臺灣化學教育

思源科學創意大賽：
嘉義女中讓學生自我實現（下）

江淞承^{1, *}、詹宜婷^{1, 2}

¹國立嘉義女子高級中學
²國立台灣大學藥學系
*[email protected]

〔續〈嘉義女中讓學生自我實現（中）〉〕

n  參賽學生心得̶—科學不只是學科

以前的我（第二作者），喜歡暢遊在知識大海，喜歡閱讀很多很多書、吸收很多很多知識，當我把觀念想通或者是串聯起來的時候，那種快感是暢快淋漓的，書本上的理論是許多前輩的智慧結晶，是多年驗證後的成果，就目前的技術層面而言幾乎是正確的，可「盡信書，不如無書」，若一個人失去了思辨、質疑的能力，又怎麼能真正看見前被學者們不曾看見的弊端呢？我們從書本上習得的是「知識」，能將知識加以運用在生活上的卻是「智慧」，而「思源科學創意大賽」就提供了這樣的平台，讓身為學生的我們懂得質疑、應用並且驗證，懂得如何獲得真正的「智慧」。

一、  心態大幅轉變

第一次參與「思源科學創意大賽」是在我高二升高三那年，當初的想法只是很純粹的想要讓備審資料豐富一點，甚至很沒辦法接受這個比賽所占用的時間，要拼學測的我，幾乎每天都會待在補習班自修或者上課，假日也不例外，對我們而言高二升高三的暑假正是最好的「大躍進」時機，更應該好好把握時間念書，好讓局勢翻轉成為申請入學的黑馬，以致於當時的我會覺得比賽很麻煩，可是這是自己選擇的，想擺脫又擺脫不掉，我們同組的除了兩個學妹之外（一個之後退賽）其餘的都是我的同學，大家也都忙著唸書，或許跟我抱有一樣的想法吧，我們不確定這樣到底值不值得，又我們能否真正獲得我們想要的成績。

然而，這樣的心態一直到複賽開始有了轉變，因為我們真的把關卡做出來了，在比賽現場我們能深刻體會到有一群跟我們一樣crazy的人在努力，甚至於大家的想法都比我們還要有創意，或許是這樣的衝擊讓我的心態大幅轉變，我開始重視並且希望自己真的能好好拼出個理想的成績，也逐漸與身旁的夥伴產生密不可分的革命情感，我永遠也忘不掉，那個決賽前一天大家一起看日出的通宵夜晚、那些大家邊罵髒話邊用線鋸機的時光，以及最後在公布名次時滑過大家臉龐的眼淚。

於是，我報名了第二次的「思源科學創意大賽」。

二、  自我實現

第二次參與比賽是在申請上學校後，雖然那個時候已經有學校念的大家都在玩，都在享受所謂的人生，也覺得我很傻，幹嘛花時間在同一件事情上呢？原因其實很簡單：因為我想心無旁鶩地挑戰金牌！現在想想真覺得有點獅子大開口，但不知道為甚麼我就覺得可以試試看，因為這次時間比較充裕，有很多化學反應的部分老師都放手讓我做，購買藥品一點也不手軟，就讓我一直try and error，然後試著自己歸納出一個完美的劑量配方，讓我真正擁有一個純然發揮的空間，親自體驗「設計實驗，驗證理論」的過程。

雖然有比較多時間準備關卡，但最後還是不免俗地通宵，這次通宵我印象十分深刻，因為大家開始胡言亂語的模樣真的好有趣，而且講的都是一些跟我們的關卡有關的字眼，與大家朝夕相處的過程中，逐漸會產生濃厚的革命情感，就好像心理學提到的內團體效應吧。我們會越來越認同自己，越來越有自信，和大家在一起的時候，我存在的價值與意義是能強烈感受到的。即便最後我們不是金牌，也因而掉了許多眼淚，但不可否認的是，這樣的努力已經昇華，我們的成長也不容否定。「思源科學創意大賽」對我而言不只是比賽，更是自我實現。

三、  喜愛設計和實作實驗

參與這兩次比賽著實獲得了許多成長與感動，分以下部分探討。首先，我從來不曾想過有一天我能夠自己「設計實驗」，並且深刻地愛上它，其實在參加思源競賽以前，高中少數的實驗課對我來說是無聊透頂的，就好像按表操課，步驟怎麼寫、老師怎麼講就怎麼做，越快完成就有越多自己的時間可以好好念書，絲毫不會去思考一個最基本的問題：為甚麼？可是相反的，在參賽後，不管遇到甚麼問題我們都需要先自己想過可能原因才可以跟江淞承老師討論，卻也因為這樣的教育方式，讓我們自主性思考、不扼殺我們的創意，這也是我十分感謝老師的部分，待後面詳細描述。

此外，參賽過程中學到的所有實作經驗也成了我上了大學後做實驗比別人「還要厲害」的基礎，其實很多高中生懂得只是課本上的長篇大論，實作經驗是極其匱乏的，這也是我們與高職生無法相比的部分，可是透過參加思源競賽，我有了接觸這方面的機會，很明顯的，進了大學後，多數學生做實驗的技巧都不是很理想，大家怕東怕西，連秤取藥品都會顫抖，好像藥品會把大家吃掉一樣，這可能是因為台大是所著重學術研究的大學，而考進來的人幾乎清一色都是高中生，大家在高中也多半很努力讀書而缺少了實作經驗；可是有了這些經驗的我卻不會如此，反而能十分迅速地完成實驗，並且和大助探討「為甚麼」。很幸運地，我的有機化學實驗大助十分聰穎，思辨力也很好，更喜歡我們「不」按表操課、發現更多他不曾想過的問題，真的跟江淞承老師很像！也因為這樣的機緣，我十分熱愛有機化學實驗，更在課程結束後和大助成了好朋友。

