臺灣化學教育

中學化學示範：
葉肉消蝕術的化學示範與探究實驗設計

吉佛慈

國立臺灣師範大學附屬高級中學
[email protected]

n  前言

「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—自然科學領域課程綱要」著重學習跨學科與跨領域整合概念，其中國中新增的校訂課程（即彈性學習課程）包含跨領域統整性主題╱專題╱議題的課程、社團活動、技藝課程等；而高中新增的「自然科學探究與實作」課程，也明訂須由自然科教師進行跨學科協同教學，兩個學習階段均重視學生探究能力的培養，以及強調跨學科和跨領域概念整合的重要性。

108新課綱有提到主題「物質的結構與功能（C）」和副主題「物質的分離與鑑定（Ca）」，以及相關的學習內容「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」。「葉肉消蝕術」的內涵除了符合上述自然科學領綱的化學科學習內容之外，也符合自然科學領綱生物科的學習內容「BDb-Va-9 植物體的組成層次」及「BGb-Vc-5 演化證據對生物分類系統演變之影響」。此外，進行消除葉肉後的葉脈染色和裝飾品製作也符合高中藝術領域的學習內容「美E-V-2 繪畫性、立體性、複合性媒材與表現技法」。

為了解開學生對食譜式實驗所受的禁錮，同時消除超前學習者對部定課程已提早掌握之優勢，本活動是以不同於部定化學課程內容的「葉肉消蝕術」為主題，在八年級彈性課程的第一週，採取POEC（Prediction, Observation, Explanation, and Comparison）教學策略，藉以檢視學生的先備知識和概念基礎；接著第二週開始讓學生自訂探究主題並設計研究步驟，最後再進行實驗、收集資料、並分析結果等。

n  過去的實驗與示範實驗的構想

一、過去的實驗設計

葉脈書籤是部分國中生物教師曾經帶領學生進行課程的延伸實驗，由於材料和設備需求簡單，只要提醒學生挑選合適的葉片、注意強鹼試劑的危險性、使用加熱裝置並加強防護設備等實驗安全，通常可在一到兩節課的時間內完成步驟引導和操作、成品製作（如圖一）、乾燥及美化。

 

圖一：傳統上在實驗室以強鹼製成的葉脈書籤

在網路上(御品賞健康莊園的臉書、想享學網頁)有人使用肥皂或洗滌鹼（碳酸鈉，Sodium carbonate，俗名蘇打）取代燒鹼（氫氧化鈉，Sodium hydroxide）的製作方法，以遠離強鹼的威脅，並提升實驗的安全性。然而受限於加熱時間較長，較不適合於課堂上當作延伸活動，也較少讓學生進行驗證。

二、本次示範實驗的設計構想

本示範實驗係扮演一學期探究與實作活動的前導實驗，可以是國中階段專題探究課程的第一節課活動，也可以是高中階段探究與實作的初期體驗活動。教師可預先準備或讓學生到校園自由拾取想做成葉脈書籤的葉片，在上課中進行整學期課程說明、實驗準則要求和評量方式說明的同時，就將各組學生蒐集到的葉片加入原先配製濃度（5 %）正加熱中的燒鹼溶液共煮。接著，教師運用POEC流程進行教學，如圖二所示。在預測（P）階段：學生預測加入葉片到混合溶液共煮將會發生什麼變化現象；在觀察（O）階段：挑選適當的葉片以水龍頭的水流除去葉肉，以實物投影機同步呈現給學生觀察，徵求兩名自願示範的學生，各組任意挑選一片預備的葉片設法進行葉肉分離操作。最好能凸顯出不同葉片去除葉肉的難易程度和效果不同的結果。在解釋（E）階段：學生嘗試解釋實驗的結果；最後在比較（O）階段：小組討論並比較比較原先預測（P）與觀察（O）之間的現象與前後解釋（E）的異同處。 

圖二：POEC教學策略應用（邱美虹等人，2005）

n  藥品和器材

大燒杯（1000 mL） 1個、氫氧化鈉（NaOH）30.0 g、漂白水（含NaClO） 20 mL、肥皂 1塊、蒸餾水 適量、各類葉片（包含桂花葉、馬拉巴栗葉及其他校園常見葉片） 數片、舊牙刷 數枝、鑷子 1支、玻璃棒 1個、護目鏡 1個、手套 1雙、淺水盤 數個、加熱攪拌器 1台、報紙或吸水紙 數張。

n  示範前的測試

一、  葉片與燒鹼溶液共熱

1. 秤取30.0 g的氫氧化鈉放入裝有400 mL溫水的大燒杯中，用玻璃棒攪拌以促進溶解，再加水到溶液總體積為600 mL，如圖三所示。

 

圖三：氫氧化鈉（左）和配製5%氫氧化鈉溶液（右）

2. 分開馬拉巴栗的葉片並用自來水洗淨，放入已配製的氫氧化鈉溶液中加熱，如圖四所示。

 

圖四：馬拉巴栗葉（左）和燒鹼溶液共熱處理（右）

二、  葉片與肥皂水共熱

1. 效法網路流傳的作法，以家中廚房容器取代實驗室設備，以肥皂取代燒鹼藥品，將肥皂切碎，放入裝有熱水的不鏽鋼鍋中攪拌以促進溶解，再加入10片洗淨的葉片，如圖五所示。

 

圖五：肥皂切碎放入煮鍋中溶解，並加入葉片共熱

三、   葉片與燒鹼和漂白水共熱

1. 葉片與燒鹼和漂白水共熱，如圖六所示。

  

圖六：馬拉巴栗葉（左）和燒鹼和漂白水溶液共熱處理（右）

四、  葉肉清除測試

1.    在葉片與燒鹼溶液共熱以及葉片與肥皂水共熱的過程中，每隔10分鐘取出一片葉片放進盛有水的淺底盤中，用牙刷進行葉肉的清除測試，過程中燒杯和煮鍋必須不斷加水以補充煮沸時減少的水量，直到所有葉片的葉肉清除測試完畢為止，如圖七所示。

  

圖七：葉片與肥皂水在瓦斯爐上持續加熱（左）；用牙刷進行葉肉清除測試（右）

2.    比較測試的結果與網路影片的成品，教師在示範之前可事先得到下列參考數據：(1)同種葉片，同種鹼液（燒鹼或肥皂水），在煮沸時間不同時，比較葉肉消蝕程度的差異。(2)同種葉片，同種葉肉消蝕程度相同時，在不同鹼液中，比較所需煮沸時間的差異。(3)同種鹼液，相同煮沸時間，比較不同葉片的葉肉消蝕程度的差異。

n  正式示範

1. 各組學生派代表到校園撿取葉片，洗淨葉片。若樹枝和多個葉片，剪成單一葉片。

2. 葉片放入裝有鹼液（氫氧化鈉溶液）中共熱，如圖八所示。

 

圖八：各組挑選的葉片（左）；葉片與氫氧化鈉溶液共熱（右）

3. 〔P-預測階段〕在加熱的階段，教師告訴學生燒杯中的鹼液如何事先配製，並提醒學生觀察燒杯中溶液的顏色變化。然後，倒入20 mL熱漂白水繼續共熱，如圖九所示。

 

圖九：加熱漂白水（左）；葉片與鹼液和漂白水共熱（右）

4. 〔P-預測階段〕請學生預測在20分鐘後，取出葉片並平放在戴手套的手掌上，到水龍頭下方沖洗會出現什麼結果，可能的原因是什麼，並填寫在學習單上。

5. 〔O-觀察階段〕等待學生填寫完學習單的預測階段部分後，教師戴上手套，用鑷子夾出一片馬拉巴栗的葉片平放手掌上，到水龍頭下方沖水；並請學生觀察沖水前後的差異，如圖十所示。請填寫學生學習單。

 

圖十：葉片沖水前（左）；葉片沖水後（右）

6. 在加熱的階段，由於需時較長，因此教師利用此時間簡介葉片的結構及其成分，以及鹼液和漂白水的基本性質，幫助學生在解釋階段有基本的先備知識，但是不談及葉片與鹼液和漂白水如何發生化學反應。

