臺灣化學教育

自組裝分子膜製程開發及性質研究

──防偽標章之製作

呂雲瑞*^ac、林明祥^bc

^a台北市立西松高級中學
^b新北市立林口高級中學
^c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高中化學學科中心和台灣多媒體創意教學協會提供。

影片網址：https://www.youtube.com/watch?v=7PLoETfndrg, YouTube.

n  簡介

微觸印刷原先為用於半導體產業製作，聚二甲基矽氧烷（polydimethylsilicoxane，PDMS）俗稱矽油，是經有機金屬的交叉鏈結反應（crosslinkilng reaction）固化而成的聚合物，固態的聚二甲基矽氧烷為一種矽膠，無毒、疏水性、非易燃性、且透明的惰性彈性物質。利用PDMS的性質，透過硫醇溶液的附著，讓有機碳鏈物質吸附在PDMS的凸面，使得特殊圖案在金屬表面上形成能夠長時間密合的自組裝分子膜，再依據其疏水性，於使用時以口中水氣辨識圖騰。有關PDMS的結構與交叉鏈結反應如圖1所示： 

 圖1：兩種不同的PMDS（聚二甲基矽氧烷）的結構式（上）和本實驗之交叉鏈結反應（下）

自組裝分子膜（self-assembly monolayer, SAM）的成膜原理是通過固、液界面間的化學吸附，在基板上形成化學鍵連接的、取向排列的、緊密的二維有序單分子層，活性分子的頭基與基板之間得化學反應使活性分子佔據基體表面上每個可鍵結的位置，並通過分子間作用力使吸附分子緊密排列。如果活性分子的尾基也具有某種反應活性，則又可繼續與別的物質反應，形成多層膜。經由加工所製造出來的印章可重複多次使用，而且表面多具有化學惰性，因此接觸轉印完後，會很容易的離開表面，就算有灰塵附於其上也很容易洗去，運用此特性，我們可以十分簡便的大量精密複製我們所需的薄膜。當墨水和基板發生反應後便形成自組裝單分子層（self-assembled monolayers, SAMs），單分子層對化學腐蝕液有阻隔作用，用蝕刻劑進行腐蝕，就在基板上得到與原蝕刻圖案完全一樣的精細圖案。有關自組裝分子膜的成膜原理，如圖2所示：

圖2：自組裝分子膜的成膜示意圖

n  藥品與器材

本實驗所需相關材料，如圖3所示。

1.          烤箱

2.          電子秤

3.          金屬器皿

4.          PDMS主劑（Sylgard polymer）〈註1〉

5.          PDMS固化劑〈註1〉

6.          1,6-己烷基雙硫醇（1,6-Hexanedithiol, HDT）

7.          乙醇

8.          金屬片（基板）

9.          硬幣（轉印物件）

圖3：需要的藥品與器材

n  實驗步驟

一、轉印圖章PDMS製作

1.        以10:1比例調和兩種不同的PDMS主劑及固化劑。

2.          倒入金屬容器並攪拌避免氣泡產生。

3.          放入硬幣、象棋作為模型。

4.          放入烤箱固化。

5.          脫模並裁切邊緣。

二、轉印圖案於基板

1.      塗抹1,6–己烷基雙硫醇（HDT）於印章上。

2.      以乙醇清洗多餘HDT。

3.      將圖案蓋印在基板表面。

n  安全注意及廢棄物處理

l  本實驗所使用的1,6–己烷基雙硫醇藥品有刺激臭，宜在通風良好，或抽氣櫃中進行。

n  附註

1.        藥品購買參考網址：http://www.ellsworth.com/dow-corning-sylgard-184-silicone-encapsulant-0-5kg-kit-clear/

n  參考資料

1.      Mrksich, M.; Dike, LE.; Tien, J.; Ingber, DE.; and Whitesides, GM. Using Microcontact Printing to Pattern the Attachment of Mammalian Cells to Self-Assembled Monolayers of Alkanethiolates on Transparent Films of Gold and Silver. Exp. Cell Res. 1997 Sep 15;235(2):305-13.

2.      Microcontact Printing, The Center for Nanoscale Chemical-Electrical-Mechanical Manufacturing Systems, https://nano-cemms.illinois.edu/materials/microcontact_printing_full.

馬鈴薯電池的電化學實驗（上）

王楨、楊水平*

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

     乾電池是一種以金屬、碳棒和糊狀電解液來產生直流電的化學電池，常見的鹼性電池的成分為二氧化錳、鋅粉、炭粉及氫氧化鉀水溶液。在鹼性電池中，鋅粉和氫氧化鉀當作電池的陽極（負極），二氧化錳和炭粉作為電池的陰極（正極）。

本家庭實驗係利用常見的家用產品來製作馬鈴薯電池，探討馬鈴薯電池與鹼性電池的放電原理相同嗎？馬鈴薯電池輸出的電壓和電流及其內電阻與鹼性電池相同嗎？本實驗使用三用電表來測量單一及多個馬鈴薯電池在串聯和並聯時的輸出電壓和電流及電功率，並連接各種負載（如小型鬧鐘和紅光LED），測試需要串聯和並聯幾個馬鈴薯電池才能使小型指針式鬧鐘轉動或LED發光，如圖1所示。學生可以在家中與父母一起探討馬鈴薯電池：也可以在學校老師的指導下，在教室中完成此家庭化學實驗。

圖1：串連馬鈴薯電池與鬧鐘連接

n  家用產品

1.  馬鈴薯 1顆 【購自超市或大賣場】

2.  紅色及黑色鱷魚夾電線 9組（共18條） 【購自電子材料行】

3.  三用電表 1台 【購自電子材料行】

4.  一元硬幣（新製造的且最明亮的銅幣） 8個

5.  華司（Washer，直徑與一元硬幣約相同） 8個 【購自五金行或百貨行】

6.  水果刀 1支 【取自廚房】

7.   小型指針式鬧鐘 1台 【取自臥房、購自五金行或百貨行】

8.  紅光LED燈 1個 【購自電子材料行】

9.  電阻（100 Ω和200 Ω） 2個 【購自電子材料行】

n  實驗步驟

一、測量單一馬鈴薯電池的電壓與電流

1.取一顆馬鈴薯，用水果刀切成八等分。

2.取每一小塊馬鈴薯放置於桌上，馬鈴薯的表面朝上且切面朝下。

3.在此小塊馬鈴薯表面上的中間偏左邊，先用水果刀插入形成一凹痕，長度約兩公分，再插入一個新製造且明亮的一元硬幣，插入約2/3的面積。

4.接著在距離硬幣一公分處，使用水果刀插入形成一凹痕，長度約兩公分，再插入一個華司，插入約2/3的面積。注意：硬幣與華斯不可接觸，且兩者保持平行。

5.旋轉三用電表的調整鈕在「DCV（直流電壓）20」的位置，紅色測試棒插在“V/Ω”插座，黑色測試棒插入“COM”插座。用一條紅色鱷魚夾電線的兩端，一端夾住電表紅色測試棒(＋)，另一端夾住一元硬幣(＋)。用一條黑色鱷魚夾電線的兩端，一端夾住電表黑色測試棒(－)，另一端夾住華司(－)。測量此單一馬鈴薯電池的電壓（讀取穩定值）。如圖2a和2b所示。

圖2：測量單一馬鈴薯電池的電壓與電流的示意圖（左）及實際圖（右）

6.旋轉三用電表的調整鈕在「DCA（直流電流）20 m」的位置，紅色測試棒插入“mA”插座，黑色測試棒插入“COM”。如上述連接的方式，測量此馬鈴薯電池的電流（讀取趨近穩定值）。如圖2a和2b所示。