四、  崇尚翻轉教室

再者，在江淞承老師身旁學習，我深刻體會到何謂「教育」，教育不該是單方面的消費行為，不是因為我們有付學費所以應該得到坐在講堂聽課的待遇，比起單方面的傳授知識，我更崇尚翻轉教室的教育方式，不管遇到甚麼問題，課本上的也好、實驗上的也好、生命中的也好，所有問題江淞承老師都不會第一時間給予我建議與解答，他會先問「你覺得呢？」每次跟江淞承老師對談，我都會被刺激自主思考，自己有了初步的想法後再提出來跟老師討論，此時老師便會指出我沒有思考到的層面，如此激盪下許多問題都迎刃而解，討論出結果後，江老師還會以半調侃、激將法的方式鼓勵我、肯定我，讓我更有動力走下去；我覺得這樣的教育方式是理想而且必須的。學校教育就是踏入社會的前置作業，學生要學的不僅僅只是書本上寫的智慧結晶，我們更應該學習一些抽象性的技巧，如問題分析及處理方式、資源尋找方式、克服困難的心態調整方式等，這些都不可或缺，才能使學生全面性發展。

江淞承老師亦賞罰分明，做對就會讚美，不過做錯就會明講不拐彎抹角、不刻意包裝言詞。雖然有時候殺傷力挺大的，但卻能很直接了當的讓我了解哪邊可以改善。最重要的是，江老師絕對不會否定我之前所犯過的錯誤，我踏出的每一步足跡他都是給予肯定的，也因此讓我明白現在的我便是從過去的這些錯誤中成就而來，如果我們不鼓起勇氣面對這些失敗，那我們就找不到真正的成功，因為失敗與成功本來就是一體兩面。沒有「思源科學創意大賽」，我就不會有機會在江淞承老師身邊學習，而我，就不會是現在的我，仍舊會是那個時常躊躇不定、瞻前顧後的阿詹，永遠不會給予自己肯定，在一次次的否定中逐漸變得渺小，可能連現在在哪裡都不知道。

五、  科學不只是學科

「思源科學創意大賽」是我人生的一個重大轉捩點，因為它「從無到有」提供了一個廣大的空間讓我們做無限發想，讓我們真正放下書本，暢快淋漓地天馬行空一番，讓我們知道科學不只是學科，它可以很具體，可以全然融入我們的生活，更可以成為我們的朋友。

沒有「思源科學創意大賽」，我，就不會是現在這麼有自信的我。

n  結語

常有人問筆者（通訊作者），為何能如些長期投入這項活動的指導，筆者常想，在自己的職業生涯中，除了將固定的那幾本書中的內容教給學生之外，還能帶給他們什麼？以及我得到了什麼？因些在課業之外，我選擇了科學相關競賽的指導工作，而事實上，除了每年的參賽同學都印象深刻、收穫豐富之外，我個人在每年的競賽之後，也頗有成長，整個活動讓筆者頗有「教學相長」的感覺。

首先是科學知識方面，每年在引導學生構思關卡時，當然是先讓他們參閱往年的競賽手冊，了解歷年大家的作品內容，而後再構思今年想要做的東西。為了儘量不要重覆過去的內容，便需集思廣或搜尋更多的素材，而在每年作品製作的過程中，也都會遇到各式各樣不同的困難，在解決困難的過程中，使筆者對各項實驗的結果、影響因素及效果最佳化的方法皆有新的認知。

而在態度方面，筆者在前幾年不可諱言地，非常重視競賽成果，得失心極重，常患得患失，一切的指導理念皆以得大獎為最高指導原則，但到了最近幾年，隨著智慧的增長，心態上已大為提昇，變得較重視學生的思考過程及心智成長，每年在看台上看著自己學生的參賽過程及作品運作時，都有一種「超越金牌的感動」。最終要感謝「思源科學教育基金會」，以及背後的工作人員，為這項競賽默默付出了十餘年，讓許多高中職師生能有讓人生精彩化的機會，也感謝交大思源基金會，能接手繼續承辦，讓這個優質的活動能夠延續，也期待將來有更多精彩的作品出現。

n  附記

作者江淞承，在學生國中時立志擔任數理科中學教師，高雄師大物理系畢業後，曾任教於台北滬江高中、台中大明中學及明道中學，現為嘉義女中物理科專任教師。以下是指導學生參加「思源科學創意大賽」的獲獎記錄。

可攜式微型電化學電池與電解實驗教具的製作

廖旭茂^{1, 2,} *、林宸緯¹、孫妤瑄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

本實驗影片由國立大甲高級中學提供。

影片網址：http://youtu.be/BP9wDPabkmM, YouTube.

n  簡介

微型化學實驗隨著環保意識的抬頭，掀起了一股風潮，除實驗藥品減量、實驗廢棄減少排放外，可攜式的便利性更是教育工作者努力的目標。高中的電化學實驗課程中，無論電化學電池（electrochemical cell）或電解電池（electrolytic cell），通常會涉及重金屬鹽類的使用以及有毒廢液的排放（如基礎化學（二）化學電池的實驗中以及高三選修化學電解碘化鉀的演示實驗），加上實驗器材繁瑣，實驗準備工作往往造成老師不少的負擔。本實驗希望利用手邊容易取得，如濾紙、化妝棉、吸管以及同軸纜線等材料，製作可攜式的微型電化學教具，除達到減量、減廢並符合綠色化學原則外，更能減輕教師的負擔，落實永續教育的經營目標。

n  器材與藥品

一、器材

塑膠培養皿 1個（含蓋）、鱷魚夾的紅色與黑色導線各 1條、濾紙、1 mL塑膠滴管、珍珠奶茶大吸管、濕紙巾、金屬片（Zn, Mg, Cu, Ni）、砂紙1張、鋁箔紙（20 Ï 20 cm）、不銹鋼鐵絲、同軸纜線（約30 cm長）、三用電表、熱熔膠和熱熔膠槍 1組。