7.〔O-觀察階段〕取出全部葉片，放到大水盆中，請學生推派代表出來體驗，任意選一片葉子示範，可用牙刷除去葉肉，或是直接沖水；並請其他學生觀察結果，如圖十一所示。請填寫學生學習單。請填寫學生學習單。

 

圖十一：軟化後的葉片（左）；學生去除葉肉（右）

8. 〔O-觀察階段〕請學生傳閱除去除葉肉的葉片。請填寫學生學習單。

9. 〔O-觀察階段〕教師用報紙吸去葉片的多餘水分，再用吹風機快速吹葉片，請學生傳閱觀察葉片的結構與外觀，如圖十二所示。請填寫學生學習單。

 

圖十二：乾燥後的葉片（左–馬拉巴栗葉片；右–桂花葉片）

10.〔O-觀察階段〕以浸泡染料或塗抹的方式，教師著色乾燥葉脈，請學生傳閱觀察葉片的顏色覆蓋情形，如圖十三所示。請填寫學生學習單。

 

圖十三：上色後的葉脈（左–單色上色；右–多色上色）

11.〔E-解釋階段〕請學生傳閱著色的葉脈後，學生分組互相討論並解釋葉片與鹼液和漂白水共熱能去除葉肉的變化現象背後的化學原理。

12.〔C-比較階段〕請學生比較原先預測（P）與觀察（O）之間的現象異同處，並比較預測（P）可能的理由與解釋（E）的理由之間的異同處。請填寫學生學習單。

13. 〔C-比較階段〕教師總結葉肉消蝕術的化學原理，學生據以在個人學習單上進行修改或補充解釋。

n  廢棄物處理

染色的葉脈可做為造型書籤使用，也可拼組成一幅藝術畫作，或貼上卡紙護貝作為萬用卡片使用；使用的化學藥品無毒性，液體廢棄物可用大量放流水沖洗排放。

n  科學原理和概念

判斷哪些植物的葉片能夠成功地分離葉肉與葉脈，必須了解支持葉片的主要成分為何，以及選擇一種合適的反應試劑，且此試劑具有不會溶解葉片的支持成分，而會溶解葉肉的成分。葉片的三大構成成分是纖維素、半纖維素和木質素，其中纖維素是由葡萄糖聚合而成的多糖類（見圖十四），半纖維素是雜聚的多糖類，主要的成分是木聚醣（見圖十五），而木質素則是交叉連結的酚聚合物（見圖十六）。

圖十四：纖維素的化學結構

（圖片來源：維基百科）

圖十五：半纖維素（木聚醣）的化學結構

（圖片來源：維基百科）

圖十六：木質素的化學結構

（圖片來源：維基百科）

根據Buranov 和 Mazza（2008）的研究，當葉片與NaOH共熱時，木質素與半纖維素兩種成分之間的阿魏酸鍵（Ferulic Acid）是與NaOH反應的關鍵位置（見圖十七）。

圖十七：木質素與半纖維素間的阿魏酸鍵

（圖片來源：Modenbach & Nokes (2014)）

阿魏酸（Ferulic Acid，學名是4-羥基-3-甲氧基肉桂酸，化學結構如圖十八所示）是一種廣泛存在於植物種子和葉片中的酚酸，能和多醣和蛋白質結合成為細胞壁的骨架。阿魏酸與碳水化合物（許多‒OH）之間形成的酯鍵極容易受到NaOH的降解，因為從NaOH解離出來的氫氧根離子提升酯類發生水解反應的速率。

圖十八：阿魏酸的化學結構

（圖片來源：維基百科）

n  化學科、跨學科與跨領域的課程設計

一、化學科探究的問題

葉肉消蝕術有三個階段：讓葉片經由化學反應的分離階段，漂白葉片殘留成分的氧化還原反應階段，以及用染料染色的滲透作用階段。筆者曾經帶領過國中生（見圖十九左）與高中生（圖十九右）分別進行葉肉消蝕術的探究實驗，匯集一些學生提出來的問題；也曾有幸跟新北市樹林高中自然科教師們（見圖二十）以「玩探究，拚實作—葉肉消蝕術」為題，針對新課綱的探究與實作課程進行實作分享和意見交流。

 

圖十九：中學生體驗：國中生（左）；高中生（右）

 

圖二十：高中自然科教師體驗：進行葉肉消蝕（左）；消蝕成品大合照（右）

在學生在POEC的學習過程中，從第一次的學習經歷到經驗反差、失敗或是挫折，是激起學生發現問題，尋找解決方法，重新出發的一大動力。這些問題包括：學生發現某些葉片一取出便隨葉肉一同消蝕瓦解、或是刷再久也無法順利完全去除葉肉、或是染色效果不佳等等。作者歸納出中學生的五大主要疑惑（見圖二十一）包含：葉片的種類有限制嗎？不同葉片的葉肉分離效果相同嗎？有沒有比肥皂更好的消蝕藥劑替代品呢？軟化葉片可以不使用熱源嗎？不加熱的軟化時間一定比較長嗎？有快速去除葉肉的好方法嗎？染色的試劑有哪些？是否有方便快速的好方法？以上可提供各組同學參考，或由各組同學自行挑選一個想探究的問題，再設計實驗步驟去求解。

圖二十一：中學生對葉片消蝕術的五大疑惑

二、  跨學科的探究課程設計

化石是地表上生物演化的重要依據，根據考古學家的研究，植物化石通常只能保留葉脈、葉柄、葉緣等外型特徵（李慶堯，98年10月），亦即葉肉消蝕後的葉片骨幹。對於地層質地較細緻的細砂岩或黏土，例如新竹關西的砂岩地層，如果有落葉飄落在地面印出痕跡，長時間後枝葉腐爛所留下的痕跡便稱為印痕化石。因此，以化學反應實驗進行葉肉消蝕的探究活動時，可延伸探究的觸角到葉片的組成成分（葉肉、葉脈、葉柄、葉緣等）與特性，或是利用植物化石的類別判別植物演進史，進行生物科探究；也可延伸探究的觸角到砂岩上的不同植物化石的印痕深淺比較，或是同種植物化石在不同部位的印痕深淺比較等，進行物理科探究；還可延伸探究的觸角到植物化石出現處的地層成分和年代分析，或由植物化石的物種推論出該地曾經出現的氣溫或雨量等氣候類型，進行地球科學科探究等。跨學科設計課程架構示意圖如圖二十二所示。

 

圖二十二：葉肉消蝕術的跨科課程設計

三、  跨領域的課程設計

葉肉消蝕術是以自然領域概念之探究為主，無論是以化學反應分解植物葉片的部分成分，或是以漂白劑淡化物質的顏色，都是屬於科學（Science）能力的訓練範疇；觀察不同種類植物葉片的結構時，可以借助工業用X光機直接拍攝清楚的葉脈細節，也可以運用光學顯微鏡觀察植物化石表面特徵，此等工業X光機或是光學顯微鏡的操作使用，屬於科技（Technology）領域能力的培養；應用葉肉消蝕術於紙漿的製造或回收紙的再造時，相關技術可以讓學生學到製程的技術與設備操作，屬於工程（Engineering）技能的培養；製作消除葉肉剩下的葉脈成為書籤、賀卡、畫作、文創商品等，屬於藝術（Art）能力的展現；配製化學試劑的濃度配製，借助數學運算進行重量和試劑用量的換算，屬於數學（Mathematics）能力的熟練與應用。本課程期望效法STEAM教育的精神，培養學生具有五大領域的素養概念。跨領域STEAM課程架構示意圖如圖二十三所示。

圖二十三：葉肉消蝕術的跨領域課程設計

n  結語

十二年國民基本教育新課綱的實施，趨動自然領域教學現場的教師合作規劃能引導中學生探究思考的主題，若要設計主題學校容易推動且學生容易操作，就必須具備實驗器材和設備的門檻不高的條件，實驗材料易於準備及方便取得等條件，能培養學生的探究能力才是最主要的課程目的。本文主題「葉肉消蝕術」的探究之前，以化學示範的方式，使用POEC教學策略，讓學生動腦預測、觀察、解釋及比較，教師儘量讓示範實驗更為生動、吸睛、奇異、衝突、且有趣，更能激發並驅使學生想要一探究竟的動力。

n  參考文獻

1. Alicia A. Modenbach & Sue E. Nokes. (2014). Effects of Sodium Hydroxide Pretreatment on Structural Components of Biomass, https://bit.ly/3eivETT.