圖3：測量串聯兩個馬鈴薯電池的電壓與電流的示意圖（左）及實際圖（右）

7.計算此單一馬鈴薯電池產生的電功率（電壓與電流的乘積）。

二、測量串聯多個馬鈴薯電池的電壓與電流

1.取上述〝單一馬鈴薯電池〞的步驟1的八小塊馬鈴薯。

2.放置每一小塊的馬鈴薯於桌上，馬鈴薯的表面朝上且切面朝下。

3.每一小塊的馬鈴薯插入硬幣和華司的方式，與上述〝單一馬鈴薯電池〞的步驟3-4相同。

4.排列此八小塊馬鈴薯成為一橫列，使每一小塊馬鈴薯上的硬幣靠左邊，華司靠右邊。

5.使用第一條鱷魚夾電線，一端夾住第一個馬鈴薯電池的華司(－)，另一端夾住第二個馬鈴薯電池的硬幣(＋)，形成兩個串聯的馬鈴薯電池。

6.使用一對鱷魚夾電線，用紅色鱷魚夾電線的兩端，夾住第一個馬鈴薯電池的硬幣端(＋)和電表的紅色測試棒(＋)。用黑色鱷魚夾電線的兩端，夾住第二個馬鈴薯電池的華司(－)和電表的黑色測試棒(－)。如圖3所示。

7.測量串聯兩個馬鈴薯電池的電壓和電流（讀取穩定值或趨近穩定值）。

8.拆除連接在三用電表的黑色鱷魚夾電線，夾住第三馬鈴薯電池的硬幣端(＋)。用一條黑色鱷魚夾電線的兩端，夾住第三個馬鈴薯電池的華司(－)和電表的黑色測試棒(－)。

9.測量串聯三個馬鈴薯電池的電壓和電流（讀取穩定值或讀取穩定值）。

10.繼續利用第三、四、五、六和七條鱷魚夾電線，分別串連第四、五、六、七和八個馬鈴薯電池。如圖4所示。

圖4：測量串聯八個馬鈴薯電池的電流與電壓

11.分別測量串聯四、五、六、七和八個馬鈴薯電池的電壓和電流（讀取穩定值或趨近穩定值）。

12.計算串聯四、五、六、七和八個馬鈴薯電池產生的電功率。

三、測試串聯馬鈴薯電池驅動負載

1.使用上述尚未拆解的串聯八個馬鈴薯電池，測試馬鈴薯電池能否驅動負載（小型鬧鐘和紅光LED燈？

2.首先，拆除連接在串聯馬鈴薯電池的三用電表，保留在第一個電池上的紅色鱷魚夾電線，及第八個電池上的黑色鱷魚夾電線。

3.用第一個電池上的紅色鱷魚夾電線，夾住小型鬧鐘的正極端(＋)。再用第八個電池上的黑色鱷魚夾電線，夾住此鬧鐘的負極端(－)。測試串聯八個馬鈴薯電池能否使小型鬧鐘運作？如圖5所示。

圖5：測試串聯多個馬鈴薯電池驅動鬧鐘

4.拆除第八個馬鈴薯電池，剩下七個串聯馬鈴薯電池。第一個電池上的紅色鱷魚夾電線(＋)不拆除，仍然夾住小型鬧鐘的正極端(＋)。用連接在第七個電池的華司(－)上之鱷魚夾電線的一端，夾住此鬧鐘的負極端(－)。測試串聯七個馬鈴薯電池能否使小型鬧鐘運作？

5.以同樣的方式，分別拆除第七、六、五、四、三、二和一個馬鈴薯電池，分別用連接在第六、五、四、三、二和一電池的華司(－)上之鱷魚夾電線一端，夾住此鬧鐘的負極端(－)。測試串聯多少個馬鈴薯電池才能否使鬧鐘運作？

6.接著，以紅光LED取代小型鬧鐘，用紅色鱷魚夾電線(＋)夾住LED的長腳(＋)，用黑色鱷魚夾電線(－) 夾住LED的短腳(－)，測試串聯多少個馬鈴薯電池才能否使LED發光？如圖6所示。

圖6：測試串聯多個馬鈴薯電池能否使LED燈發光

四、測量並聯多個馬鈴薯電池的電壓與電流

1.拆除上述步驟的全部鱷魚夾電線。

2.排列八小塊馬鈴薯成為一直列，每一小塊馬鈴薯上的硬幣靠左邊，華司靠右邊。

3.使用第一條和第二條紅色鱷魚夾電線，分別夾住第一個和第二個馬鈴薯上的硬幣(＋)，這兩條紅色鱷魚夾電線的另一端夾在一起(＋)。同樣地，使用第一條和第二條黑色鱷魚夾電線，分別夾住第一個和第二條馬鈴薯上的華司(－)，這兩條黑色鱷魚夾電線的另一端夾在一起(－)。

4.接著，兩條紅色鱷魚夾電線的夾住處(＋) 連接到三用電表上的紅色測試棒(＋)。兩條黑色鱷魚夾電線的夾在處(－)連接到此電表上的黑色測試棒(－)。測量並聯兩個馬鈴薯電池的電壓和電流（讀取穩定值或趨近穩定值）。如圖7所示。

圖7：測量串聯兩個馬鈴薯電池的電壓與電流的示意圖（左）及實際圖（右）

5.測量並聯三個馬鈴薯電池的電壓和電流（讀取穩定值或趨近穩定值）。

6.繼續，利用第四、五、六、七和八條鱷魚夾電線，分別並聯第四、五、六、七和八個馬鈴薯電池。第一個電池位在最下方，第八個電池在最上方。如圖8所示。

圖8：測量並聯多個馬鈴薯電池的電流與電壓

7.分別測量並聯三、四、五、六、七到八個馬鈴薯電池的電壓和電流（讀取穩定值或趨近穩定值）。

8.計算並聯二、三、四、五、六、七到八個馬鈴薯電池產生的電功率。

五、測試並聯馬鈴薯電池驅動負載

1.使用上述尚未拆解的並聯八個馬鈴薯電池，測試馬鈴薯電池能否驅動負載（小型鬧鐘和紅光LED燈）？

2.先拆除三用電表，用一條紅色鱷魚夾電線的一端夾住小型鬧鐘的正極端(＋)，另一端連接到第一個馬鈴薯電池硬幣上紅色鱷魚夾電線的夾住處(＋)。然後，用一條黑色鱷魚夾電線連接此鬧鐘的負極端(－)，另一端接到第八個馬鈴薯電池華司上\黑色鱷魚夾電線的夾住處(－)。測試串聯八個馬鈴薯電池能否使小型鬧鐘運作？

3.拆除第八個馬鈴薯電池，剩下並聯七個馬鈴薯電池，分別用紅色和黑色鱷魚夾電線的夾住處與鬧鐘的正極端和負極端。測試並聯七個馬鈴薯電池能否使小型鬧鐘運轉？

4.以同樣的方式，分別測試並聯多少個馬鈴薯電池能否使小型鬧鐘運作？

5.用紅光LED取代小型鬧鐘，測試並聯多少馬鈴薯電池才能否使LED發光嗎？如圖9所示。

圖9：測試串聯多個馬鈴薯電池能否使LED發光

六、調查馬鈴薯電池內電阻

1.首先，使用三用電表測量一個馬鈴薯電池的電壓，並紀錄為V₀。

2.利用兩條紅色鱷魚夾電線，分別夾住一個馬鈴薯電池上的硬幣(＋)和一個已知電阻的一端。再利用兩條黑色鱷魚夾電線，分別夾住一個馬鈴薯電池上的華司(－)和此電阻的另一端。紀錄已知電阻為R₁。

3.上述的兩條紅色鱷魚夾電線的另一端連接(＋)夾在一起，並連接三用電表的紅色測試棒(＋)。上述的兩條黑色鱷魚夾電線的另一端(－)夾在一起，並連接三用電表的黑色測試棒(－)。如圖10所示。

圖10：調查馬鈴薯電池的內電阻的示意圖（左）及實際圖（右）

4.測量外加的已知電阻兩側的電壓，並紀錄為V₁。

5.假設馬鈴薯內電阻為R₀，已知電阻為R₁，則藉由 I = V₁ / R₁，算出電流I後，再代入 R₀ = (V₀ – V₁) / I。

è 續【馬鈴薯電池的電化學實驗（下）】

馬鈴薯電池的電化學實驗（下）

王楨、楊水平*

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

é 承【馬鈴薯電池的電化學實驗（上）】

n 實驗結果和討論

A. 串聯馬鈴薯電池

在利用三用電表測量馬鈴薯電池的電壓時，電壓值會不斷上升，過一段時間會漸緩。相反地，測量電流時，電流值會不斷下降，過一段時間會漸緩。本實驗所紀錄的輸出電壓和電流都是讀取最後的穩定值或趨近穩定值。馬鈴薯電池電壓上升的原因可能是，插入華司後鋅與馬鈴薯的電解質接觸逐漸增加，導致電壓漸漸上升。電流下降的原因可能是，硬幣的表面在反應後吸附氫氣，阻擾氫根離子到達硬幣表面，以致電流漸漸下降。