二、藥品

0.1 M硫酸鎂（MgSO₄）、0.1 M硫酸鋅（ZnSO₄）、0.1 M硫酸銅（CuSO₄）、0.1 M硫酸鎳（NiSO₄）、0.1 M硝酸鉀（KNO₃）、0.1 M硫酸鈉（Na₂SO₄）、0.1 M碘化鉀（KI）、0.1 M的維他命C（vitamin C, ascorbic acid）、酚酞指示劑、小蘇打粉。

n  實驗步驟

一、  可攜式電化學電池裝置的組裝與測試

1.        取一張濾紙（或卸妝棉），剪成十字狀，置入一塑膠培養皿中、並將鎂、鎳、鋅、及銅四種金屬的硫酸鹽溶液3~5滴，滴加在濾紙的四個端點，接著將長約1 cm的四種金屬片，覆蓋於相關鹽類溶液上，略微緊貼濾紙。隨後將內裝KNO₃(aq)的滴管，輕輕的點在兩金屬間的濾紙（或卸妝棉）上，當作鹽橋，完成微型電化學電池裝置。相關裝置示意圖如圖1所示。

圖1：在培養皿中，濾紙的四個角落放置四種不同金屬片

2.        利用三用電表的紅色和黑色測式棒，輕壓金屬片，量測兩兩金屬間的電位差。利用測量的電位差值，探討電子的流出方向以及判斷電極的正極和負極。相關測試圖如圖2所示。

圖2：微型電化學電位差的量測過程

二、  可攜式電化學電池的串連組裝與測試

1.        為方便電位差測量，稍微改裝微型電池，首先將吸管剪成與塑膠培養皿等高的四小段，再用熱熔膠將四小段的吸管兩兩相對地黏於塑膠培養皿內部，取濕紙巾剪成十字狀，（或以卸妝棉剪開呈長條形，呈十字交錯）鋪壓在培養皿內。然後將硫酸鎂等金屬鹽類水溶液，以滴管滴2~4滴在相對的吸管中，最後放入彎折的金屬片在吸管內並固定（底部須碰到浸濕的卸妝棉）。相關組裝如圖3所示。

圖3：雙電池串聯的裝置圖

2.        以鱷魚夾導線連接Mg–Cu電池的Cu與另一各Mg–Cu電池的Mg兩端，並以三用電表探測棒輕壓兩電池的Mg與Cu兩端，測量電位差。改變不同的接法，探討電池串接方式不同對電壓的影響，並測試如何安裝和串連可以創造出最大的電池電位差。三個Mg–Cu電池的串聯組裝如圖4所示。

圖4：三個Mg–Cu電池的串聯組裝圖

三、  可攜式電解裝置的製作與測試

1.        電解筆的製作：將自同軸纜線剝下，長約15 cm的銅線（或白鐵線），從滴管頂端貫穿到滴管的口，銅線分別露出滴管管口和頂部的長度約1~3公分，以尖嘴鉗將兩端露出之銅線（或白鐵線）彎曲呈圓弧型，此即完成電解筆。相關製作圖如圖5所示。

圖5：電解筆的製作流程圖

2.        電解池裝置的製作：裁減適當大小的鋁箔紙並將培養皿包覆，再將濾紙放入包覆鋁箔紙的培養皿中，然後接著將兩端附有鱷魚夾的紅色導線之一端夾在包覆鋁箔紙之培養皿上，並且兩端附有鱷魚夾的黑色導線之一端則夾在電解筆頂端露出之電解筆上，加上9 V電池，此即完成了微型電解裝置部分。相關製作圖組裝如圖6所示。

圖6：微型電解池電解筆的製作組裝圖

3.        碘化鉀電解測試：電解池中可先以碘化鉀水溶液滴在濾紙上使濾紙均勻潮濕，然後在濾紙上以噴霧罐均勻噴上酚酞溶液；最後將9 V電池的負極以鱷魚夾導線連接電解筆，電池的正極以鱷魚夾導線夾住鋁箔，開始通電進行電解。當電解筆在濾紙上書寫或畫圖，觀察濾紙上是否有顏色。將正負極交換，觀察顏色是否發生變化？相關測試圖如圖7所示。

圖7：微型電解裝置的測試圖

n  原理與概念

一、  電化學電池

本電化電池實驗係利用局部沾濕的濾紙取代燒杯和U型管鹽橋，在培養皿中進行反應，並以三用電表的讀數為根據，判斷電子的流出方向，藉以決定金屬活性的大小。四個金屬在25℃，溶液濃度為1 M下的標準氧化電位大小如[1]~[4]所示：

Mg(s) → Mg²⁺(aq) + 2e^–   E^º = 2.37 V   [1]

Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e^–    E^º = 0.76 V    [2]

Ni(s) → Ni²⁺(aq) + 2e^–    E^º = 0.25 V    [3]

Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e^–    E^º = -0.34 V    [4]

兩金屬的半電池標準氧化電位不同，活性大的金屬易失去電子，標準氧化電位高；活性小的金屬不易失去電子，標準氧化電位低；電子由高氧化電位電極流向低氧化電位電極。以鋅銅電池為例，其電池簡略表示法如圖8所示：

圖8：全電池簡略表示法

電池的標準電位差為陽極氧化電位減去陰極氧化電位，鋅銅電池的標準電位差0.76 V – (-0.34 V) = 1.10 V。不過，實際上測量的電位會因溫度、有效濃度（活度）以及半電池的內電阻等因素而略為降低。

二、  電解電池

本實驗設計使用一個培養皿、鋁箔紙、以電解液濕潤的濾紙為電解槽，插入銅線（同軸纜線）的1 C.C.塑膠滴管作為電極筆。當外接9 V的乾電池，銅電極一接觸到沾濕的濾紙上方時，隨即與濾紙下方的鋁箔電極形成通路，濾紙上、下兩面分別發生還原與氧化反應。若電解液為碘化鉀溶液，電池的負極與銅製電解筆相連時，電池的正極與鋁箔相連時，則其兩極的反應，如式[5]~[7]所示：