2. Buranov,A. U., & Mazza, G. (2008). Lignin in straw of herbaceous crops. Ind. Crops and Products, 28(3), 237-259. http://dx.doi.org/10.1016/j.indcrop.2008.03.008.

3.Eero Sjöström （1993）. Wood Chemistry: Fundamentals and Applications. San Diego: Academic Press. ISBN 978-0-12-647481-7.

4. K.V. Sarkanen & C.H. Ludwig (eds) (1971). Lignins: Occurrence, Formation, Structure, and Reactions. New York: Wiley Intersci.

5.Emma stein（2018），木質素分解法—科學家發現新型酶可降解木質素，將植物廢料轉為高價值產品。科技新報。發布日期 2018年06月29日。取自：https://bit.ly/2A1acUF。

6.十二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。

7. 邱美虹、林世洲、湯偉君、周金城、張榮耀、王靜璇合著（2005）。科學創意實驗書。台北市：洪葉文化。

8.葉，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/葉。

9.纖維素，維基百科。https://zh.wikipedia.org/wiki/纖維素。

10.半纖維素，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/半纖維素。

11.木質素，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/木質素。

12.李慶堯（2009）。台灣植物化石地層。取自：https://bit.ly/2ZzmXAo。

13.葉脈書籤，華人百科。取自：https://bit.ly/36sZaDL。

14.葉脈書籤的製作方法。取自：https://bit.ly/3bUWBLS。

15.葉脈標本的製作，國立台中教育大學NTCU科學遊戲實驗室。取自：https://bit.ly/36sxper。

16.葉脈書籤DIY。取自：御品賞健康莊園【蟬蘊茶】臉書。

17.透明系葉脈書籤自己作，獨一又無二，想享學。取自：https://bit.ly/3gq0ThF。

中學化學示範：
高分子塑型的教師示範和學生實作

 

林韋彤、高湘琪、張佳智*

國立交通大學應用化學系
*[email protected]

• 前言

在日常生活及和現代工業中，常見的物質—塑膠是一種人工合成的材料。高分子（也稱為聚合物）是由許多單體（也稱為小分子）以共價鍵的方式串聯而成。高分子的可塑性給人類的生活帶來了前所未有的便利，舉凡垃圾袋、垃圾桶、手搖杯、收納櫃、乃至坐墊，處處都有高分子的身影。為甚麼有些塑膠製品在成型後就不太會變形呢？為甚麼有些塑膠遇熱就會軟化呢？

本實驗採用隨手可得的高分子材料作為實驗用素材，探討高分子變型程度與溫度的關係，適合讓國中和高中學生能開始思考實驗結果背後的科學原理，並利用這個機會探討塑膠與日常生活的關係。同時，也可以讓國中和高中學生學習如何利用書本和網路查詢相關的文獻資料，並學會如何過濾出有用的資訊。本實驗使用的材料大多為家用產品且無安全疑慮，而且未使用化學藥品，因此可以在教室或在家中進行，只要注意在使用熱水時避免燙傷。

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，（一）有關「塑膠」的學習內容方面：在第四學習階段（國中）有提到主題「物質的反應、平衡及製造（J）」和次主題「有機化合物的性質、製備及反應（Jf）」，及其學習內容「Jf-Ⅳ-4常見的塑膠。」；在第五學習階段（高中）也有提到主題主題「科學、科技、社會及人文（M）」和次主題「科學在生活中的應用（Mc）」，及其學習內容「生活中常見之合成纖維、合成塑膠及合成橡膠之性質與應用。」。（二）有關「高分子（聚合物）」的學習內容方面：在第五學習階段有提到「科學、科技、社會及人文（M）」和次主題「科學、技術及社會的互動關係（Ma）」，及其學習內容「CJf-Va-4常見聚合物的一般性質與分類。」和「CJf-Va-5常見聚合物的結構及製備。」因此，本實驗「高分子塑型」的化學內容符合新課綱自然科學領域國中和高中的學習內容。

• 教師示範與課堂討論

一、  教師示範

1.   教師事先準備兩個不同類型的塑膠瓶（如回收標誌為五號PP及六號PS的塑膠瓶）、各剪裁成兩片塑膠片（約10 cm × 5 cm）、熱水（500-700 mL裝在保溫杯中，或用電熱板加熱）、兩支金屬鑷子、一個透明玻璃容器（如不玻璃罐或玻璃燒杯，容量約1000 mL），帶到教室。

2.   教師放置一個1000 mL的玻璃透明容器（如玻璃罐或大燒杯），倒入裝在保溫瓶約500 mL的熱水。

3.   教師手持兩個大小相同但不同材質（如PP和PS）的塑膠瓶，同時放入熱水中，如圖一所示。教師請學生觀察兩個塑膠瓶的瓶身型態是否改變並比較其異同。

圖一：分別為六號（左）及五號（左）回收標誌之材料受熱情形

4.  接著，教師取出兩片大小相同但不同材質的長形塑膠片，請兩位學生協助，先捲成圓桶狀，以金屬鑷子固定，並同時放置於熱水中加熱1分鐘，如圖二所示。在有外力（使用鑷子）固定的情況下，教師請學生觀察兩個塑膠片的型態是否改變並比較其改變程度。

圖二：兩種塑膠片的受熱方式

5.   最後，教師取出上述的塑膠片，不以金屬鑷子固定，放置於熱水中加熱1分鐘，如圖三所示。在無外力（不使用鑷子）固定的情況下，教師請學生觀察兩個塑膠片的型態是否改變並比較其改變程度。

圖三：不以外力固定的受熱過程與方式

6.   學生比較相同材質在有外力固定和無外力固定的情況下的塑膠型態的變化。

二、  課堂討論

·      什麼是「塑膠」？這種類型的材料通常具有甚麼樣的特性？

·      大家都知道寶特瓶不能裝熱水，回想一下，當寶特瓶遇到熱水會發生甚麼現象呢？

·      為甚麼「塑膠」具有可塑性？

·      在日常生活常見的塑膠種類中，試著上網找找有哪些不同種類的塑膠（環保編號1-6），以及全球每年各種塑膠的產量？

·      常見的塑膠是由什麼結構的小分子構成的，並畫出化學式。

 

• 學生實作實驗

一、  實驗目的

本實驗使用生活中容易取得的塑膠材料（例如：寶特瓶、塑膠杯、牛奶罐）來觀察其置放於不同溫度下有無外力的影響下的塑膠型態變化，進而說明常見聚合物的物理性質及其相關原理。

二、  實驗器材

各類塑膠瓶各1瓶、熱水（55℃、70℃和85℃，裝在保溫杯中）各1杯、剪刀1把、金屬鑷子1支、溫度計（100℃，可用廚房用溫度計）1支、容器（如不銹鋼杯、玻璃罐或玻璃燒杯，容量約500 mL）1個、計時器（或手機的計時器）1個。

三、  實驗內容

本實驗選用四種塑膠：聚對苯二甲酸乙二酯（PET）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）進行實驗，以溫度和外力作為變因去觀察塑膠的變化狀態。進行實驗並觀察變化現象如下：

1.   觀察各類塑膠的特性，並試著整理出其中的性質差異（材質硬度、可繞性、觸感等）。

2.   將剪好的塑膠片彎曲後，以鑷子固定，並放置於不同溫度的水熱中加熱1分鐘，分別是55℃、70℃、85℃，在有外力（使用鑷子）固定的情況下，觀察其是否彎曲變形和變形的程度多寡。

