化鉀與鐵離子的反應

王瓊蘭

新北市立新店高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]

n  影片觀賞

本實驗影片由教育部化學學科中心提供。

影片網址：淌血的心，http://youtu.be/C6zzwaetPU4，YouTube。

n  簡介

老舊的住宅常會有些漏水的問題發生，原因是白鐵製的水管，埋藏在牆壁及地板裏，經年累月難免鏽蝕，同時會釋出鐵離子污染水質，使得水的口感變差。到底該如何取樣，才能檢測出，是哪些管線的水管，可能已經生鏽了。

當鐵管內部產生一些微小的腐蝕生鏽，所釋放出的鐵離子，含量應是非常稀少；再加上使用水時，會流放出大量的自來水，稀釋掉鐵離子，因此使得肉眼無法觀察出，水中鐵離子所呈現的黃褐色。若是能將水管中的水，滯留一個晚上，於一大清早打開水龍頭時，先盛取一杯水，添加微量的硫氰化鉀與鐵離子反應，再用光電比色計^[1]或許可把產物血紅色的硫氰化鐵離子檢測出來。上述反應的原理是鐵離子（Fe³⁺(aq)，黃褐色），與硫氰根離子（SCN^–(aq)，無色）反應，會生成硫氰化鐵離子（[Fe(SCN)]²⁺(aq)，血紅色）。然而，檢測自來水中的鐵鏽含量，必須使用精密的儀器，採用嚴謹的化學分析方法^[2]，方能得到可以信賴的數據。

為了簡單的看出鐵生鏽的現象，不妨依據以下的步驟，作一個誇大而有趣的實驗；讓肉眼能即刻捕捉到白鐵生鏽，並滲出鮮血的模樣。

n  器材與藥品

l  迴紋針 5個

l  塑膠點滴瓶（20 mL） 3個

l  3 M硫氰化鉀（Potassium thiocyanate，KSCN） 15 mL／1瓶

l  3 M鹽酸（Hydrochloric acid，HCl(aq)） 15 mL／1瓶

l  35%雙氧水（Hydrogen peroxide，H₂O₂） 15 mL／1瓶

l  透明杯（50 mL） 5個

l  蒸餾水（600 mL） 1瓶

n  實驗步驟

1.      拿一根迴紋針，雙手抓住最長的一邊，並將兩個大拇指，指甲碰指甲的併攏；再用指甲的尖端，押住中點，然後用力一掐，向下按壓、抝折後，順勢將兩邊往上拉，彎扯成一個心形©。而後將較長的一頭，拉開弄直，並向上凹折；完成後，置於一旁，待用。

2.    在一個約50 mL的透明杯中，加入7分滿的蒸餾水，與約1 mL的3 M硫氰化鉀，然後再滴入1 mL的3 M的鹽酸。接著將預備好的鐵心，插入燒杯中的水面下，觀察有何現象發生？

3.    將鐵心移出水面，取濃雙氧水1毫升，加入步驟2的透明杯中。重新插入鐵心並浸入水裏，再觀察有何現象發生？

n  藥品特性和廢棄物處理

1.      藥品特性︰硫氰化鉀（Potassium thiocyanate, KSCN），式量＝97 g/mol，是無色單斜晶系晶體，熔點爲173°C，易溶於水，並大量吸熱而降溫，遇Fe³⁺生成血紅色的硫氰化鐵離子[Fe(SCN)]²⁺，是檢驗Fe³⁺離子十分靈敏的方法，可排除其他金屬離子的影響。

2.      廢棄物處理：實驗後的反應溶液，倒入重金屬類廢液，回收處理。

n  實驗結果

1.        將預備好的鐵心，插入步驟2的溶液中，用肉眼無法分辨出其外觀所發生的變化。

2.        重新將鐵心插入步驟3的溶液中（見圖1），很快可看出它猶如心在淌血般的現象。

圖1：硫氰化鐵離子自心形鐵的凹痕處先化合產生

n  原理與概念

1.      在步驟2中，鐵心與鹽酸作用，可生成亞鐵離子（Fe²⁺），但它不與硫氰根離子反應，因此透明杯中的水顏色不變，所以單就外觀，實無法看出有何變化發生。其反應如式[1]所示。

Fe(s) + 2H⁺(aq) → Fe²⁺(aq) + H₂(g)    [1]

2.      在步驟3中，原溶液已呈酸性，再加入雙氧水，氧化亞鐵離子，反應生成鐵離子（Fe³⁺），其反應如式[2]所示。

2Fe²⁺(aq) + 2H⁺(aq) + H₂O₂(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l)    [2]

3.      其與硫氰根離子化合，產生血紅色的硫氰化鐵離子，猶如鐵心受損般，即刻淌出鮮血來，其反應如式[3]所示。

Fe³⁺(aq)（黃褐色）+ SCN^–(aq)（無色） D [Fe(SCN)]²⁺(aq)（血紅色）    [3]

n  延伸實驗—流出色彩的心

一、   紫心©

A.    實驗步驟與觀察結果

在透明杯中加入7分滿的酒精 ð 溶入少許水楊酸 ð 攪拌溶解成無色溶液。

‚再拿一個空杯子 ð 加入3分滿的水 ð 將©型迴紋針置入，滴入鹽酸 ð 拿出放入上述杯的溶液中 ð 觀察©型迴紋針的外觀 ð 並沒有改變。

l將©型迴紋針拿出放回‚的透明杯中，滴入雙氧水 ð 拿出放入杯的溶液 ð 觀察©型迴紋針的外觀 ð 注意凹痕處有紫色液體漂出。

圖2：水楊酸鐵自心形鐵的凹痕處錯合產生

B.     原理和概念

水楊酸（Salicylic acid，又名柳酸）學名2-羥基苯甲酸，易溶於乙醇，不易溶於水。存在於自然界的柳樹皮、白珠樹葉及甜樺樹中。

在步驟‚中，心型迴紋針先與鹽酸反應產生亞鐵離子；在步驟l中，亞鐵離子再被雙氧水氧化成鐵離子，方能與水楊酸錯合反應生成紫色的水楊酸鐵（ferric salicylate），其反應如式[4]所示。