輸出電壓、電流及電功率

圖11：馬鈴薯串聯數與電壓的關係

由圖11可知，馬鈴薯電池串聯數與輸出電壓大小呈現幾乎正比的關係。

圖12：馬鈴薯串聯數與電流的關係

由圖12可知，馬鈴薯電池串聯數與輸出電流強度無關，串聯多個電池的電流強度與單一電池大致相同。

圖13：馬鈴薯串聯數與電功率的關係

由圖13可知，馬鈴薯電池串聯數與電功率大致成正比的關係。由於馬鈴薯電池串連數與輸出電壓大小大致成正比，且與輸出電流強度無關，因此馬鈴薯串聯個數與輸出電功大致成正比。此結果與公式 P = I × V大約一致。

驅動負載

串聯五個以上（含）馬鈴薯電池可使小型鬧鐘的指針運轉，這是因為這些串聯電池輸出的電功率大於此鬧鐘的電功率，而且這些串聯電池輸出的電壓高於此鬧鐘的馬達運轉所需要的啟動電壓。

串聯三個馬鈴薯電池可使紅光LED發光的亮點直徑約1-2 mm，串聯個數越多量點越大，串聯八個時亮點的直徑約4-5 mm。由於紅光LED發光的正向偏壓為1.63-2.03 V，串聯三個以上（含）馬鈴薯電池的電壓為2.63 V以上，超過紅光LED發光的正向偏壓，因此紅光LED會發光。

B. 並聯馬鈴薯電池

在利用三用電表測量並聯馬鈴薯電池的輸出電壓和電流時，與串聯馬鈴薯電池大致相同，電壓會逐漸上升且電流會逐漸下降。

輸出電壓、電流及電功率

圖14：馬鈴薯並聯數與電壓的關係

由圖14可知，馬鈴薯電池並聯數與輸出電壓大小大致無關，但是並聯電池數目越多，輸出電壓大小有稍微下降的現象。

圖15：馬鈴薯並聯數與電流的關係

由圖15可知，馬鈴薯電池串聯數與輸出電流強度大致呈現正比關係。

圖16：馬鈴薯並聯數與電功率的關係

由圖16可知，馬鈴薯電池並聯數與電功率大致成正比的關係。由公式P = I × V，得知電功率（P）與電流（I）和電壓（V）的乘積成正比。由於馬鈴薯電池串連數與輸出電壓大小無關，且與輸出電流強度大致成正比，因此馬鈴薯串聯個數與輸出電功率大致成正比。

驅動負載

並聯八個馬鈴薯電池無法使小型鬧鐘的指針運轉。雖然並聯八個電池輸出的電功率大於此鬧鐘的電功率，但是這些電池輸出的電壓低於此鬧鐘的馬達運轉所需要的啟動電壓。

並聯八個馬鈴薯電池也無法使紅光LED發光。由於紅光LED發光的正向偏壓為1.63-2.03 V，並聯多個馬鈴薯電池的電壓為0.84-0.92 V，未超過紅光LED發光的正向偏壓（起始電壓），因此紅光LED不會發光。

C. 馬鈴薯內電阻

馬鈴薯電池的內電阻很高，原因可能是馬鈴薯主要成分為澱粉，澱粉分子為非導體。馬鈴薯電池的內電阻計算如下所示：

R₀ = [(V₀ – V₁) / V₁] R₁

R₀ = [(0.80 V – 0.37 V) / 0.37 V] 200 Ω

R₀ = 230 Ω

n 安全注意與廢棄物處理

l 使用水果刀切馬鈴薯時，必須非常小心不要割傷手。

l 用過的馬鈴薯不可食用，可當作堆肥。

l 用過的華司與硬幣洗淨後，可再使用。

n 教師教學與家長指導提示

l 日常生活中，有很多水果和蔬菜含有電解質，像是蘋果、檸檬、橘子、榨過的果汁等等。老師及家長可以多準備不同的食品，讓學生或孩童有更多探索的機會。

l 本實驗馬鈴薯煮過或是搗碎，讓學生探究改變變因是否影響輸出的電壓與電流，並比較各實驗結果。同樣地，學生可以測試這些馬鈴薯電池的內電阻是否改變。

n 原理與概念

兩極半反應

常見的鹼性電池是由二氧化錳（MnO₂）、鋅粉（Zn）、炭粉及氫氧化鉀（KOH）水溶液所構成。在鹼性電池中，鋅粉和氫氧化鉀當作電池的陽極（負極），二氧化錳和炭粉作為電池的陰極（正極）。當鹼性電池放電時，其兩極半反應如式[1]和[2]及全反應如式[3]所示。

一般鹼性電池的標準電壓為1.5 V，而一個全新尚未用過的鹼性電池，其電壓值大約為1.50～1.65 V，當有負載條件下的平均電壓為1.1〜1.3 V。鹼性電池的電流一般是700毫安培。

以化學角度觀之，馬鈴薯的成分有檸檬酸、碳酸鉀和磷酸，磷酸的含量只比蘋果少。而最重要的是，在蒸煮馬鈴薯時不可去皮，因為碳酸鉀應該在馬鈴薯烹調過程中被保留，否則，其會失去7%的碳酸鉀和5%的磷酸。

馬鈴薯電池的發電原理與乾電池大致相同，當馬鈴薯插入含銅的硬幣和表面鍍鋅的華司時，活性大的金屬鋅會失去電子而發生氧化反應（陽極，負極），電子通過負載到達硬幣（僅供導電之用）的表面，在硬幣表面有馬鈴薯含酸的電解質，氫離子接收電子而發生還原反應（陰極，正極），形成迴路而發電。當馬鈴薯電池放電時，其兩極半反應式如式[4]和[5]及全反應如式[6]所示。

馬鈴薯電池放電的實際電壓約0.8-0.9 V，比理論值0.76 V還高，真正原因有待探討。

驅動負載

電功率（Electric power）是指每單位時間發電機或電池所產生的電能，電能能夠轉換成機械能（馬達）、動能（指針式時鐘）、光（燈泡）、聲音（耳機）、熱（烤箱）、或化學變化（電鍍），電功率的單位為瓦特（W）。電器設備（負載）能否被驅動或可否運作可由電池所輸出的電功率是否超過電器設備的功率來判定。而且有些負載，例如：指針式鬧鐘的馬達需要達到特定的啟動電壓才能運作。

發光二極體（Light-Emitting Diode, LED）只能夠往一個方向通電，稱為正向偏壓，當電流流過時，電子與電洞在其內重合而發出單色光，稱為電致發光（electroluminescence）效應。發光的光線波長、顏色與其所採用的半導體物料種類及故意摻雜的元素有關，電致發光物料有摻雜銅和銀的硫化鋅、藍色鑽石（含硼）、砷化鎵等。放射波長760-610 nm的紅光LED發光之正向偏壓為1.63-2.03 V。通過LED的電流強度越大，發光的亮度越亮。

內電阻

電池內電阻是指使用電池時，電池內部存在一種對電流阻礙的作用。在理想狀態中，電池是沒有內電阻，但在實際使用時，一定有存在內電阻，內電阻會消耗一部分的電能，這也是使電池發熱的原因。

電池內電阻的測量原理，如圖17所示，內電阻為R₀，外加電阻為R₁，當開關未關上（未加外電阻）時，三用電表測得電壓為V₀。當開關閉合（有加外電阻）時，三用電表測得電壓為V₁，電池內電阻可以由式[7]求得：

R₀ = (V₀ – V₁) / I [7]

若外電阻R₁為已知，則只需要測量V₀和V₁，即可用R₁來運算而求得電池內電阻R₀。式[7]可改為式[8]：

R₀ = [(V₀ – V₁) / I ] ( V₁/ V₁)

R₀ = [(V₀ – V₁) / V₁ ] ( V₁/ I ) [8]

由於外電阻R₁ = V₁/ I，因此式[8]可改為式[9]：

R₀ = [(V₀ – V₁) / V₁] R₁ [9]

圖17：測量電池內電阻的示意圖

事實上，不僅電池存在內電阻，像是三用電表、鱷魚夾電線等也有電阻存在。電池的內電阻取決於電池的大小、化學性質、使用時間、溫度和負載電流等，但通常只有幾歐姆左右。電池的內電阻通常隨電池使用時間增長而增大，當電池使用較久時，內電阻會增大，進而導致對外輸出的電壓會下降。

n 參考資料和讀物

1. Battery, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Battery_(electricity).

2. Internal resistance, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Internal_resistance.

3. Light-emitting diode, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode.

4. Electric power, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_power.

5. How to Measure the Internal Resistance of a Cell, eHow, http://www.ehow.com/how_10039516_measure-internal-resistance-cell.html.