3.   放置上述實驗塑型後的塑膠片於熱水中加熱1分鐘，在無外力（不用鑷子）固定的情況下，觀察其型態是否再次改變。

四、  實驗步驟

1.   將收集來的各式塑膠剪成相同大小的長條狀塑膠片（約5 cm × 2 cm），如圖一所示。 

圖一：塑膠瓶（左）；剪成長條的片狀（右）

2.   本實驗使用五種的塑膠片，包含1/PET、2/HDPE、5/PP（飲料店）、5/PP（豆漿）及6/PS，如表一所示，此處和表中的號碼為塑膠材質回收編號。

表一：原本使用的五種塑膠片

3.   剪好的塑膠片先捲起來後，以鑷子固定，並放置於不同溫度（55℃、70℃和85℃）的熱水中加熱1分鐘，在有外力固定方式下，觀察其是否彎曲變形及其程度，如圖二所示。

圖二：塑膠片捲起來（左）；以鑷子固定（右）

4.   放置上述實驗加熱後（在有外力固定方式下）的塑膠片分別在不同溫度（55℃、70℃和85℃）的於熱中加熱1分鐘，在無外力（不用鑷子）固定的情況下，觀察其型態是否再次改變。

• 實驗結果

本實驗使用五種的塑膠片，進行有外力固定方式（塑膠片先捲起來，以鑷子固定，然後泡熱水1分鐘）和無外力固定方式（進行外力固定方式後，不用鑷子固定，然後泡熱水1分鐘），分別在55℃、70℃和85℃下的實驗結果，如表二、表三及表四所示。

表二：在55℃下，有外力固定和無外力固定的塑型情形

表三：在70℃下，有外力固定和無外力固定的塑型情形

由實驗結果可以得知，透過加熱，高分子會變軟，直接降至室溫後可以被塑型。在有外力固定的情況下，溫度愈高捲曲的狀況會愈明顯，然而捲到一定程度後則不再改變。然而，定型後的樣品經過浸泡於熱水後，由於樣品中有殘存的應力，樣品的形狀會逐漸變的較為展開，然而改變的程度也與採用的高分子樣品種類密切的相關。浸泡於熱水中的時間也會影響到高分子材料型變成度。當塑型溫度低於玻璃化轉移溫度（glass transition temperature, T_g）時，塑型變得較為困難。然而聚苯乙烯（PS）的玻璃化轉移溫度較高（≥100°C），使得其材質較硬，造成塑型困難。然而如果高分子長時間受力且具有充分能量能達到較穩定的狀況時，塑膠材料也可以被塑型。除了將高分子捲起來以外，也可以讓學生嘗試將樣品彎曲成不同的幾何結構（例如：螺旋狀、多邊形）。

•  實驗裡面的原理

物質分成三種狀態：固態、液態、氣態；可透過分子與分子間距離的遠近和分子移動的速率來做區分。當物質為固態時，分子與分子之間的堆積較為緊密，且分子不可任意移動，因此它具有固定的體積和形狀。當物質為液態時，分子與分子間的距離較固態時大，因此分子可以任意移動，造成液態受到外力作用時並無固定的形狀。當物質為氣態時，分子間的距離為最大，因此並沒有固定的體積和形狀。

高分子材料為甚麼有時候是透明的？為甚麼有些高分子材料是不透光的呢？透明的高分子通常結晶度較低，其晶體過小從而無法造成光散射。然而不透光的高分子結晶性較強，所形成的結晶因光散射而造成材料呈現霧霧的狀態。

在前言中，我們提及生活中常見的塑膠為一種常見的物質，這次實驗所介紹的新物質─「塑膠」，具有一種被稱為「玻璃態（glassy state）」的狀態。當塑膠達到某一個溫度時，分子間的鏈結會進行局部運動，造成塑膠會在較硬的固態或較柔軟的類液態之間進行玻璃化轉變，其取決於各種塑膠的玻璃化轉移溫度（T_g）範圍，而此範圍由該材料的結晶程度來決定。當溫度高於T_g時，塑膠分子鏈得到足夠的動能，從而使得塑膠變得較柔軟，使得我們可以進行高分子的塑形。當溫度降到T_g以下時，由於高分子的動能大幅降低，造成分子鏈被鎖住在非平衡的狀態下。而再次重新加熱塑膠後，塑膠中本來被鎖住的分子因為得到足夠的動能，讓原先已被固定的塑膠又會變回原先的樣子。加熱使得高分子能〝鬆弛〞，乃至使得高分子樣品在一定程度上能恢復原本的形狀。本實驗在一定程度上說明了溫度是影響分子運動的主要原因，而溫度的高低會影響樣品在相同時間下吸收到能量多寡。吸收熱量的時間對於材料呈現出的特性有正相關。

• 安全注意事項

·      塑膠樣品的邊緣，較為鋒利，應注意安全。

·      由於實驗會使用到熱水，應注意避免燙傷。

·      接觸玻璃杯時，應著防熱手套。

•  補充資料

玻璃化轉移溫度（T_g）其實不是一個固定的數值，會受塑膠本身分子量、結構、塑膠過往的熱處理製程等因素的影響。表五是塑膠材質的回收編號等資料。

表五：塑膠材質的回收編號、名稱、T_g及特色

• 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.      塑膠與溫度變化互動，http://www.ppsolutions.com.tw/chinese/plastictemperature。

3.      常見塑膠材質、特性、常見產品及耐熱溫度，https://www.fda.gov.tw/upload/133/2015011414464365235.pdf。

4.      Mateus, A.L., Polymer Processing Demonstration Using PET Bottles, J. Chem. Educ. 2019, 96, 8, 1696.

中學化學示範：
自製簡易蒸餾裝置進行示範教學

 

李俊穎

新北市立光復高級中學
[email protected]

• 前言

面對新課綱的高中化學課程，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，有提到主題「物質的結構與功能（C）」和副主題「物質的分離與鑑定（Ca）」，以及相關的學習內容「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。」。為配合108課綱的學習內容，筆者設計一個利用家用物品組裝簡易的蒸餾裝置，在教學方法上以師生互動對話討論的方式進行示範教學，在問與答之間引導學生觀念的建構，在操作與觀察之中思考其中的原理。此示範教學也配合手機直播的方式讓在教室遠方的學生方便觀察細微的現象。

筆者規劃約15分鐘的演示教學內容，分為三個部分：第一部分由生活常見的米酒、高粱酒切入，並且透過點火說明米酒的酒精濃度不足以直接點燃；第二部分利用自製的簡易蒸餾裝置展示蒸餾的過程並藉此說明其原理；最後一個部分則以食鹽的溶解度粗略地判斷酒精的濃度，並以咻聲瓶的點火作為結尾。

• 示範教學影片欣賞

影片網址：自製簡易蒸餾裝置進行示範教學，https://www.youtube.com/watch?v=z0iMuc_j52E。

• 器材與藥品

l 器材：塑膠水盆 2個、寶特瓶（標籤撕掉） 2個、電工膠布 1捲、空鋁罐 5個、燒杯（50 mL）4個、燒杯（250 mL）1個、燒杯（1000 mL）1個、塑膠滴管 5隻、水果叉（或蛋糕叉）數隻、藥勺  1隻、冰塊（冰浴用）適量、食鹽適量。

l 藥品：料理米酒1瓶、58°高粱酒 1瓶、酒精（95%）1瓶。

l 視訊直播器材：手機 1隻（可連線網路，筆者以自己的臉書帳號直播）

• 示範教學過程

階段一：    酒類介紹與可燃性示範

1.    首先，教師在桌面上擺放「料理米酒」和「金門高粱酒」兩種家庭常見的酒類，藉此吸引學生的目光並且引導學生思考這兩種酒的差異。在此階段大多數的學生可以透過瓶身的標示說出酒精濃度的差異，引導學生觀看標籤，米酒的酒精濃度大多落在19~22%，高粱酒大多為58%，如圖1所示。

