臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan設計適合國小學生動手做的化學實驗:國小學生調配不同比例玉米粉進行「擴溶現象」之探究 ／ 老嘉琪
星期五 , 8, 3 月 2019 本期專題, 第三十期/2019年03月 在〈設計適合國小學生動手做的化學實驗:國小學生調配不同比例玉米粉進行「擴溶現象」之探究 ／ 老嘉琪〉中留言功能已關閉設計適合國小學生動手做的化學實驗:
國小學生調配不同比例玉米粉進行「擴溶現象」之探究
老嘉琪
國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班
暑假期間，筆者無意間在電視上看到有關玉米漿的新聞，覺得相當新奇有趣，上網查了有關玉米漿的資料，發現玉米漿在特定比例時，居然有輕功水上飄的功用，因此我們想帶著學生更深入研究它的特性。五年級康軒版第五冊第三單元「水溶液」曾介紹水溶液的酸鹼性質的特性，因此我們想利用不同的酸鹼溶劑、不同的濃度，嘗試分析玉米漿的擴溶現象情形。網路提到玉米漿的最佳比例為玉米粉和水是4：3，因此想帶學生探究玉米粉和水的比例為3：2、7：5及4：3時，其中溶劑改用酸性、中性與鹼性水溶液，而溶劑濃度分別在1％、3％、5％、7％及9％時，玉米粉的擴溶情形是否相同？
n 擴溶現象是什麼？
擴溶現象（非牛頓流體）：過飽和玉米粉水溶液中的分子，受到外來強大力量時，會緊密地排列，抵擋外力，有類似固體(圖一)的效果；若外力一旦解除，或遇到緩慢的力時，分子則呈現鬆散的狀態，有類似液體(圖二)的效果。
n 研究設備及器材
一、澱粉：玉米澱粉。
二、藥品：純水、砂糖、食鹽、小蘇打粉、石灰水、檸檬酸、冰醋酸。
三、設備：電子秤、手機、相機、攜帶型pH計。
四、器材：燒杯、玻棒、量筒、小湯匙、滴管、抹布、衛生紙、橡皮筋、透明膠帶、乳膠檢驗手套。
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圖1 實驗器材照片 |
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n 實驗過程
【實驗一】不同濃度下，玉米粉在酸性水溶液
方法：
（一）用電子秤取42g的玉米粉十五次，分別置入十五個量杯中。
（二）取檸檬酸，調配成重量百分比濃度1%、3%、5%、7%、9%的酸性水溶液，並以pH檢測器確認其酸鹼性。
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檸檬酸（ml） |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
|
純水（ml） |
99 |
97 |
95 |
93 |
91 |
|
濃度（%） |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
（三）在步驟（一）的量杯中分別加入步驟（二）1～9％的檸檬酸各是28ml、30ml及31.5ml，使玉米粉與溶劑的比例如下表所示：
|
組別 |
一 |
二 |
三 |
|
玉米粉（g） |
42 |
42 |
42 |
|
溶劑（ml） |
28 |
30 |
31.5 |
|
粉與水重量比 |
3：2 |
7：5 |
4：3 |
（四）觀察並記錄杯中玉米漿的變化情形。
（五）將檸檬酸改成冰醋酸，重複步驟（一）至步驟（四）。
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調配不同比例之冰醋酸 |
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測試酸鹼性 |
攪拌玉米漿 |
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圖2學生進行實驗一的過程 |
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結果：
（一）酸性水溶液之pH值
1.檸檬酸
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1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
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pH值 |
2.8 |
2.4 |
2.1 |
1.9 |
1.7 |
2.冰醋酸
|
|
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
|
pH值 |
3.0 |
2.5 |
2.5 |
2.3 |
2.2 |
（二）玉米粉在酸性水溶液中之情形
1. 玉米粉：檸檬酸
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檸檬酸濃度 玉米粉：檸檬酸 |
1％ |
3％ |
5％ |
7％ |
9％ |
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3:2 |
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Í |
Í |
Í |
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7:5 |
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Í |
Í |
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4:3 |
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Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
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玉米粉：檸檬酸水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
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玉米粉在檸檬酸水溶液中之情形 |
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2. 玉米粉：冰醋酸
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冰醋酸濃度 玉米粉：冰醋酸 |
1％ |
3％ |
5％ |
7％ |
9％ |
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3:2 |
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Í |
Í |
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7:5 |
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4:3 |
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Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
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玉米粉：冰醋酸水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
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玉米粉在冰醋酸水溶液中之情形 |
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發現與討論：
（一）濃度1%、3%、5%、7%、9%的檸檬酸水溶液之酸鹼值：1%＞3%＞5%＞7%＞9%。
（二）濃度1%、3%、5%、7%、9%的冰醋酸水溶液之酸鹼值：1%＞3%＝5%＞7%＞9%。
（三）酸性水溶液的濃度越高，其酸鹼值越小，表示越酸。
（四）玉米粉在檸檬酸及冰醋酸水溶液時，溶劑越少時，玉米漿越不容易形成擴溶現象，溶劑較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
（五）玉米粉在檸檬酸及冰醋酸水溶液時，受濃度之影響。溶劑濃度較低者，玉米漿越容易形成擴溶現象；溶劑濃度較高者，玉米漿越不容易形成擴溶現象。
【實驗二】不同濃度下，玉米粉在中性水溶液
方法：
（一）用電子秤取42g的玉米粉十五次，分別置入十五個量杯中。
（二）取砂糖，調配成重量百分比濃度1%、3%、5%、7%、9%的中性水溶液，並以pH檢測器確認其酸鹼度。
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砂糖（g） |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
|
純水（ml） |
99 |
97 |
95 |
93 |
91 |
|
濃度（%） |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
（三）在步驟（一）的量杯中分別加入步驟（二）1～9％的砂糖水各是28ml、30ml及31.5ml，使玉米粉與溶劑的比例如下表所示：
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組別 |
一 |
二 |
三 |
|
玉米粉（g） |
42 |
42 |
42 |
|
溶劑（ml） |
28 |
30 |
31.5 |
|
粉與水重量比 |
3：2 |
7：5 |
4：3 |
（四）觀察並記錄杯中玉米漿的變化情形。
（五）重複步驟（一）至步驟（四），將砂糖改成食鹽。
|
不同濃度的食鹽水溶液 |
不同濃度的砂糖水溶液 |
不同濃度的砂糖水溶液與與玉米粉 |
|
用電子秤量取玉米粉 |
測試酸鹼性 |
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圖3 學生進行實驗二的過程 |
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結果：
（一）中性水溶液之pH值
1.砂糖水
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1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
|
pH值 |
7.5 |
7.3 |
7.0 |
7.4 |
7.5 |
2.食鹽水
|