6. How to Calculate Battery Internal Resistance, eHow, http://www.ehow.com/how_7492842_calculate-battery-internal-resistance.html.

7. 電壓源內阻測量儀，http://www.zeroplus.com.tw/E-paper/200902/image/200902ZEROPLUS06_voltage.pdf。

8. Alkaline Batteries, Electrical Engineering, http://www.electrical4u.com/alkaline-batteries/ .

9. Ingredients: Potato, http://www.oldtimeremedies.co.uk/2009/01/ingredients-potato.html.

製備碘化亞銅與其一系列反應

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]

臺北市立第一女子高級中學周芳妃老師的「花裙子實驗」與本人兩年多前開發的「化學百寶箱」中的示範實驗，都涉及硫酸銅溶液與碘化鉀的反應。反應過程，顏色明顯變成紅棕色而且溶液變混濁；接著加入硫代硫酸鈉溶液後，紅棕色逐漸褪去，混濁顏色原預期呈白色（即碘化亞銅，CuI），但卻看到灰黑或灰白色，若不小心滴入過量硫代硫酸鈉溶液，溶液竟然變成無色澄清！過程中到底發生哪些反應？本人曾接獲多位老師的詢問，也已逐一回答，但想必仍有更多老師尚不知其所以然。這次藉著《臺灣化學教育》期刊的發行，於「高中化學教學疑難問題」專欄，將個人所知詳加敘述，供老師們參考。內容若有誤謬之處，也歡迎來信指正，使此一有趣的實驗能呈現真實面貌。

以下就是製備碘化亞銅的實驗步驟，並進行一系列的相關實驗。

n   問1：如何製備碘化亞銅？

1.   準備一杯0.1 M 的50 mL硫酸銅溶液，如圖1.1。

2.   以刮勺取少量碘化鉀晶體加入硫酸銅溶液中，攪拌，反應結果如圖1.2所示，記錄與說明如下：

記錄：溶液由淺藍色變成紅棕色混濁。

說明：溶液呈紅棕色，推測生成I₃⁻。將硫酸銅溶液（註）倒入試劑瓶中，加入碘化鉀之後，再加入少許正己烷，搖盪，觀察有何現象發生。反應結果如圖1.3所示，左瓶為原有之硫酸銅溶液，中瓶為加入碘化鉀之後，溶液變色並呈混濁現象，右瓶為加入正己烷之後，搖盪、靜置，上層呈紫色，表示生成碘分子（I₂）。這些反應如式[1]和[2]所示：

2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻  [1]

I₂(s) + I⁻(aq) ⇌ I₃⁻(aq)  [2]

即碘離子（I⁻）氧化形成碘分子（I₂），I₂再與I⁻反應生成I₃⁻（紅棕色）。

註：此處硫酸銅溶液濃度為0.01 M，使顏色變化容易觀察。

氧化還原反應必定同時發生，在式[1]中所述為氧化反應，表示必有另一反應物進行還原反應，此處應該是由銅離子（Cu²⁺）扮演還原反應的角色，其可能反應有二，如式[3]和[4]所示：

Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)  [3]

Cu²⁺(aq) + e⁻ → Cu⁺(aq)  [4]

燒杯中並未見到金屬銅的生成，故推測應該是進行反應[4]，也就是由這個反應製備出亞銅離子（Cu⁺）。

反應[1]中的I⁻與反應[4]生成的Cu⁺結合形成CuI沈澱，但因存在紅棕色的I₃⁻，故無法看出CuI沈澱的顏色，化學反應如式[5]所示：

Cu⁺(aq) + I⁻(aq) → CuI(s)  [5]

圖1.1                                  圖1.2                                   圖1.3

n  問2：氯化亞銅沈澱是什麼顏色？

1.   準備一瓶1 M的硫代硫酸鈉溶液，如圖2.1所示。

2.   以滴管吸取硫代硫酸鈉溶液，逐滴滴入問1之燒杯中，一邊滴一邊攪拌，記錄與說明如下。

記錄：紅棕色逐漸褪去，如圖2.2所示。

說明：硫代硫酸鈉與碘分子（I₂）進行以下之氧化還原反應，如式[6]所示：

2S₂O₃²⁻(aq) + I₂(s) →

S₄O₆²⁻(qq) + 2I⁻(aq)  [6]

因為碘分子（I₂）耗去，反應[2]向左進行，所以紅棕色逐漸褪去。

I₂(s) + I⁻(s) ⇌ I₃⁻(s)  [2]

若是沈澱呈灰白色或灰黑色，表示其中仍有碘晶體（黑色）存在，持續加入硫代硫酸鈉溶液，直到沉澱物呈白色，如圖2.3所示。

圖2.1                       圖2.2                                    圖2.3

n  問3：若快速滴入硫代硫酸鈉溶液，則白色沈澱會消失。為什麼？

說明：在「溶解度積」的教學單元中，都會提及以下一段話：氯化銀沈澱能溶於濃氨水，而溴化銀與碘化銀沈澱不溶；溴化銀沈澱能溶於硫代硫酸鈉溶液，而碘化銀沈澱不溶；碘化銀沈澱能溶於氰化鈉溶液。

白色沈澱消失，如圖2.3所示，顯然生成可溶於水的物質，應該就是形成錯離子，其反應如式[7]所示：

CuI(s) + 2S₂O₃²⁻(aq)  → Cu(S₂O₃)₂ ³⁻(aq) + I⁻(aq)  [7]

碘化銀沈澱不溶於硫代硫酸鈉溶液，為何亞銅離子（Cu⁺）能溶？銅與銀皆為11族（或1B族）元素，銅位於第四週期，銀位於第五週期，故銀離子與碘離子鍵結比銅離子與碘離子鍵結有較大的共價性，需更強的配基才能使碘化銀溶解，而碘化銅共價性較小，以硫代硫酸鈉作為配基即可溶解碘化銅。

n  教學上的應用

1.    於溶解度規則表之教學，可進行碘化亞銅沈澱的示範實驗。

2.    第一列過渡元素的電子組 態，常強調Cr與Cu為符合d軌域半填滿或全填滿較穩定，所以Cr的價軌域電子組態為3d⁵4s¹而非3d⁴4s²，Cu的價軌域電子組態為3d¹⁰4s¹而非3d⁹4s²，老師要求學生記下來。藉此示範實驗，可印證Cu的電子組態為何是3d¹⁰4s¹。

說明：過渡元素的鹽類常有不同顏色，是因其d軌域尚未填滿，電子於d軌域躍遷時，會吸收或放出可見光。由於碘化亞銅為白色沈澱，顯示亞銅離子（Cu⁺）的3d軌域為全填滿狀態，亦即其價軌域電子組態為3d¹⁰，由此回推，原先Cu的電子組態為3d¹⁰4s¹，因此其沉澱物與鋅離子（Zn²⁺）相似，不吸收與放出可見光而呈白色。

3.    高中化學實驗室為何很少看到甚或看不到亞銅離子的相關鹽類？

說明：銅離子與亞銅離子的標準還原電位如式[8]和[9]所示：

Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)  E°= 0.34 V  [8]

Cu⁺(aq) + e⁻ → Cu(s)  E°= 0.52 V  [9]

由式[8]和[9]兩式得式[10]：

2Cu⁺(aq) → Cu²⁺(aq) + Cu(s)   ΔE° = 0.18 V  [10]