陰極（負極）（–）：2H₂O(l) + 2e^– → H₂(g) + 2OH^–(aq)    [5]

陽極（正極）（+）：2I^–(aq)  → I₂(s) + 2e^–    [6]

I₂(s)會立即與I^–(aq)反應生成棕色的三碘離子I₃^–。其反應如式[7]所示：

I₂(s) + I^–(aq)  → I₃^–(aq)    [7]

n  安全注意及廢棄物處理

l   電化學電池的實驗裝置結束後，可將培養皿上蓋蓋好，減少蒸發，以利下次實驗使用，若已蒸發可，則再次滴加 1~2蒸餾水即可。濾紙（或化妝棉）回收前，沾取少量小蘇打粉後，依一般實驗室廢棄物回收。

l   電解槽中反應結束的濾紙，若有碘生成，可先以抗壞血酸還原後，再依一般實驗室廢棄物回收。

n  參考資料

1.          Paul Price, Writing with Electricity Chemical Demonstration Kit, http://www.flinnsci.com/store/
Scripts/prodView.asp?idproduct=22082.

2.          TeacherExpt:Electrolysis of potassium iodide solution, http://www.rsc.org/learn-chemistry/wiki/Teac
herExpt:Electrolysis_of_potassium_iodide_solution

3.          Standard hydrogen electrode, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_hydrogen_electrode.

4.          Experiment 28：Establishing a Table of Reduction Potentials: Micro-Voltaic Cells, http://www.vern
ier.com/files/sample_labs/CWV-28-COMP-micro-voltaic_cells.pdf.

5.          方金祥，科玩DIY 化學魔術畫板。科學教育月刊，2001，239期，頁51-54。

6.          廖旭茂，化學教室：化學平板的新戲法。科學研習月刊，2012，卷51，期8，頁19~26。

創意微型實驗—微型化學環保鞭炮

方金祥

創意微型科學工作室
[email protected]

每逢節慶喜宴或廟會等都少不了會施放鞭炮，然施放完後就會留下一大堆的炮竹垃圾，由於大部分的人不敢施放鞭炮，為使學生們能體驗施放鞭炮所產生的具震撼的響聲，特設計一套能在實驗室甚至直接在教室就可施放的微型化學環保鞭炮。

n  原理

利用微型電解裝置將水電解所產生氫氣和氧氣一起通入裝有清潔劑水溶液（或肥皂水）之凹槽中，使其形成一個一個含有氫氣和氧氣體積比為2 : 1之泡沫堆積在凹槽中清潔劑水溶液的表面。電解鹼性溶液水的反應式，如式[1]~[3]所示。再用點燃之火柴去點燃含有氫氣與氧氣之混合氣之泡沫，便會發出超「ㄅ一尢、」的爆鳴聲，有如點燃鞭炮似的響聲，謂之「微型化學環保鞭炮」。氫氣與氧氣的反應式，如式[4]所示。

正極（陽極）：4OH^–(aq) → 2H₂O(l) + O₂(g) + 4e^–               E_o = -0.401 V    [1]

負極（陰極）：4 H₂O(l) + 4e^– → 2H₂(g) + 4OH^– (aq)            E_R = -0.828 V    [2]

——————————————————————————————————–

全反應（電解）：2H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)                         E = -1.229 V     [3]

點燃爆炸：2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l) + 571.66 kJ/mol           E = +1.229 V     [4]

微型化學環保鞭炮之設計與製作過程詳述如下：

n  微型化學環保鞭炮之設計與製作

一、材料與工具

塑膠細長型滴管（3 mL） 1支、塑膠注射筒（10 mL） 1支、注射針頭 3支、直流電源（9 V乾電池） 1顆、扣帽 1條、鱷魚夾（Y字型） 2粒、太陽能電池板 1片、穩壓器 1組、手搖發電機 1組、塑膠試管 1盒、熱熔膠槍 1支、清潔劑 1瓶，如相片一所示。

塑膠培養皿（左）、熱熔膠槍（中）、注射針（右）

清潔劑（左）、9 V乾電池（中）、手搖發電機（右）

相片一：穩壓器（左）、太陽能電池板（右）

二、微型化學環保鞭炮之設計與製作

微型化學環保鞭炮係由微型電解裝置與多孔凹槽兩部分所組成：

（一）微型電解裝置之設計與製作

1.        準備3支細長型塑膠滴管，如相片二所示。

相片二：塑膠細長型滴管

2.        在1支塑膠細長型滴管之前端接上一個小塑膠接頭，如相片三所示。

相片三：小塑膠接頭接在塑膠細長型滴管之前端

3.        在1支塑膠細長型滴管之上方挖一小孔，並用熱熔膠將一個有孔塑膠塞固定此一小孔中，供作「氣體緩衝槽」，如相片四所示。

相片四：氣體緩衝槽

4.        將2支注射針頭之尖端去掉，並各出入一條導線，作為電極，如相片五所示。

相片五：注射針頭作為電極

5.        將2支電極分別插入塑膠細長型滴管上方兩側，用熱熔膠將其固定並使2支電極在塑膠細長型滴管中互相平行或交叉但不能接觸，組成「微型電解槽」如相片六所示。

