化學示範起始探究與實作：
「蝶豆花漸層變色飲料」的示範和探究

 

李妙瑟^1, *、翁秀玉²、段曉林³、陳均伊¹

¹國立嘉義大學數理教育研究所
²國立嘉義大學附設實驗國民小學
³國立彰化師範大學科學教育研究所
*nonoyy123@gmail.com

n  前言

近來市面上興起「蝶豆花漸層變色飲料」，此與國小高年級「水溶液的酸鹼性」單元相關，可做為延伸教材。坊間或網站出現許多製作漸層變色飲料的教學，但大部分為食譜式教學，也就是學生跟著教師的指示調配出漂亮的漸層變色效果。本教學活動是第一作者參與段曉林教授的「全國中小科學教師探究課程設計與執行能力提升計畫」下研發出此教材，希望以科學探究教學模式來引導學生探索「蝶豆花漸層變色飲料」的調配方法。

「蝶豆花漸層變色飲料」調製成功的關鍵有二點：(一)材料放入的順序：蝶豆花水要最後再加入，如果是其他材料最後加入會引起液體的混合，無漸層變色效果。(二)冰塊要多：當蝶豆花水一開始倒入先遇到檸檬汁會變成紅紫色，再來，因蝶豆花水有冰塊阻擋減緩了衝擊力，變成緩慢的往下流，不攪亂底層的檸檬汁，使後面加入的蝶豆花水維持原來的藍色。

「蝶豆花漸層變色飲料」的教學設計分為兩階段：

（一）化學示範：教師展示坊間調配成功的「蝶豆花漸層變色飲料」，並現場示範調配出一瓶失敗的，引發學生想要調配成功的學習動機。

（二）科學探究：學生由蝶豆花飲料的材料中，討論可能影響漸層變色的因素，冰塊、果糖、蝶豆花水濃度、材料放置順序…等，再讓學生針對其中一個變因，實驗設計後進行驗證，有可能在這一輪的探究歷程中，有小組調製的對照組與實驗組都是失敗的，可以讓學生討論後再修正實驗設計，進行第二輪探究活動。

其設計理念為「酸鹼指示劑的蝶豆花水在飲料中能產生漸層變色」的概念，進行自製漸層變色飲料之探究活動，體會「酸鹼指示劑在生活中的應用」，並增加學生藝術創作的驚奇，最後再享用自製漸層變色飲料之興奮與滿足感。

本教材的學習內容是「水溶液的酸鹼性」為物質間的交互作用，在108課綱中，明確地提到主題「物質的反應、平衡與製造（J）」和次主題「酸鹼反應（Jd）」，以及第三學習階段的學習內容「INe-Ⅲ-5常用酸鹼物質的特性，水溶液的酸鹼性質及其生活上的運用。」

本教材在學習表現方面，希望培養學生問題解決中的觀察與定題（po）、計劃與執行（pe）、分析與發現（pa）、討論與傳達（pc）的能力；思考智能中的想像創造（ti）、推理論證(tr)的能力；培養科學探究的興趣（ai）、應用科學思考與探究的習慣（ah）等態度。

n  需用材料和器材

離心管（50 mL） 6支/組、長型透明罐（500 mL） 6罐/組、豐年果糖（500 g） 1罐、檸檬汁（250 mL） 1罐、圓柱冰塊（600 g） 1包、蝶豆花（50 g） 1包、蝶豆花水（蝶豆花浸泡於熱水中），如圖一所示。

圖一：「蝶豆花漸層變色飲料」所需材料

n  教師化學示範

一、  示範前準備

教師於課前事先自製一瓶成功的「蝶豆花漸層變色飲料」（視為坊間販賣的飲料），其製作流程如下：先在500 mL的長型透明罐內倒入果糖，再倒入檸檬汁，其總量不超過瓶身的1/5，搖晃均勻後，加入冰塊至瓶口，再緩緩倒入蝶豆花水於冰塊縫隙中，最後完成「蝶豆花漸層變色飲料」，如圖二左所示。

二、  教師示範

教師說明目前市面上流行新的飲品「蝶豆花漸層變色飲料」，材料有果糖、檸檬汁、冰塊與蝶豆花水，該如何做出色彩繽紛的漸層變色飲料呢？教師現場製作一瓶失敗的「蝶豆花漸層變色飲料」，使瓶內無產生漸層變色，其製作流程如下：先在500 mL的長型透明罐內倒入蝶豆花水後，再依序倒入檸檬汁、果糖與冰塊，最後完成「蝶豆花變色飲料」，如圖二右所示。

 

圖二：成功的（左），失敗的（右）配製的「蝶豆花漸層變色飲料」

n  學生科學探究

一、  引起動機

教師將課前準備的「蝶豆花漸層變色飲料」與故意錯誤示範的飲料，讓學生做兩者的比較，如圖三所示。學生進一步思考蝶豆花飲料漸層多色的原因，了解「蝶豆花水原來顏色是藍色，遇酸偏紅紫色，遇鹼偏綠色，分別在酸性、中性、鹼性會有三種顏色的變化，是一種酸鹼指示劑。」透過蝶豆花水的酸鹼變色，製造出漸層多色的飲料。

圖三：失敗的（左）與成功的（右）的「蝶豆花漸層變色飲料」

二、  探討影響漸層變色飲料的因素

學生以小組合作方式，利用便利貼討論哪些因素可能會影響漸層變色，並進行分類。完成後請學生上台發表，發表後教師引導台下同學提出質疑，如：寫「冰塊」指的是有無碎冰塊或碎冰塊量？最後教師統整與回饋「影響漸層變色的因素」，如冰塊、糖量、檸檬汁濃度、蝶豆花濃度、瓶身高度、倒入方式與加入順序等，如圖四所示。

圖四：各組學生提出後全班歸類，教師統整可能影響「蝶豆花漸層變色飲料」的因素

三、  實驗設計

本教材以50 mL的離心管取代長型透明罐，除了可少量化，離心管上有刻度也能讓學生明確看到數據。教師先請各組學生選定一種影響「蝶豆花漸層變色飲料」的因素作為操縱變因，並提出實驗假設，然後引導學生提出各變因（操縱變因、應變變因與控制變因）的實驗設計，強調控制變因的條件要控制一致，最後請學生在海報上畫下或寫下欲進行的實驗步驟與實驗表格。

四、  操作實驗

在小組準備實驗器材後，依各組的實驗設計來進行實驗，若實驗組與對照組的結果都未產生漸層變色，則修正實驗設計，再進行第二輪實驗，並將漸層變色的結果做紀錄。實驗時，教師巡視各組，適時提出問題引導學生思考，在操作時的控制變因要一致的細節。

五、  分析結果與成果發表

請各組學生依據實驗結果提出結論，並判斷假設是否成立。上台發表時，教師引導台下同學提問、給予建議或看法，製造互動討論的情境。各組發表完畢，學生發現「飲料漸層變色效果受到冰塊數量（量多）、加入順序（蝶豆花水最後）、糖的濃度（濃）、蝶豆花水的濃度（適中）的影響」。最後師生共同統整整個探究活動的結論，蝶豆花水底層會變色是因為遇到酸性的檸檬汁，由下而上的漸層變色，則與冰塊減緩蝶豆花水往下的衝擊力、檸檬汁與果糖的密度有關。

各組依操縱變因的不同，其實驗設計與結果舉例如下：

(一)      冰塊數量組

假設冰塊數量越多，漸層變色越明顯。實驗分為a組‒無冰塊，b組‒半瓶冰塊，c組‒加滿冰塊。結果顯示沒有加入冰塊（a組）則不易成功產生漸層變色，而且冰塊的量要夠多（c組），才會減緩水倒入時往下衝擊力，避免整瓶水都混合變同一種顏色，如圖五所示。

圖五：冰塊數量組的實驗設計（上）；實驗結果：c組‒加滿冰塊最容易成功（下）

(二)      加入順序組

假設蝶豆花水、冰塊與檸檬汁三種材料加入的順序，會影響漸層變色。實驗分為A、B、C、D、E與F共六組，結果顯示先倒入蝶豆花水於底層，再依序加冰塊或檸檬汁，則會混合同一顏色不易成功，因此最佳的加入順序由下而上為檸檬汁、冰塊與蝶豆花水（F組），如圖六所示。

依據實驗結果，學生認為冰塊加入的位置，如果沒有達到阻擋水流的功用，例如最後在最上層才加冰塊，也會容易混色不易成功，學生觀察到蝶豆花水與檸檬汁直接產生變色，無漸層現象。而檸檬汁在上方時會一直往下流，有學生提出密度的概念，說明整瓶混色的情況。

圖六：加入順序組的實驗設計（上）；實驗結果：最佳的加入順序為F組（下）

(三)      糖的濃度組

假設糖的濃度愈高，愈容易產生漸層。實驗分為甲組‒全糖；乙組‒半糖；丙組‒無糖，結果顯示沒有加糖，不易成功產生漸層變色（丙組），而且全糖的漸層變色最明顯（甲組），如圖七所示。

圖七：糖的濃度組的實驗設計（上）；實驗結果：甲組‒全糖的漸層變色最明顯（下）

(四)      蝶豆花水的濃度組

假設蝶豆花水的濃度愈高，愈容易產生漸層。實驗分為甲組‒濃度高，乙組‒濃度低。結果顯示蝶豆花水的濃度愈低，漸層效果愈好（乙組），如圖八所示。

圖八：蝶豆花水濃度組的實驗設計（上）；

實驗結果：乙組‒蝶豆花水的濃度愈低，漸層效果愈好（下）

六、  調配長型透明罐的「蝶豆花漸層變色飲料」

使用離心管進行少量化的「蝶豆花漸層變色飲料」科學探究後，學生了解其科學原理，知道漸層變色飲料的調製原則，各組以500 mL的長型透明罐取代離心管來製作漸層變色飲料。在各組完成製作飲料後，讓學生進行評選、欣賞與享用自製繽紛的「蝶豆花漸層變色飲料」，如圖九所示。