圖1：陳列米酒和高粱酒給學生觀察並引導討論酒精濃度的差異。

2.    接著，讓學生猜測米酒與高粱酒何者可以點火燃燒。教師利用鋁罐倒立的凹槽作為燃燒平台，分別倒入少量的米酒和高粱到兩個鋁罐凹槽，以點火槍點火，並請學生仔細觀察何者可以著火燃燒，此時暫時關閉教室的電燈會更有助於觀察，如圖2所示。

 

圖2：以點火槍點燃米酒（在白色鋁罐凹槽內）和高粱酒（在黃色鋁罐凹槽內），高粱酒可以點燃，米酒則否。

3.    教師帶領學生討論上述點火實驗的結果，此階段大多的學生會了解酒精濃度是能否著火的關鍵，但可能不太清楚可以燃燒的酒精臨界濃度，此時示範教師可以口頭說明需要約40%以上（大多文獻資料提到50%或以上）的酒精濃度才能順利點火燃燒，因此米酒無法點燃，高粱酒則可以燃燒。

階段二：    自製簡易的蒸餾裝置

1.    首先，請學生仔細觀察教師的示範，並且提示觀察現象與稍後的問題討論相關。此時教師取出兩個燒杯，並於其中一個燒杯內倒入80毫升的95%酒精，此時可邀請一位學生取另一個燒杯裝滿自來水，接著倒入自來水到裝有酒精的燒杯中，以水稀釋酒精至刻度約200毫升處，此時教師詢問學生酒精濃度的改變，最終稀釋的酒精濃度約落於30~40%之間。

2.    隨後，教師取出兩個寶特瓶（標籤撕掉），倒入上述的酒精溶液到其中一個寶特瓶內，拿起另一個寶特瓶請學生仔細觀察瓶內有無液體，教師強調瓶內是乾燥的並無其他液體成分。此時教師邀請另一位學生協助將兩個瓶子的瓶口對接在一起，裝有酒精溶液者為下瓶，空瓶子為上瓶，如圖3所示。

 

圖3：教師說明蒸餾裝置的架構（左）；邀請學生協助組裝蒸餾裝置（右）。

3.    以電工膠布纏繞兩個寶特瓶的瓶口對接處，待螺紋處都纏繞一圈膠布後，小心地扳彎折上方的寶特瓶，使之產生一點的角度，再纏繞數圈膠布。扳動瓶身加大彎折角度，再次纏繞數圈膠布。重複上述步驟直至兩個瓶身的夾角約120°，如圖4所示。

 

圖4：在組裝蒸餾裝置時，邊纏繞邊彎折做出夾角，直到兩瓶瓶身的夾角約120°。

4.    取出兩個塑膠盆，下瓶端（裝酒精溶液者）浸泡在熱水浴中並蓋上兩條抹布以利保溫，上瓶端（空瓶）浸泡冰水浴中，完成蒸餾裝置如圖5所示。在完成組裝裝置後。引導學生思考此裝置的組裝用意為何，並且藉此討論蒸餾的原理。

 

圖5：自製簡易蒸餾裝置的組裝（左）；組裝完成蒸餾裝置的外觀（右）。

5.    在等待蒸餾的同時，教師引導學生討論蒸餾的關鍵是利用沸點的差異分離物質。此時教師取出另一個空寶特瓶，倒入約20毫升的米酒，蓋上瓶蓋後浸泡於熱水浴中。討論過程中教師引導學生回憶裝置組裝過程，並請同學嘗試提出見解，在1至2分鐘後教師取出在熱水浴中的寶特瓶並打開瓶蓋，邀請學生以點火槍朝向瓶口點火，便可觀察到漸層的火焰由瓶口燃燒至瓶底，並發出咻聲（咻聲瓶），如圖6所示。

 

圖6：寶特瓶內裝20毫升米酒，浸泡瓶身到熱水浴中（左）；點燃米酒蒸出的酒精蒸氣，進行咻聲瓶的示範（右）。

6.    在咻聲瓶實驗結束後，教師引導學生思考原本無法燃燒的米酒，為什麼在浸泡熱水後，產生容易燃燒的蒸氣，藉此引導學生推理出蒸餾裝置的蒸餾原理。

階段三：    蒸餾液與酒精濃度的檢驗

1.    在等待蒸餾液產生的同時，教師取出四個鋁罐並倒置在桌上，拿出食鹽以藥勺（小端）各取一平匙的食鹽放置於鋁罐凹槽處，分別滴入1毫升的水、米酒、高粱酒、酒精（95%）。，如圖7所示。

 

圖7：取一平匙的食鹽，分別放置於4個鋁罐的凹槽（左）；分別滴入1毫升的水、米酒、高粱酒及95%酒精（右）。

2.    邀請四位學生以拋棄式水果叉仔細攪拌，請學生仔細觀察食鹽的溶解情形。由於食鹽溶解情形不太容易觀察，因此在情況，教師可以使用手機以直播的方式拍攝特寫，讓在教室遠方學生可以在網路上同步觀察食鹽的溶解情形，如圖8-9所示。

 

圖8：學生以水果叉攪拌溶液觀察食鹽的溶解情形（左）；透過手機直播特寫細微現象，讓更多學生能同時觀看（右）。

圖9：在示範的影片中，以子母畫面插入手機直撥的特寫畫面，有助於呈現較細微的觀察。

3.    在攪拌完畢後，請學生觀察食鹽的溶解情形。食鹽幾乎完全溶解在水中，而幾乎完全沒有溶解在95%酒精中，未溶解的食鹽量（由少到多）依序為水、米酒、高粱酒、95%酒精，如圖10所示。

 圖10：以一平匙的的食鹽溶解在1毫升的95%酒精、高粱酒、米酒及水中，未溶解的食鹽依序遞減（酒精剩餘最多，而水幾乎全部溶解）。

4.    示範到此，蒸餾裝置內的蒸餾液大約可以蒐集到1毫升左右，接著教師拆開蒸餾裝置，並取出另一個鋁罐仿照上述步驟，以食鹽的溶解度粗略地檢驗酒精的濃度，發現蒸餾液的酒精濃度與高粱酒差不多（酒精濃度提高了），如圖11所示。

圖11：取出蒸餾液約1毫升，溶解等量的食鹽，發現未溶解食鹽介於高粱酒與95%酒精之間。

5.    取得少量的蒸餾液與原先蒸餾前的酒精溶液（酒精濃度約30~40%），分別滴加於兩個鋁罐的凹槽，以點火槍進行燃燒檢驗。此時學生觀察到蒸餾液可以輕易點燃（酒精濃度已提高），而未蒸餾的酒精溶液難以點燃，如圖12所示。（若酒精溶液為40%，長時間點火還是可以成功燃燒）

 

圖12：分別倒入少量的蒸餾液（左鋁罐）與未蒸餾的30~40%酒精溶液（右鋁罐）到鋁罐的凹槽（左）；以點火槍點火，蒸餾液可以輕易點燃而未蒸餾的酒精溶液則不易點燃（右圖）。

6.    最後示範，教師倒出蒸餾裝置上瓶中的蒸餾液，瓶身稍微浸泡在熱水浴中，使殘留在瓶內的酒精蒸氣快速揮發，邀請學生操作咻聲瓶實驗，結束此次示範，如圖13所示。

圖13：倒出上瓶（冷凝瓶）中的蒸餾液後，利用瓶內剩餘的酒精蒸氣進行咻聲瓶的實驗。

 

• 安全注意事項與廢棄物處理

1.  由於本實驗有少部分點火的需求，因此在實驗操作場所旁，須備有水盆與濕抹布。

2.  進行咻聲瓶實驗時，建議使用長柄的點火槍較為安全，若要以普通打火機點火，建議戴上麻布工作手套與安全眼鏡以免燙傷。

3.  酒精、高粱酒、米酒對環境無害，實驗過後可直接以水清洗乾淨即可。

4.  實驗用過的寶特瓶、鋁罐，妥善回收即可。

• 實驗原理

一、  蒸餾的簡易原理

蒸餾是一種藉由混合物沸點的差異來分離物質的一種物理分離方法，透過蒸餾裝置（見圖14），當加熱蒸餾瓶內的溶液時，沸點較低的物質較容易揮發而形成蒸氣，流經冷凝管時蒸氣被冷卻回到液態，此時於右端的圓底燒瓶內可收集到沸點較低的物質。