ΔE° > 0，表示這是自發性反應，也就是在水溶液中，亞銅離子會進行自身氧化還原反應，故實驗室難以保存含亞銅離子的相關鹽類。在此特別說明，在氣態時，亞銅離子的安定性是大於銅離子。

行動學習模式在化學教育之應用研究 

翁榮源 

靜宜大學應用化學系
[email protected] 

n  前言

科技的快速發展與進步，多媒體智慧型手機已經是大學校園裡年輕學子必備的時髦玩意兒。如何將化學教育活動從教室轉移至行動裝置上，一直是化學教育工作者的夢想，讓學生在各種不同的時間與空間環境中，隨時的進行化學知識學習，而老師可以設計最適合的教學情境與學習內容供給學生，進行有意義的學習活動與互動，讓整個學習成效提升，就是我們希望達到的目標。著重個人化的學習控制與歷程，以學習者為中心，讓學習者可以在任何需要的時候學習，達到處處可以學習的境界，已經開始萌芽。行動學習迎接新時代的化學教育，已經開始發揮核心作用。

我們將傳統教室中的教材移植到M-learning模式中，讓學習者可以隨時隨地的進行學習，不需要被環境的因素限制住，進而達到較好的學習成效。大學學生們不再滿足於課堂面對面的傳統教學模式，希望能夠盡量的利用一些空檔零碎時間進行學習，例如通勤時間、等待的空檔時間、校園中閒逛等小片段時間皆可運用，而這就是行動學習行為模式進入的時機。學習情境可在任何時間、任何地點發生，經由行動裝置將使學習的範疇更加多元化。我們將生活化學單元中的奈米化學知識，透過輕鬆、活潑的方式再配合多媒體的文字、影像、聲光、動畫、等特性，透過多媒體簡訊傳送給學習者，使學習者提昇學習興趣與動機，並提升學習成效。

n  理論探討

行動學習行為跨越區域限制，它充分發揮了可攜技術所提供的學習便利性，提供給學習者機動性、方便性，並可提供各種不同的學習素材，有著傳送教學上立即性的回饋，這將是教學者可以善加利用的特性。行動學習是結合E-learning與行動電腦所產生之學習，並且能使學習者經由行動設備，隨時隨地體會並享受教育之經驗，使教學能夠從傳統教室延伸至戶外之真實世界。美國大學校長Abbott就曾說「行動科技可以讓我們越過教室的牆，延伸我們的學習。」學習不再是侷限於特定時間或場域的活動，亦或僅止於某個時間或場域中的知識應用。

n  研究設計與方法

研究流程

本研究流程如圖1所示。

圖1：研究流程

研究工具

(一)奈米化學課程內容

本研究奈米化學單元前測測驗主要以「微小尺寸的世界」、「奈米的特性&效應」、「奈米&生活」、「奈米科技的應用」、「奈米的未來」，五大概念的內容為主。本研究實驗組以行動學習模式進行學習，控制組則以傳統教室學習模式學習。兩組內容相同，唯內容呈現方式不同，並且為了避免統計誤差，單元學習時間皆控制為兩個小時。

(二)課程前測後測

本研究的學習成就測驗以教學內容相關觀念為主，命題取材自自美國「ACS Division of Chemical Education Examination」。其ACS測驗試題的信度係數為9.0。線上測驗使用中文翻譯版本，並於編製時經由四位化學教育專家共同檢驗，以求其效度。後測測驗於學習後實施，藉此比較實驗組與控制組學生的學習成效。

(三)一般傳統奈米化學學習模式

       主要內容以生活化學中較新穎的「奈米化學」知識為教材內容，並依據奈米化學相關文獻、參考自然科學相關書籍與網路資料，在傳統學習內容的設計上是以文字&圖片&動畫呈現學習內容外，在介面的設計也盡量以柔和的背景與鮮明的色彩來吸引學習者的興趣，如圖2（三張圖）所示。

圖2：一般傳統奈米化學學習模式

(四)行動學習奈米化學模式

在行動學習模式設計方面，則利用Flash Lite以mms設計為多媒體簡訊模式，呈現簡潔；另外動畫與設計的版面、圖片有絕對的相關對應，增進學習與閱覽的效果。在行動學習模式製作上，在介面的設計原則依據手機問卷與現行手機功能規範，最佳之螢幕解析度以640*480較為適合，學習小主題之檔案大小控制於300kb以下，以利傳輸與學習者接收；頁面呈現方式以活潑簡單的方式，以螢幕的觸控式按鍵來加以控制學習內容的播放時間，在行動學習模式以小主題為學習目標，以免教學資料過多，學習文字資料盡量減少，學習內容以不超過三頁之原則作為主要設計考量，減少學習者操作的麻煩。行動學習奈米化學模式，如圖3（七張圖）所示。

圖3：行動學習奈米化學模式

我們將精熟學習模式的理念融入基本教學模式，結合學習、評量與回饋、充實或補救的教學歷程，於每一個小單元的學習完畢後，全部學習者接受小測驗的評量，如學習者在該測驗上的答對率達到教學者事先預訂的精熟標準者，即被視為精熟學習者，教學者便可針對這些學習者進行充實活動的措施，以維繫其精熟的程度；若評量結果未達精熟標準者，即被視為學習不夠精熟，便會給予個別化的補救教學，以矯正其學習錯誤的地方，矯正之後，必須再接受一次小測驗的評量，如果學習者已達精熟標準，則進入第二概念的教學和學習；如果學習者未達精熟標準，則會直接給予正確答案之後，再進入第二概念的教學和學習。學習只是「快慢」不同而已，即是要給予「學習快」的學習者進一步擴展的機會，同時，也要提供「學習慢」的學習者有補救的機會，如圖4所示。

圖4：教學流程

n  結果與討論

一、學習成效分析

(一)奈米化學單元實驗組與控制組之學習成效分析（表1）

實驗組與控制組兩組學習者在學習成效分析方面，以兩組的後測成績作獨立樣本的t檢定，由下表的分析結果顯示，p值為.003小於 .05，達統計之顯著差異。顯示行動學習模式學習成效較好。

行動學習模式使用精熟學習理論，並於學習過程中結合教學、診斷評量、與補救教學，使學習者的知識建構更加完整，並讓學習者面對同樣的教材時，可依自己的學習速度，完成課程內容的學習。此外行動學習簡訊上的一大特性為擁有極高的即時性與便利性，能在「anytime, anywhere」使用零碎片段的時間充實自我，再則配合教材內容的設計，更能使學習者充分理解、吸收知識，突顯成效。學習過程中教師給予正向的肯定，等於是肯定學習者的能力，學習者會想進一步的學習，學習動機會自然提高。學習者的動機和自我激勵效能，能從教師的績效回饋中提升。

(二)探討個人相關變因對行動學習之學習成效的影響

1. 依認知型態比較實驗控制組的學習成效分析（表2）

學習者之場地獨立性越高，其學習成就會愈高。場地獨立的人較能夠從複雜的環境脈絡中找出隱藏的意思。場地獨立的學習者，較能主動的自我學習，且彈性的學習路線較有幫助其學習。本研究之行動學習模式之教學法比較個人化，較不強調對於社會階級及結構比較敏感的傳統課堂教學法，讓學習者依自己的速度，完成所要學習的課程內容，支援學習者進行彈性化的學習與思考，特別有利於場地獨立的學習者進行學習，所以行動學習模式之教學法的成績會較好，研究中證實此教學法對學習者會有所助益。

 
2. 依性別比較實驗控制組的學習成效分析（表3）

就性別而言，本研究發現男生在行動學習模式之學習成效優於傳統教室學習模式。男性學習者中絕大多數擁有觸控多媒體手機，心理上認為使用行動裝置進行學習時能滿足其虛榮感，一般男生都想要提升其在所有同學間的形象地位，在使用多媒體簡訊學習時，加重其好學不倦之形象，此外，男生與女生在使用智慧型手機的使用習慣不同，女性習慣將手機視為社交工具，不將手機作為主要的資訊來源，但男性則會將注意力都放在手機上，如玩遊戲亦或融入自身需要的應用軟體等，將手機視為主要的資訊來源，因此男性會花較多的時間專注於智慧型手機上，因此更加提升其學習動機。對於行動學習只要學習者認為是有用的、有興趣的事務，不論其接受度或推廣效率都會增加。因而男性的學習動機容易於習慣中提升，導致其學習成效較好。

n  結論

一、學習成效分析

整體而言，行動學習模式確實能有效提升學習成效，特別適合於主動學習性較高、對新的教學法特別感興趣的學習者，以手機作為教學引發其注意，達到誘發學習者主動學習之目的，進而提升學習成效。而且其中簡訊的即時回饋功能，更能增添學習的即時性，即時的補教教學能適時的增強學習者對知識的建構。尤其能將化學知識與日常生活習慣產生聯結，行動學習是非常適合採用的學習模式。行動學習為未來教室或終身學習勾勒出一幅美麗的願景，就整體分析可知，「行動學習模式」可以輔助現行的化學教學行為，促進學習者學習化學的知識成長，是值得推廣的方式。