|
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
|
pH值 |
7.3 |
7.2 |
7.2 |
7.1 |
7.2 |
（二）玉米粉在中性水溶液中之情形
1.玉米粉：砂糖水
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砂糖水濃度 玉米粉：砂糖水 |
1％ |
3％ |
5％ |
7％ |
9％ |
|
3:2 |
Í |
Í |
Í |
Í |
Í |
|
7:5 |
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|
4:3 |
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|
Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
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|
玉米粉：砂糖水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
|
玉米粉在砂糖水溶液中之情形 |
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|
|
2.玉米粉：食鹽水
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食鹽水濃度 玉米粉：食鹽水 |
1％ |
3％ |
5％ |
7％ |
9％ |
|
3:2 |
Í |
Í |
Í |
Í |
Í |
|
7:5 |
r |
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r |
r |
r |
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4:3 |
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|
Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
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|
玉米粉：食鹽水水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
|
玉米粉在食鹽水溶液中之情形 |
|
|
|
發現與討論：
（一）濃度1%、3%、5%、7%、9%的糖水水溶液之酸鹼值：1%＝9%＞7%＞3%＞5%。
（二）濃度1%、3%、5%、7%、9%的食鹽水水溶液之酸鹼值：1%＞3%＝5%＝9%＞7%。
（三）中性水溶液的酸鹼值呈現無規律性，表示不受濃度的影響。
（四）玉米粉在糖水及食鹽水溶液時，溶劑越少時，玉米漿越不容易形成擴溶現象，溶劑較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
（五）玉米粉在中性水溶液時，不受到濃度之影響，但與溶劑的量有很大的關聯性。
【實驗三】不同濃度下，玉米粉在鹼性水溶液
方法：
（一）用電子秤取42g的玉米粉十五次，分別置入十五個量杯中。
（二）取小蘇打粉，調配成重量百分比濃度1%、3%、5%、7%、9%的鹼性水溶液，並以pH檢測器確認其酸鹼度。
|
小蘇打粉（g） |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
|
純水（ml） |
99 |
97 |
95 |
93 |
91 |
|
濃度（%） |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
（三）在步驟（一）的量杯中分別加入步驟（二）1～9％的小蘇打水各是28ml、30ml及31.5ml，使玉米粉與溶劑的比例如下表所示：
|
組別 |
一 |
二 |
三 |
|
玉米粉（g） |
42 |
42 |
42 |
|
溶劑（ml） |
28 |
30 |
31.5 |
|
粉與水重量比 |
3：2 |
7：5 |
4：3 |
（四）觀察並記錄杯中玉米漿的變化情形。
（五）重複步驟（一）至步驟（四），將小蘇打粉改成石灰水。
|
不同濃度的小蘇打水溶液 |
量取小蘇打粉 |
測量水溶液的酸鹼性 |
|
調配不同濃度的石灰水溶液 |
不同濃度的石灰水溶液 |
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圖4 學生進行實驗三過程 |
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結果：
（一）鹼性水溶液之pH值
1.小蘇打水
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|
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
|
pH值 |
7.3 |
7.5 |
7.5 |
7.7 |
7.8 |
2.石灰水
|
|
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
|
pH值 |
9.9 |
10.7 |
11.2 |
11.4 |
11.9 |
（二）玉米粉在鹼性水溶液中之情形
1. 玉米粉：小蘇打水
|
小蘇打水濃度 玉米粉：小蘇打水 |
1％ |
3％ |
5％ |
7％ |
9％ |
|
3:2 |
Í |
Í |
Í |
Í |
Í |
|
7:5 |
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r |
r |
r |
r |
|
4:3 |
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|
Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
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|
玉米粉：小蘇打水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
|
玉米粉在小蘇打水溶液中之情形 |
|
|
|
2. 玉米粉：石灰水
|
石灰水濃度 玉米粉：石灰水 |
1％ |
3％ |
5％ |
7％ |
9％ |
|
3:2 |
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Í |
Í |
Í |
|
7:5 |
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r |
Í |
|
4:3 |
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™ |
™ |
Í |
|
Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
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|
玉米粉：石灰水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
|
玉米粉在石灰水溶液中之情形 |
|
|
|
發現與討論：
（一）濃度1%、3%、5%、7%、9%的小蘇打水溶液之酸鹼值：9%＞7%＞5%＞3%＞1%。
（二）濃度1%、3%、5%、7%、9%的石灰水溶液之酸鹼值：9%＞7%＞5%＞3%＝1%。
（三）鹼性水溶液的濃度越高，其酸鹼值越大，表示越鹼。
（四）小蘇打水溶液較少時，玉米漿無法形成擴溶現象；小蘇打水溶液較多時，玉米漿越容易形成擴溶現象。
（五）玉米粉在小蘇打水溶液時，不會受到濃度之影響，但與溶劑的量有很大的關聯性。
（六）石灰水溶液較少時，玉米漿越不容易形成擴溶現象；石灰水溶液較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
（七）玉米粉在石灰水溶液時，受到濃度之影響。石灰水濃度越低，玉米漿越容易形成擴溶現象；石灰水濃度越高，玉米漿越不容易形成擴溶現象。
（八）澱粉對鹼的抵抗力強，不易被分解（繼光清1988）。因此玉米粉在濃度較高的鹼性水溶液中，不易形成擴溶現象。
n 結語
一、不同濃度下，玉米粉在酸性水溶液
（一）玉米粉在檸檬酸及冰醋酸水溶液時，溶劑越少時，玉米漿越不容易形成擴溶現象，溶劑較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
（二）玉米粉在檸檬酸及冰醋酸水溶液時，受濃度之影響。溶劑濃度較低者，玉米漿越容易形成擴溶現象；溶劑濃度較高者，玉米漿越不容易形成擴溶現象。
（三）澱粉顆粒結構含有不定型區(amorphous region)和結晶區(crystalline region)。澱粉顆粒經酸水解作用會先從結構鬆散處水解，並且進入澱粉顆粒的中心，水解其不定型區，導致澱粉結晶顆粒結構不穩，最後破壞成小片段，使分子量變小；另一方面剩餘的小片段則為較不易被酸水解的結晶區，其結晶強度、熱穩定性和抗解澱粉含量皆會增加（張亙翔2012）。
二、不同濃度下，玉米粉在中性水溶液
（一）玉米粉在糖水及食鹽水溶液時，溶劑越少時，玉米漿越不容易形成擴溶現象，溶劑較
多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
（二）玉米粉在中性水溶液時，不受到濃度之影響。
三、不同濃度下，玉米粉在鹼性水溶液
（一）小蘇打水溶液較少時，玉米漿無法形成擴溶現象；小蘇打水溶液較多時，玉米漿越容易形成擴溶現象。
（二）玉米粉在小蘇打水溶液時，不會受到濃度之影響，但與溶劑的量有很大的關聯性。
（三）石灰水溶液較少時，玉米漿越不容易形成擴溶現象；石灰水溶液較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
（四）玉米粉在石灰水溶液時，受到濃度之影響。石灰水濃度越低，玉米漿越容易形成擴溶現象；石灰水濃度越高，玉米漿越不容易形成擴溶現象。
（五）澱粉對鹼的抵抗力強，不易被分解（繼光清1988）。因此玉米粉在濃度較高的鹼性水溶液中，有的可形成擴溶現象，有的卻無法形成擴溶現象。
n 心得感想
第一次帶學生進行科學探究活動，很多事情都懵懵懂懂、跌跌撞撞的，好在同事間願意互相幫忙，才能讓整個過程都相當順利。經過這次經驗，我學到帶領學生進行科學探究的第一步是引起孩子們的「動機」和「好奇心」，有了這兩樣法寶，才能帶領孩子熬過一些枯燥的計算，還有找資料、整理數據及繪製表格的艱辛過程。因此身為老師的我的任務即是不斷地激發孩子們的動機，時時鼓勵他們可以有一些天馬行空的想法(大膽假設)，再按照某些原理原則去設計實驗尋求答案(小心求證)。有了這次愉快的經驗，我想下次若有機會，我會大聲的說；「科學探究我來囉！~」