   

圖九：學生調配長型透明罐的「蝶豆花漸層變色飲料」

n  結語

「蝶豆花漸層變色飲料」的課程設計係以教師化學示範起始學生科學探究，內容貼近學生的生活經驗，引發學生的學習動機，讓學生經歷的探究流程：「發現問題 → 提出假設及各變因 → 設計實驗步驟及表格 → 操作實驗 → 分析結果 → 成果發表」。在探究的期間，學生各組極可能在第一輪都沒有成功調配出漸層變色效果，這失敗是引發學生修正實驗的契機，再進行第二輪實驗，最後發表成果。讓學生歷程失敗進而找到成功調配「蝶豆花漸層變色飲料」的配方和過程，培養學生解決問題的能力，這課程結合藝術相關領域，讓學生的學習更有趣且更寬廣。

n  後記與致謝

本文改編自作者參加教育部國民及學前教育署委託國立彰化師範大學科學教育研究所辦理「全國國中小科學教師探究課程設計與執行能力提升計畫」，舉辦「106年探究教學教案競賽」的獲獎作品，該作品名稱：「酸鹼變！變！變！」感謝教育部國教署的授權同意該教案作品改編成本文。「酸鹼變！變！變！」的教案作品，請見「參考資料」一節內的超連結。

n  參考資料

翁秀玉、李妙瑟、陳威廷、蘇翰庭、李靜嫺（2018）：酸鹼變！變！變！。探究教學競賽網。線上檢索日期：2020年9月1日。取自：https://reurl.cc/k0QdKL。

教育部（2018）。十二年國民基本教育課程綱要：自然科學領域。臺北：教育部。取自：https://bit.ly/2WPsz6I。

化學示範起始探究與實作：
快速製造肥皂的教師示範和學生實作

 

賴愉方¹、施麗姍¹、楊凌宜²、楊水平^1,*

¹國立彰化師範大學化學系

²臺南市立歸仁國民中學
*yangsp@cc.ncue.edu.tw

n  前言

根據十二年國教自然科學領域課程綱要，在國中學習階段提到主題「物質的反應、平衡及製造（J）」之次主題「有機化合物的性質、製備及反應（Jf）」，其學習內容明確地列出「Jf-IV-3酯化與皂化反應」，且在學習內容說明提到「3-1 以示範實驗或實作方式進行酯化與皂化反應。並實際體驗酯類的特殊氣味及肥皂的清潔能力。」。此外，在國中學習階段提到該主題的次主題「化學反應速率與平衡（Je）」，其學習內容明確地列出「Je-IV-1實驗認識化學反應速率及影響反應速率的因素，例如：本性、溫度、濃度、接觸面積及催化劑。」本文作者設計一套不同於九年一貫課程綱要在國中理化課本裡的熱製法製造肥皂，而改為冷製法使用寶特瓶快速地製造肥皂，此設計不僅能夠從實驗中學習到皂化反應及其反應式，也能學到影響反應速率的因素，尤其是影響異相溶液反應速率的因素。

九年一貫課程綱要國中理化教科書編輯使用熱製法來製造肥皂，此方法使用酒精且需要加熱，不但消耗藥品而且浪費能源，危險性高且無法達到環境保護的需求。本實驗設計皂化反應的構想：使用冷製法來製造肥皂，使用的藥品只有氫氧化鈉和油酯，不需要添加酒精也不需要加熱。再者，依據不同的油酯具有不同的皂化值，學生在網際網路上可以找到皂化價計算器，藉由計算器來查知使用油脂、氫氧化鈉和水的重量。透過計算器的皂化值，有利於學生學習肥皂的相關科學概念和原理。

n  化學示範實驗

一、  觀看示範實驗影片

影片網址：快速製造肥皂，https://youtu.be/fqERZgcgcVg。

二、  示範藥品與器材

橄欖油 200克、大豆沙拉油 200.克、氫氧化鈉 26克、蒸餾水 58.2毫升、玻璃杯或燒杯（100毫升） 3個、冰塊 若干（或可無）、玻棒 1支、溫度計（100℃） 1支、寶特瓶（600毫升） 2個、食用色素 1盒（或可無）、香精 若干瓶（或可無）、模具 1個（廢棄的塑膠盒亦可）、保鮮膜 1卷、實驗衣 1件、手套 1副、護目鏡 1副，如圖一所示。

圖一：教師示範所需器材和藥品

三、  事前準備

(一)   查詢皂化值和配方

本示範實驗是利用橄欖油來製造肥皂，根據網際網路的製造肥皂計算器得知（見下面的超連結），橄欖油的皂化值（皂化價）為0.134 g NaOH / Olive oil g。

l   手工皂配方計算表 Helen’s Aromatherapy Lye calculator，https://bit.ly/36GdvgR。

l   Lye Calculator and Fragrance Calculator, https://bit.ly/2UzJvxb.

為了製造的肥皂有潤滑的質感，作者設定本次製造肥皂的超脂（superfatting）或減鹼（lye discount）為5%。由上面第一個計算器查知，若使用橄欖油重量為200.克時，且預設減鹼為5%，則氫氧化鈉用量為25.5克，所需水量（2.4倍）為61.2克（此網站誤植為64.3克）。由上面第二個計算器（示範影片用此計算器）查知，若使用純的橄欖油重量為200.克時，且預設超脂為5%，則氫氧化鈉用量為26.03克，所需水量為58.21克。另類地，以手動計算：使用橄欖油製造肥皂需用氫氧化鈉用量 = 200.克 × 0.134 × 95% = 25.5克。

(二)   準備油脂和配製溶液

教師事前準備示範的油脂（橄欖油）和配製氫氧化鈉溶液。〘配製溶液時，務必戴護目鏡和乳膠手套，穿實驗衣。〙

1.  使用燒杯或玻璃杯，稱取200克的油脂（橄欖油）。

2.  使用燒杯或玻璃杯，稱取26.0克的固體氫氧化鈉。

3.  使用燒杯或玻璃杯，稱取58.2克的蒸餾水。

4.  配製氫氧化鈉溶液：慢慢地倒入固體氫氧化鈉到裝有蒸餾水的燒杯中，小心地攪拌均勻，如圖二左所示。

5.  測量橄欖油與氫氧化鈉溶液的溫度，如圖二中所示。

6.  放置裝有氫氧化鈉溶液的燒杯在冰水塑膠盆中，促使溫度快速降低，如圖二右所示。當氫氧化鈉溶液與油脂的溫度相差小於5℃時，即可進行混合。〘若不急於製造肥皂，則以水浴降溫即可，不必準備冰塊。〙

  

圖二：配製氫氧化鈉溶液（左）；剛剛配製氫氧化鈉溶液的溫度在76-78℃之間（中左，透明液體），橄欖油的溫度為室溫（中右，黃色液體）；放置氫氧化鈉溶液在冰浴中冷卻（右）

四、  正式示範

(一)      使用橄欖油和大豆沙拉油製造肥皂

1.  教師攜帶示範用的油脂（橄欖油）和氫氧化鈉溶液、以及需用藥品和器材到教室，放置在示範桌上，如圖三所示。

圖三：模具、寶特瓶、油脂、固體氫氧化鈉、已稱重的油脂及已配製的氫氧化鈉溶液

2.  首先，倒入已稱重（200克）的油脂（橄欖油）到一個寶特瓶中，如圖四左所示。

3.  然後，倒入已配製氫氧化鈉溶液到寶特瓶中，如圖四右所示。此時油脂在上層，氫氧化鈉溶液在下層。

 

圖四：先倒入橄欖油，再倒入氫氧化鈉溶液到寶特瓶中

4.  蓋緊瓶蓋，以上下左右搖晃寶特瓶的方式，促使瓶內的溶液均勻混合，如圖五左所示。當溶液變成均勻的乳黃色且沒有分層濃稠狀的肥皂時，即可停止搖晃（一般而言，需時約2分鐘，時間依搖晃的頻率和大小而有差異）。

5.  倒入寶特瓶內的液體至模具中，如圖五右所示。使用迷你咖啡豆巧克力模具，可製造小塊的肥皂。

 

圖五：搖晃寶特瓶內的混合溶液（左）；倒入濃稠狀肥皂到模具中（右）

6.  在模具中的肥皂半成品，如圖六右所示。

7.  一般而言，肥皂於倒入模具中七日後即可進行脫模，取得肥皂成品，如圖六左所示。大塊的肥皂適合在家中使用，小顆的肥皂可以裝在塑膠盒中隨身攜帶外出使用。

 

圖六：用橄欖油製得的肥皂半成品（左）和肥皂成品（右）

n  學生實作—製造肥皂

一、  實驗用藥品和器材

每組製造肥皂用量：橄欖油100.克、大豆沙拉油 100.克、氫氧化鈉 31.3克、蒸餾水 75.3毫升、燒杯或塑膠杯（250毫升） 3個、冰塊 若干（或可無）、玻棒 1支、溫度計（100℃） 2支、寶特瓶（約300毫升） 2個、食用色素 1盒4色（或可無）、香精 若干瓶（或可無）、模具 2個（廢棄的塑膠盒亦可）、保鮮膜 1卷、實驗衣 1件、手套 1副、護目鏡 1副，如圖七所示。

圖七：學生分組實作需用的藥品與器材

二、  查詢皂化值和氫氧化鈉用量

在學生實作方面，利用橄欖油和大豆沙拉油製造肥皂，根據網際網路的製造肥皂計算器得知（提供兩超連結如前面「查詢皂化值和配方」所示），橄欖油的皂化值（皂化價）為0.134 g NaOH / Olive oil g，而大豆沙拉油的皂化值為0.135 g NaOH / g大豆油。