相片六：微型電解槽

6.        將相片五微型電解槽之前端與相片三之氣體緩衝槽接起來而成「微型電解裝置」，如相片七所示。

相片七：微型電解裝置

（二）多孔凹槽之設計與製作

1.        利用線鋸將15~16根塑膠試管距離底部2 cm處鋸開。

2.        用熱熔膠將鋸開之試管固定在塑膠培養皿上，而成多孔凹槽，如相片八所示。

相片八：多孔凹槽

（三） 微型化學環保鞭炮之組裝

3.        將微型電解裝置之電解槽，置放在多孔凹槽中之一個凹槽中，並將氣體緩衝槽置放在另一凹槽中，再將氣體緩衝槽之末端插入另一凹槽內，如相片九所示。

相片九：微型電解裝置置放在多孔凹槽中之一個凹槽處上

4.        將9 V乾電池接上導線後，正負極分別接在微型電解裝置之兩支電極上，便組成一套「微型化學環保鞭炮」，如相片十所示。

相片十：微型化學環保鞭炮

n  微型化學環保鞭炮之操作方法

1.        配製10 mL 10%氫氧化鈉溶液於一小塑膠杯中。

2.        利用相片五之微型電解槽之吸管前端插入氫氧化鈉溶液，並吸取氫氧化鈉溶液至約七分滿。

3.        吸有氫氧化鈉溶液之微型電解槽之前端與有側孔的氣體緩衝槽組合起來，然後將其置於多孔凹槽的兩個孔中。

4.        於多孔凹槽的另一個孔中放入九分滿的水，然後於水中滴入2滴的清潔劑，並將其攪拌均勻而成清潔劑水溶液，如相片十一所示。

相片十一：於凹槽中滴入清潔劑

5.        在微型電解槽上之2根電極接上9 V乾電池之直流電源進行電解，如相片十二所示。

相片十二：用乾電池之直流電源進行電解

6.        亦可將電源9 V乾電池改為太陽能電池板或手搖發電機或穩壓器，就更為環保，如相片十三所示。

相片十三：用太陽能電池板（左）、手搖發電機（中）和穩壓器（右）產生直流電源進行電解

7.          進行電解產生之氫氣與氧氣混合氣體會一起通入清潔劑水溶液中，並在清潔劑水溶液表面堆滿氫氣與氧氣混合氣之氣泡。

8.          將點燃之火柴以水平方式移至堆滿氫氣與氧氣混合氣之氣泡上方時，會即刻發出很「ㄅ一ㄤ、」的聲響，有如放鞭炮似的聲音，如相片十四所示。

相片十四：用火柴引爆

9.          亦可用電子點火器（相片十五）前端先接二條導線，再去接觸在氫氣與氧氣混合氣之氣泡之表面來引爆。

相片十五：電子點火器

n  微型化學環保鞭炮之特點

1.        器材簡單，組合容易，操作方便且安全有趣。

2.        藥品只要2~3 mL，可一直重複使用，減少藥品污染。

3.        此裝置輕便可隨身攜帶，可在實驗室、教室及戶外或家裡來操作。

4.        點燃含有氫氧混合氣之清潔劑泡沫時會發出很「ㄅ一ㄤ、」的聲響，極似點燃鞭炮，頗具震撼性。

n  注意事項

1.        填加氫氧化鈉溶液時，手需戴上塑膠手套，避免氫氧化鈉溶液碰觸到皮膚。

2.        以火柴點燃時，以水平方式移至泡沫上方，避免燒到自己的手。

3.        注意火柴勿燒到微型電解裝置末端之塑膠軟管，亦可先將塑膠軟管移出凹槽再點燃。

n  結語

微型環保化學鞭炮是利用很簡單的電解原理，裝置很簡單，可以人手一套，增加學生親自動手操作的機會，實驗過程簡端又安全有趣，點燃時會發出很「ㄅ一ㄤ、」的聲響，極似點燃鞭炮，頗具震撼性，頗能引起學生做實驗的興趣。

創意微型實驗—微型木材乾餾

方金祥

創意微型科學工作室
[email protected]

「木材乾餾」在化學教師之教學和學生的學習過程中是一項很重要且又非常有趣的化學實驗，進行木材乾餾最重要的目的是實驗結果能明確地在木材乾餾過程中得到所產生之氣體（可燃性與不可燃性）、固體（木炭）及液體（焦油）等三項乾餾產物。在現行國中教材中之木材乾餾實驗，其材料是用衛生竹筷（免洗筷），在進行乾餾實驗時，會產生一股刺激難聞的氣味而污染了實驗室的空氣，同時使用酒精燈來加熱，偶有遇到實驗疏忽時而弄倒酒精燈的情形，進而發生酒精燃燒或爆炸之危險性。

有鑑於傳統式的木材乾餾在實驗時仍有其缺點，本文為因應教師創新教學之需，來設計成低成本且安全的「微型木材乾餾裝置」，使木材乾餾實驗兼具安全、經濟、低污染且有趣的實驗，在實驗室及一般教室中皆可操作，教師的教學演示或學生親自操作將會更為方便、快速、安全與有趣，且能激發教師帶學生做實驗的意願與更能引起學生實做的興趣，因此對自然與生活科技領域教師之創新教學定會有莫大的助益與成效。

n  原理

木材乾餾的原理是將木材或竹材隔絕空氣加熱之，而使其分解的過程。簡單地說，就是在實驗室中利用鋁箔紙將木材或竹材如木筷、竹筷、木質牙籤或火柴棒等包裹起來隔絕空氣加熱時，會將木材或竹材中之成分加以分解。由於木材的成分是一種含有碳（C）、氫（H）、氧（O）等成分之植物纖維，在乾餾過程中會分解產生三種狀態的物質，一為氣態物質如水蒸氣（H₂O）、二氧化碳（CO₂）等不可燃性氣體以及氫氣（H₂）、甲烷（CH₄）、一氧化碳（CO）等可燃性氣體，二為液態物質之焦油，三為乾餾後之固態物質如黑色木炭。