圖14：實驗室典型的蒸餾裝置圖：1.熱源、2.罐式蒸餾器3.蒸餾頭、4.溫度計/沸點溫度、5.冷凝器、6.冷卻水入口、7.冷卻水出口、8.餾出物/接收瓶、9.真空/氣體入口、10.接受器、11.加熱控制器、12.攪拌速度控制、13.攪拌器/加熱板、14.加熱槽（油或砂）、15.攪拌棒/防撞顆粒、16.冷卻槽

（圖片來源：蒸餾，https://zh.wikipedia.org/wiki/蒸餾）

以本示範實驗為例，利用兩個寶特瓶的瓶口對接，一瓶作為蒸餾瓶以熱水浴的方式讓更多的酒精揮發，另一瓶作為蒸餾液（冷凝液）的收集瓶，以冰水浴的方式冷凝酒精蒸氣並儲存於瓶中，一段時間後便可得到酒精濃度更高的蒸餾液。

二、  蒸餾實驗的進階原理

由於酒精和水的混合物並非理想溶液，因乙醇和水分子在混合前後存在氫鍵環境改變的關係，使得溶液呈現正偏差，當乙醇成分佔有95.6%時，即產生共沸物（azeotrope），其共沸點（azeotropic point）為78.15℃，因此市售酒精濃度最高為95.6%；本實驗所使用的酒精溶液，乙醇濃度約落在35~40%（莫耳分率0.18~0.21），由圖15可知，所得冷凝液的組成乙醇會提升至約73~76%（莫耳分率0.52~0.55）。根據上述資料理解，本次實驗所收集到的蒸餾液，可輕易點火燃燒，可推知食鹽的溶解度介於58%酒精的高粱酒與95%酒精之間。

 

圖15：乙醇和水混合物的液相（Liquid Composition）與氣相（Vapor Composition）組成關係圖（左），其中橫軸為乙醇莫耳分率，縱軸為絕對溫度；乙醇水溶液的液相與蒸氣的氣相莫耳分率組成對照圖（右），其中橫軸為液相的乙醇莫耳分率，縱軸為氣相的乙醇莫耳分率。

（圖片來源：Fermentation,https://che.gg/2T20esJ;Vapor-Liquid Equilibrium Data, https://bit.ly/2LpF9UV.）

三、  用食鹽的溶解度粗略地判定酒精的濃度

食鹽於水中的溶解度為25℃之下，36 g / 100 g H₂O，而在乙醇中則為0.065 g / 100 g C₂H₅OH。氯化鈉是一種標準的離子化合物，在強極性的水中有很高的溶解度，而在有機溶劑（如乙醇）中的溶解度有明顯的下降，因此本示範實驗利用食鹽的溶解情形粗略地判斷溶液中的酒精濃度。由實驗結果得知，取1平匙藥勺（小端）的氯化鈉（溶質）放入1毫升的液體（溶劑），所有的食鹽可完全溶解在純水中，而幾乎完全不溶在95%酒精在。因此可藉由觀察不同液體溶解的食鹽量來粗略地判斷米酒、高粱酒以及蒸餾得到蒸餾液的酒精濃度高低。

• 教學應用與延伸

一、  示範操作提醒

1.    本示範實驗使用自製的蒸餾裝置，以電工膠布纏繞黏合時務必檢查是否氣密，避免蒸餾失敗。

2.    浸泡熱水浴時，建議以飲水機再沸騰後取用，需要較高的溫度才能縮短蒸餾的時間。

3.    為了加速蒸餾時間，筆者以體積百分率約40%的酒精稀釋液進行蒸餾，耗時約15分鐘後可得蒸餾液約1毫升。若以米酒直接蒸餾可能無法在短時間內得到足夠的蒸餾液，且蒸餾液的酒精濃度不高，不容易點火成功。

4.    本示範實驗嘗試結合手機用常見的社群平台以直撥方式呈現，但是畫質容易不清晰。若於教室內操作時，可以採用「實物投影機」，直接將操作的細節現場投影在電視或是螢幕上。

5.    示範這個實驗，教師應實行適當的風險評估。

二、  課程結合

配合108課綱所頒佈的高一化學（全），其中提及在「物質的分離與鑑定（Ca）」部分，在課程設計上有提到學習內容「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。」。筆者規劃「蒸餾」實驗的示範教學，由於本實驗設計可以透過家中方便取得的材料進行，因此在教學上可以要求學生在家中製作完成再統一帶到學校進行實測，或是分組進行競賽、評分，如此可以解決課堂時間有限的問題，亦可落實新課綱的實作精神。

此外，本示範實驗的第三部分可以配合高一化學（全）的「水溶液中的變化（Jb）」透過觀察食鹽在水、各式酒類及酒精之中的溶解情形，可以適時引導到溫度對於溶解度的影響，並結合前後課程相互呼應，使得知識得以學以致用和概念統整。

在進階的選修化學領域方面，在選修化學（I）─「物質與能量篇「物質的反應、平衡及製造」章節，提及「CJb-Va-4拉午耳定律與理想溶液」亦可讓學生延伸思考溶液組成與蒸氣組成的變化，以及理想溶液與非理想溶液的偏差情形。

三、探究與實作課程的開發

雖然本示範實驗為教師示範為主，但是極具開發為探究與實作課程的潛力，例如本次的蒸餾實驗裝置，可以設計拆分為三個學習階段，讓學生先就蒸餾的原理進行討論、分析、資料蒐集、實作並改良。未來，作者構思在自然科學探究與實作的課程，利用此簡易蒸餾裝置作為設計的源頭，引導學生發揮創意，讓他們設計快速的且有效的、節約能源的蒸餾裝置和操作方式、以及精準的定量分析方法，以培養學生問題解決的能力。

此外，在蒸餾液收集後的檢驗方面，由於本實驗並非使用精密的實驗器材操作，因此必定與理論值有相當程度的落差，可針對教高年級的學生引導相關的討論，例如溶液與蒸氣的組成差異、非理想溶液的正負偏差，並著手設計能夠進一步驗證定量的實驗。

近年來資訊能力備受重視，因此課程開發上可以嘗試透過系統化的實驗數據收集、微型化的數位實驗探測素材、電腦編成管理…等，適度的結合資訊科技教育與科學素養的養成，訓練學生以電腦軟體（如Excel）整理數據和運算，正確且適切地作圖表達實驗結果。以小組為單位口頭報告並結合實體操作，除了能夠統整每個階段的學習歷程之外，也可以結合群性的陶冶與資料蒐集分析、表達分享等能力培養。

• 致謝

特別感謝國立彰化師範大學化學系楊水平老師的指導與討論，以及新北市立光復高級中學科學魔法社團隊提供的實驗協助以及拍攝和影片後製作。

• 參考資料

1.         高中化學（全），龍騰版，108年初版，p10。

2.         蒸餾，https://zh.wikipedia.org/wiki/蒸餾。

3.         蒸餾，大學化學實驗，第二版，國立臺灣大學出版中心：臺北，民95年。取自：https://bit.ly/2T1iSkm。

4.         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。

5.         Raymond Chang, Chemistry, Eighth edition, McGraw-Hill Education (Asia), 2005, pp. 500~506。

6.         Fermentation By Yeast Produces Ethanol, https://che.gg/2T20esJ.

7.         Vapor-liquid equilibrium data, Dortmund Data Bank, https://bit.ly/2xZFH0P.

8.         DIY Solar Water Distiller!, https://bit.ly/2xZGLBR.

中學化學示範：
氣體三大定律的定性示範實驗

 