     [4]

若直接加鹽酸、雙氧水入水楊酸的酒精溶液中，則有白色的水楊酸被析出。不過仍然會有紫色的水楊酸鐵產生。

二、   藍心©

A.    實驗步驟與觀察結果

在透明杯中加入7分滿的蒸餾水 ð 溶入少許黃血鹽 ð 攪拌溶解成幾乎近於無色的水溶液。

‚再拿一個空杯子 ð 加入3分滿的水 ð 將©型迴紋針置入，滴入鹽酸 ð 拿出放入上述杯的溶液中 ð 觀察©型迴紋針的外觀並沒有改變。

l將©型迴紋針拿出放回‚的透明杯中，滴入雙氧水ð拿出放入杯的溶液 ð 觀察©型迴紋針的外觀 ð 注意凹痕處有藍色液體流出，猶如淚滴。

注意：不能將鹽酸直接滴入黃血鹽的溶液中，以免反應放出極毒的氰化氫（HCN）氣體，而中毒傷身。

B.     原理和概念

黃血鹽學名亞鐵氰化鉀，化學式為K₄[Fe(CN)₆]·3H₂O，淺檸檬黃色晶體，易溶於水。亞鐵氰化鉀水溶液與酸反應放出極毒的氰化氫（HCN）氣體，但亞鐵氰化鉀自身毒性很低。

在步驟‚中，心型迴紋針先與鹽酸反應產生亞鐵離子；在步驟l中，亞鐵離子再被雙氧水氧化成鐵離子，方能與黃血鹽反應生成普魯士藍（Prussian blue），其反應如式[5]所示。

3K₄[Fe^II(CN)₆](aq) + 4Fe^IIICl₃(aq) → Fe^III[Fe^IIIFe^II(CN)₆]₃(s)（普魯士藍） + 12KCl(aq)    [5]

三、   藍心©

A.    實驗步驟與觀察結果

在透明杯中加入7分滿的蒸餾水 ð 溶入少許赤血鹽 ð 攪拌溶解成帶有螢光的黃綠色水溶液。

‚再拿一個空杯子 ð 加入3分滿的水 ð 將©型迴紋針置入，滴入鹽酸 ð 拿出放入上述杯的溶液中 ð 觀察©型迴紋針的外觀 ð 注意凹痕處有藍色液體流出，猶如淚滴。

注意：不能將鹽酸直接滴入赤血鹽的溶液中，以免反應放出極毒的氰化氫（HCN）氣體，而中毒傷身。

B.     原理和概念

赤血鹽學名鐵氰化鉀，化學式為K₃[Fe(CN)₆]，亮紅色晶體，易溶於水，水溶液帶有黃綠色螢光。

在步驟‚中，心型迴紋針先與鹽酸反應產生亞鐵離子，它能與赤血鹽反應生成藤式藍（Turnbull's blue），其反應如式[6]所示。滕士藍與普魯士藍是同一種物質，卻是由不同試劑製備而得。

2K₃[Fe^III(CN)₆](aq) + 3Fe^IICl₂(aq) → Fe^III[Fe^IIIFe^II(CN)₆]₃(s)（藤士藍） + 6KCl(aq)    [6]

事實上，滕士藍與普魯士藍確定是同一種物質，卻是由不同試劑製備而得。

四、   黃心©

A.    實驗步驟與觀察結果

在透明杯中加入7分滿的蒸餾水 ð 將©型迴紋針置入，滴入鹽酸 ð 觀察©型迴紋針的外觀並沒有改變。

‚又再將©型迴紋針置入，滴入雙氧水 ð 觀察©型迴紋針的外觀 ð 注意凹痕處有黃色液體流出。

B.     原理和概念

鹽酸（氫氯酸），化學式為HCl(aq)，無色透明液體，有強烈的刺鼻氣味，它是胃酸的主要成分。工業生產的鹽酸濃度一般為37%，因含雜質FeCl₃而使外觀呈黃色。

在步驟中，心型迴紋針先與鹽酸反應產生淺綠色的亞鐵離子；在步驟‚中，亞鐵離子再被雙氧水氧化生成黃褐色的鐵離子，其反應式與前述「淌血的心」相同，如式[2]所示。

n  誌謝

本篇作品承蒙高雄市立高雄中學李依蓁老師於課務繁忙中，撥冗幫忙拍攝與錄製此實驗的YouTube。教育部高中化學學科中心專任助理張雅雯小姐，別具巧思的將做此實驗所用的藥品和器材，設計裝置成一個輕巧的「玩©心化學百寶箱」，如圖3所示。還有，國立大甲高級中學廖旭茂老師在百忙中，不厭其煩後製作處理YouTube，在此表示衷心感謝。

圖3：玩©心化學百寶箱的外觀及內容物

n  參考資料

1.        實驗二 平衡常數與勒沙特列原理—平衡常數的測量；97高中課綱 普通高級中學基礎化學（三），實驗放大鏡；翰林出版；王瓊蘭編著。

2.        水中溶解性鐵、錳檢測方法—火焰式原子吸收光譜法，97行政院環境保護署環境檢驗所。