n 謝誌
感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系106學年度碩士在職專班碩一課程—化學特論（一）的周金城教授及全體同學協助，提供本文架構調整與內文修正之意見。
n 參考資料
一、繼光清（1988/06/22）。食品化學。財團法人徐氏基金會科學圖書大庫。
二、陳淑華（2001/11）。食物學原理。華香園出版社。
三、陳偉民、林金昇、江彥雄（2004）。3D理化遊樂場Ⅱ。天下文化書坊。
四、鍾逢彧。作品名稱：「泡膜」雲起「膜」登寶「澱」—澱粉起泡、成膜性質的探討及應用，新北市102學年度中小學科學展覽成果專輯。
五、莊雅雯、古明萱(2007)。葛鬱金與澱粉作物的澱粉性質比較。作物、環境與生物資訊4：77-87。
取自http://web.tari.gov.tw/csam/CEB/member/publication/4%281%29/008.pdf
六、趙瑩珊。非牛頓流體的奧妙。
取自http://www.shs.edu.tw/works/essay/2010/11/2010111422421588.pdf
七、蕭子平、林彥宏、林展諒。非牛頓也瘋狂。
取自http://www.shs.edu.tw/works/essay/2013/11/2013111220080915.pdf
八、芶芡。科技部–科技大觀園。
http://scitechvista.most.gov.tw/zh-tw/Audio/C/2/10/1/535.htm
九、澱粉特性。單元二澱粉特性之比較。
十、木薯粉。有健康網。
http://www.uuuwell.com/mytag.php?id=52442
十一、科學不一樣，「非牛頓流體」暫時固體記憶效應，TVBS新聞。
http://news.tvbs.com.tw/entry/542572
十二、黃芊惠、黃欣怡、黃暐家、陳宥瑾、蔡岳霖（2011）。作品名稱：遇強則強的玉米漿。科展群傑廳，臺灣網路科教館。http://www.ntsec.edu.tw/index.aspx
十三、張進宏、何儼存、楊弋潔、孫欣瑜、葉子揚（2011）。作品名稱：『澱』力公司—探討常見澱粉溶液的阻力」。金門地區第51屆科展。
取自http://passport.tc.edu.tw/contest/file/99_kinmen/a101/a101_00310.pdf
十四、張亙翔（2012）。碩士班專題討論：酸水解對澱粉物化性質的影響
十五、康軒版自然與生活科技五上第三單元「水溶液」。
十六、康軒版自然與生活科技五下第四單元「聲音」。
設計適合國小學生動手做的化學實驗:國小學童進行電池取火「燃燒火種」活動 ／ 黃郁芬、辛懷梓、張自立
星期四 , 7, 3 月 2019 本期專題, 第三十期/2019年03月 在〈設計適合國小學生動手做的化學實驗:國小學童進行電池取火「燃燒火種」活動 ／ 黃郁芬、辛懷梓、張自立〉中留言功能已關閉設計適合國小學生動手做的化學實驗:
國小學童進行電池取火「燃燒火種」活動
黃郁芬1, 3, *、辛懷梓2、張自立2
1國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班
2國立臺北教育大學自然科學教育學系
3新北市立土城區安和國民小學
■前言
在國小自然與生活科技五下課程「燃燒與生鏽」單元中，小朋友認識到燃燒的三要素應具備可燃物（紙張）、助燃物（氧氣）及達到燃點（燃燒的溫度）。因為錫箔紙表面存有可供燃燒的碳化物質，可以作為發火的材料，並且檢驗市售物品包裝錫箔紙，例如：青箭口香糖、菸盒內層錫箔紙…等。在網路電池取火的影片中，提及利用電池與錫箔紙取火當材料；另外，生鏽實驗中的材料鋼絲絨也可以作為電池取火的發火材料。因此再配合綜合活動野外取火的主題下在任教班級內進行課程的延展，藉由電池取火「燃燒火種」活動讓六年級學生複習燃燒與生鏽單元，以另一種方式認識燃燒。
■錫箔紙、鹼性乾電池取火原理和概念
目前市售的片裝口香糖都是包一層錫箔紙，錫箔紙的用途是在於防潮，避免口香糖上的糖粉會潮濕、並沾黏，此外也提供基本的隔熱效果，因為溫度會使口香糖膠變軟，相同方式也運用在市售菸盒內以防止香菸受潮。另外，鋼絲絨是由柔軟、有彈性的低碳少於2%鐵細線所組成，亦是很好的發火材料，鋼絲絨主要用在木工的曲面研磨及玻璃的清潔，在國小自然與生活科技五下課程「燃燒與生鏽」單元中，拿來進行生鏽實驗器材。兩者共通性都具有導電性適合進行本次實驗活動。
鹼性乾電池是日常中常見的物品，在實驗中將兩端寬中間窄的錫箔紙連接電池正負極上，會形成短路，過程中產生高溫。紙條中間窄處，是電阻最大的地方，溫度也是最高的地方，因為錫箔紙另一面存有可供燃燒的碳化物質，達到燃點時容易將其引燃，進而產生短暫燃燒。所以，實驗中可以用這種方法，引燃需要點燃的可燃物當成火種，如衛生紙或洋芋片。
■本課程實驗器材
1.厚手套4個2.錫箔盤4個3.青箭口香糖 3條4.1.5V三號乾電池3顆5.衛生紙1包6. 洋芋片1包7.濕抹布4條8.方形9V電池 1顆9.鋼絲絨1捲10.玻璃盤4個11.剪刀3把12.盒裝錫箔菸紙金銀兩色各1張
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圖一本課程實驗器材 (1) |
圖二本課程實驗器材 (2) |
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圖三本課程實驗器材 (3) |
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■教學流程
壹、準備活動
1.教師在課堂上播放YouTube電池取火影片讓全班學生觀察欣賞，並加入以洋芋片燃燒當火種的網路影片與鋼絲絨燃燒，引起學習動機。
2.介紹電池和電阻的關係，並說明電池生火原理。
3.說明電池取火可以應用範圍，非必要避免於日常生活中使用，遇到不同材質如市售口香糖錫紙及盒裝菸紙會有不同的結果的變化。
貳、發展活動
活動一：市售口香糖錫箔紙遇到3號鹼性乾電池
1.分組進行影片實驗，將市售口香糖錫箔紙剪出兩端寬中間窄約2~3mm，如圖九所示。
2.實驗學童戴上厚手套進行試驗，學生依照影片所示，將口香糖錫箔紙亮面接連至鹼性電池正負兩極，如圖八所示。學生會發現接觸兩極產生溫度，在溫度瞬間變高時，只造成中間窄處有燒黑情形、並未產生火焰燃燒效果，如圖七所示。
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圖四舊版青箭口香糖包裝紙(網路圖片) |
圖五新版青箭口香糖包裝紙 |
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圖六新版青箭口香糖包裝紙 |
圖七新版青箭口香糖包裝紙燃燒結果 |
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圖八學生實驗活動 (1) |
圖九學生實驗活動 (2) |
活動二：市售盒裝菸紙遇到3號鹼性電池
1.分組進行影片實驗，將市售菸盒錫箔紙兩種顏色，各剪出兩端寬中間窄約3~2mm。
2.實驗學童戴上厚手套進行試驗，學生如影片所示，將市售菸盒錫箔紙黃色亮面接連至鹼性電池正負兩極。學生會發現接觸兩極產生溫度，在溫度瞬間變高時只造成中間窄處有燒黑情形、並未產生火焰燃燒效果，如圖十所示。
3.實驗學童戴上厚手套進行試驗，學生依照影片所示，將市售菸盒錫箔紙銀色亮面接連至鹼性電池正負兩極，如圖十四所示。學生會發現接觸兩極產生溫度，在溫度瞬間變高時只造成中間窄處有火焰燃燒效果，如圖十三所示。
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圖十盒裝菸紙金色燃燒結果 |
圖十一盒裝菸紙銀色輕微碰觸結果 |
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圖十二盒裝菸紙銀色實驗過程 |
圖十三盒裝菸紙銀色燃燒結果 |
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圖十四學生實驗活動 (3) |
圖十五學生實驗活動 (4) |
4.實驗學童在此整理出相同條件下，三種材質的錫箔紙試驗下只有一種會如影片所呈現出現高溫燃燒情形，教師於綜合活動實驗結果討論。
活動三：以鋼絲絨配上9V方形乾電池製作簡易「火種」
1.分組進行影片鋼絲絨燃燒實驗，將市售鋼絲絨放於玻璃盤中以9V方形乾電池輕觸表面引火，如圖十六所示。學生加入扇子搧風增加助燃，如圖十七所示。
2.再次引燃鋼絲絨並搧風增加助燃也利用燃燒中的鋼絲絨輕易點燃衛生紙，如圖十八所示。
3.最後，再直接加入洋芋片進行助燃，如圖十九所示。
4.教師提問：是否修正擺放洋芋片方式呢？(解答：可以利用夾子直立洋芋片，因為洋芋片整片覆蓋在燃燒的鋼絲絨不易燃燒，如圖十九所示。)
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圖十六 9V方形電池鋼絲絨引火 |
圖十七鋼絲絨燃燒搧風助燃 |
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圖十八衛生紙助燃 |
圖十九洋芋片燃燒 |
參、綜合活動
1.對於實驗結果分項討論，對於口香糖錫箔紙及盒裝黃色菸紙不易引火實為包裝材質的更改不單純只有錫箔加紙更多暸膠黏的材質需要更高的燃點火直火才容易被點燃，所以目前這樣的網路實驗造成結果不同。
2.另外，盒裝銀色菸紙還是如同以往材質，上述實驗中也只有此種錫箔紙被乾電
池點燃。如圖二十、二十一所示。
3.指導學生填寫課程學習單及課程回饋單。並將實驗器材清洗乾淨歸位並妥善處理垃圾。用電池取火需在比較緊急的情況下進行，不可有玩火的行為。
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圖二十新版青箭口香糖包裝紙 |
圖二十一盒裝菸紙銀色及黃色 |
■學生課程回饋單
連同學習單並填寫課程回饋單，調查此次實驗學生對活動的想法及學習心得，課程回饋單填寫的是六年級學生共25人，男13人，女12人，問題回饋摘錄如下。
問題1: 你對這個活動所感受到的喜愛程度如何？
表一：學生填寫課程喜愛程度統計
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選項 |
非常喜歡 |
有點喜歡 |
普通 |
不太喜歡 |
非常不喜歡 |
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人數 |
14 |
6 |
2 |
2 |
1 |
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百分比 |
56% |
24% |
0.8% |
0.8% |
0.04% |