施麗姍、賴愉方、楊水平*

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

n  前言

根據十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要，在第五學習階段（加深加廣選修）中提到主題「物質系統（E）」之次主題「氣體（Ec）」，其學習內容有「CEc-Va-5理想氣體與真實氣體。」且其學習內容說明提到「5-1理想氣體與真實氣體之間的差異。以電腦模擬幫助學生建立理想氣體粒子模型與微觀概念。可以示範實驗說明三大定律。」本文作者利用家用物品和廢棄物使用家用工具製作零件，設計簡易的氣體三大定律定性示範實驗，以符合十二年國教自然科學領域課程綱要，提供給高中化學教師教學的參考。

n  觀賞示範影片

影片網址：氣體三大定律的定性示範實驗，https://youtu.be/qFB5dX7FlTE。

n  器材和工具

一、  波以耳定律的示範實驗

長尺（100 cm） 1支、PP板（100 cm × 60 cm） 1片、雙面泡棉膠 1捲、細塑膠軟管（外徑6 mm × 內徑4mm × 長約100 cm） 1條、長尾夾（中型） 1個、剪刀 1支、塑膠注射筒（容量3 mL和25 mL，不含注射針）各1個、標籤貼（不同顏色）若干、螺絲起子（直徑5.0 mm和6.0 mm）2支、尖嘴鉗 1支、食用色素 1盒、紅色水溶液少許、軟性寶特瓶（600 mL）1個。本實驗所需器材和工具由左而右排列，如圖一所示。

圖一：波以耳定律的示範實驗所需器材和工具

二、  查理定律的示範實驗

本實驗所需的器材和工具如波以耳定律的示範實驗，除了藍色水溶液（取代紅色水溶液）少許、1個硬性寶特瓶（取代軟性寶特瓶）之外，如圖二所示。此實驗不必使用長尾夾。

圖二：查理定律的示範實驗所需器材和工具

三、  亞佛加厥定律的示範實驗

本實驗所需的器材和工具如波以耳定律的示範實驗，除了紫色水溶液（取代紅色水溶液）、1個硬性寶特瓶（取代軟性寶特瓶）之外，增加1支螺絲起子（直徑3 mm）和1條約10 cm長的細塑膠軟管（外徑0.6 cm，內徑0.4 cm），如圖三所示。此實驗不必使用長尾夾。

圖三：亞佛加厥定律的示範實驗所需器材和工具

n  事前準備—製作零件和組合裝置

一、  波以耳定律的示範實驗

1.  使用中型螺絲起子（直徑5 mm），先穿洞寶特瓶的瓶蓋，再用大型螺絲起子穿洞使孔洞更大，如圖五所示。

 

圖四：使用中型螺絲起子穿洞（左），再用大型螺絲起子穿洞（右）

2.  用剪刀，裁剪塑膠管的一端成為尖形，再穿入瓶蓋的孔洞中，如圖五所示。

 

圖五：塑膠管一端剪成尖形（左），穿入瓶蓋的孔洞（右）

3.  用尖嘴鉗，夾住塑膠管的尖端，夾緊塑膠管的尖端並使力拉出瓶蓋約2公分，然後確認瓶蓋可以蓋回寶特瓶，如圖六所示。

 

圖六：拉住尖端使之進入瓶蓋（左），確認瓶蓋可蓋回寶特瓶（右）

4.  放置一張大片的PP板以橫式在桌面上，在0、50、100公分處分別黏貼泡雙面棉膠，然後貼上直尺，如圖七所示。

  

圖七：在0公分處（左）、50公分處（中）、100公分處（右）貼上雙面泡棉膠並貼上直尺

5.  同樣地，於直尺上方0、50、100公分處再次分別黏貼雙面泡棉膠。於0公分處黏貼寶特瓶並與其瓶底切齊、於50和100公分處黏貼細塑膠管，如圖八所示。

  

圖八：於0公分處、51公分處、100公分處黏貼雙面泡棉膠

6.  用小型注射筒，吸取紅色食用色素，注射到塑膠管內（注射前要先移開瓶蓋）。為了要讓後方的學生能夠看得清楚，需要注射水柱長度2～3公分，接著使用大型注射筒注入空氣使紅色水柱移動至約50公分處（因為蓋上瓶蓋後會再移動，所以不可太接近100公分處），如圖九所示。

  

圖九：小型注射筒注入紅色水柱（左），用大型注射筒移動水柱（中），移到約50公分處（右）

7.  蓋回瓶蓋（不是轉瓶蓋而是轉瓶身），此時紅色水柱會移動到70-80公分處。然後，彎折塑膠管末端多餘的部分並用長尾夾夾緊（頂住PP板末端），如圖十所示。

  

圖十：蓋回瓶蓋（左），紅色水柱70-80公分處（中），長尾夾夾住塑膠管（右）

二、  查理定律的示範實驗

1.  製作的過程及其細節，如前面的波以耳定律的示範實驗一樣（PP板和直尺可共用）。

2.  使用硬性寶特瓶取代軟性寶特瓶，同樣地寶特瓶的瓶底黏貼於0公分處。。

3.  使用藍色食用色素取代紅色食用色素，如圖十一左所示。

4.  瓶蓋蓋回寶特瓶的瓶口（不是轉瓶蓋的方式蓋回瓶蓋而是轉瓶身，如圖十一中所示），此時藍色水柱會往右移動。塑膠管末端多餘的部分不必用長尾夾夾住，讓它自然垂放即可，如圖十一右所示。

  

圖十一：使用藍色食用色素（左），以轉瓶身方式蓋回瓶蓋（中），塑膠管末端不必用長尾夾夾住（右）

三、  亞佛加厥定律的示範實驗

1.   製作的過程及其細節，如前面的波以耳定律的示範實驗一樣（PP板和直尺可共用）。。

2.  使用硬性寶特瓶取代軟性寶特瓶。

3.  此外，在硬性寶特瓶的瓶底，使用小型螺絲起子在瓶身底部穿洞，再分別使用中型和大型螺絲起子穿洞使孔洞更大，如圖十二所示。

  

圖十二：使用小型（左）、中型（中）、大型（右）螺絲起子穿孔洞

4.  使用另一條長約10公分的細塑膠管，一端用剪刀剪成尖形並強力地穿入瓶底的洞口，使細塑膠管在瓶內約1-2公分。另一端套上大型注射筒，如圖十三所示。

 

圖十三：塑膠管的一端剪成尖形（左），穿入瓶底的孔洞（右）；另一端套上大型注射筒（右）

5.  使用紫色食用色素取代紅色食用色素。

6.  彎折寶特瓶底端的塑膠管並並用長尾夾夾緊，再套上注射筒，如圖十四所示。

  

圖十四：彎折塑膠管（左），用長尾夾夾住（中），套上注射筒（右）

n  正式示範

一、  波以耳定律的定性示範實驗

1.  攜帶事先準備的「波以耳定律的示範實驗裝置」到教室，以橫式直立方式放在示範桌上。（可請一位學生幫忙固定。）

2.  在未擠壓寶特瓶時，在PP板上紅色水柱的右邊貼上綠色標籤紙表示其原來的位置，如圖十五上所示。

3.  用手擠壓軟性寶特瓶的瓶身，觀察紅色水柱位置的移動，並貼上粉色標籤，如圖十五中所示。

4.  放鬆軟性寶特瓶瓶身，觀察紅色水柱位置的移動，如圖十五右所示。

圖十五：當未擠壓軟性寶特瓶時，紅色水柱固定不動（上）；當擠壓時，紅色水柱往右移動（中）；放鬆後，紅色水柱往左移動（下）

二、  查理定律的定性示範實驗

1.  攜帶事先準備的「查理定律的示範實驗裝置」（PP板和直尺可共用），並以橫式直立方式放在示範桌上。（可請一位學生幫忙固定。）

2.  在PP板上藍色水柱的左邊貼上綠色標籤紙表示其原來的位置，如圖十六上所示。

3.  單手浸泡裝有溫熱水的水盆中（約10秒），快速地擦乾手上多餘的水份。用溫熱的手輕輕地握住硬性寶特瓶瓶身，觀察藍色水柱位置的移動，貼上藍色標籤貼，如圖十六中所示。