為了製造的肥皂有潤滑的質感，油脂的用量設定超脂或減鹼為5%。由上面第一個計算器查知，若使用橄欖油重量為100.克，並設定減鹼為5%，則氫氧化鈉用量為12.7克，所需水量（以2.4倍計）為30.6克（此網站誤植為32.2克）。若使用大豆油重量為100.克，並設定減鹼為5%，則氫氧化鈉用量為12.8克，所需水量（以2.4倍計）為30.8克（此網站誤植為32.4克）。由上面第二個計算器查知，若使用純的橄欖油重量為100.克時，且預設超脂為5%，則氫氧化鈉用量為13.02克，所需水量為29.10克，氫氧化鈉溶液為42.12克。若使用大豆油重量為100.克時，且預設超脂為5%，則氫氧化鈉用量為13.02克，所需水量為29.10克，氫氧化鈉溶液為42.12克。另類地，以人工手動計算：(1)使用橄欖油製造肥皂：需用氫氧化鈉用量 = 100.克 × 0.134 × 95% = 12.7克；(2)使用大豆油製造肥皂：需用氫氧化鈉用量 = 100.克 × 0.135 × 95% = 12.8克。

經作者實際測定皂化值，大豆沙拉油的皂化值為275.3 mg KOH/g油，亦即275.3 mg × (40.00 g/mol / 56.11g/mol) NaOH/g油 = 275.3mg × (1/1.403)NaOH/g油 = 275.3 mg × (0.7129) NaOH/g = 196.3 mg NaOH/g油 = 0.1963 g NaOH/g油（莫耳質量：NaOH = 39.997 g/mol；KOH = 56.106 g/mol）。實驗測得的皂化值（0.1963 g NaOH / g大豆沙拉油）與計算器查知的的皂化值（0.135 g NaOH / 大豆油）兩者差異很大。

本實驗依照大豆沙拉油的皂化值為0.1963 g NaOH/g油來製造肥皂，100.克大豆沙拉油皂化需用氫氧化鈉重量 = 100.克 × 0.196 × 95% = 18.6克。

三、  準備油脂和配製溶液

事前準備油脂（橄欖油和大豆沙拉油）並配製氫氧化鈉溶液。〘注意：氫氧化鈉易腐蝕皮膚和眼睛，配製時務必戴護目鏡和乳膠手套，穿實驗衣。〙

1.  使用燒杯（或塑膠杯），稱取油脂（100.克的橄欖油；100.克的大豆沙拉油）。

2.  使用燒杯（或玻璃杯），稱取固體的氫氧化鈉（12.7克用於橄欖油；18.6克用於大豆沙拉油）。

3.  使用燒杯（或玻璃杯），稱取蒸餾水（30.6克用於橄欖油；44.7克用於大豆沙拉油）。

4.  配製氫氧化鈉溶液：慢慢地倒入固體氫氧化鈉到裝有蒸餾水的燒杯中，並且小心地用玻璃棒攪拌均勻，如圖八所示。

 

圖八：配製氫氧化鈉水溶液，用於橄欖油（左）和大豆沙拉油（右）的皂化。

5.  測量油脂與氫氧化鈉溶液的溫度，如圖九所示。

  

圖九：剛剛配製氫氧化鈉溶液的溫度在75-80℃之間（分別在兩圖左側的透明溶液），

而橄欖油和大豆沙拉油的溫度為室溫（分別在兩圖右側的黃色溶液）

6.  放置裝有氫氧化鈉溶液的燒杯在冰水或室溫水的塑膠盆中，促使快速降低溫度。當氫氧化鈉溶液與油脂的溫度相差小於5℃時，即可混合，如圖十所示。

〘若不急於製造肥皂，則靜置自然降溫即可，不必準備冰浴或水浴。〙

 

圖十：放置氫氧化鈉溶液在冰浴（左）或水浴（右）中快速冷卻

四、  使用油脂製造肥皂

1.  首先，倒入已稱重的油脂（100.克的橄欖油或100.克的大豆沙拉油）在一個小寶特瓶中，如圖十一所示。

 

圖十一：首先倒入橄欖油（左）或大豆沙拉油（右）在小寶特瓶中。

2.  然後，倒入已配製氫氧化鈉溶液到此寶特瓶中，如圖十二所示。

〘此時油脂在上層，氫氧化鈉溶液在下層，有明顯的分界。〙

 

圖十二：倒入氫氧化鈉溶液到裝有橄欖油（左）或大豆沙拉油（右）的寶特瓶中

3.  再來，先上下搖晃而後左右搖晃寶特瓶。每次搖晃約半分鐘後，仔細地觀察瓶內肥皂流體的稠度和小氣泡下降的流速。當皂化接近結束時，混合物呈現像優酪乳黏稠狀的流體且有小氣泡沿著寶特瓶內壁會緩慢下降，如圖十三所示。
〘一般而言，需時約2分鐘，時間依搖晃的頻率和大小而有差異。〙

 

圖十三：當皂化接近結束時，呈現黏稠狀的流體。

4.  當皂化接近結束時，加入4-5滴的食用色素或/和2-3滴的香精，如圖十四所示。
〘若想要製得天然的肥皂，則可不加入食用色素和香精。〙
〘注意：若過早加入食用色素或香精，因氫氧化鈉濃度過高而使得食用色素的顏色和香精的香氣發生變化。〙

 

圖十四：視自己的需要，加入食用色素（左）和香精（右）。

5.  蓋緊瓶蓋，先上下而後左右搖晃寶特瓶，促使瓶內的溶液混合均勻，如圖十五所示。當瓶內的溶液變成像洗潔精的濃稠狀流體時且有小氣泡向下流速非常緩慢時，立即停止搖晃。

  

圖十五：當溶液變成像洗潔精的濃稠狀流體時，停止搖晃。

6.  倒入寶特瓶內濃稠狀的流體至模具中，如圖十六左和中所示。使用迷你咖啡豆巧克力模具，以便製造小塊的肥皂，如圖十六右所示。

  

圖十六：倒入濃稠狀流體到模具中，橄欖油（左）和大豆沙拉油（中）製得有造型的大塊肥皂；大豆沙拉油（右）製得的小顆肥皂。

五、  分組實作的肥皂成品

一般而言，肥皂於倒入模具約七日後即可進行脫模，如圖十七所示。大塊的肥皂適合在家中使用，小顆的肥皂可以裝在塑膠盒中隨身攜帶，在外出時使用。

 

圖十七：使用橄欖油（左）和大豆沙拉油（右）製得的肥皂成品。

圖十八左和中為展示有美觀的成品，以下肥皂皆用橄欖油製造。此外，大塊肥皂可切成小塊肥皂，放在小塑膠盒中，易於隨身攜帶外出使用，如圖十八右所示。

  

圖十八：藍紫色（左）和粉紅色（中）；切成小塊的肥皂（右）

n  學生實作二—檢驗肥皂

一、  檢驗用藥品和器材

每組檢驗肥皂需用藥品和器材及其用量：石蕊試紙（酸式和鹼式） 各4張（或pH試紙 4張）、試管 1支、玻棒 1支、油脂（橄欖油或大豆沙拉油） 20毫升、氯化鈣 少量、蒸餾水 100毫升、自來水 50毫升、飲用水 50毫升、燒杯或透明塑膠杯（100-150毫升），如圖二所示。

二、  檢驗肥皂的性質

(一) 酸鹼度測試

分別放置蒸餾水（2滴）、自來水（2滴）、剛剛製造的肥皂（2滴）、皂化三個月的肥皂（少量，滴加少許的水）及合成清潔劑（洗潔精，2滴）在一張黑色的塑膠板上，然後用石蕊試紙或pH試紙接觸這些待測物。觀察石蕊試紙或pH試紙的變色並比對其對應的pH值，如圖十九所示。

 

圖十九：pH試紙未接觸到（由左而右）蒸餾水、自來水、剛剛製造的肥皂、皂化三個月後肥皂及合成清潔劑（左）；pH試紙接觸到待測物（右）

檢驗結果：蒸餾水、自來水、剛剛製造的肥皂、皂化三個月後肥皂及合成清潔劑的pH值分別為6（淡綠色）、7（綠色）、>10（紫紅）、9（深綠色）、7（綠色），亦即分別為弱酸、中性、強鹼、弱鹼、中性。

(二) 油水分離測試

在一支試管中，裝入水與油脂，使其呈現分離狀態，如圖二十左所示。然後加入製造的肥皂並加以搖晃，觀察油水之間沒有界面，如圖二十右所示。

 

圖二十：油水分離（左）；油水之間無界面（右）

檢驗結果：未加入製造的肥皂到水和油脂中無明顯的界面，加入製造的肥皂到水和油脂中有明顯的界面。

(三) 硬水和軟水測試

準備四個燒杯，分別裝入硬水（加少許的氯化鈣至自來水中）、自來水、飲用水及蒸餾水，然後加入剛剛製造的肥皂，用玻棒攪拌，觀察變化現象，如圖二十一所示。 

圖二十一：硬水、自來水、飲用水、蒸餾水（由左至右）的硬度檢驗

檢驗結果：硬水產生沉澱最多，自來水與飲用水相差不多，蒸餾水則無沉澱。

n  安全注意事項

l  在進行實驗時，務必戴上乳膠手套和護目鏡並穿上實驗衣，避免化學物質接觸到皮膚及眼睛。

l  氫氧化鈉具有腐蝕性，高濃度溶液可能會導致皮膚和眼睛灼傷。

n  原理與概念

一、  皂化反應

植物和動物的油脂是皂化的傳統材料，這些油膩的三酯物質，稱為三酸甘油酯（triglycerides），是衍生自多種脂肪酸的混合物，圖二十二是常見的三酸甘油酯之一—硬脂酸酯。