由表一資料顯示，有56%的學生對於此課程的想法是「非常喜歡」，24%的覺得「有點喜歡」，「普通」及「不太喜歡」的選擇各佔兩位，1位學生表示「非常不喜歡」，教師因此訪問這五位同學，其中表示非常不喜歡的同學因為沒有親自做實驗而覺得不喜歡，但對於觀看實驗過程感覺很有趣。另外，普通及不太喜歡的學生則是因為整個實驗下來無法點燃錫箔紙感到無力。最後在學生心中鋼絲絨引火的課程設計，對此有高度興趣因為教學活動中引燃火苗的機率頗高，過程記憶深刻。
問題2: 承上題，為什麼你會勾這個選項？因為…
根據參與學童填寫課程回饋單。本次進行實驗的學生班級共有25位學生，以S01～S25為代號，摘錄幾位學生的學習感受(如下所示)。
S02：非常喜歡，對於鋼絲絨引火的方式感到新奇，原本看影片還半信半疑，不過經由老師指導實驗真的可以使用在緊急時間。
S08：非常喜歡，依照網路影片試試鋁箔紙及乾電池引火，雖然自己操作沒有成功但是還是很有趣。
問題3: 在這次的課程中，你學到了什麼？
設計課程的主要目標在活動中主要學習收穫是了解如何利用電阻大產生高溫讓可燃物達到燃點，並複習燃燒要素及安全用火，摘錄幾位學生的學習感受(如下所示)。
S012：我學到了方型電池可以輕易讓鋼絲絨引火，但非必要時不要使用這樣的方式引火以免發生意外。
S015：我學到了因為乾電池短路造成高溫以至於可以讓紙起火，但是要注意用火安全。
■教師的教學省思
國小自然課程的實驗讓學生親自動手更容易在學生心中留下印象。透過實際的操作和教師的指導，當然獲得的成效很大，惟須要求學生了解嚴謹實驗的的態度是重要的，而透過有趣且安全的實驗方法，能提升學生學習的動力。教師也可以引導學生探究自然的原理原則，更能增加學生學習意願。
■課程實施過程及注意事項
1.課程活動設計需一節課的時間，觀看影片的時間可依實際上課需求增刪，最後課程統整時可將學生實驗結果疑問一併討論。
2.也可以另一種方式取火，錫箔紙單邊剪成鬚狀，各連接乾電池的正負極，將兩側鬚狀接觸時也可以產生高溫以至於起火，也須提醒學生穿戴厚手套應避免高溫燙傷。
3.如進行課程延伸以探究與實作進行，可利用分組實驗跑檯方式來進行。
4.指導學生對廢棄物的處理，實驗後電池回收，錫箔紙及燃燒灰燼可以直接丟棄，並整理周遭環境。
■延展課程
1.配合新課程探索與實作增加國小高年級學生對自然實驗的量化紀錄，將電池取火中的錫箔紙裁剪大小配合實驗量化並透過紀錄的方式，提高學生探索不同的操縱變因下，是否影響實驗結果。
2.另外，此課程也可以發展讓學生比較鹼性電池、鋰電池及碳鋅電池之間對錫箔紙取火是否有影響，增加不同的化學課程。
3.延伸到國中課程，可以加入市面上不同錫箔紙測量電阻課程，以提高學生在電流、電壓與電阻三方面的學習興趣。
■結語
國小高年級學生對自然實驗的實作有高度的興趣，利用網路流傳的影片引起學生試試看的心理，讓學生複習五下「燃燒與生鏽」單元，也同時完成一個終結流言或是實用可應急的化學實驗，在教學過程中學生嘗試不同方式的引火，也發現原來不同錫箔紙會影響實驗結果，學生並提出疑問。此課程讓學生了解生活中有趣的自然現象，並試著加以應用，希望學生能以不同方式玩出不一樣的化學課程。
■參考資料
1.3D有趣實驗:鋁箔打火機，科學Online-科技部高瞻自然科學教學資源平台，https://www.youtube.com/watch?v=fTFRRt1pXWU。
2.電池取火，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=DWsRunuU28c
3.洋芋片燃燒，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=gUuHPDMkagk。
4.鋼絲絨燃燒，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=7WAYnpn8ZII
■謝誌
感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系106學年度碩士在職專班碩一課程—化學特論（一）課程周金城教授指導及全體同學協助，提供本文調整與內文修正，在此謹深摯謝忱。
■附錄
附錄一：教學活動設計簡案
教學活動設計簡案
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教學主題名稱 |
國小學童進行電池取火「燃燒火種」活動 |
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領域類別 |
自然與生活科技領域 |
教案設計 |
黃郁芬 |
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教學年段 |
六年級 |
教學時間 |
40分鐘 |
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教學目標 |
1.複習燃燒三要素。 2.能觀察並了解錫箔紙、鋼絲絨及乾電池取火的方式並了解安全的用火。 |
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先備經驗 |
1.學生在五年級學習過燃燒與生鏽等課程並了解燃燒的要素。 2.學生在日常生活中熟悉的物品，改變使用方式會產生不同的變化。 |
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評量方式 |
實驗操作、學習單、回饋單 |
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~ 教學內容設計 ~ |
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教學活動 |
教學時間 |
教學資源 |
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壹.準備活動 一、播放電池取火影片讓全班學生觀察欣賞。 二、介紹認識錫箔紙、乾電池取火原理和概念。 貮、發展活動 活動一：市售口香糖錫箔紙遇到AA鹼性乾電池 1.剪出兩端寬中間窄的錫箔紙條。 2.戴上手套連接乾電池正負極並觀察錫箔紙條變化。 活動二：市售盒裝菸紙遇到AA鹼性乾電池 1.繼續以盒裝菸紙，製作錫箔紙條重複相同實驗。 2.將分別採用黃色及銀色盒裝菸紙，實驗觀察變化。 活動三：以鋼絲絨配上9V方形乾電池製作簡易「火種」 1.取鋼絲絨，以9V方形乾電池輕觸引火，再試著以衛生紙或洋芋片助燃。 2.以濕抹布蓋熄已燒盡衛生紙及洋芋片。 參、綜合活動 1.統整課程內容及整理環境。 2.完成學習單上及課程回饋單。 |
10分鐘
5分鐘
10分鐘
5分鐘
10分鐘 |
教學影片
實驗器材
實驗器材
實驗器材
課程學習單 教學回饋單
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附錄二：課程學習單及教學回饋單
六年 ( ) 班 ( ) 號姓名：( )
一、燃燒原理概念複習
基礎概念：
１.燃燒三要件應具備可燃物（紙張）、助燃物（氧氣）及達到燃點（燃燒的溫度）。錫箔紙表面存有可以燃燒的碳化物質。錫箔紙缺口很細，故電阻較大。電阻愈大愈容易產生熱以至於達到燃點產生燃燒。
2.促進燃燒的方式：增加物體與火的接觸面積，增加助燃物。
3.滅火原理：移除可燃物，隔絕助燃物，降低溫度讓可燃物達不到燃點。
二、電池取火實驗步驟
實驗步驟：
1、取一錫箔紙連接在乾電池正負極，窄處是否有高溫燒黑現象？ 。
2、用方形乾電池正負極碰觸少量鋼絲絨，鋼絲絨會不會燒起來? 。
想一想：
1. 實驗步驟2中的鋼絲絨為什麼會燒了起來? 可燃物是、助燃物是，如何達到燃點？ 。
2. 生活上的發火材或助燃物有哪些？ 。
我對電池取火「燃燒火種」活動心得教學回饋單
問題1.你對這個課程活動感受的喜歡程度如何？
□非常喜歡□有點喜歡□普通□不太喜歡□非常不喜歡
問題2.承上題，為什麼你會勾這個選項？
問題3.在此次的課程活動中，你學到了什麼？
魔法黑白變–解開苧麻線漂白的秘密
傅麗玉
國立清華大學
原住民族科學發展中心
[email protected]
織布在許多台灣原住民族的文化中是婦女一生非常重要的工作，尤其是泰雅族、太魯閣族與賽德克族傳統文化中，如果一位婦女不會織布則無法獲得文面的資格。文面是非常重要的榮耀，沒有文面的婦女將來是無法通過彩虹靈橋，因為在橋的入口處有一隻螃蟹守護著，螃蟹會檢查女子的手掌和文面，如果女子手掌沒有薯榔染色的痕跡，立刻會被螃蟹推入橋下的深淵中，永遠無法到橋上。苧麻線是最重要的傳統織布材料，但也有許多與苧麻相關的禁忌，都是要特別注意。例如不可在屋內剝麻與剮麻」的工作，否則會帶來不吉利。男子若碰觸苧麻線，打獵時就會打不到獵物。
![clip_image021[4]](https://5319e9.p3cdn1.secureserver.net/wp-content/uploads/2019/03/clip_image0214.jpg "clip_image021[4]")
圖1：1920年之前霧社巴蘭部落的文面婦女在織布（二南堂，1999）
n 取苧麻織布的基本步驟
![clip_image022[4]](https://5319e9.p3cdn1.secureserver.net/wp-content/uploads/2019/03/clip_image0224.jpg "clip_image022[4]")
圖2：在清流部落看到的全株苧麻
（傅麗玉攝，2006）
苧麻，英文名字是「Ramie」，在台灣俗稱為「袋仔絲」。在植物分類上，苧麻為蕁麻科苧麻屬，單葉互生，長葉柄，葉呈卵形而尖，葉緣有鋸齒狀，葉基為闊楔形，葉子表面粗糙。苧麻的葉和小枝上有濃密的細毛，葉子背面有白色絨毛，因此又稱為「裏白苧麻」。取苧麻織布的步驟相當費力費時。首先要選擇適當地點種植苧麻。從種植到收割至少六個月以上。苧麻收割後先進行「剝麻」，剝莖皮並刮莖皮。然後用剮麻器進行「剮麻」，將苧麻莖的表皮去除，取出苧麻莖皮內的纖維麻絲，用清水清洗粘液，曬乾後搓揉捻紗成可織布的線。接著用炭灰水煮麻線，完全去除晒乾後粘在麻線上的苧麻粘液，使麻線變成白色的素線。若有需要染色，則加入染料煮麻線。再清洗後曬乾。將麻絲放進舂米的臼，加入小米糠揉搓混合，並用杵舂麻線，讓麻線吸入小米糠的油份，讓麻線更柔軟光滑。在屋外將清水洗過的麻絲曬乾後，素線或染過的麻線曬乾後整經上架織成布。
![clip_image023[4]](https://5319e9.p3cdn1.secureserver.net/wp-content/uploads/2019/03/clip_image0234.jpg "clip_image023[4]")
圖3：1920年之前的泰雅族婦女曬苧麻（二南堂，1999）
n 將苧麻線漂白的傳統方法
用炭灰水煮麻線，使麻線變成白色的素線是苧麻的傳統漂白方法。炭灰水是用乾的山黃麻枝幹燒燼的炭灰加水拌勻，濾除液體中的粗粒與雜質後，將炭灰水放在大鐵鍋加熱，並將苧麻線放入大鐵鍋中煮。煮的時候，火的大小要適中，避免火勢太大，將苧麻線燒焦。同時要攪拌，使苧麻線受熱均勻，每一條苧麻線的每一個部分都能與炭灰水接觸，至少要煮3小時以上。然後將煮過的苧麻線用清水洗淨，再曬乾，就可得到漂白的苧麻線。再用不同的植物染料，將苧麻線染色。薯榔是經常使用的染料植物，其顏色漂亮，又可防止苧麻線被蟲咬或腐壞，是非常好的染料。經過薯榔染色的苧麻線其顏色呈現暗棕色。