二、相關變因對行動學習學習者之學習成效影響

場地獨立以及男性的學習者的學習成效在行動學習明顯優於傳統教室學習，且達顯著差異。研究發現場地獨立的學習者與男生都顯示較適合行動學習模式，可能是這些學習者的生活型態更容易被行動學習模式激發出來學習動機，進而提升學習成效。

高中論證教學設計

──以蠟燭燃燒水面上升為例

許綺婷

國立臺灣師範大學科學教育研究所
國立屏東高級工業職業學校
[email protected]

 n  學習論證的重要性

複雜系統觀點在擴散教學的應用

鐘建坪

新北市立錦和高級中學
[email protected]

n  前言

化學學科知識具備巨觀（macro-）、符號（symbolic）與中觀（meso-）三個向度（邱美虹和鐘建坪，2014; Johnstone, 1982, 2006; Mahaffy, 2006; Treagust, Chittleborough, & Mamiala, 2003）。其中巨觀指可觀察到的化學現象與相關實驗操作，符號指化學式、化學反應式以及實驗過程繪製的圖、表等，而中觀則指利用原子、分子與離子等符號解釋巨觀現象。對於不易觀察到的化學世界，科學家利用看不見的粒子解釋巨觀現象的發生原因，例如氣球的壓力來自於內部氣體粒子隨機碰撞造成的結果。此種利用中觀粒子的運作機制說明巨觀現象的改變，即屬於複雜系統（complex system）的概念層級。自然科學的領域多屬於複雜系統，因此學習科學不應該只有片段或是局部的事實記憶，而是應該提升層級從更宏觀的系統視野學習科學才能提升跨領域的整合（Wilensky & Reisman, 2006）。有鑒於此，本文嘗試先介紹複雜系統的意義，接著說明專家與生手對於複雜系統的差異觀點，最後提供化學擴散教學的相關範例作為化學教師教學上的參考。

n  複雜系統定義與介紹

複雜系統並非單純說明系統的複雜性質而是強調個體元件之間的關聯性所產生的突現結果（emergence），而系統中不同層級具備不同的行為，無法由個別單一的個體行為解釋整體系統的運作（Chi, Roscoe, Slotta, Roy & Chase, 2012; Hmelo-Silver & Azevedo, 2006; Wilensky & Resnick, 1999）。不僅自然科學中的混沌（chaos）、平衡（equilibrium）、演化（evolution）與非線性系統（nonlinear system），甚至日常生活惱人的塞車問題都屬於複雜系統的範圍（Bar-Yam, 1997）。例如：蝴蝶效應（butterfly effect）即是說明牽一髮而動全身的非線性複雜系統，當蝴蝶震動翅膀時牽涉相關因素產生變化，初始變化不易察覺，但是一旦突破臨界時即會產生巨大的結果。或者一隻喜鵲是獨立個體，而許多喜鵲組成一個群落，而不同群落之間的交互作用形成生態系，而生態系中不同物種個體之間的交互作用即為構成物種演化的動力來源。

n  專家生手對複雜系統感知差異

複雜系統通常是反直觀的，學生普遍缺乏此種概念的理解（Hmelo-Silver & Azevedo, 2006; Goldstone & Wilensky, 2008; Jacobson & Wilensky, 2006），而透過專家與生手對於複雜系統觀點的研究能夠提供後續教師提供教學策略模式的參考。相較於專家，生手對於複雜系統的想法主要受到知覺的影響而強調單一個體的個別行為忽略複雜系統是個體間交互作用突現的結果（Chi, 2005; Chi et al., 2012; Hmelo-Silver & Pfeffer, 2004），例如：學生認為平衡時化學反應即為停止的狀態而非動態過程（Stieff & Wilensky, 2003）。相關文獻結果說明如下：

一、生手容易專注在個別行為忽略系統是眾多個體突現的結果

學者Chi等人（Chi, 2005; Chi et al., 2012）認為學生容易以直接因果（direct-causal）作為系統行為的解釋依據，將不具備意圖性的個別粒子誤認為具有意圖性的行為而彼此間的交互作用才使得系統造成變化，而非全體粒子彼此之間交互作用突現的結果。

二、生手容易受到知覺的限制忽略整合整體面向

學者Hmelo-Silver和Pfeffer利用結構（structure）、行為（behavior）與功能（function）描述複雜系統以探討專家與生手對水資源系統使用表徵的情形（Hmelo-Silver & Pfeffer, 2004）。其中結構指水資源系統中的各種物件與其之間的關聯，例如：水庫、雨量與森林等；行為指水資源系統中的因果機制如何產生，例如：水庫淤積的原因是上游的森林遭到砍伐，而功能指水系統中各種物件能夠展現的特性，例如：水庫的功能能夠儲存水。結果發現生手多以結構而少以行為與功能作出機制性的解釋，然而專家能夠整合系統內物件的結構、功能與行為作出解釋（Hmelo-Silver & Pfeffer, 2004）。

n  透過複雜系統促進學生對擴散概念的理解

擴散是指在特定條件下不同粒子隨機運動進行的動態過程。粒子進行擴散時全部粒子擴散的情形無法藉由特定的單一粒子行為加以說明，而是需要理解粒子擴散的行為機制是全體粒子相互作用之後突現的結果。學生通常只專注在特定的成份或是次系統中缺乏連結不同物件之間的關聯，以至於無法順利發展出複雜系統觀點。因此教師應該提供機會讓學生藉由鷹架的輔助得以發現複雜系統的突現觀點。在此提供質性描述的複雜系統觀點作為化學擴散概念的教學介紹。

一、以個體為基礎的角色扮演

首先將班級學生區分為兩組，站在教室兩邊分別指定為染料與水分子，其中教室即為盛裝粒子的系統。接著教師說明中觀粒子具備的行為，例如：無方向性、無固定位置的隨機碰撞以及溫度增加粒子運動速率增加等性質。當教師說明完畢後讓學生練習操作體會隨機碰撞與溫度改變時的速率變化，當學生能夠化身為個別的粒子之後，接著再由教師宣布染料開始滴入水中，此時化身為粒子的學生即開始在固定的速率下進行隨機碰撞，一段時間之後請學生蹲下觀察代表不同組別學生分布的情形。接著教師再宣布提高系統的溫度，此時化身為粒子的學生需要比之前更快的速率進行隨機碰撞，接著再請學生觀察四周時體會與先前溫度較低的差異情形。教學過程中教師亦可以透過錄影撥放的方式讓學生體會個別粒子的行為無法說明化學擴散的進行而是透過整體粒子突現所形成的結果。

二、利用電腦模擬中觀粒子分布情形

目前許多課程內容透過電腦模擬方式協助學生進行粒子擴散行為的探討（Chi et al., 2012; Levy & Wilensky, 2009; Stieff, & Wilensky, 2003），例如：連結式化學課程（Connected Chemistry Curriculum）以複雜系統中的突現觀點提供分子運動的動畫模擬，讓學生藉由視覺化觀察體認個別粒子交互作用所形成的巨觀現象（Levy & Wilensky, 2009），或者同時設計模擬巨觀的擴散現象與中觀粒子的運動情形相互比較，讓學生知悉巨觀現象擴散的中觀粒子的解釋機制（Chi et al., 2012)。與角色扮演相同的是電腦模擬同樣是要讓學生體會個別粒子無法解釋全體的行為，然而不同的是，透過電腦模擬的方式可以讓學生更方便地建構出單一粒子與全體圖像的差異。