4.  用毛巾浸泡裝有冰水的水盆中，擰乾。把冰冷的毛巾輕輕地覆蓋在硬性寶特瓶的瓶身上，觀察藍色水柱的位置變化，貼上黃色標籤貼，如圖十六下所示。

圖十六：當未用手觸摸時，藍色水柱固定不動（上）；用溫熱的手覆蓋瓶身時，藍色水柱往右移動（中）；用冰冷的毛巾覆蓋時，藍色水柱往左移動（下）。

三、  亞佛加厥定律的定性示範實驗

1.  攜帶事先準備的「亞佛加厥定律的示範實驗裝置」（PP板和直尺可共用）到教室，並以橫式直立放在示範桌上。（可請一位學生幫忙固定。）

2.  在PP板上紫色水柱的左邊貼上綠色標籤紙表示其原來的位置，如圖十七上所示。

3.  打開左側的長尾夾，慢慢地注入注射筒裡的空氣（約5mL）。觀察紫色水柱位置的移動，貼上粉色標籤貼，如圖十七下所示。

圖十七：當未打入空氣時，紫色水柱固定不動（上）；當打入空氣時，紫色水柱往右移動（下）。

n  氣體三大定律的定性觀察

一、  波以耳定律的示範實驗

1.  當未擠壓軟性寶特瓶時，紅色水柱固定不動，表示在特定溫度下，塑膠管內紅色水柱與長尾夾之間的氣體壓力固定不變（為P₁），其體積也固定不變（為V₁）。

2.  當擠壓軟性寶特瓶的瓶身時，紅色水柱向右移動，表示在特定溫度下，塑膠管內紅色水柱與長尾夾之間的氣體壓力變大（到P₂），使其體積變小（到V₂）。

3.  當放鬆軟性寶特瓶的瓶身時，紅色水柱向左移動，表示在特定溫度下，塑膠管內紅色水柱與長尾夾之間的氣體壓力變小（到P₃），使其體積變大（到V₃）。

二、  查理定律的示範實驗

1.  當未用手觸摸硬性寶特瓶時，藍色水柱固定不動，表示在特定壓力下，塑膠管內藍色水柱與寶特瓶之間的氣體溫度固定不變（為T₁），其體積也固定不變（為V₁）。

2.  當用溫熱的手握住硬性寶特瓶的瓶身時，藍色水柱向右移動，表示在特定壓力下，塑膠管內藍色水柱與寶特瓶之間的氣體溫度上升（到T₂），使其體積變大（到V₂）。

3.  當用當用冰冷的毛巾覆蓋在硬性寶特瓶的瓶身時，藍色水柱向左移動，表示在特定壓力下，寶特瓶與塑膠軟管內部的氣體溫度下降（到T₃），使其體積變小（到V₃）。

三、  亞佛加厥定律的示範實驗

1.  當未打入空氣到硬性寶特瓶時，紫色水柱固定不動，表示在特定溫度和壓力下，塑膠管內紫色水柱與寶特瓶之間的氣體分子數（或莫耳數）固定不變（為n₁），其體積也固定不變（為V₁）。

2.  當打開長尾夾且注入注射筒裡的空氣（約5mL）後，紫色水柱向右移動，表示在特定溫度和壓力下，塑膠管內紫色水柱與寶特瓶之間的氣體分子數（或莫耳數）變大（到n₂），使其內部體積變大（到V₂）。

n  化學原理與概念

一、  波以耳定律

定性描述：當溫度恆定時，若體積增加，則壓力減少，反之亦然。

定量描述：在溫度不變的情況下，理想氣數體的體積與其所受到的壓力成反比，以數學公式表示，如式[1]所示。

    [1]

此處P₁和V₁分別為第一種狀態下氣體的壓力（atm）和體積（L），P₂和V₂分別為第二種狀態下氣體的壓力（atm）和體積（L）。

二、  查理定律

定性描述：當壓力恆定時，若溫度上升，則體積增加，反之亦然。

定量描述：在壓力不變的情況下，理想氣體的體積與其溫度成正比，以數學公式表示，如式[2]所示。

   [2]

此處T₁和V₁分別為第一種狀態下氣體的絕對溫度（K）和體積（L），T₂和V₂分別為第二種狀態下氣體的絕對溫度（K）和體積（L）。

三、  亞佛加厥定律

定性描述：當溫度和壓力恆定時，若分子的數量增加，則其體積增加，反之亦然。

定量描述一：在溫度和壓力不變的情況下，理想氣體的體積與其分子的數量成正比，以數學公式表示，如式[3]所示。

定量描述二：在同溫和同壓下，同體積的任何氣體含有相同數目的分子。

    [3]

此處V₁和n₁分別為第一種狀態下氣體的體積（L）和分子數（個），V₂和n₂分別為第二種狀態下氣體的體積（L）和分子數（個）。

n  氣體三大定律的定量實驗

本刊物《臺灣化學教育》曾經刊出氣體三大定律的定量實驗，分享給中學教師參考。這三個定量實驗的裝置，簡介如下：

一、  波以耳定律

一篇名為〈微量化學實驗：波以耳定律的微量實驗〉，在第14期出版。本實驗以家用物品設計波以耳定律的微量實驗，包含定性觀察實驗和定量測量實驗，如圖十八所示。提供給高中化學選修的教師示範實驗和學生實作的參考。

 

圖十八：波以耳定律的定性實驗（左）和定量實驗（右）的裝置圖

（圖片來源：波以耳定律的微量實驗，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=17257。）

二、  查理定律

一篇名為〈化學教室活動：發現查理定律和絕對零度〉，在第25期出版。本實驗的設計是利用植物油來封住一支有一端封口的毛細管的另一端，形成一個密閉系統的空氣柱。藉由水浴方式加熱或冷卻這支毛細管，測量在不同溫度下在空氣柱內空氣的體積，如圖十九所示。

 

圖十九：查理定律的定量實驗裝置圖（左）和定量測量的局部放大（右）

（圖片來源：發現查理定律和絕對零度，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=28024。）

三、  亞佛加厥定律

一篇名為〈微量化學實驗：亞佛加厥定律的微量實驗〉，在第14期出版。本實驗的設計力求使用無毒的、微量的藥品，並且使用小型的器材，易於攜帶且可回收再使用，以符合微量化學的特色，如圖二十所示。

圖二十：亞佛加厥定律的定量實驗裝置圖

（圖片來源：亞佛加厥定律的微量實驗，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=17138。）

n  結語

經過測試，本實驗設計的三個實驗裝置都能達到有效的定性觀察結果。波以耳定律的實驗裝置能夠因壓力的改變而使得體積有明顯的變化，教師易於操作，學生易於觀察；查理定律的實驗裝置容易在實驗過程中因轉換熱水與冰水的時間差而導致體積的變動稍大，教師在示範前多加練習操作，此實驗的變化現象學生易於觀察：亞佛加厥定律的實驗裝置能明顯地證明理想氣體的分子數目增加，體積隨之增加，教師易於操作，學生易於觀察。本實驗裝置的設計可以提供給教師教學氣體三大定律的參考。

n  參考文獻

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.  Boyle’s law, https://en.wikipedia.org/wiki/Boyle%27s_law.

3.  波以耳–馬略特定律，https://zh.wikipedia.org/wiki/波以耳–馬略特定律。

4.  查理定律，https://zh.wikipedia.org/wiki/查理定律。

5.  亞佛加厥定律，https://zh.wikipedia.org/wiki/亞佛加厥定律。

6.  理想氣體狀態方程式，https://zh.wikipedia.org/wiki/理想氣體狀態方程式。

7.  李錡峰、楊水平，微量化學實驗：波以耳定律的微量實驗，臺灣化學教育，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=17257。

8.  李錡峰、張鈞皓、郭峯廷、楊水平，微量化學實驗：發現查理定律和絕對零度，臺灣化學教育，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=28024。

9.  李錡峰、楊水平，微量化學實驗：亞佛加厥定律的微量實驗，臺灣化學教育，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=17138。