![clip_image024[4]](https://5319e9.p3cdn1.secureserver.net/wp-content/uploads/2019/03/clip_image0244.png "clip_image024[4]")
![clip_image025[4]](https://5319e9.p3cdn1.secureserver.net/wp-content/uploads/2019/03/clip_image0254.png "clip_image025[4]")
圖4：苧麻線放入有炭灰水的鐵鍋中煮後拿到河邊清洗(擷圖自吉娃斯愛科學影片)
![clip_image026[4]](https://5319e9.p3cdn1.secureserver.net/wp-content/uploads/2019/03/clip_image0264.jpg "clip_image026[4]")
![clip_image027[4]](https://5319e9.p3cdn1.secureserver.net/wp-content/uploads/2019/03/clip_image0274.jpg "clip_image027[4]")
圖5：經過薯榔染色與未染色的苧麻線以及染色與未染色的苧麻線所織的布
（傅麗玉攝，2009）
n 將苧麻線漂白的化學原理
物質的顏色與物質本身的化學成分有關。物質本身的色素性質不同，加上酸鹼不同，會使物質的顏色發生變化。為什麼炭灰水煮過的苧麻線會變白呢？炭灰水能變魔術的關鍵，就在於炭灰裡面含有碳酸鉀（K2CO3）。在炭灰水中，炭灰所含的碳酸鉀溶在水中變成碳酸氫鉀(KHCO3)呈現弱鹼性。苧麻裡的葉黃素（C40H56O2）化學鍵結構被碳酸溶液（KHCO3）改變，苧麻原本色素的化學結構被破壞，苧麻看起來就是被洗白。
![clip_image028[4]](https://5319e9.p3cdn1.secureserver.net/wp-content/uploads/2019/03/clip_image0284.png "clip_image028[4]")
![clip_image029[4]](https://5319e9.p3cdn1.secureserver.net/wp-content/uploads/2019/03/clip_image0294.png "clip_image029[4]")
圖6：灰黑的苧麻線可以被洗成白色是因為不同的化學成分會使物質呈現不同的顏色 (擷圖自吉娃斯愛科學影片)
![clip_image031[4]](https://5319e9.p3cdn1.secureserver.net/wp-content/uploads/2019/03/clip_image0314.png "clip_image031[4]")
圖7：炭灰中有碳酸鉀（K2CO3）(擷圖自吉娃斯愛科學影片)
n 參考資料
1. 二南堂（1999）。人文相本：台灣原住民老照片輯。台北：二南堂工作室。
2. 李亦園、石磊、阮昌銳、楊福發（1997）。南澳的泰雅人。台北：中央研究院民族學研究所。
3. 曾秀英（2017）。穿梭經緯的靈魂符碼–太魯閣族五大圖織技法工具書。花蓮：花蓮縣秀林鄉公所
4. 國立清華大學與原金公司（2017）。吉娃斯愛科學DVD。台北：財團法人公共電視文化事業基金會。
鈣迴路捕獲二氧化碳技術與實驗 ／ 郭世文、周承志、洪振方、陳良瑞
星期二 , 5, 3 月 2019 化學教育新知, 第三十期/2019年03月 在〈鈣迴路捕獲二氧化碳技術與實驗 ／ 郭世文、周承志、洪振方、陳良瑞〉中留言功能已關閉鈣迴路捕獲二氧化碳技術與實驗
郭世文1、周承志2、洪振方3、陳良瑞4
國立科學工藝博物館1
工業技術研究院綠能所2
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所教3
國立彰化師範大學科學電機工程學系4
壹、前言
國立科學工藝博物館（以下簡稱「科工館」）「啟動創新實驗場」常設展示廳，展出工業技術研究院（以下簡稱「工研院」）所研發的34項創新技術，觀眾經由操作平板電腦與展品互動認識各技術展項，科工館並經常與工研院聯手設計延伸學習活動，讓有興趣的觀眾進一步認識這些新興科技的內涵。
本文紀錄2019年1月所舉辦的第一場「與研究員有約」活動，由工研院的傑出研究員引導觀眾認識「啟動創新實驗場」展場中介紹的新興科技–「鈣迴路二氧化碳捕捉技術」，並且帶領參加學員分組進行二氧化碳的科學實驗，認識何謂溫室氣體、如何將二氧化碳捕獲及利用，深刻大家的學習經驗。
貳、溫室氣體與溫室效應
「溫室效應」是地球大氣層呈現的一種物理現象，也是使地球表面維持溫度穩定的重要機制。大氣層好比溫室的玻璃罩，當太陽的能量通過大氣層達到地球表面，使得地球變熱，這些熱量會以紅外線輻射回大氣中，其中一部分散逸到外太空，大部分的紅外線會被大氣層中的「溫室氣體」吸收，再輻射回地表，維持了地球的溫度。如果沒有大氣層的保護，地球表面的平均溫度可能會低至-18°C，而不是現在合適人類居住的15°C。
在大自然環境中主要透過水蒸氣及其他氣體來維持大氣環境的溫度，其所產生的溫室效應大約占整體溫室效應的60-70%，其次是二氧化碳大約占26%，另外還有臭氧、甲烷、氧化亞氮等。地球大氣層內的氣體主要為氮氣、氧氣、水蒸氣等，它們的組成大致穩定變化不大；但是微量氣體卻無時無刻都在改變，其量雖微，卻對全球環境具有非常大的影響。而自工業革命以來，因人類大量使用煤炭、石油等化石能源，產生大量二氧化碳的排放。這些因工業發展所產生的氣體排放物快速地改變大氣中微量氣體的組成，尤其是化石燃料燃燒所產生的二氧化碳逐年增加，大量排放到大氣中吸收地表的紅外線長輻射波，造成人為的溫室效應，破壞了原本溫室效應的平衡穩定，使得地表的溫度逐漸增高，形成地球暖化的現象（邱宏志，2005）。
參、地球暖化對於環境的影響
過去100年間（1906~2005），地球的平均溫度上升了0.74°C（張泉湧，2012）。聯合國跨政府氣候變遷小組（Intergovernmental Panel
on Climate Change；IPCC）估計，如果大氣中的溫室氣體持續增加，到2100年，全球平均氣溫將較1990年增加0.9°C至3.5° C；地球的溫度升高將導致高溫、暴雨、乾旱發生的頻率增加，造成生態系統被破壞、天然災害規模加劇、糧食能源水資源短缺；此外，全球平均溫度上升使得海水溫度上升，熱漲冷縮導致海水體積膨脹加上南北極冰雪溶化，將使海平面逐漸上升，預估 2100年時全球平均海平面將比1990年高出38公分至56公分，許多沿海低窪地區將沒入海中（許晃雄，1999）。
由於人類的活動使得大氣中的溫室氣體濃度大幅增加，改變了自然的溫室效應，將對自然生態系統和人類的生活環境產生不利的影響；聯合國於1997年12月制定了京都議定書，其目標是「將大氣中溫室氣體的濃度穩定在防止氣候系統受到危險的人為干擾的水平上，同時確保生態系統能夠自然地適應氣候變化，糧食生產免受威脅，經濟發展能夠持續進行。」，與會國家依此議定書承諾將減少二氧化碳和其他溫室氣體的排放量直到回復至1990年的標準（郭博堯，2001）。
肆、鈣迴路捕獲二氧化碳技術介紹
大部分的工業化國家都把石油、煤炭、天然氣等石化燃料當成最重要的能源，而石化燃料燃燒就是人為二氧化碳的主要排放來源，因此，世界各國積極投入研究如何減少二氧化碳排放，又不降低生活水準的辦法。除了提高能源效率與再生能源的應用外，許多研究團隊都積極投入「碳捕獲與封存（Carbon Capture and Storage,CCS）」的研究，這是一種把工廠中石化燃料所產生的二氧化碳（Carbon）分離並捕獲（Capture）起來，並傳送到適合的地質深層處封存（Storage）、以利生物吸收或再利用，避免二氧化碳排放到大氣中的一種技術，能有效減少碳排放（徐恆文、柳萬霞、黃欽銘，2012；曾榮樹、孫樞、陳代釗、段振豪，2004；李堅明，2015）。
依據工研院的報告(黃啟峰，2017)指出，水泥是國家建設發展的重要碁石，而水泥及相關製造業更是我國(2016年度)非金屬礦物製品製造業產值最大且能源消費最高的產業項目，然水泥的生產過程需要耗費大量化石燃料。因此工研院自2008年起積極研發利用石灰石進行二氧化碳捕獲之技術（徐恆文等人，2012），並於2012年起在台泥公司的花蓮縣和平水泥廠建立試驗廠，希望能藉此降低水泥生產過程的二氧化碳排放量，並思索二氧化碳再利用之可行路徑。
「鈣迴路捕獲二氧化碳技術」是以稱為石灰石的碳酸鈣（CaCO3）作為原料，將所煅燒成的石灰–氧化鈣（CaO）作為吸附劑所進行的循環反應，氧化鈣（CaO）具有極高的吸附容量（理論值0.7857 kg CO2/1 kg CaO），是極佳的捕獲二氧化碳（CO2）吸附劑。用一個簡單的化學式表示：
CaO + CO2 ⇌ CaCO3
當氧化鈣（CaO）遇到二氧化碳（CO2）就會形成碳酸鈣（CaCO3）；碳酸鈣加熱可還原成氧化鈣和二氧化碳，如此繼續不斷地進行循環反應，就可以捕獲CO2；倘若氧化鈣在捕獲過程中失去活性，可以送回水泥廠當作原料，如此就不會產生額外廢料。
台泥公司和平水泥廠的鈣迴路捕獲二氧化碳系統，主要設備包括碳酸化爐、煅燒爐、集塵器和儲存槽；當水泥廠生產過程中排出含二氧化碳（CO2）的廢氣，將廢氣導入碳酸化爐後，二氧化碳（CO2）會和氧化鈣 （CaO）反應形成碳酸鈣（CaCO3），就是把生產過程中所排放的二氧化碳（CO2）捕捉；接著把碳酸鈣（CaCO3）送進入煅燒爐，在攝氏600-650度的高溫下，釋放出高濃度的二氧化碳（CO2），經過純氧燃燒形成氧化鈣（CaO）。此時，高濃度的二氧化碳（CO2）經過除塵、冷卻、壓縮後，便可封存起來再利用，而氧化鈣（CaO）回到碳酸化爐，再次作為吸附劑進行下一次的循環反應。透過這樣的循環反應，可以捕獲水泥廠所排放出的90%二氧化碳，有效降低二氧化碳的排放。工研院並且開發蒸氣水合反應器，可以將石灰（CaO）活化並且轉化為氫氧化鈣（Ca（OH）2），多階旋風塔的立體結構，可以讓石灰吸附劑粉體和所排放的廢氣充分接觸，以提升二氧化碳的捕獲率；未來這個技術還可應用在發電、水泥、石化、鋼鐵等工業製程中（工研院，2014；工研院，2018；黃欽銘等人，2016；談駿嵩、王志盈，2015）。
二氧化碳捕獲技術，是由排放源頭直接捕獲二氧化碳，阻隔二氧化碳排放到空氣中的機會，再將這些被捕獲的二氧化碳經過純化作為原料販賣、或是用來養殖微藻，不但不會造成空氣污染，還能創造經濟價值。
二氧化碳的回收利用範圍極廣。以養殖微藻為例，微藻是指1～10μm的單細胞藻類，可以生存在海水、淡水或潮溼的土壤中；微藻進行光合作用時，要吸收二氧化碳，也就是將二氧化碳固定，因此養殖微藻將有助於固碳及二氧化碳的減排。台泥公司和平水泥廠試驗廠，利用鈣迴路捕獲的二氧化碳做為微藻養殖所需的碳來源，由於二氧化碳之碳源純度高，可提高養殖效益培養具有葉黃素、DHA、EPA等衍生物質的微藻株，製作成高單價的營養食品創造高經濟價值。除此之外，美國、西班牙、荷蘭及以色列等國家，也利用微藻轉製成生物燃料如生質柴油、生質酒精、氫氣、焦炭等，或將微藻做為動物或水產的養殖飼料，改善糧食危機（張嘉修等人，2015）。