木材乾餾的反應可以用下式來表示：

n  微型木材乾餾裝置之設計與製作

一、材料

瓦斯點火器（市售） 1個、鋁線（直徑2 mm, 長50 cm） 1條、鋁箔紙（5 cm x 5 cm） 1張、火柴 1盒，如照片一所示。

照片一：瓦斯點火器（左）、鋁線（中）、鋁箔紙（右）

二、設計與製作

1.       準備一支市售的瓦斯點火器。

2.       將一條鋁線的一端在瓦斯點火器上捲成5圈螺旋狀之鋁線圈，再將鋁線的另一端捲成較小的4圈的螺旋狀之鋁線圈，如相片二所示。

相片二：兩端捲成螺旋狀之鋁線圈

3.       將捲成較大的5圈螺旋狀之鋁線圈套入瓦斯點火器的前端上，並用膠帶固定之，如相片三所示。

相片三：鋁線圈的套入瓦斯點火器的前端

4.       將較小的4圈螺旋狀之鋁線圈拉至瓦斯點火器的出火口上方當作木材乾餾的支架，即組裝完成「微型木材乾餾裝置」，如相片四所示。

相片四：組裝完成之「微型木材乾餾裝置」

n  實驗操作及化學教學演示

1.        將2支使用過的火柴棒置放在一張5 cm x 5 cm鋁箔紙的上方，然後再將一支火柴棒交錯地置放在2支使用過的火柴棒的上方，並使火柴棒露出鋁箔紙約2 cm左右，如相片五所示。

相片五：火柴棒置放在一張5 cm x 5 cm鋁箔紙的上方

2.        將鋁箔紙捲住火柴棒，如相片六所示。

相片六：鋁箔紙捲住火柴棒

3.        將鋁箔紙的末端折回來，然後再將鋁箔紙捲成長條狀，使其更為緊密，如相片七所示。

相片七：將鋁箔末端折回後再捲成長條狀以呈現緊密的狀態

4.        將露出鋁箔外面的一支火柴棒拔出，使捲成長條狀之鋁箔上方留一出口，如相片八所示。

相片八：將露出鋁箔外之火柴棒拔出

5.        然後將捲成長條狀之鋁箔插入微型木材乾餾裝置之鋁線圈中，並調整出口朝上，如相片九所示。

相片九：將鋁箔捲插入鋁線圈中

6.        以手握住瓦斯點火器，經點燃後間接加熱之，經加熱約半分鐘左右，會有白色煙霧從鋁箔上方出口冒出來，如相片十所示。

相片十：點燃瓦斯點燃器間接加熱之

7.        鋁箔上方出冒出來的可燃性白色煙霧，受到瓦斯點燃器上方之火引燃，而在鋁箔捲上方出口產生持續火焰燃燒著，相片十一所示。

相片十一：鋁箔上方出口處有火焰燃燒起來

n  實驗結果

1.        木材乾餾過程中所產生之可燃性氣體經引燃後，火焰在一分鐘之內會逐漸轉強，隨後又漸漸轉弱，約經1至2分鐘後，火焰會自動熄滅，待鋁箔捲上方出口處之火焰熄滅之後，再關掉瓦斯點燃器。

2.        待鋁箔捲冷卻之後，再將鋁箔紙打開，便可見到乾餾後的產品—木炭，及殘留在鋁箔紙上之少量焦油，如相片十二所示。

相片十二：火柴棒乾餾後的產品—木炭

3.        乾餾材料亦可用牙籤替代火柴棒來進行乾餾實驗，其乾餾產物—木炭，如相片十三所示。

相片十三：牙籤經乾餾過程後轉變而成之木炭

4.        本實驗過程除了可看到可燃性氣體之燃燒及得到乾餾後的固體產物「木炭」之外，還有液體產物「焦油」會留在鋁箔紙上。將留在鋁箔紙上之「焦油」以酒精溶解，然後再用蒸餾水稀釋約十倍時，便可得到「焦油」，如相片十四所示。

相片十四：乾餾後收集到的焦油（左），將焦油溶於酒精中（右）

n  實驗注意事項

1.        乾餾實驗完畢後，需等待插在裝置上之鋁箔捲完全冷卻後才能取出，以防手指頭被燙傷。

2.        包住火柴棒的鋁箔紙之末端必須緊密，以防加熱時氣體由鋁箔紙底端逸出。

n  微型木材乾餾裝置之特點

1.        乾餾架以彎曲自如的鋁線捲成螺旋狀線圈，直接固定在瓦斯點燃器上方而成，組裝及操作容易且安全。

2.        反應快速、時間節省，約1至2分鐘內即可完成乾餾實驗。

3.        取材方便、只需1~2支點燃過之火柴棒或牙籤即可進行乾餾實驗。

4.        節省鋁箔，只要一張5 cm x 5 cm鋁箔即可。

5.        利用瓦斯點火器當作加熱器，勿需用酒精燈，加熱及終止加熱操作自如，可增加實驗之安全性。

n  結語

本創意微型科學工作室以往曾完成一系列微型木材乾餾裝置，效果皆非常好，唯一美中不足之處是仍然需要用到酒精燈來加熱，如相片十五所示。

相片十五：前完成使用酒精燈加熱之微型木材乾餾裝置

本文所設計之微型木材乾餾裝置，在組裝實驗及拆卸整理上皆非常容易，操作簡單又安全。材料取得容易，價格非常低廉，且毋需使用酒精燈來加熱，避免掉不當使用酒精燈加熱之危險性。本套微型木材乾餾裝置每套價格約在三十元左右，在木材乾餾過程中只要耗用1支至2支火柴棒或竹製之牙籤及耗用更少的鋁箔紙即可進行實驗。因其用量少，乾餾之初所逸出之不可燃性氣體較少，整個實驗過程比較不會有異味之氣體產生而污染實驗室的問題，因此除在實驗室進行實驗之外，還可在一般教室內進行。加熱時既不必將包住火柴棒或牙籤之鋁箔做移動的動作，也不必將火源移動，因此也不會有傳統式使用酒精燈之安全疑慮問題等。故本實驗所設計的改良型的微型木材乾餾裝置可在兩三分鐘之內來完成木材乾餾實驗，甚或可收集到固體（木炭）、液體（焦油）乾餾產物及將可燃性氣體（甲烷、氫氣及一氧化碳）產物加以燃燒，實可稱之為低污染安全之實驗裝置，為配合綠色化學最適合之綠色實驗。