圖二十二：硬脂酸酯的結構式

（圖片來源：Saponification, https://en.wikipedia.org/wiki/Saponification）

在傳統的方法中，三酸甘油酯使用強鹼（例如：氫氧化鈉溶液）製造肥皂，鹼性溶液會裂解酯鍵（ester bond），釋放出脂肪酸鹽（即肥皂）和甘油，如反應式[1]所示。此方法也是生產甘油的主要工業方法。在某些肥皂製造中，甘油留在肥皂中；但是如有必要，可透過添加食鹽（氯化鈉），以鹽析法來沉澱肥皂並取得甘油。

[1]    （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/File:SaponificationGeneral.svg）

二、  皂化值

在指定條件下，皂化值（Saponification value，又稱皂化價）表示1克脂肪皂化所需的氫氧化鉀毫克數（或克數）。此數值是特定油脂中所有脂肪酸的平均分子量（或鏈長）的量度。皂化值可用於比較平均脂肪酸的鏈長。在脂肪中具有長鏈脂肪酸的皂化值較短鏈者為低，因為與短鏈脂肪酸相比，每單位質量的脂肪中羧酸官能基的數量相對較少。若需要更多莫耳數的鹼來皂化相同質量的油或脂肪，則表示存在更多莫耳數的油或脂肪，且脂肪酸的鏈長相對較小，這取決於關係式[2]：

油脂莫耳數 = 油脂質量/油脂平均分子量    [2]

手工肥皂製造者利用各種油脂的皂化值來確定使用NaOH（氫氧化鈉）所需的用量。目前，有一些線上計算器表列各種油脂的NaOH（氫氧化鈉）和KOH（氫氧化鉀）皂化值。NaOH的皂化值可透過KOH的皂化值轉換而得到，亦即用KOH的皂化值除以KOH和NaOH的式量之比（56.11 g/mol / 40.00 g/mol = 1.403）而得到。使用NaOH可製成固體肥皂（鈉皂，一種硬肥皂），使用KOH可製成糊狀、凝膠狀或液體肥皂（鉀皂，一種軟肥皂）。

由於不同的油酯具有不同的皂化價，因此在實驗前需要透過的皂化值來計算氫氧化鈉或氫氧化鉀的用量。目前有很多線上計算器，只要輸入指定油脂的種類及其用量，即可輸出鹼量和水量。這些計算器不僅可以改變油脂與重量，而且可以設定超酯或減鹼的百分比，超酯或減鹼的大小代表製得肥皂的潤滑程度。

三、  肥皂性質檢驗

剛剛製造的肥皂，由於皂化不完全而有殘留氫氧化鈉，因此這類肥皂測得的pH值較高，鹼性較強；而製造多日的肥皂，由於皂化幾乎完全而沒有殘留氫氧化鈉，因此這類肥皂測得的pH值相對較低，鹼性較弱。

肥皂浮渣（Soap scum）是由於硬水中的鈣和鎂離子加到肥皂而產生的白色固體。在反應式[3]中，肥皂中的鈉陽離子被鈣取代形成硬脂酸鈣。

2C₁₇H₃₅COONa(aq)+ Ca²⁺(aq) → (C₁₇H₃₅COO)₂Ca(s) + 2Na⁺ (aq)    [3]

目前最常用的合成清潔劑為長鏈烷基苯磺酸鈉鹽，例如：十二烷基苯磺酸鈉。合成清潔劑為強酸強鹼鈉鹽，水溶液呈中性。

四、  皂化反應速率

影響反應速率的因素有反應物的性質、濃度、壓力、反應順序、溫度、溶劑、電磁輻射、催化劑、同位素、表面積、攪拌和擴散極限。反應物種的數量、它們的物理狀態（形成固體的顆粒的運動比氣體或溶液中的顆粒的運動慢得多）、反應的複雜性和其他因素會極大地影響反應的速度。攪拌對異質溶液的反應速率有很大影響，攪拌使反應物顆粒保持運動，增加碰撞的機會因而提高反應速度。本實驗用上下左右搖盪的方式促使皂化的反應速率加速。

n  附記—肥皂破壞病毒的活性

正值新冠肺炎（嚴重特殊傳染性肺炎，COVID-19）疫情嚴峻之際，戴口罩、勤洗手及避免到人群聚集之處等作法是避免感染新型冠狀病毒的良策。病毒本身是無生命的有機體，只有在生命體中才會進行複製並增生。病毒是由DNA（去氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）基因為核心和蛋白質為外殼所組成的，有些病毒的外層還有脂質構成的包膜，例如：新型冠狀病毒，主要結構由RNA、蛋白質、最外層由脂雙層包膜（Lipid Bilayer Envelope）所構成。因此，用肥皂洗手能夠破壞病毒的最外層的包膜，降低病毒的活性，而達到消滅病毒的效果。澳洲新南威爾士大學化學教授Palli Thordarson稱：肥皂比酒精能更有效地殺死冠狀冠狀病毒，濕洗手比乾洗手更有效果對付新型冠狀病毒。關於用肥皂洗手可破壞病毒的活性，請參閱「參考資料」第5和6文章的圖示說明以易於理解。

n  結語

由實驗結果觀之，利用冷製法以人工搖動方式可以快速製造肥皂，此實驗的作法可以作為學生學習符合新課綱的學習內容—皂化反應和反應速率—之用，透過減鹼和超脂的設定也可以學到化學計量的限量試劑和過量試劑之概念，並且親自體驗製造肥皂的樂趣。此外，用色素染製使肥皂更加美觀並用模具製造各式各樣的造型，學生學到藝術與化學的結合。使用較小的模具或切割成小塊肥皂，便於隨身攜帶，易於在戶外使用，有效果對付新型冠狀病毒。另外，作者設計的學習單可作為國中理化實驗教學的參考。

n  學生實驗手冊

下載學習單—「以冷製法快速製造肥皂」

n  參考資料

1.  十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域，國家教育研究院，107年。取自：https://bit.ly/2WPsz6I。

2.  手工皂製作，https://bit.ly/3lwwW1O。

3.  手工皂配方計算表 Helen’s Aromatherapy Lye calculator，https://bit.ly/36GdvgR

4.  病毒，https://zh.wikipedia.org/wiki/病毒。

5.  為什麼用肥皂洗手能抗病毒？https://bit.ly/3lwxhl6。

6.  化學教授：殺滅冠狀病毒，肥皂比酒精更有效，https://bit.ly/38NNu1B。

7.  Lye Calculator and Fragrance Calculator, https://bit.ly/3pFHYUW.

8.  A History of Violence—How Soap Attacks a Coronavirus, https://bit.ly/3kyShGz.

9.  Why does soap work so well on SARS-CoV-2? https://bit.ly/3nwsLDP.

10. Soap scum, https://en.wikipedia.org/wiki/Soap_scum.

11. Reaction rate, https://en.wikipedia.org/wiki/Reaction_rate.

化學示範起始探究與實作：
流血電影特效與勒沙特列原理

 

陳芷誼¹、蔡欣展²、楊水平^1,*

¹國立彰化師範大學化學系
²彰化縣立鹿江國際中小學
*yangsp@cc.ncue.edu.tw

• 前言

本示範實驗主題為「流血電影特效與勒沙特列原理」，關於化學平衡和勒沙特列原理的學習內容，在12年國教課綱中編列於自然科學領域綱要的國民中學學習階段之主題「物質的結構與功能（C）」之次主題「物質的分離與鑑定（Ca）」，其學習內容有「Je-Ⅳ-2 可逆反應」；以及主題「物質的反應、平衡及製造」之次主題「化學反應速率與平衡」，其學習內容有「Je-Ⅳ-3 化學平衡及溫度、濃度如何影響化學平衡的因素」。在新課綱中，關於勒沙特列原理，編列於普通型高級中等學校化學加深加廣選修課程的主題「物質的反應、平衡及製造（J）」之次主題「化學反應速率與平衡（Je）」，其學習內容有「CJe-Va-6 勒沙特列原理」。

本示範實驗的設計是融入常見於電影和電視的流血特效在課堂上，教師創造歧異事件（discrepant event），使學生的直覺經驗發生衝突，以引起學生學習的動機，進而增強他們對化學平衡和勒沙特列原理的內容知識感到興趣，並以師生互動討論的方式進行示範教學。本示範實驗和學生實作都是藉由硫氰酸鉀與氯化鐵反應，形成紅棕色的硫氰酸鐵離子作為探討化學平衡移動和勒沙特列原理的關鍵物質。在化學示範方面有：錯合物的形成以及添加物對化學平衡的影響，在學生實作方面有：濃度、溫度和添加物對化學平衡的影響。其中，溫度和部分添加物對硫氰酸鐵離子化學平衡的移動為作者所構思並試作結果效果明顯。

•  教師化學示範

一、  觀賞示範影片

影片網址：流血電影特效與勒沙特列原理，https://youtu.be/wwEjSJbRRqw。

二、  藥品和器材

示範實驗需用：硫氰酸鉀（Potassium thiocyanate）1瓶、碳酸鈉（Sodium carbonate）1瓶、氯化鐵（Iron(III) chloride）1瓶、棉花棒1隻、塑膠刀1隻、燒杯若干、如圖一所示。

圖一：示範實驗用藥品與器材。

解說實驗需用：硫氰酸鉀（Potassium thiocyanate）1瓶、碳酸鈉（Sodium carbonate）1瓶、氯化鐵（Iron(III) chloride）1瓶、氯化鈉（Sodium Chloride）1瓶、燒杯（500mL）2個、燒杯（100 mL）6個、錐形瓶（125 mL或250 mL）5個、玻棒1支、滴管5支，如圖二所示。