伍、鈣迴路捕獲二氧化碳技術介紹與實驗活動
2019年1月所舉辦的「與研究員有約」活動，課程教案參考我國「碳捕獲與封存（CCS）」自有技術發展成果進行設計，內容包括「溫室氣體(二氧化碳)認識」與「鈣迴路捕獲二氧化碳技術」兩大主軸，執行的方式包括簡報與實驗，教學目的為認識二氧化碳與地球暖化的關聯性、瞭解何謂二氧化碳的捕獲技術，以及二氧化碳的利用價值。以下紀錄活動的內容與過程：
教學主軸一、溫室氣體(二氧化碳)認識：
研究員首先透過教學簡報(如圖1所示)，讓學員將曾經聽聞溫室效應的資訊複習，並呈現有關溫室效應影響臺灣的內容，如：臺灣近百年氣溫的溫度變化、溫升對於臺灣登革熱好發地區之變化、溫升造成臺灣極端氣候的現象等；使學員體認到因全球溫室效應的關係，自身的生活環境(臺灣)也會受到一定程度的影響，全球暖化議題並非只是一個科學資訊，而是與日常生活息息相關的現象與問題。
完成簡報介紹，接著進行「二氧化碳與溫室效應的驗證實驗」，引導學員經由動手實驗了解高濃度二氧化碳較一般空氣更容易吸熱。
資料來源：本研究製作
圖1：溫室效應對臺灣的影響
實驗一、二氧化碳與溫室效應的驗證實驗
研究員從二個問題：「和地球暖化主要相關的氣體有哪些？」、「如何知道二氧化碳具有吸熱保溫的能力？」帶入實驗活動（如圖2），而這個實驗的目的為證實二氧化碳確實會使環境中的溫度提高。
資料來源：本研究製作
圖2：二氧化碳與溫室效應的驗證實驗
實驗材料為小蘇打粉、檸檬酸、水、溫度計、600 ml寶特瓶一只、黏土一塊等。請五組學員在寶特瓶上分別寫下組別編號，將水倒入寶特瓶約1/5；用黏土包住溫度計塑形成可以封住寶特瓶口的大小；黏土拿起來，把小蘇打粉及檸檬酸倒入寶特瓶中，和水混和後開始產生氣泡，這些氣泡就是二氧化碳；經過30秒，確定瓶內充滿二氧化碳，趁二氧化碳還沒跑出寶特瓶，趕緊把溫度計插入寶特瓶不要碰到水，而且能清楚看見溫度計上的溫度顯示，再用黏土將瓶口封住，但注意不要封太緊，以免二氧化碳壓力過高且無法宣洩而導致爆炸。
完成裝置後，請組員們記錄目前溫度計顯示的溫度，再將寶特瓶放到「人造太陽」（電暖器）前面；研究員同時也製作一個只有水沒有加入小蘇打粉與檸檬酸的寶特瓶作為對照組，而五個小組所製作的寶特瓶為實驗組，放置等候，30分鐘後記錄一次，60分鐘之後，把寶瓶取回座位再記錄一次，紀錄的結果如下表；其中第3組和第5組的溫度計因為黏土沒有包緊溫度計，而使溫度計掉到水中。
表1 五個實驗組及一個對照組的溫度記錄
分析上述溫度記錄的數據，研究員對參與學員提出以下推論
一、
本實驗因利用電暖器充作熱源，然電暖器所散發之熱能會因電暖器送風方向，而發生局部溫度較高之情事，但整體而言仍可達到加熱之效果，因此本實驗考量局部受熱不均勻之現象，對於實驗之結果僅就整體現象變化進行討論之。建議未來如可以優先採用自然陽光，確保能在一個外部條件較為客觀的實驗環境進行。
二、將5組實驗組與對照組比較之，實驗組之最終溫升結果均高於對照組。
三、在第3組和第5組的溫度計掉到水中，所測量到的溫度是水的溫度而非寶特瓶中空氣的溫度，其所量測的溫度變化為水吸收電暖器所發出的輻射熱能，再進一步比較該兩組的溫度變化與其他其他組(第2組與第4組)溫度差異，可初步推論水的比熱容較高濃度的二氧化碳高，因此水的溫升變化會較二氧化碳氣體小。
四、第1組的團員自己表示，所放的檸檬酸和小蘇打粉分量很少；研究員表示，所以產生的二氧化碳不多，所以溫度變化不大，但溫度依然有提升，可見二氧化碳的濃度會影響到溫度的變化。
五、對照組的起始溫度較高，可能與研究員一開始一直握著溫度計進行講解，所以溫度計被研究員的溫度所影響到導致。
六、第2組和第4組是相對比較成功的實驗組，溫度計量測寶特瓶中空氣的溫度，30分鐘之後的溫度相較於對照組有明顯的提高，60分鐘之後，即便離開了電暖爐，溫度也還是維持高溫，並沒有很快速地下降。
經過這個實驗，我們可以證實，二氧化碳會吸熱，充滿二氧化碳的瓶子具有吸熱保溫的效果，由此可初步推論如果地球中二氧化碳的濃度增加，恐容易造成地球大氣環境之溫升。
圖3：五個小組完成實驗裝置連同對照組一起放在電暖器前
教學主軸二、鈣迴路捕獲二氧化碳技術：
完成溫室效應的概念與現況介紹後，再介紹「碳捕獲與封存（CCS）」的基本概念，研究員指出，科學家研究二氧化碳的封存，最常見的封存類型包括：地質封存、礦化封存、海洋封存；其中所謂「礦化封存」就是利用金屬氧化物、鈣、鎂等礦物與二氧化碳反應，形成固態的碳酸鹽或其他副產品，在臺灣針對減緩二氧化碳排放所發展的技術–「鈣迴路捕獲二氧化碳技術」就是屬於「礦化封存」其中一種。經由科學家的創新發明，除了被動地減少能源與資源浪費外，也可以有效地捕獲生產過程中所產生的二氧化碳並且加值利用。
為了讓學員更加了解上述概念，研究員帶領學員分組操作二個實驗，過程如下：
實驗二、二氧化碳的礦化封存
本實驗目的在於協助學員瞭解何謂二氧化碳的捕捉及封存，透過實驗把原本會排放到大氣中的二氧化碳捕獲並且封存起來（如圖4）。
資料來源：本研究製作
圖4：二氧化碳礦化封存實驗
實驗開始之前，研究員提出一個問題請大家思考：「我們所呼出的氣體中含有比一般空氣濃度高的二氧化碳，請大家想想看，要如何才能回收我們所呼出的二氧化碳？」
本實驗的材料為石灰水，每位學員分到一個透明玻璃杯和一支吸管，將石灰水倒入玻璃杯中約4公分高，請學員觀察石灰水的狀態為澄清透明的，再請學員將吸管插入石灰水中開始吹氣，觀察石灰水的變化，發現石灰水開始變成混濁，並且產生沉澱物。研究員說明，一開始的澄清石灰水是氫氧化鈣（Ca（OH）2），用吸管吹氣就是將所呼出的二氧化碳灌入氫氧化鈣中，發生化學變化產生沉澱物，這個沉澱物就是二氧化碳（CO2）和氫氧化鈣（Ca（OH）2）反應所產生的產物–碳酸鈣（CaCO3），把這個沉澱物回收就是把二氧化碳捉走，把二氧化碳礦化封存，也就是把二氧化碳收集捕獲。而這個實驗只需要一個杯子和吸管，加上石灰水（氫氧化鈣（Ca（OH）2）），就能輕易地空氣中的二氧化碳捉起來。但是要提醒的是，石灰水為強鹼具有腐蝕性，實驗結束後廢棄材料的回收要特別注意安全。
上述實驗的反應化學式如下：
Ca（OH）2 + CO2→ CaCO3+H2O
將人體呼出的氣體灌入石灰水中時會產生乳白色沉澱物，這些沉澱物就是碳酸鈣（CaCO3）。如果再將把碳酸鈣收集再加熱，會就產生氧化鈣（CaO）和二氧化碳（CO2），經過純化過的二氧化碳可以拿來做成有價值的東西，而氧化鈣CaO則用來繼續捕捉二氧化碳：CaO + CO2
→ CaCO3。利用前述的方法可不斷收集二氧化碳並且循環回收再利用，此原理這就是鈣迴路捕捉二氧化碳技術的概念。
圖5：將吸管插入石灰水中吹氣，原本澄清的石灰水開始變混濁
實驗三、二氧化碳再利用實驗(壞氣好汽實驗)
「純化的二氧化碳有哪些用途呢？」研究員補充說明，二氧化碳是製造乾冰、汽水的原料。若尋求二氧化碳更有價值的運用，則可利用二氧化碳養殖藻類，再將藻類製成保養品、健康食品、生質燃料或飼料，產生更高經濟價值。
這個實驗（如圖6），我們要來製造汽水。實驗材料為檸檬汁和食用級的小蘇打粉。研究員針對小蘇打粉略作介紹，小蘇打粉學名為碳酸氫鈉（NaHCO3），俗稱「發粉」，經常用來作為麵包、油條等的膨鬆劑，也常用來當作發泡劑。當小蘇打粉遇到酸就會產生二氧化碳，也就是汽水中的氣泡來源。
請學員將一杯檸檬汁倒入少許小蘇打粉，攪拌，再加入冰塊，一杯冒著泡的清涼檸檬汽水就完成了。當小蘇打粉加越多，就會產生越多的氣泡，但也可能會影響口感，所以適量即可。
當學員們一邊享用著自製的汽水，研究員提出了另外兩個運用二氧化碳製造產品的配方，分別是跳跳糖和泡澡錠。因為時間的關係，沒有讓學員現場製作，但也鼓勵學員們回家自己動手做做看。
「跳跳糖」的基本材料為：砂糖、食用級檸檬酸或蘋果酸粉末、小蘇打粉、小夾鏈袋。將檸檬酸和小蘇打粉混和，放入夾鏈袋中保持乾燥；食用時從夾鏈袋中取出，當將前述混合粉末放入口中，口中唾液的水分和檸檬酸及小蘇打粉混和產生二氧化碳，口中有嗶嗶波波的感覺，就是混合粉末遇水產生二氧化碳所導致。
「泡澡錠」的基本材料為食用級檸檬酸、小蘇打粉、浴鹽等；同樣用糯米紙把材料充分混和包起來保持乾燥，加上香味、色素等就是泡澡錠。泡澡時將錠丟入水中，就會開始產生大量的泡泡。
圖6：二氧化碳再利用實驗(壞氣好汽實驗)
陸、學習心得與討論
利用前述的三個實驗操作，學員們充分體會到二氧化碳與溫室效應的關聯性，簡單的實驗操作就可輕易的將二氧化碳捕獲起來，也瞭解二氧化碳並非無法再利用的廢棄物，生活中也經常利用二氧化碳來生產日常所需的產品(汽水、滅火器、保冷用乾冰等)。
課程最後，研究員邀請學員針對當日的學習進行心得分享，學員們表示在活動中證實了二氧化碳將會造成地球暖化，所以從自己開始做起，多種樹、減少資源浪費、多搭乘大眾運輸交通工具等，以能減少二氧化碳的排放。研究員也建議大家多多選購經濟部能源局能源分級標示第一級的電器產品，雖然售價略貴，但使用的過程中可以節省更多的電能，也可以減少因為發電而產生的二氧化碳。
最後有一位學員提出問題：在執行鈣迴路捕捉二氧化碳的循環過程中需要加熱，是否也會因此產生多餘的二氧化碳呢？研究員回答說，這就是循環經濟設計的奧妙之處，目前位於臺泥公司和平水泥廠的鈣迴路捕獲二氧化碳試驗廠，是利用水泥生產過程中所產生的廢熱，來進行加熱，不會額外耗用能源，因為在循環的過程中有不同的溫度需求，所以要有整體性的思考，把現有生產製程的廢熱拿來利用，才能真正達到生產過程零廢料的目標。
參考資料
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華氏、攝氏、克氏溫標與自製簡易溫度計 ／ 李啟讓、洪振方
星期一 , 4, 3 月 2019 化學課程與教材, 第三十期/2019年03月 在〈華氏、攝氏、克氏溫標與自製簡易溫度計 ／ 李啟讓、洪振方〉中留言功能已關閉華氏、攝氏、克氏溫標與自製簡易溫度計
李啟讓1, *、洪振方2
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
*[email protected]
l 前言
在國中自然與生活科技課程的溫度與熱曾教過華氏溫標、攝氏溫標，學生會問老師為何水結冰的華氏溫度是32
℉，且在普通高中基礎化學(三)氣體定律學習克氏溫標，學生也常問老師絕對零度是怎麼訂出來的？因此本文簡單介紹華氏溫標、攝氏溫標、克氏溫標與溫度計的科學史，並從物質受溫度影響規律性的變化量，動手自製簡易溫度計用來量測自己體溫。
l 華氏溫標
德國物理學家華倫海特（Daniel Gabriel Fahrenheit， 1686－1736)在1709年觀察了水的沸騰溫度、水和冰混合時的溫度、鹽水和冰混合時的溫度；經過反覆實驗與核准，最後把一定濃度的鹽水凝固時的溫度定為0℉，把純水凝固時的溫度定為32℉，把一大氣壓下水沸騰的溫度定為212℉，用℉為華氏溫度的單位，這就是華氏溫標。目前全世界只剩巴哈馬、貝里斯、開曼群島、帛琉、美國及其屬地還在使用華倫海特的華氏溫標。華氏溫度與攝氏溫度的關係為華氏溫度(℉)＝9/5*攝氏溫度(℃)+32 。
l 攝氏溫標