危險來自於無知—認識食品檢驗

李卓然¹、張一知^2, *

¹國立陽明大學醫學生物技術暨檢驗學系
²國立臺灣師範大學化學系
*[email protected]

近年來層出不窮的食品安全事件如同一把銳利的雙面刃，一方面揭露出了許多不肖食品業者的不良行為，一方面則是提昇了社會大眾對於食品安全的監督與參與。但是熱心參與並不表示人人都能搖身一變，變成食品安全專家，無知才是最大的敵人，在一知半解的情況下胡亂炒作議題所帶來的恐慌可能對於社會也是不小的傷害，因此我們真正該把注意力集中在：1.政府對於各種食品管制法條的制定。2.教導社會大眾和媒體正確的觀念以及探討食安問題時所需要具備的基本知識。

我們先回顧一下2015年初在新竹發生的一個例子，新竹市政府對六家廠商的七款食用油進行檢驗並驗出鉻金屬以及反式脂肪酸。台灣的新聞媒體對於有煽動力的議題猶如飢餓的野獸看到肥美的生肉一般，迫不及待的將此消息開始傳播，但是短短的一兩天後，各家廠商就提出聲明表示此次的事件根本是「烏龍」一場，因為沒有搞清楚正確的觀念而抹黑了廠商。

在此次的事件中衛生局表示在各家油品中檢驗出0.03-0.04 ppm的鉻以及非〝零〞的反式脂肪酸，要求業者將這幾款油品下架，但是當日下午食藥署就提出這些檢驗出的數據都是合乎規定的，彷彿狠狠打了衛生局的臉一番，廠商也覺得相當委屈遭受到了不必要的負面關注。這般事件之所以會發生或許是對於「爆料」這檔事給沖昏了頭，也有可能是相關人員並沒有徹底了解食品衛生的相關知識以及規範，所以作為一位真正關心食品安全以及健康的良好公民，我們應該先搞清楚檢驗數據所代表的含意以及相關法規設立的目的。

n  精準的檢驗與品管作業

不只食品檢驗，醫療檢驗或是各種工廠品質檢驗等等都不是單純的把待檢項目放入機器輸出一組數字這麼簡單而已，第一個要保證的是數字出來的準確性，但是準確度（accuracy）跟精確度（percision），兩個看似相似的詞卻有著不一樣的涵義。

這是個統計學的說法，首先我們要先對統計有點基本概念才能繼續介紹。為說明此基本概念，先見圖1，然後見圖2。

圖1：高準確度但低精確度（左）和低準確度但高精確度（右）

圖1的左邊的圖示代表的意義是高準確度但低精確度，右邊的圖示代表的是低準確度但高精確度，由這例子就可以很快知道，平均值越靠近標準值就代表準確度高，每次測量之間的偏差越接近就代表精確度越好。

如果把一台機器做出測量的數據畫成圖（見圖2）的話，每次檢測出來的數據越接近標準值或母體平均值就代表這個機器的準確度（準確性）越好，而最後的波的寬度越窄，尖峰越高就是代表精確度（精確性）很好。因此一台好的機器用標準手法以及正確的方式測量是希望能達到又精確又準確。

圖2：一台機器做出測量的數據畫成圖

要如何保證機器正在以一個準確且精確的狀態下運作呢？這時就要倚賴常常聽到的「品管作業」。品質管理的目的就是要確定我們檢驗出來的結果都是具有可信度的，最常做的方法就是對機器「上品管」，「品管」其實就是一支特定的檢體，濃度已經調整到一個已知的標準，讓機器去檢驗這支已知的標準檢體，然後看看與實際答案差了多遠。對於不同的檢驗類型或項目品管的嚴格度設定也會不一樣，例如一些比較關乎性命的檢驗如醫療健康檢驗或者航空飛行檢驗可能要求的嚴格度就相當高，買一杯珍珠奶茶要加幾顆珍珠這種比較無傷大雅的就可能要求較低。

另外就是即使機器做出的數據都很漂亮，有時精確度會讓我們有很準確的錯覺，這叫做系統性偏差（systemic error），就是說假設所有的數據測出來都比較高一點點，其實光靠我們內部的品管有時並不容易發現，這時我們就需要靠一些外部測驗來跟別的實驗室做比較，做出結果發現都與外界差不多我們才能放心相信我們的檢驗報告，這也就是為什麼各家檢驗實驗室都標榜著通過哪些國際認證的原因。

至於哪些檢驗的要求到底要多嚴格，就是我們之後要討論的議題，但就到目前為止你可能已經知道，當要對某項產品提出違反條例時，或是對某項檢驗的數據提出質疑時，第一個要做的就是要先請檢驗單位出示合乎標準程序的品管報告，一定要品管都過關這些檢驗數據才是有意義的，只要檢驗單位無法提供品管報告或是報告內容屢屢出現品管不過關的情況，討論這些數據的有效性都是沒有意義的。

n  數字本身沒意義，經過解讀才有意義

雖然機器會感應檢體裡面的物質做出判讀，但是它並不懂什麼量是高，什麼量是低。機器更有它的最大與最小偵測範圍，只要超出檢測範圍出來的數據也都是不具有意義的。因此，在設立什麼標準之前我們需要先對機器做「校正」，校正的過程通常是放入兩到三個校正檢體，這三個檢體通常包含高值、低值還有中間值，如果只做兩點那就看是超出比較嚴重，還是過低比較嚴重，這些校正檢體有點像是給機器輸入指令一般，告訴機器說：這個叫做高、這個叫做低、這叫做中間，然後延著這三個點建立一調直線，之後做檢體時就會以這條線為基礎去判斷做出來的檢體的濃度。因此，如果檢驗單位無法提出有在定期幫機器做校正的證明時，我們也能去質疑這些檢驗數據的可靠性。