圖二：解說實驗需用藥品與器材

三、  事前準備

1.    配製硫氰酸鉀溶液：取一小匙的藥品，溶解在500 mL的水中。

2.    配製飽和碳酸鈉溶液：取一小匙的藥品，溶解在100 mL的水中，有沈澱出現。

3.    配製氯化鐵溶液：取一小匙的藥品，溶解在100 mL的水中。

4.    配製硫氰酸鐵離子溶液：取300 mL鐵氰酸鉀溶液，逐滴地滴入氯化鐵溶液直到呈現橘色為止。

四、  現場示範：錯合物的形成及添加物對化學平衡的影響

(一) 創造歧異事件

1.   攜帶事前配製好的硫氰酸鉀溶液、氯化鐵溶液、飽和碳酸鈉水溶液、塑膠刀、棉花棒、至教室。

2.   在示範前，教師先在手掌上偷偷地塗抹硫氰酸鉀溶液，並且悄悄地塑膠刀沾取氯化鐵溶液。

3.   在示範時，教師向學生說等一下要使用塑膠刀切下手掌，如圖三所示，請學生預測會發生什麼變化。

圖片三：以塑膠刀從手掌切下。

4.   教師使用塑膠刀向手掌切下，請學生觀察變化現象。

5.   教師向學生說等一下要使用棉花棒塗抹暗紅色「傷口」，如圖四所示，請學生預測會發生什麼變化。

圖片四：使用棉花棒塗抹暗紅色「傷口」。

6.   教師使用事先已沾取碳酸鈉溶液的棉花棒，塗抹暗紅色「傷口」，請學生觀察變化現象。

7.   教師示範後，立即用水洗乾淨手掌。

(二) 揭開歧異事件使用的藥品

1.   教師拿出配製好的藥品，告知學生塗抹在手掌上的藥品是硫氰酸鉀溶液、塑膠刀沾染的藥品是氯化鐵溶液，棉花棒沾取的藥品是飽和碳酸鈉溶液，如圖五所示。

圖五：手掌塗抹硫氰酸鉀溶液（左）；塑膠刀沾染氯化鐵溶液（中）；棉花棒沾取飽和碳酸鈉溶液（右）。

2.   教師重複進行剛才示範歧異事件的過程，如圖六所示。

  

圖六：重複示範歧異事件的過程

3.   教師示範後，立即用水洗乾淨實驗的手掌。

4.   教師與學生互相討論變化現象背後的化學原理。

(三) 另類方式重現歧異事件

1.   教師放置分別含有氯化鐵溶液、硫氰酸鉀溶液及飽和碳酸鈉溶液的三個燒杯在示範桌上，如圖七所示。

圖七：三個燒杯分裝三種不同的溶液

2.   以滴管，逐次地加入氯化鐵溶液到硫氰酸鉀溶液中，用玻棒攪拌，如圖八所示，並請學生觀察變化情形。

圖八：加入氯化鐵溶液到硫氰酸鉀溶液

3.   以滴管，逐次地加入飽和碳酸鈉溶液到硫氰酸鐵離子溶液，用玻棒攪拌，如圖九所示，並請學生觀察變化情形。

 

圖九：加入飽和碳酸鈉溶液到硫氰酸鐵離子溶液

4.   教師與學生互相討論變化現象背後的化學原理。

• 學生實作

一、  濃度和添加物對化學平衡的影響

(一)      配製溶液

1.   配製硫氰酸鉀溶液：取一小匙的藥品，溶解在500 mL的水中。

2.   配製氯化鐵溶液：取一小匙的藥品，溶解在100 mL的水中。

3.   配製硫氰酸鐵離子溶液：取300 mL鐵氰酸鉀溶液，逐滴地滴入氯化鐵溶液直到呈現橘色為止。

(二)      分組實作

1.   用五個相同大小的錐形瓶，分別裝入等量的硫氰酸鐵離子溶液。第一個錐形瓶當作對照組，如圖十所示。

2.   用四個相同大小的燒杯，分別裝入氯化鐵固體、硫氰酸鉀固體、碳酸鈉固體和氯化鈉固體的，並分別插入一支藥匙且小匙端朝下。

圖十：放置五個錐形瓶和四個燒杯在桌上

3.   從左邊第二錐形瓶開始，由左自右分別加入一小匙的固體氯化鐵、固體硫氰酸鉀、固體碳酸鈉及固體氯化鈉，觀察顏色的變化。

(三)      實驗結果

加入氯化鐵，顏色變深紅；加入硫氰酸鉀，顏色變暗紅；加入碳酸鈉，顏色變淡黃；加入氯化鈉，顏色變淡橙，如圖十一所示。

圖十一：從第二錐形瓶開始，分別加入氯化鐵、硫氰酸鉀、碳酸鈉、氯化鈉，溶液的顏色變化（由左而右）。

(四)      師生互動討論

1.   根據左邊第二杯和第三杯的變化情形，師生互動討論濃度對化學平衡的影響。

2.   根據左邊第四杯和第五杯的變化情形，師生互動討論添加物對化學平衡的影響。

3.   教師幫助學生建立化學平衡移動和勒沙特列原理的化學知識。

二、  溫度對化學平衡的影響

(一) 配製溶液

與前面「濃度和添加物對化學平衡的影響」的配製溶液相同。

(二) 分組實作

1.   用三個相同大小的錐形瓶，分別裝入等量的硫氰酸鐵離子溶液。中間的錐形瓶當作對照組，如圖十二所示。

2.   用三個大燒杯，左側第一個和第三個燒杯分別裝入約半杯的冰水和熱水，如圖十二所示。

圖十二：放置三個錐形瓶和兩個燒杯在桌上

3.    左側的錐形瓶放入冰水浴中並持續搖晃，右側的錐形瓶放入熱水浴中並持續搖晃，觀察顏色的變化。

(三) 實驗結果

在冰水浴中降溫後溶液顏色變深，在熱水中加熱後溶液顏色變淡，如圖十三所示。

圖十二：降溫後溶液顏色變化（左），加熱後溶液顏色變化（右）

(四) 師生互動討論

1.   根據在低溫和高溫的硫氰酸鐵離子溶液顏色變化情形，師生互動討論溫度對化學平衡的影響。

2.   教師幫助學生建立化學平衡移動和勒沙特列原理的化學知識。

•  廢棄物處理

本實驗完成後，產物必須回收至無機廢液桶中，避免直接用沖掉造成環境汙染。

• 化學原理與概念

「流血電影特效與勒沙特列原理」的化學示範與學生實作是進行硫氰酸鐵離子的化學平衡及其移動，包括：錯合物的形成以及添加物對化學平衡的影響、濃度對化學平衡的影響、以及溫度對化學平衡的影響，涉及的化學原理與概念說明如下：

一、 勒沙特列原理

勒沙特列原理（Le Chatelier  principle），又稱平衡移動原理，是一個定性預測化學平衡移動的原理，其描述為：化學平衡是動態平衡，若改變影響平衡的一個因素或條件，平衡就會朝向能夠減弱該因素或條件改變的方向移動，以抗衡該改變。亦即，對於一個特定條件下達到平衡的系統，若條件改變，則化學平衡就會朝向減弱該因素或條件改變的方向移動。

二、  錯合物的形成以及添加物對化學平衡的影響

當黃色的鐵離子（Fe³⁺, Ferric ion）與無色透明的硫氰酸根離子（SCN^‒, Thiocyanate）混合，反應生成紅棕色的硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺,Ferric(III) thiocyanate），其反應如式[1]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)⇌FeSCN²⁺(aq)    [1]

當紅棕色的硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）加入半透明白色的碳酸根離子（CO₃^2‒）時，碳酸根離子與黃色的鐵離子（Fe³⁺）形成碳酸鐵（Fe₂(CO₃)₃）的沉澱物，以致鐵離子濃度降低，根據勒沙特列原理，鐵離子濃度降低會導致紅棕色的硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）往左方向進行反應，因此溶液由紅棕色變回黃色，其反應如式[2]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq) ←FeSCN²⁺(aq)    [2]

三、 濃度和添加物對化學平衡的影響

當溶液中加入氯化鐵或硫氰酸鉀時，會使鐵離子（Fe³⁺）或硫氰酸根離子（SCN^‒）的濃度升高。根據勒沙特列原理，為減弱鐵離子或硫氰酸根離子的濃度升高的因素，導致反應向右移動，生成紅棕色的硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）的顏色變深，其反應如式[3]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)→ FeSCN²⁺(aq)    [3]

當加入碳酸鈉或氯化鈉時，碳酸根離子（CO^3‒）或氯離子（Cl^‒）會與溶液中的鐵離子（Fe³⁺）反應，生成碳酸鐵或氯化鐵，造成鐵離子濃度下降。根據勒沙特列原理，為降低鐵離子濃度下降的因素，以致反應向左移動，使得紅棕色硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）的顏色變淺，其反應如式[2]所示。

四、 溫度對化學平衡的影響

硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）的平衡移動亦受到冷熱溫度的影響，因為鐵離子與硫氰酸根離子反應生成硫氰酸鐵離子時發生反應熱的變化，其反應如式[4]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)⇌FeSCN²⁺(aq) + heat   [4]

根據勒沙特列原理，當硫氰酸鐵離子浸泡於熱水時，為減弱溫度升高的因素，以致反應向左移動，其顏色轉向黃色，其反應如式[5]所示。當硫氰酸鐵離子浸泡於冷水時，為減弱低溫度下降的因素，其顏色轉向紅棕色，以致反應向右移動，其反應如式[6]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)← FeSCN²⁺(aq) + heat   [5]

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)→ FeSCN²⁺(aq) + heat   [6]

• 教學提示

l  本實驗安全性較高，可直接在教室中進行示範，然而過程中仍須使用熱水，必須注意安全，避免燙傷。

l  進行化學平衡移動時，配製硫氰酸鐵離子溶液應該特別留意溶液的顏色，其配製方式：取300mL鐵氰酸鉀溶液，逐滴地滴入氯化鐵溶液直到呈現橘色為止。

l  由於本實驗的危險性較低，因此可直接使用的藥品在手掌上塗抹，使教師在課堂上創造歧異事件，增強示範的逼真效果。

l  示範這個實驗，教師應實行適當的風險評估。

• 結語

本實驗設計的主要目的是使用危險性較低且操作簡易的化學藥品和器材，直接且短暫地塗抹藥品在手掌上，增強逼真的電影特效來創造歧異事件。歧異事件會導致學生在支持概念理解方面的科學事件中先驗知識和經驗中出現意想不到的矛盾或認知衝突，以致在他們的腦海裡產生疑問而增強學習的興趣。再者，透過師生互動討論方式，強化學生的學習成效，加深國中和高中學生對化學平衡反應及勒沙特列原理的理解。