在華氏溫標製定的30多年後，瑞典天文學家攝爾修斯（Anders Celsius，1701－1744）於1742年改進了華倫海特溫度溫標的刻度，他把純水的沸點與凝固點劃分為100個刻度，攝爾修斯創新的刻度，比華倫特的簡便得多，所以更受到人們的歡迎，就成了現在的百分制溫度，即攝氏溫標，用℃為單位如圖1。攝氏溫度與華氏溫度的關係為攝氏溫度(℃)＝5／9*(華氏溫度(℉)-32)。
圖1溫度計，外圈為華氏溫標，內圈則為攝氏溫標（取自https://zh.wikipedia.org/zh-tw/華氏溫標）
l 克氏溫標
在十七世紀末，法國科學家阿蒙頓（GuillaumeAmontons﹐1663～1705）開始探討氣體的壓力與溫度關係，後來的兩位法國科學家查爾斯（Jacques Charles﹐1746 ～1823）與給呂薩克（Joseph-Louis Gay-Lussac﹐1778～1850）接續研究，發現密度甚低的定量氣體，在其體積保持不變的情況下，其壓力的變化和溫度呈線性的關係。後來的兩位法國科學家查爾斯與給呂薩克接續研究，發現密度甚低的定量氣體，在其體積保持不變的情況下，其壓力和溫度呈線性的關係。若以壓力對攝氏溫度作圖，可以看出壓力和攝氏溫度的關係為不通過原點的斜直線。不同量氣體的直線，其斜率也不相同，但與溫度軸相交於同一點；此值由各種實驗發現為－273.15°C。這是最低的溫度極限，稱為絕對零度，在這個溫度下，氣體壓力為0，如圖2。
圖2定容、定量的低密度氣體，其壓力與溫度之關係(姚珩等，2018)
西元1802年，給呂薩克參考查爾斯的研究後發現，定量的氣體在定壓下，當溫度升高時，則體積也會增加，且體積的增加量與溫度的增加量成正比。不同氣體的體積與溫度均有直線關係。若將各條直線向左下方延長﹐它們相交於一點﹐且此交點會落在溫度軸上，均可發現交點所在之值為－273.15
°C，如圖3。
圖3 定壓﹑定量的低密度氣體﹐其體積與溫度之關係(源自姚珩等，2018)
因此，在西元1848年，英國科學家克耳文爵士建議採用絕對溫標，規定每度之間的大小與攝氏溫標相同，但取－273.15°C為溫標的零度。此絕對溫標也稱為克氏溫標，其單位為克耳文，記為K；因此，絕對零度為0K，而0°C則為273.15K。絕對溫度和攝氏溫度之間的換算關係為絕對溫度(K )＝攝氏溫度(℃)+273.15。
l 如何讓溫度接近絕對零度並加以測量？
溫度在科學上的意義是物質裡含有能量多寡的一種度量。空氣分子熱的時候移動得快，有較高的動能。分子越冷，速度就越低，能量也越少。溫度冷卻的過程需要從一個物體取出能量，然後將它排放到其他的地方。藉著結合雷射冷卻與蒸發冷卻，科學家已經可以讓一團氣體原子的溫度，降到1nK（即1nanokelvin，10-9K）以下。現在的紀錄是450pK（1picokelvin為10-12K）。如何來測量這些原子的極低溫度？一個方法是直接觀看原子雲的大小。原子雲越大，原子內的能量一定越高，因為它們可以抵抗磁力而跑得更遠。另一種方法是測量原子的動能，將磁阱關掉，沒有磁力時原子會飛開，使得原子雲不受阻礙而膨脹。原子雲隨時間變大，這是一種觀測原子速度的直接方式，因此可以得到溫度。在一定的膨脹時間後，如果看到的原子雲較小，則意味著達到較低的溫度(凱特利，
2004) 。
l 伽利略溫度計
伽利略溫度計是義大利科學家伽利略(1564～1642)在1593年發明的，伽利略溫度計是一種由玻璃圓筒、透明液體及不同密度的重物所構成的溫度計。容器中的透明液體為乙醚或有機化合物等，對「溫度」非常敏感，當溫度改變時，液體的密度會隨之改變。根據阿基米德的浮力原理，液體密度越大(溫度越低)，所提供的浮力越大，玻璃圓筒底下的球也能浮起。判讀溫度的方法是，由上方液面往下數最後那顆重物的溫度近似於待測的溫度，如圖4箭頭所指的溫度。
華倫海特在1709年利用酒精，在1714年又利用水銀作為測量物質，製成華氏溫度計。經過30多年，瑞典天文學家攝爾修斯於1742年改進了華倫海特溫度計的刻度製造了現行通用的攝氏溫度計。目前溫度計的種類很多，根據所用測溫物質的不同和測溫範圍的不同，有煤油溫度計、酒精溫度計、水銀溫度計、氣體溫度計、電阻溫度計、溫差電偶溫度計、輻射溫度計和光測溫度計等。
圖4伽利略溫度計(取自https://zh.wikipedia.org/zh/伽利略溫度計)
l 自製簡易溫度計
利用物質受溫度的影響加以量化其規律性變化量，便可以製成一個溫度計。酒精的凝固點是-114 ℃，沸點是78 ℃；水的凝固點是0 ℃，沸點是100 ℃；因為酒精體積改變較水顯著，因此，用較多量的酒精與較少量的水作為測量物質。以下我們利用熱漲冷縮的原理製成一個簡易溫度計(黃福坤，2011)。注意，酒精為易燃物質應盡量遠離火源。
一、器材如下：
自來水、優質酒精(95%)、透明容器、藍色食用色素、吸管（最好是管壁比較厚的不會彎折的吸管）、用於記錄溫度的紙和筆、直尺、有孔橡皮塞或手工陶土、透明膠帶。
二、實驗步骤第一步：因為酒精體積隨溫度改變優於水，管柱上升和下降改變會較顯著，可使觀察更方便。所以用優質酒精與自來水體積比約8:2配成混合溶液(測量物質)，在混合溶液加入藍色食用色素。
第二步：混合溶液加滿透明容器，組合橡皮塞與吸管並封住瓶口，並使溶液高出橡皮塞。然後用手工陶土將吸管與容器頂部之間的縫隙封起來。注意，只要有縫隙或氣泡，溫度計就會不準，且吸管最好用透明且細長，較能看清液柱體積改變量。
第三步：標刻度。用透明膠帶將吸管固定直尺，如圖5。靜置透明容器一段時間液柱停穩處就是室溫(27
℃)，直尺的液面刻度讀數為2.4cm；再將透明容器放入43℃的溫水中，直尺的液面刻度讀數為10.5
cm。此時，你已自創一個自己獨特的溫度單位的簡易溫度計。注意，管柱上升較慢要有耐心觀察，紀錄最高刻度。
第四步：測量溫度。先用市售溫度計測量自己雙手溫度(35℃)，然後用雙手捂住自製溫度計約10分鐘測量自己雙手溫度？測得直尺的液面刻度讀數為5.4cm。應用比例關係的長度比例=溫度比例，(5.4-2.4)：(10.5-2.4)=(x-27)：(43-27)，計算後得到x值(實驗值)=32.9℃。自製簡易溫度計的測量百分誤差= (35-32.9)/35 = 0.06 = 6 %。實驗時調配的酒精與水的比例不同數據也不同，以上實驗數據僅供參考。
圖5自製簡易溫度計
l 參考文獻
1. https://zh.wikipedia.org/zh-tw/華氏溫標
2. 姚珩、張嘉弘、施華強、李重賢、鍾彩霞與陳東閔(2018)。普通高級中學選修物理（上）教師備課用書，30-32頁。台南市：翰林出版。
3. 凱特利(2004) 。如何讓溫度接近絕對零度並加以測量。科學人雜誌，第28期，第134頁。
4. https://zh.wikipedia.org/zh/伽利略溫度計
5.黃福坤(2011)。用尺做簡易溫度計。http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/html.php?html=Notes/ruler/index
從科學史來認識科學本質—以燃素說為例
范賢娟
中國寧德師範學院教育與藝術學院
■前言
科學教育不只重視知識的傳遞，還要讓學生了解科學方法，並且了解科學本質。但這說來容易，如何讓學生有深刻體會呢？化學史上對燃燒的看法，從直觀的「燃素說」，轉變為科學的「氧化反應」便是一個很好的例子，讓我們一起來重溫這段歷史。
■燃素說被提出
普通的燃燒現象會釋放出許多煙，這似乎顯示有物質被釋放進入空氣中，這是什麼？一名德國醫生史塔爾（Georg Stahl,
1659-1734），他在醫學上有很好的成就，後來還去擔任普魯士國王的御醫，深受社會肯定。閒暇之時他去做許多基礎化學實驗，並整合之前有關燃燒的學說而產生「燃素說」。這是認定可以燃燒的物質內部含有「燃素」，燃燒時，燃素被釋放出來，這些立刻為周圍的空氣所吸收，我們所看到的煙就是很好的說明。
而物質燃燒後剩下的灰燼因為已經沒有燃素了，所以無法再燃燒。有的物質燃燒過後幾乎沒有留下灰燼，可見得那就幾乎都是由燃素所組成，例如硫磺。史塔爾還觀察到動植物的燃燒情況，他提出的解釋認為植物能從空氣中吸收燃素，而動物又可從植物中獲得燃素，所以動植物都富含燃素，可以燃燒。史塔爾的研究知道如果把動物關在密閉容器中，過了一陣子動物就會死掉，他認為這是因為容器中的空氣已經充滿了燃素到了飽和的程度，因此無法再吸收更多燃素。同樣的道理也可用在蠟燭於密閉容器中燃燒一段時間後就熄滅。
我們以「後見之明」來看會發現，呼吸與燃燒的實際情況，剛好與這個理論相反，呼吸和燃燒並不是把燃素排到空氣中，而是從空氣中吸取氧氣。但是如果從直觀現象而言，燃燒釋放出大量的煙，密閉容器上面還會觀察到水蒸氣，這些都如煙霧彈一樣讓人搞不清楚到底這過程是有物質釋放出去還是被吸收進來。
■燃素說面對挑戰
不過其實在更早前，波以耳（Robert Boyle,1627-1691）就已經發現燃燒後物質的重量會增加，這該怎麼解釋呢？堅信燃素論的學者對這方面有的斥之為無稽之談，或者說那是這些人的實驗方法不夠嚴謹，還有一種是主張燃素這種物質具有「負」的重量。
這些不甚高明的說法居然可以屹立超過半個世紀，一直到法國科學家拉瓦節（Antoine-Laurent de
Lavoisier, 1743-1794）開始認真投入燃燒實驗，才露出一絲曙光。拉瓦節注意到之前的理論似乎只能解釋片段的現象，串聯不起一個完整的知識架構，他親自重新做實驗，思索物質的轉換。這得要跳脫直觀的障眼煙霧，而是去量測反應前後物體的重量。
拉瓦節燃燒磷，這是當時其他許多學者眼中認為富含燃素的物質，收集燃燒後的產物，這需要蒐集氣體的能力，但這對拉瓦節而言並非難事，他很認真地去做量測與記錄，結果發現產物的重量大於反應物，這顯示燃燒的過程磷從空氣中吸收了某種物質。這個思考方向與當時主流理論背道而馳，因此拉瓦節不能急著發表，而是要進行更多的測試，確定他人可以重複這樣的實驗過程，得到相同的結果。
他換用不同的物質，包括硫、鉛等物來觀察燃燒前後重量的變化與產物的性質，他還把鉛的氧化物跟木炭作用，還原出金屬鉛。拉瓦節越來越確定燃燒是從空氣中吸取部分的物質，那大概佔空氣的六分之一到五分之一，因此他斷言空氣是種混合物，只有部分的空氣參與燃燒。
■發現去燃素的空氣
但那種物質到底是什麼？
此時來自英國的普利斯特利（Joseph Priestley,1733-1804）恰巧跟著他的贊助人一起來到法國巴黎旅行，他在跟拉瓦節相聚的一次餐會上分享自己的發現：他用一個放大鏡讓太陽光聚焦於容器中的氧化汞上，結果發現所產生的氣體可以讓燭火更加燦爛、讓老鼠更加有活力，而普利斯特利自己也去聞看看，雖然沒有特別味道，但是卻讓他吸入後覺得精神抖擻。
雖然這是個重要的發現，但是對普利斯特利而言只是感到新鮮，他的觀察偏向質性描述，解釋方式則用燃素論，稱那種氣體為「去燃素的空氣」，因為該氣體對燃素如此缺乏，所以急於從可燃物當中汲取燃素，才導致燃燒更加旺盛。
拉瓦節則深感震驚，意識到這物質可能就是他所要找的，燃燒時從空氣中吸取的物質。他在宴會隔天就趕快回到實驗室重複普利斯特利的實驗，然後用這種氣體觀察各種燃燒過程，迅速發表結果，公開揚棄燃素論。