在校正後，品管也都過關了，實驗室甚至還有國際認證，最後我們到底要怎麼去設定各種檢驗項目的參考值呢？0？100？還是10000？這個問題就是任何檢驗中最重要的環節所在了，如果訂得太低，所有的檢體都會超標，正常無害的都被當成有問題的（偽陽性）。如果訂得太高，所有的檢體則都顯示正常，連有害的都被當成無害（偽陰性）。你可能已經想像到，制定的過程並不容易，不只需要收集大量的數據更需要隨著時代的變遷時時更新標準。對於一些醫療相關的檢驗，一個常用的評估法是利用「接收者操作特徵曲線」（ROC curve）來計算，其中運算的模式主要是透過分析真陽性與偽陽性的資料，計算出最佳值（最多真陽性，最少偽陽性），最後將這個值設為這項檢驗的參考值（參考值通常包括正常人平均、過高、過低，偶爾還會設立危險值）。

n  你到底該擔心什麼？不用擔心什麼？

食品裡面的檢驗則又不大一樣，因為現在的食物多半有經過工業加工，為了保存期限更久或者風味更吸引消費者，食品廠商常會添加一些自然食物裡面沒有的物質，這些物質的使用量都應該要有明確的規範，國外也有很多規範可以參照，多半是經過大量的實驗以及統計之後訂下濃度或含量，食品安全這塊該做到的就是確保每家廠商的產品都有合乎規定的製作安全的食物，當然即使國家告訴你說多少量以下的防腐劑吃下去不會有事，防腐劑、色素、硝酸等等的物質給一般民眾的觀感並不好，所以許多產品開始標榜純天然無人工添加物，但是即使是完全不添加，這些「不好」的物質這也只是單方面的訊息，因為事實上許多「有害」物質都普遍存在於環境中，我們可以稱它們是這物質的「背景值」。

舉一個例子，假設今天我們把某個食物經標準程序做成檢體，上機去檢測跑出一堆數字，結果一看發現！居然還有重金屬砷！砷被攝入人體可是會得烏腳病的耶！一個號稱有機天然無添加的產品怎麼會含有重金屬？難道真的是台灣到處都是黑心商了嘛？先別緊張，假使我們看過品管報告等等都沒問題檢驗單位的可信度也很高，難道真的是商人添加砷嘛？其實呢，各種重金屬如砷、汞、鎘、鉻、銅、鎳、鉛、鋅等都是普遍存在於環境中的⁽¹⁾，有時在土壤中有時在水體中，我們的食材都來自於環境，因此無法避免地，我們的食品都會有些重金屬，然而一切的物質的關鍵都是在於濃度，只要是人體可以負擔的濃度基本上吃下肚就不會有什麼大礙，如同藥物一樣，任何藥物吃太大量都有致命的風險，適當的量則可以治好疾病，重金屬也是類似的情況。自從地球形成以來環境中就有重金屬，要是只要吃到重金屬就會死亡，那在發明檢驗機器以前的人類應該早就滅亡了。我們知道砷其實就是砒孀的主要成份，古時候害死人就是用砷下毒的，但是現在的醫學發現，微量的砷可以幫助殺死癌細胞，反而可以幫助人體。因此，我們要先了解各種物質在什麼樣的濃度之下是安全合乎規定的，而不是看到「關鍵字」看見黑影就亂開槍。環境中重金屬的背景值各地都不太一樣，是需要經過測底的調查、研究分析，才能得到，我國環保署歷年均有進行臺灣地區土壤環境重金屬背景值調查分析⁽²⁾。

另一點要澄清的就是，有時候我們覺得工業革命後好像越來越多食安問題，但其實很大一部分是因為我們的食品檢驗技術越來越成熟進步，機器越來越敏感，只要微微的一點量都可以被感應到，可能以前機器檢驗不出來的產品，而用現在的機器驗卻超標，因此現在的食品檢驗項目很難標榜〝零〞，基本上沒有任何食品食品檢驗能真正的達到完全沒有，以前寫〝零〞只是因為濃度低於最低偵測範圍，現在寫〝零〞常常是法規規定低於多少濃度之後可以直接標示〝零〞即可。這次新竹的油品事件中，反式脂肪酸的部份，法規規定內容是煉造過程所產生的反式脂肪酸低於某個濃度下就可以標示為〝零〞，由於衛生署檢驗出來的數字並不是〝零〞，因此認為標示不清，事實上只是沒有搞清楚法規。104年7月1日起正式實施，反式脂肪得以〝零〞標示之條件為「每100公克食品內所含總脂肪不超過1.0公克；或每100公克食品內所含反式脂肪量不超過0.3公克。」

n  結語

這世界並不是想像中的美好國度，雖然我們的社會和國家設立很多規範來保護我們，讓我們過得相對安全，但是我們還是時時暴露在潛在的危險因子之中。重要的是要了解危險因子對我們的危害程度到底有多嚴重？怎樣的妥協是我們可以接受並與之共存的？無庸置疑地，我們必須認識這些才能真正過著安全的生活，一知半解常常危言聳聽，讓自己和別人活在不必要的恐慌當中。不論堅持食品要達到「無毒」的境界，還是相信國家或國際上給的安全規範，最重要的是了解事實並做出正確的事實評估才是真正關心食品健康的消費者。

n  參考文獻

1.        許正一，科學發展，2011年12月，468期。

2.        可參考環保署委任案報告，如EPA-91-E3S4-02-04，EPA-87-H104-03-03。