本教學設計以創造歧異事件為教學的起點；接著學生實作三項實驗：濃度對化學平衡的影響，添加物對化學平衡的影響，溫度對化學平衡的影響；最後根據實驗結果，進行師生互動討論，增進學生對化學平衡的移動和勒沙特列原理更深入的學習。

• 參考資料

1.  十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域，國家教育研究院，107年。取自：https://bit.ly/2WPsz6I。

2.  微量化學實驗：鋁熱反應的微量示範實驗，林聖揚、顧展兆、楊水平，臺灣化學教育，http://531.9e9.myftpupload.com/?p=19084。

3.  淌血的心—硫氰化鉀與鐵離子的反應，王瓊蘭，臺灣化學教育，http://531.9e9.myftpupload.com/?p=7309。

4.   Best Teaching Practices – Discrepant Events,https://bit.ly/2ZLflLs.  

5.  Discrepant Events, https://bit.ly/2B8lR4u.  

6.  Chemistry Lecture Demonstration, https://bit.ly/2TOeaqI.  

7.  How to make realistic fake blood (“Chemical cut” experiment), https://www.youtube.com/watch?v=scN6_LItWqo.

8.  Iron III Chloride Reaction With Potassium Thiocyanate (FeCl3 + KSCN), https://www.youtube.com/watch?v=lEraxU3r1ko.

9.  Bleeding Iron Nail Home Experiment – DIY Iron Thiocyanate, https://www.youtube.com/watch?v=o-0OdYsOigk.

10. E710: Complex Ion – Shifting Equilibrium,https://bit.ly/2MbEjLR.  

11. Le Chatelier’s principle, https://en.wikipedia.org/wiki/Le_Chatelier%27s_principle.

化學示範起始探究與實作：
漂亮結晶的教師示範和學生實作

顧展兆¹、楊水平^2,*
¹國立彰化師範大學科學教育研究所
²國立彰化師範大學化學系
*yangsp@cc.ncue.edu.tw

n  前言

關於混合物的分離，在「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校—自科學領域課程綱要」中，第四學習階段提到主題「物質的結構與功能（C）」和次主題「物質的分離與鑑定（Ca）」，以及學習內容「Ca-Ⅳ-1 實驗分離混合物，例如：結晶法、過濾法及簡易濾紙色層分析法。」。再者，第五學習階段提到主題「物質的結構與功能（C）」和副主題「物質的分離與鑑定（Ca）」，以及學習內容「CCa-Ⅴc-1混合物的分離過程與純化方法：蒸餾、萃取、色層分析、硬水軟化及海水純化等。」

近年來，臺灣中小學科學教師和學生風靡天氣瓶，其原理主要是樟腦在水與乙醇、硝酸鉀及氯化銨混合溶液內的溶解度會隨著溫度變化。當溫度降低時，樟腦析出羽毛狀的結晶，其結晶形狀實在引人入勝；當溫度升高時，樟腦的結晶溶解。本文作者設計混合物分離方法之一—結晶法—的教材，分為兩階段：(一)教師示範實驗，(二)學生實作實驗。在教師示範方面，規劃影響溶解度的兩項因素：溶劑減少和溫度下降促使晶體析出。(1)前者是使用吹風機快速帶走水分，促使硫酸鎂溶液在大塊玻璃片上快速析出美麗的結晶；和(2)後者是溫度下降促使碘化鉛晶體析出，猶如飄下著「黃金雨」。在學生實作方面，規劃四項結晶方法：(1)硫酸鎂溶液溶劑減少促使結晶析出，製作「窗戶上的雪花」；(2)尿素溶液溫度下降促使結晶析出，觀看尿素美麗針狀結晶的過程；(3)添加晶種到尿素過溶液中促使尿素快速結晶；(4)以溶劑對促使硫酸鎂晶體析出，製作「瓶中生環」；以及一項學生實作的純化苯甲酸的問題解決。本教材的設計重點是藉由教師示範和學生實作，讓學生瞭解結晶法的原理，並欣賞科學之美。

n  教師示範一：溶劑減少促使硫酸鎂結晶

一、  觀看示範影片

影片網址：溶劑減少使硫酸鎂結晶，https://youtu.be/yACeoBZVug0。

二、  事前準備

(一) 材料藥品與器材

大片玻璃（30 cm × 30 cm） 1片、電熱板 1台、燒杯（100 mL） 1個、電子天平 1台、廚房量匙 1組、七水合硫酸鎂（Magnesium sulfate heptahydrate, MgSO₄ž7H₂O） 60克、清潔劑 1瓶、衛生紙 3張、吹風機 1台、刷子（小型） 1支。

圖一：所需器材與藥品

(二) 製備硫酸鎂溶液

1.  稱取60克七水合硫酸鎂和量取40 mL蒸餾水，放在燒杯中混合均勻，用電熱板加熱，如圖二左所示。〘或用廚房量匙取得硫酸鎂和蒸餾水，以3：2的比例混合均勻。〙

2.  在完全溶解後，立即停止加熱，靜置冷卻，備用，如圖二右所示。〘燒杯可移到桌面，靜置快速冷卻。〙

  

圖二：七水合硫酸鎂和水混合（左）；加熱促進溶解（右）

三、  示範過程

1.  用衛生紙沾少許的清潔劑，在乾淨的玻璃上均勻地塗抹一層薄薄的清潔劑，如圖三左所示。〘稍微用力塗抹清潔劑，使之形成薄層。〙

2.  用刷子吸取適量的硫酸鎂溶液，均勻地塗抹於這片玻璃上，如圖三右所示。

 

圖三：先塗抹薄層的清潔劑（左）；後塗抹硫酸鎂溶液於玻璃上（右）。

3.  傾斜地放置這片玻璃在書架上，玻璃塗抹面朝向學生。用吹風機，均勻地吹乾塗抹面上的硫酸鎂溶液，如圖四所示。

圖四：傾斜地放置玻璃片，吹乾硫酸鎂溶液。

4.  仔細地觀察當溶劑揮發時，硫酸鎂結晶的過程和形狀，如圖五所示。

 

圖五：硫酸鎂的結晶，左右兩圖為在兩次不同示範時結晶拍攝的照片

5.  教師透過直播串流媒體以直播方式局部放大硫酸鎂晶體，讓學生近距離觀看結晶的過程和形狀，如圖六所示。

 

圖六：手機直播方式局部放大，讓學生近距離觀看。

n  教師示範二：溫度下降促使「黃金雨」生成

一、  觀看示範影片

影片網址：溫度下降促使碘化鉀結晶，https://youtu.be/kFwTPTAJyEo。

二、  事前準備

(一)  材料藥品與器材

錐形瓶（250 mL） 2個、硝酸鉛（Lead nitrate, PbNO₃） 10克、碘化鉀（Potassium iodide, KI） 10克、錐形瓶（500 mL） 1個、漏斗（7 cm） 1支、濾紙（11-13 cm） 1張、加熱板 1台、透明玻璃瓶（如酒瓶，600 mL以上為佳）、大燒杯（1000 mL，含半杯室溫水） 1個。

(二)  製備碘化鉀溶液

1.  配製約4%硝酸鉛溶液：稱取10克的硝酸鉛，放入一個250 mL的錐形瓶中，加蒸餾水到250 mL的刻度線，搖晃均勻。

2.  配製約4%碘化鉀溶液：稱取10克的碘化鉀，放入一個250 mL的錐形瓶中，加蒸餾水到250 mL的刻度線，搖晃均勻。

3.  混合兩溶液到一個500 mL的錐形瓶中，此時生成金黃色的碘化鉛溶液，如圖七左所示。

4.  加熱錐形瓶中的碘化鉛溶液，直到溶液變成澄清透明。

5.  用漏斗和濾紙，盡快地趁熱過濾熱的溶液到一個透明玻璃瓶（如酒瓶）中，如圖七右所示。

 

圖七：混合硝酸鉛和碘化鉀溶液（左）；趁熱過濾熱的溶液（右）

6.  放置熱的金黃色溶液在保溫箱（簡易的保麗龍箱亦可）中保溫，備用。〘註：此熱的碘化鉛溶液不宜長時間放置，以免冷卻析出晶體，最好在示範前查看是否有金黃色沈澱物出現。〙

7.  取一個大燒杯中，裝入半杯的室溫水，備用。

三、  示範過程

1.  放置裝有熱的碘化鉛溶液之透明玻璃瓶在講台（或示範桌）上，玻璃瓶後面放置一片黑色的塑膠PP板當作背景，如圖八左所示。請學生仔細觀察透明玻璃瓶內的現象變化。

2.  當觀察時，若降溫速率太慢，無法在一分鐘內看到結晶析出，則放置此玻璃瓶於一個大燒杯內，用室溫水快速降溫，如圖八右所示。請學生仔細觀察透明玻璃瓶內的現象變化。

 

圖八：放置玻璃瓶在講台上（左）；放置玻璃瓶於室溫水中快速降溫（右）。

3.  在溫度下降的過程中，金黃色的碘化鉛晶體會從溫度較低的底端開始緩慢地析出，如圖九左所示。

4.  接著，拿起玻璃瓶並搖晃數次促使溫度快速下降，碘化鉛晶體會在整個溶液中析出，如圖九右所示。

 