三、利用改良式文本進行分子運動情形的解構

Chi等人（Chi et al., 2012）設計改良式的擴散文本作為學生學習的教材，內容將擴散過程按時間順序解構處理。如圖1時間A所示，一開始兩端液體尚未開始混合，中間部分皆無染料與水分子。開始混合如時間B，染料與水分子在中間部分佔據比例逐漸增加，一段時間後如時間C所示，染料與水分子分布比例比時間B更高。過程中不僅可以讓學生透過文本進行閱讀，更可以運用誘發性的問題促進學生自我解釋以達到對於擴散概念的理解。

 圖1：圖示染料分子擴散情形（修改自Chi et al., 2012)

n  結語與意涵

本篇文章嘗試說明複雜系統並以擴散概念作出範例說明。粒子擴散的機制屬於複雜系統的突現行為，其中個別粒子的運作無法解釋擴散結果而是所有參與粒子共同交互作用產生的視覺或味覺效果。雖然眼睛視覺可以觀察到染料分子逐漸從高濃度往低濃度擴散，然而事實上是中觀的染料分子與水分子彼此交互作用突現出巨觀現象的結果。

對於擴散等化學概念，學生往往受到知覺的限制以個別物件或是觀察到的巨觀現象作為系統行為解釋的成因，為達到化學概念的深層理解需要提供學生中觀粒子運動的情形，讓學生能夠以中觀粒子解釋突現後的各種化學現象。而納入複雜系統的上位想法的化學教學則對於往後相關類似現象可以進行跨學科的遷移，例如物種演化為物種間交互作用與化學粒子交互作用突現形成的結果原理機制相似皆無法藉由單一個體解釋全體行為的機制。假若學生能夠知悉複雜系統的特徵與性質，則學生在未來學習相關概念時較不容易形成鬆散的知識片段而是建構出融貫的心智表徵。

n  參考資料

邱美虹、鐘建坪（2014)。模型觀點在化學教科書的角色與對化學教學之啟示。化學教學，36(1)，93–97。

Bar-Yam, Y. (1997). Dynamics of complex systems. Reading, Mass.: Addison-Wesley.

Chi, M. T. H. (2005). Common sense conceptions of emergent processes: Why some misconceptions are robust. Journal of the Learning Sciences, 14(2), 161–199.

Chi, M. T. H., Roscoe, R. D., Slotta, J. D., Roy, M., & Chase, C. C. (2012). Misconceived causal explanations for emergent processes. Cognitive Science, 36(1), 1–61.

Goldstone, R. L., & Wilensky, U. (2008). Promoting transfer by grounding complex systems principles. Journal of the Learning Sciences, 17(4), 465–516.

Hmelo-Silver, C., & Azevedo, R. (2006). Understanding complex systems: Some core challenges. Journal of the Learning Sciences, 15(1), 53–61.

Hmelo-Silver, C. E., & Pfeffer, M. G. (2004). Comparing expert and novice understanding of a complex system from the perspective of structures, behaviors, and functions. Cognitive Science, 28(1), 127–138.

Jacobson, M. J., & Wilensky, U. (2006). Complex systems in education: Scientific and educational importance and implications for the learning sciences. Journal of the Learning Sciences, 15(1), 11–34.

Johnstone, A. H. (1982). Macro and microchemistry. School Science Review, 64(277), 377–379.

Johnstone, A. H., (2006). Chemical education research in Glasgow in perspective. Chemistry Education Research and Practice, 7(2), 49–63.

Mahaffy, G. P. (2006). Moving chemistry education into 3D: A tetrahedral metaphor for understanding chemistry. Journal of Chemical Education, 83(1), 49–55.

Stieff, M., & Wilensky, U. (2003). Connected Chemistry: Incorporating interactive simulations into the chemistry classroom. Journal of Science Education and Technology, 12(3), 285–302.

Treagust, D. F., Chittleborough, G., & Mamiala, T. L. (2003). The role of the submicroscopic and symbolic representations in chemical explanations. International Journal of Science Education, 25(11), 1353–1368.

Wilensky, U., & Reisman, K. (2006). Thinking like a wolf, a sheep or a firefly: Learning biology through constructing and testing computational theories—an embodied modeling approach. Cognition and Instruction, 24(2), 171–209.

Wilensky, U., & Resnick, M. (1999). Thinking in levels: A dynamic systems approach to making sense of the world. Journal of Science Education and Technology, 8(1), 3–19.

久久酒科學

陳政修^a、傅麗玉*^b

^a國立清華大學化學系
*^b國立清華大學師資培育中心
[email protected]

n  原住民酒文化

在清朝文學家《宋琬題戴蒼畫陳階之小像和王阮亭韻》所著一文中提及：「醇酒美人堪送老，唯學信陵君」，由此可知在漢人眼裡醇酒與美人並駕齊驅。

酒在原住民文化中扮演著極為重要的角色，用來敬獻給祖靈或有靈性的萬物，也會在喜慶時餽贈給親友們當作禮物。現今台灣的原住民族，除了達悟族，各族多以小米為主食，皆有其小米文化傳統與小米酒文化。魯凱族和排灣族就地取材，使用紅藜做酒麴；排灣族的小米祭是為慶祝小米豐收，也是排灣族計算年月的開始，傳統排灣族以所經過小米祭次數計算年齡。過去原住民族的小米酒是非常珍貴的，因為小米酒的釀造非常不容易，整個過程必須非常謹慎小心，因此過去原住民族人不隨便喝酒，只有在規範的情況，例如慶典、祭典、婚禮（圖1）、祈福、狩獵歸來、換工、道歉賠罪或是有尊貴賓客的時候，才會釀酒、喝酒。根據泰雅族的gaga（社會倫理規範），喝酒前，先以手指沾酒，向土地點灑三下，請求祖靈庇佑。

圖1：喜宴上的小米酒（傅麗玉攝影）

近代大量製造的酒進入部落後，很容易拿到酒，導致有些族人不小心染上酒癮，最後健康受損，又造成來更多的問題。過去有些社會大眾有「原住民族人愛喝酒」的錯誤印象。這幾年大家在瞭解原住民族小米文化與喝小米酒的文化意義之後，已經修正許多錯誤印象。

n  小米酒的釀造

因不同原住民族群有著不同的釀酒方式，在此我們舉泰雅族為例。泰雅族人們用小米來釀造，在這個過程當中會加入一個相當重要的材料──酒麴，如圖2所示。而在加入麴後，經過一段時間的等待，小米竟變成了香醇的酒，其中究竟產生什麼化學反應？

圖2：成熟的小米和酒麴（傅麗玉攝影）

醣類俗稱碳水化合物，由於醣類於自然界中種類繁多，可以從它們的分子構造可以區分成單醣、雙醣和多醣。單醣無法分解成更小的碳水化合物，所以稱單醣是醣類中最小的分子，則雙醣則是由兩個單醣經過脫水反應而成，多醣，顧名思義就是由多個單醣（通常是指超過十個單醣分子）經過多次的脫水反應而形成。單醣常見的有生物系統中常被利用的葡萄糖、半乳糖及果醣；雙醣則是有麥芽糖、乳糖和蔗糖；多醣是聚合物的一種，因結構的複雜多變而使其種類益加繁多，常見的多醣如我們日常生活中不可或缺的澱粉、可以幫助腸胃消化的纖維素以及儲存身體多餘葡萄糖的肝醣。下面的反應式是利用麥芽糖作舉例，麥芽糖是一種雙醣，由兩個葡萄糖脫水化合而成，其反應如式[1]所示。

麴，對於多數人來說是陌生的。麴只是小米、糯米等糧食作物的外皮經過研磨後的粉末狀物，但通常會做成球狀，方便攜帶拿取。在釀造過程中，麴的催化功能是相當重要的隱藏角色，單憑肉眼我們看不見它，需要藉著顯微鏡才能觀察到這號人物──微生物。微生物包括了細菌以及真菌等，它們會附著在這些粉末狀固體上，在經過發酵後會大量有效的繁殖。而裡面的過程便是麴黴菌會分泌α-澱粉酶、β-澱粉酶、α-葡萄糖苷酶以及葡萄糖澱粉酶（γ-澱粉酶）進行水解醣類的作用。