圖九：碘化鉛晶體開始從底端析出（左）；後來碘化鉛晶體在整個玻璃瓶析出（右）。

5.  取出「黃金雨」的玻璃瓶，並讓學生近距離觀看碘化鉛晶體的形狀。〘註：此「黃金雨」的溶液可以重複使用，不必當作廢棄物處理。〙

n  學生實作一：溶劑減少促使結出「窗戶上的雪花」

一、  材料藥品與器材

玻璃窗戶（大於40 cm × 40 cm） 1片、燒杯（或錐形瓶，100 mL） 1個、電熱板 1台、七水合硫酸鎂（瀉鹽，MgSO₄ž7H₂O） 40克、蒸餾水 35 mL、95%乙醇 15 mL、噴霧罐（60-100 mL） 1個、清潔劑 1瓶、衛生紙 3張。

二、  製備硫酸鎂溶液

1.  稱取40克的七水合硫酸鎂和量取35毫升的蒸餾水，放入一個燒杯（或錐形瓶）中。

2.  加熱促使硫酸鎂溶解，當完全溶解後，停止加熱，如圖十左所示。〘燒杯可移到桌面，靜置快速冷卻。〙

3.  當硫酸鎂溶液冷卻後，加入15 mL的95%乙醇，裝入噴霧罐中，如圖十右所示。〘在加入95%乙醇後，會有明顯地分層。〙

4.  蓋緊噴霧罐的瓶蓋，搖晃均勻，備用。〘使用前，需要搖晃均勻。〙

 

圖十：加熱硫酸鎂溶液促進溶解（左）；硫酸鎂溶液裝入噴霧罐中（右）

三、  溶劑減少促使結出「窗戶上的雪花」

1.  用清潔劑和水，擦拭窗戶上的玻璃使之乾淨。

2.  用衛生紙沾少許的清潔劑，在乾淨的窗戶玻璃上均勻地塗抹一層薄薄的清潔劑。〘稍微用力塗抹清潔劑，使之形成薄層。〙

3.  在噴灑之前，搖晃噴霧罐使硫酸鎂溶液和乙醇混合均勻。

4.  立即均勻地噴灑混合溶液在窗戶的玻璃上，如圖十一所示。

圖十一：均勻地噴灑硫酸鎂溶液在窗戶的玻璃上。

5.  仔細地觀察當溶劑揮發時，硫酸鎂結晶析出的過程和形狀，如圖十二所示。

 

圖十二：硫酸鎂結晶的過程，隨時間變化結晶顆粒越來越大。

6.  近距離觀看硫酸鎂結晶析出的過程和形狀，如圖十三所示。

 

圖十三：近距離觀看硫酸鎂的結晶形狀（針狀晶體）

7.  若使用較稀的硫酸鎂溶液或不加乙醇，則析出的結晶呈現雪花狀，但是需要較長的結晶析出，如圖十四所示。

 

圖十四：近距離觀看硫酸鎂的結晶形狀（雪花狀晶體）。

n  學生實作二：溫度下降促使尿素結晶

一、  材料藥品與器材

尿素（Urea, (NH₂)₂CO） 30克、蒸餾水 15 mL、錐形瓶（125 mL） 1個、樣品瓶（長圓型，容量7-8 mL） 1瓶、量筒（25 mL） 1支、電熱板 1台、坩鍋夾 1支、金屬鑷子（或衛生筷） 1支（1雙）。

二、  製備75%尿素溶液

1.  稱取30克的尿素並量取15毫升的蒸餾水，放入一個錐形瓶中，搖晃使之混合均勻。此時尿素的質量百分比為75%。

2.  用電熱板，加熱使尿素固體完全溶解。當完全溶解後，立即停止加熱，如圖十五左所示。

3.  用坩鍋夾或合適的工具，夾住錐形瓶的頸部，以大瓶口對著小瓶口的方式，小心地趁熱倒入尿素溶液到樣品瓶中。這尿素溶液大約可裝5-6個樣品瓶（約八分滿），分給每組或每人一瓶。

4.  蓋緊的瓶蓋，放在熱水浴中，備用，如圖十五右所示。

 

圖十五：尿素固體完全溶解（左）；樣品瓶放在熱水浴中備用（右）

三、   溫度下降促使尿素結晶

1.  在實作前，若樣品瓶內有出現尿素結晶，用沸水浴加熱使結晶完全溶解或幾乎溶解。

2.  用金屬鑷子（或衛生筷），取出一瓶樣品瓶（裝有熱的75%尿素溶液），放置在桌上，如圖十六所示。

 

圖十六：沒有尿素結晶在樣品瓶中（左）；若有結晶出現，用廢水浴加熱使之溶解。

3.  仔細地觀察尿素結晶的過程和形狀。〘若短時間內沒有出現結晶，偶而搖晃促使結晶出現。一旦出現微小結晶，立即停止搖晃。〙

4.  放置樣品瓶在手機的手電筒的燈光上，仔細地觀察尿素結晶的過程和形狀，如圖十七所示。

  

圖十七：觀察尿素結晶的過程和形狀（左和中）；局放大的結晶（右）

5.  放置樣品瓶在一般手電筒的燈光上，仔細地觀察尿素結晶的過程和形狀，如圖十八所示。

 

圖十八：觀察尿素結晶過程和形狀（左）；局部放大的結晶（右）

6.  本樣品瓶的尿素溶液可重複使用。用沸水浴加熱使尿素晶體完全溶解或幾乎完全溶解，用金屬鑷子（或衛生筷）從沸水浴中取出，重複步驟2-6。

n  學生實作三：添加晶種促使尿素結晶

一、  材料藥品與器材

尿素（Urea, (NH₂)₂CO） 25克、蒸餾水 25 mL、錐形瓶（125 mL） 1個、樣品瓶（長圓型，容量7-8 mL） 1瓶、量筒（25 mL） 1支、電熱板 1台、坩鍋夾 1支、微量藥匙 1支。

二、  製備50%尿素溶液

1.  稱取25克的尿素並量取25毫升的蒸餾水，放入一個125 mL的錐形瓶中，搖晃使之混合均勻。此時尿素的質量百分比為50%。

2.  用電熱板，加熱使尿素固體完全溶解，當完全溶解後立即停止加熱，如圖十九左所示。

3.  用坩鍋夾或合適的工具，夾住錐形瓶的頸部，以大瓶口對著小瓶口的方式，小心地趁熱倒尿素溶液到樣品瓶中。這尿素熱溶液大約可裝5-6個樣品瓶（約八分滿），分給每組或每人一瓶。

4.  蓋緊瓶蓋，靜置冷卻，備用，如圖十九右所示。

 

圖十九：加熱使尿素固體完全溶解（左）；裝有熱的尿素溶液樣品瓶（右）

三、   添加晶種促使尿素結晶

1.  分別取一瓶尿素晶體和一瓶裝有50%尿素溶液的樣品瓶，如圖二十左所示。

2.  加入非常少量的尿素晶體（當作晶種）到樣品瓶中，如圖二十右所示。

 

圖二十：右側瓶裝尿素溶液（左）；加入尿素晶體到尿素溶液中（右）

1.  在加入尿素晶體後，立即蓋緊瓶蓋。

2.  仔細地觀察尿素結晶的過程和形狀。〘若短時間內沒有出現結晶，以間斷地搖晃方式促使結晶出現。一旦結晶出現，立即停止搖晃。〙

3.  利用手電筒從旁邊照射，有利於觀察和拍攝晶體形成的過程和形狀，如圖二十一所示。

  

圖二十一：觀察尿素結晶的過程和形狀。

4.  放置樣品瓶在手機的手電筒的燈光上，仔細地觀察尿素結晶的過程和形狀，如圖二十二所示。

 

圖二十二：放置樣品瓶在手機的燈光上，觀察結晶的過程和形狀。

5.  本樣品瓶的尿素溶液可重複使用。用沸水浴加熱使尿素晶體完全溶解，用金屬鎳子（衛生筷）取出，添加晶種到尿素溶液中，重複步驟2-4。本樣品瓶重複次數有限，若加入尿素晶體過多會造成尿素溶液形成飽，則不需添加晶種熱溶液就會析出晶體。

n  學生實作四：溶劑對促使「瓶中生環」

一、  材料藥品與器材

七水合硫酸鎂（Magnesium sulfate heptahydrate, MgSO₄ž7H₂O） 20克、蒸餾水 17.5 mL、錐形瓶（125 mL） 1個、樣品瓶（長圓型，容量7-8 mL） 6瓶、量筒（25 mL） 1支、電熱板 1台、坩鍋夾 1支、乙醇（95%） 20 mL、PE滴管（3 mL） 1支、金屬鎳子 1支、衛生筷 1雙。

二、  製備硫酸鎂溶液

1.  稱取20克的七水合硫酸鎂並量取17.5毫升的蒸餾水，放在錐形瓶中混合均勻。

2.  用電熱板，加熱促使硫酸鎂固體完全溶解，當完全溶解後停止加熱，如圖二十三右所示。

3.  用坩鍋夾（或合適的工具），夾住錐形瓶的頸部，以大瓶口對著小瓶口的方式，小心地趁熱倒入硫酸鎂溶液到樣品瓶中。這硫酸鎂溶液大約可裝5-6個樣品瓶（約六分滿即可），分給每組或每人一瓶。

4.  蓋緊的瓶蓋，靜置冷卻，備用，如圖二十三左所示。

 

圖二十三：加熱七水合硫酸鎂和蒸餾水（左）；可裝5-6個樣品瓶（右）

三、  溶劑對促使「瓶中飄雪」

1.  分別取一瓶95%乙醇和一瓶裝有硫酸鎂溶液的樣品瓶，如圖二十四左所示。

2.  用PE滴管，吸取1-2 mL的95%乙醇，逐滴地慢慢滴加乙醇到樣品瓶的中央位置，如圖二十四右所示。

 

圖二十四：右側瓶裝乙醇，左側瓶裝硫酸鎂溶液（左）；滴加乙醇到硫酸鎂溶液中（右）

3.  乙醇與硫酸鎂溶液之間會形成界面，仔細地觀察硫酸鎂結晶的過程和形狀，如圖二十五所示。

   

圖二十五：在乙醇層的下方出現硫酸鎂晶體。

4.  利用手電筒照射，有利於觀察和拍攝硫酸鎂結晶的過程和形狀，如圖二十六所示。

  

圖二十六：用手電筒照射，觀察硫酸鎂結晶的過程和形狀。

5.  當觀察硫酸鎂結晶時，若短時間內沒有晶體析出，則搖晃促使結晶出現，如圖二十七所示。〘一旦結晶出現，立即停止搖晃。〙

  

圖二十七：搖晃促使硫酸鎂結晶，出現晶體排列凌亂。

6.  這樣品瓶的混合溶液可重複使用。在沸水浴中加熱，使尿素晶體完全溶解，用金屬鑷子（或筷子）從沸水浴中取出，重複步驟2-5。

n  學生實作五：問題解決

一、  情境問題

一位學生不慎打翻裝有苯甲酸（Benzoic acid, C₆H₅COOH）的藥瓶，粉末狀的苯甲酸灑落地面，他細心地收集苯甲酸在一個小燒杯中，卻含有少量的灰塵污染物，稱重為0.5053克。這位學生試圖利用結晶和過濾的方式來純化苯甲酸，以獲得較純的苯甲酸。若你是這位同學，你要如何解決這問題？

二、  網路搜尋溶解度

事先網路搜尋資料，苯甲酸對水的溶解度：1.7 g/L (0℃)、2.7 g/L (18℃)、3.44 g/L (25℃)、5.51 g/L (40℃)、21.45 g/L (75℃)、56.31 g/L (100℃)。由此資料得知，在25℃時，每100 mL的水溶解0.344克苯甲酸，在75℃時，每100 mL的水溶解2.145克；在25℃時，每50 mL的水溶解0.172克，在75℃時，每50 mL的水溶解1.072克。

三、  藥品與器材

不純的苯甲酸（含少量的灰塵） 0.5053克、燒杯（50 mL） 1個、錐形瓶（125 mL） 2、藥匙 1支、漏斗（6 cm） 1支、迴紋針 1支、濾紙（110 mm） 1張、蒸餾水 100 mL、金屬坩堝夾 1支、電熱板 1台，主要的藥品與器材如圖二十八所示。

 

圖二十八：主要的藥品與器材

1.      取0.5053克的不純苯甲酸，放入一支125 mL的錐形瓶，加入50.0 mL的蒸餾水。

2.      放在電熱板上加熱，直到苯甲酸完成溶解，如圖二十九所示。

 

圖二十九：加熱到水苯甲酸完成溶解

3.      用坩堝夾夾住錐形瓶的頸部，趁熱過濾此熱溶液到漏斗內的濾紙，如圖三十所示。

 

圖三十：趁熱過濾（左），濾紙上的不純物（右）。

4.      靜置錐形瓶，直到熱溶液降溫到室溫。觀察結晶出現的情形，如圖三十一所示。

 

圖三十一：降溫過程的結晶（左），降到室溫的結晶（右）。

5.      利用重力過濾，收集苯甲酸晶體，如圖三十二所示。

 

圖三十二：重力過濾（左），含有水的苯甲酸晶體（右）。

四、  實驗結果

1.      靜置隔天，獲得乾的苯甲酸晶體重量為0.3468克，回收率約為69%。

2.      苯甲酸的晶體形狀為針狀，如圖三十三所示。

 

圖三十三：苯甲酸在水中的晶體和苯甲酸乾的晶體

n  實驗注意事項

l  製備尿素溶液完成後，有些示範和實作應該盡快進行，避免溫度下降時晶體析出。

l  當製備熱溶液時，例如碘化鉛溶液和尿素溶液，必須小心地移轉溶液避免燙傷。

l  有些溶液在示範後可重複使用，勿以廢液處理，避免浪費。

l  若碘化鉛溶液欲以廢液處理，應遵照廢棄物傾倒指示進行廢液處理。硫酸鎂溶液和尿素溶液對環境無害，可用大量的流水沖掉。

n  原理和概念

一、  溶劑減少促使結晶

硫酸鎂通常以水合硫酸鎂的形式（MgSO₄·nH₂O）出現，n在1～11之間。最常見的是七水合硫酸鎂（MgSO₄·7H₂O），稱為瀉鹽，是具有許多傳統用途的家用化學品，包括沐浴鹽。本實驗使用MgSO₄·7H₂O，其對水的溶解度（100 mL水）為：無水硫酸鎂：26.9 g（0℃）、35.1 g（20℃）、50.2 g（100℃）；而七水合硫酸鎂對水的溶解度為113g（20℃），其對乙醇微溶。

本實驗使用七水合硫酸鎂，在20℃下，其飽和溶液的質量百分比為53.1%（20℃）。本實驗使用溶液的質量百分比為60.0%。由於硫酸鎂加熱易形成過飽和溶液，因此在示範和實作的過程不易出現結晶。硫酸鎂溶液添加少量乙醇的主要的目的是當乙醇揮發時可以帶水水分，加速水分的蒸發，當溶劑減少時可以快速地觀察到硫酸鎂晶體在玻璃上析出，看起來好像「窗戶上的雪花」。

二、  溫度下降促使結晶

多數物質會隨溫度上升而其溶解度增加，隨溫度下降而下降。本示範實驗選用碘化鉛作為示範的結晶析出物，透過溫度下降促使碘化鉛溶液析出黃金色的晶體。碘化鉛的合成方法是利用硝酸鉛與碘化鉀進行置換反應，其反應如式[1]所示：

Pb(NO₃)₂(aq)+ KI(aq) → KNO₃(aq) + PbI₂(s)    [1]

在示範前，需要加熱碘化鉛沉澱物的溶液，當溫度上升時其溶解度增加而使得碘化鉛溶液呈現澄清透明。在示範時，在溫度下降的過程，碘化鉛的溶解度下降使得晶體緩慢析出，產生金黃色晶體猶如「黃金雨」的效果。

在不同溫度下，尿素對100 mL水的溶解度為108 g（20℃）、167 g（40℃）、251 g（60℃）、400 g（80℃）、733 g（100℃）。由上述數據得知，尿素對水的溶解度隨溫度變化其溶解度變化量非常大。在學生實作時，在短時間就看到大量晶體的產生而達到較佳的效果。尿素晶體的形狀呈現長針狀，其晶體成長過程令人驚艷。

三、  添加晶種促使結晶

根據尿素其對水的溶解度，尿素在不同溫度下的飽和溶液之質量百分比，51.9%（20℃）、62.5%（40℃）、71.5%（60℃）、80.0%（80℃）、88.0%（100℃）。亦有文獻（PubChem）提到尿素對水的溶解度（25℃）：545000 mg/L，亦即54.5 g/100 mL。在25℃下，尿素飽和溶液的質量百分比為35.3%。

本實驗配製尿素溶液的質量百分比為50%，在20℃下，此尿素溶液為過飽和溶液（文獻指出飽和溶液為35.3%）。由於此溶液以加熱方式促進溶解，容易使尿素溶液成為過飽和溶液。過飽和溶液可以添加尿素晶種促使尿素結晶析出。

四、  溶劑對促使結晶

由於有時找不到令人滿意的單一溶劑進行再結晶，因此使用溶劑對（solvent pairs）或混合溶劑（mixed solvents,）是其方法之一。使用一對溶劑進行再結晶，可以先溶解晶體在較加的溶劑中，然後添加較差的溶劑到熱的飽和或未飽和溶液中，直到變得渾濁為止；若添加較差的溶劑到冷的過飽和溶液，出現多量的結晶為止。溶劑對的選擇必須是兩種溶劑為互溶，常用的溶劑對為：水‒乙醇、水‒甲醇、水‒乙酸、甲醇‒乙醚；甲醇‒二氯甲烷、乙醚‒丙酮。

本實驗使用的硫酸鎂溶液加熱促進溶解，容易形成過飽和溶液。添加乙醇（乙醇為較差的溶劑）到硫酸鎂過飽和溶液（水為較加的溶劑），而形成溶劑對，因而促使硫酸鎂結晶析出，製作「瓶中生環」的效果非常明顯。

n  結語

天氣瓶吸引中小學科學教師和學生的主要原因是當溫度降低時，樟腦析出漂亮的羽毛狀晶體，結晶形狀實在令人驚艷。天氣瓶是利用結晶法的溫度下降使純物質從混合物分離出來，除此之外，結晶法還利用溶劑減少、添加晶種及溶劑對等方式從混合物來分離純物質。本教材規劃兩階段：(一)教師示範實驗，(二)學生實作實驗。這兩階段我們成功測試結晶法的這四種方式產生漂亮的結晶，修飾或設計「黃金雨」、「窗戶上的雪花」、及「瓶中生環」等實驗以吸引學生學習結晶法的興趣，以作為中學教師教學的參考。本教材期望藉由教師示範和學生實作，讓學生瞭解結晶法的原理，並欣賞科學之美。

n  參考資料

1.   How to Paint With Epsom Salt，https://www.ehow.com/how_5701668_paint-epsom-salt.html

2.  中學化學示範實驗Chemical Demonstrations: 沉澱現象—透明溶液變不同顏色的沉澱http://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/26626

3.  尿素https://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_CN_CB5853861.htm

4.  如何在 Facebook 進行現場直播？https://www.facebook.com/help/iphone-app/1636872026560015?helpref=platform_switcher&rdrhc

5.  如何在Instagram上開始直播https://www.facebook.com/help/instagram/292478487812558?helpref=hc_fnav

6.   Magnesium sulfate, https://en.wikipedia.org/wiki/Magnesium_sulfate.

7.  Urea, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Urea.

8.  Urea, PubChem, https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Urea.

9.  Recrystallization (chemistry), https://en.wikipedia.org/wiki/Recrystallization_(chemistry).