原住民們來釀造酒的過程，我們稱之為「酒精發酵」，其過程的化學反應如式[2]所示：

煮熟的小米以及糯米為醣類經過酶的作用，可以從澱粉（多醣）水解成葡萄糖（單醣）。從麴裡面衍生出的酶，不只可以催化澱粉分解，也可以高效率使蛋白質、脂肪等低分子物質進行分解。分解成小分子的單醣之後，便會行發酵作用，將葡萄糖經由呼吸作用中的糖解作用（Embden-Meyerhof Parnas），在無氧的狀態之下反應成酒的主要成份乙醇。

n  結語

我們現今生活中的哪些事物與原住民祖先釀酒的智慧相互輝映呢？最常見是烘焙。上述的發酵反應裡會產生出二氧化碳，使麵包變的鬆軟好吃。酵母微生物在麵糰發酵，使得麵糰中裡的醣類進行酒精發酵，產生出乙醇和二氧化碳；二氧化碳在麵糰中形成空隙，氣泡慢慢受熱增加體積使麵糰膨脹起來，而麵包之所以沒有酒味是因為乙醇烘焙受熱揮發。

無論是哪一個族群，祖先的經驗累積皆有其科學根據的，許多看似平凡無奇的事物背後都藏著許多的科學知識值得探索發掘。

傅麗玉（左）和原住民阿秋媽媽在小米田裡合影

（照片由國立清華大學師資培育中心傅麗玉提供）

波以耳與近代化學的誕生

洪振方

國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
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n  煉金術

近代化學是由古代的煉金術演變而來。古時候，人們在製作陶器、冶煉金屬等生產活動中，逐漸認識了如何使物質的顏色、光澤、硬度等物理性質發生改變，同時也認識了很多物質間的變化。古埃及人的冶金技術很發達，有些工匠在製作金飾品時，會偷斤減兩，偷偷在貴重的黃金中加入便宜的黃銅，古希臘人在與古埃及人生意往來中發現了這一點，這給他們一個啟發，是否可以用某種方法將便宜的銅、鐵等金屬轉變為貴重的黃金呢？

由於人們對黃金的追求欲望，促進了煉金術的形成和發展。當時所發展出來用於煉金的方法，是將銅、錫、鉛、鐵等普通金屬混合熔煉，得到黑色合金，再加入水銀使它表面變白，再用硫磺水把合金泡過使它變黃，然後將它洗淨而成。這樣煉出的金屬，當然不是黃金，只是表面顏色相似而已。圖1為煉金術士的實驗室。

                                                                 圖 1：煉金術士的實驗室                                                                     （圖片來源：Alchemie, Wikipedia）

雖然煉金術士的實驗目的是荒唐的，理論是錯誤的，但是，在長期的活動中，也蒐集到了許多寶貴的事實，對於物質的性質，特別是幾種金屬的性質都有了較深刻的瞭解。由於這些煉金活動的需要，煉金術士除了掌握一些化學操作的方法，例如鍛燒、熔化、溶解、蒸餾、過濾、結晶等，亦製造了燒杯、加熱的坩鍋、過濾器、蒸餾瓶及熔爐等器具，對於化學的發展有一定的意義。由於煉金的過程涉及物質的轉變，煉金術士對物質也有自己的觀點，他們認為物質是由硫、汞、鹽三種元素所組成，但是它們與現代化學之硫、汞、鹽並不相同。

n  波以耳的《懷疑的化學家》

直到十七世紀之前，煉金術一直都有廣大的市場，甚至像牛頓（Isaac Newton, 1643~1727）這樣的偉大科學家也曾沉迷於其中。隨著十七世紀文藝復興運動的興起，煉金術也開始向真正的化學過渡，此時出現了一些早期的化學家，他們不再追求點石成金，而是致力於探究其中的科學道理。在這些人中，與牛頓同時期的英國貴族波以耳（Robert Boyle, 1627~1691）是最重要的一位，如圖2所示。

                                                                   圖 2：波以耳 (1627–1691)                                                                         （圖片來源：Robert Boyle, Wikipedia）

波以耳主張告別帶有神秘色彩的煉金術，以理性思考的態度來研究化學，他在1661年出版了《懷疑的化學家》（The Skeptical Chemist）一書，如圖3所示，這是化學與煉金術分道揚鑣的標誌。在其名著中，第一次明確了化學的研究對象、化學的研究方法，以及他的物質觀。化學不再只是製造貴重金屬的技藝，而是對物質現象進行探究並提出理論解釋的一門科學。

                                                              圖 3：《懷疑的化學家》封面                                                                              （圖片來源：The Sceptical Chymist, Wikipedia）

n  波以耳提出元素概念

波以耳是一位技術精湛的實驗化學家，他對物質組成的觀點與亞里斯多德的四元素論（水、火、土、氣）和煉金術士的三元素論（硫、汞、鹽）很不相同，他用實驗檢驗了四元素論和三元素論，發現他們所說的「元素」未必就是真正的元素。例如黃金等許多物質都不含這些「元素」，黃金不屬於水、火、土、氣中的任何一種，也不能從黃金中分解出「硫、汞、鹽」，而煉金術士稱之為「鹽」的「元素」，卻可以被分解得到酸和鹼。因此，波以耳質疑四元素論和三元素論都不是構成萬物的基本元素；其次，波以耳懷疑構成萬物的元素不只是四種或三種，而是許多種。波以耳把他對四元素論和三元素論的批判，和對元素概念的新認識，系統地進行了分析和說明，寫進了他的名著《懷疑的化學家》一書中。他站在微粒論的立場上，根據實驗事實，對物質組成的舊理論進行了批判。

波以耳第一次提出了科學的元素概念，他認為只有那些不能用化學方法再分解的簡單物質才是元素，此與我們現在所說的元素概念十分接近。例如，黃金可以和其他金屬熔合為合金；可以溶於王水而看不見，但是，仍可設法恢復原形，重新得到黃金。這就說明，黃金雖然經過了種種化學處理而發生了變化，然而，始終未被分解而破壞。因此，黃金是一種用化學方法不能再分解的簡單物質，即為元素。

為了解釋元素構成萬物，他運用了希臘德莫克利特（Democritus, 約西元前460~西元前370或356）和牛頓的原子論觀點，認為自然界的物質均由微粒所構成，化學元素也是一種微粒。元素的不同只是由於構成其微粒的大小、形狀和運動的不同所致。並且，由於基本微粒的結合，可以產生物質的粒子，而不同的物質是由於基本微粒的數目、位置和運動的不同所造成。這種帶有層次性的微粒觀，顯然已經具備了近代原子論和分子論的雛形。這樣，波以耳就把元素思想和原子思想聯繫起來，以微粒的觀點解釋了元素的構成及其多樣性，又以元素的思想說明了原子的存在。波以耳認為化學現象不是簡單的物質位移運動，而是物質中原子的大小、形狀、運動狀態、以及排列順序和方式都有所不同，才造成了千變萬化的化學現象。這是一種接近於近代化學結構理論的思想。

 n  波以耳重視實驗

波以耳認為，作為科學的分支，化學主要是從事自然現象的理論解釋，而不是實際應用。波以耳強調化學研究的目的是在於認識物質的本性，化學研究必須進行實驗，蒐集事實。冶金家的研究也可以給出一些科學解釋，但實驗的目的均屬於實用性的。化學不應從屬於冶金術，化學不僅在冶金方面有其應用價值，還應有其理論的指導意義。這樣，波以耳就把化學從煉金術中分離出來，使化學成為一門獨立學科，使化學在理論的深度和廣度方面都得到了快速發展，同時反過來也促進了冶金的發展。

波以耳極為重視實驗，他認為，化學家只有透過實驗才能取得成就，在未悉心觀察和實驗以前是不能建立學說的。波以耳本人也正是這樣做的，他是一位技術嫻熟的實驗化學家，這是他取得成功的一個重要因素。波以耳雖然重視實驗，但也不忽略理論。他認為實驗、觀察固然重要，但還需要用啟迪人們思想的理論去指導觀察和理解事實。沒有充分實驗根據的思想是空想，而沒有充分思想的實驗是盲目的實驗。波以耳把嚴密的科學實驗方法引進化學，並建立了科學的化學觀和元素觀，為近代化學奠立了良好的基礎。所以，後人把波以耳譽為近代化學的始祖。