而回到普利斯特利，他對於自己的分享導致拉瓦節的研究大突破感到很不高興，除了他是燃素論的信徒沒辦法接受燃素論被推翻之外，更主要的原因在於拉瓦節在論文中完全沒有提到他的貢獻，這讓他覺得自己的想法被剽竊。但什麼才是普利斯特利的想法？認為那是「去燃素的空氣」嗎？
■推翻燃素說
拉瓦節完全不用這種稱呼方式，他稱那為「酸素」，是一種具有自己特性的物質，當時他以為許多物質燃燒時吸收這物質會產生酸，因此而有此命名方式，雖然這從現在的「後見之明」來看並非如此，但這已經是概念上的一大進步。
燃素論讓西方科學有數十年的時間都在打迷糊仗，雖然有許多人有些特殊的發現，但卻無法正確理解，例如1739年就有人發現動物呼吸、發酵，以及某些物體燃燒會產生一種「固定空氣」。然而那時候的人還不了解空氣是種混合物，因此對於這種固定空氣會讓動物吸入太多而死亡，但其他空氣又是動物生存不可或缺的物質感到困惑。
■改變理論也改變觀察結果
當時的學者從燃素說的角度來看，可能會視之為「充滿燃素的飽和空氣」，但從拉瓦節的理論來看，這是碳燃燒時跟酸素結合所產生的物質（也就是二氧化碳）。
普利斯特利一直沉溺於自己的想法被剽竊，自己的信仰被推翻而不高興，但拉瓦節則吸引了一批科學家在學術上持續往前，大家需要新的化學命名方式來看待這些物質，包含了純物質與化合物。
從這裡可以讓學生了解眼見未必為憑，科學還需要更仔細的測量，量化的概念，同時也理解理論對引導思考、設計實驗、解釋實驗的重要。
綠色膠黏，交聯：硼砂的取代調查／ 廖旭茂、王玉睿、梁書銘
星期六 , 2, 3 月 2019 第三十期/2019年03月, 綠色化學實驗 在〈綠色膠黏，交聯：硼砂的取代調查／ 廖旭茂、王玉睿、梁書銘〉中留言功能已關閉
綠色膠黏，交聯：硼砂的取代調查
廖旭茂*、王玉睿、梁書銘
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n 簡介
在中小學的實驗課堂裡或科學社團活動中常利用透明PVA膠水(Polyvinyl alcohol，簡稱PVA, 聚乙烯醇)或白膠(Polyvinyl acetate，簡稱PVAc，聚醋酸乙烯酯)，跟不等量的硼砂產生交聯作用，可以製作黏彈性不一的異形(putty，另稱橡皮泥)或QQ球1；或在其中加入四氧化三鐵粉末(Fe3O4)，製作可被磁鐵所吸引，逗趣的磁力異形2，但這個熱門又耳熟能響的科學玩具卻隱含著一個被輕忽的風險–硼砂。2017年就曾經報導過，新竹有學童就誤食了同學私下買來製作「史萊姆」的食用級硼砂，而緊急住院的案例3。
硼砂(Na2B4O7·10H2O)，生活中廣泛地被使用在食品防腐、眼科醫藥、肥料，以及蟑螂的餌劑中；成人若攝入用1~3
公克硼砂即可能中毒，15~20 公克有致命危險；孩童則因為代謝效率較慢，食用5 公克可能造成死亡4。鑒於硼砂潛在的風險，本文將探討比較小蘇打(NaHCO3)、三偏磷酸鈉Na3(PO3)3與硼砂和膠水與白膠的交聯作用，並描述利用小蘇打取代硼砂，製作史萊姆異形、磁力異形、感溫變色異形的製作方法外，也提供其成品有趣的演示影片，並且詳細地說明此實驗所涉及的原理與概念。
期盼透過本實驗文章的分享，能拋磚引玉，推前瞻化學教育素養–「綠色思維與風險意識」，讓中小學的化學實驗能真正達到趣味性、動機性、安全性，符合綠色化學原則，落實永續教育的經營目標。
n 器材與藥品
一、器材：
250毫升燒杯、10毫升量筒、成型模具(自製)、智慧型手機、數位拉力計-5Kg、電子天平、數位硬度計、密封袋#6
等。
圖1：由左而右依序為成型模具、拉伸力測量機台、簡易數位硬度計
二、藥品：
透明膠水(聚乙烯醇)、白膠(聚醋酸乙烯酯)、硼砂Na2B4O7、三偏磷酸鈉Na3P3O9、碳酸氫鈉NaHCO3、四氧化三鐵Fe3O4(s)、感溫藍31度、黃色絹印油墨。
下圖為各分子的結構式。
圖2：由左而右依序為白膠(聚醋酸乙烯酯)、透明膠水(聚乙烯醇)、硼酸根(硼砂水解物)
n 硼砂可以被取代嗎？利用小蘇打、三偏磷酸鈉取代硼砂，與高分子作用，在不同條件下，依序調查聚合物的重量變化、硬度、單位長度拉伸力等物性變化。
一、交聯劑與透明膠水(聚乙烯醇，PVA)的作用調查
1. 交聯時間的不同：取出成型模具，倒入10克的PVA膠水，並加入0.08M的硼砂溶液10毫升，均勻攪拌後，將模具放入密封袋，靜置5分鐘後。依序進行重量測量、拉力測試、硬度測試。重複前面實驗，將靜置時間分別提高至1小時、1天、1星期。依序進行重量測量、硬度測試。
2. 承上，將交聯劑換成小蘇打、三偏磷酸鈉，重複上述實驗測試。下圖為拉力測試。
圖3：高分子的拉力測試過程
3. 交聯劑的濃度：取出成型模具，倒入10克的PVA膠水，並加入0.01M的硼砂溶液10毫升，均勻攪拌後，將模具放入密封袋，靜置5分鐘後。依序進行重量測量、拉力測試、以及硬度測試。重複前面實驗，將硼砂的濃度分別提高至0.02M、0.04M、0.08M，均勻攪拌後，將模具放入密封袋，靜置5分鐘後。進行單位長度拉力測試。
4. 承上，將交聯劑換成小蘇打、三偏磷酸鈉，重複上述實驗測試。
二、交聯劑與白膠(聚醋酸乙烯酯，PVAc)的作用調查
1. 交聯時間的不同：將透明膠水換成白膠，重複上述1~2實驗，調查白膠分別與硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉在不同反應時間下，重量、以及硬度測試下的變化。
2. 交聯劑的濃度：重複上述3~4實驗步驟，調查白膠分別與硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉在不同濃度下，單位長度拉力測試的差異。
三、綠色交聯作用在科學玩具上的開發：史萊姆、磁力異形、感溫變色異形的等科學玩具的製作。
1. 綠色史萊姆異形的製作：取50克透明膠水，一邊以攪拌棒攪拌，一邊緩慢滴入飽和小蘇打溶液，約加入20
毫升的小蘇打溶液後，即可取出，並在手中搓揉均勻，備用。隨後將聚合物壓平略呈四方形，可與另一位同學一人兩手，緩慢自四方形的四個角落往外拉伸成薄膜，測量薄膜最大展開的面積是多少？
圖4：綠色史萊姆異形的測試
2. 綠色磁力異形的製作：取3克的四氧化三鐵粉與15克白膠，攪拌均勻後，緩慢滴入小蘇打後，不斷地攪拌白膠至均勻狀，最後約加入6毫升的飽和小蘇打溶液，靜置約30~40分鐘，帶磁力異形逐漸成形後，備用。隨後取一塊強力磁鐵，緩緩靠近黑色的磁力異形，觀察異形的移動現象2。下圖為兩種磁力異型的比較。
圖5：圖左為加了硼砂的磁力異形，圖右為加了小蘇打的磁力異形
3. 綠色感溫變色異形的製作：取50克的白膠與4克的黃色絹印油墨，以及8克的藍色感溫油墨，攪拌均勻後，緩慢滴入小蘇打後，不斷地攪拌白膠，最後約加入18毫升的飽和小蘇打溶液，靜置約40~60分鐘後，備用7。取一個100毫升的燒杯，裝約6分滿的熱水，將感溫變色異形搓成棒裝，置入熱水中，觀察異形的顏色變化？下圖為製作過程。
圖6：感溫變色異形的製作與熱水中的測試
n 結果與討論
一、硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉三者加聚乙烯醇(透明膠水)在不同條件下交聯效果比較
1. 硬度VS.時間的變化
分別比較聚乙烯醇添加0.08M硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉水溶液，經過不同時間觀察其硬度差異(單位:HA)。結果顯示：硬度：小蘇打>三偏磷酸鈉>硼砂，小蘇打與聚乙烯醇有較大的吸引力，交聯密度較高。以下為數據匯整之折線圖。
圖7：硬度對時間的關係圖比較
2. 重量VS.時間的變化
分別比較聚乙烯醇添加0.08M硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉水溶液，經過30分鐘、1小時、1天、1星期觀察其重量差異(單位:g)。結果顯示：因脫水造成的重量減少的比例：小蘇打與三偏磷酸鈉相近，兩者皆大於硼砂。以下為數據匯整之折線圖。
圖8：重量減損與時間的關係比較
3. 單位長度拉伸力VS.濃度的變化
聚乙烯醇添加硼砂水溶液時，硬度較軟，低於設備量測值，且無法固定於拉伸平台上，因此量測值為ND；單位長度的拉伸力小蘇打與三偏磷酸鈉之數據接近，均高於硼砂。
圖9：單位長度拉伸力與濃度的關係比較
4. 綜合以上結果：比較硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉三者與聚乙烯醇發現反應時間越長，硬度越高，硬度中以小蘇打最大，代表小蘇打與膠水中的聚乙烯醇分子間的引力(交聯作用)越強，硼砂最軟代表硼砂與透明膠水中的引力最小。靜置經歷的時間越長三者交聯的聚合物重量皆減少，其中以三偏磷酸鈉與小蘇打最多，這可能交聯過程中的縮合脫水或蒸發現象所造成。因此推斷小蘇打、三偏磷酸鈉可取代硼砂。
二、硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉三者與聚醋酸乙烯酯(白膠)在不同條件下交聯效果比較
1. 硬度VS.時間的變化
分別比較聚乙烯醇添加0.08M硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉水溶液，經過不同時間觀察其硬 度差異(單位:HA)。結果顯示：硬度：小蘇打>三偏磷酸鈉>硼砂。以下為數據匯整之折線圖。
圖10：硬度與時間的關係圖比較
2. 重量VS.時間的變化
分別比較聚醋酸乙烯酯添加0.08M硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉水溶液，經過30分鐘、1小時、1天、1星期觀察其重量差異(單位:g)。結果顯示：因脫水造成的重量減少的比例：小蘇打與三偏磷酸鈉相近，兩者皆大於硼砂。以下為數據匯整之折線圖。
圖11：重量減損與時間的關係比較
3. 單位長度拉伸力VS.濃度的變化
聚醋酸乙烯酯添加硼砂水溶液時，硬度較軟，低於設備量測值且無法固定於拉伸平台上，因此量測值為ND單位長度的拉伸力小蘇打與三偏磷酸鈉之數據接近，均高於硼砂。以下為數據匯整之折線圖。
圖12：單位長度拉伸力與濃度的關係比較
4. 綜合以上結果：比較硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉三者與白膠在不同條件下交聯效果，由硬度與測試結果發現，時間越長，硬度越高，硬度中以小蘇打與三偏磷酸鈉相近最大，硼砂交聯的聚合物硬度最低；據此推論小蘇打或三偏磷酸鈉與白膠具醋酸乙烯酯分子間的交聯作用較強。靜置經歷的時間越長三者交聯的聚合物重量皆減少，其中以三偏磷酸鈉與小蘇打最多，這可能交聯過程中的脫水或蒸發現象所造成。交聯劑的濃亦會影響交聯作用，濃度越高交聯作用越明顯。
三、在製作史萊姆異形，發現添加小蘇打取代硼砂當交聯劑時，50g的透明膠水加入20毫升飽和小蘇打水溶液製成的異形，薄膜拉伸的大小長約45公分、寬約40公分。在製作磁力異形時，成品較為軟Q，易受磁鐵吸引操控。
四、在感溫異形製作時，發現添加飽和小蘇打為添加劑時，因感溫水乳液含水量太高，交聯反應成形時間較長，但保存於封口袋約三天後，硼砂製的異形溶出大量的感溫油墨，而小蘇打製的異形卻無此現象。顯示小蘇打的交聯效果較好。下圖為兩種感溫異形的比較。
圖13：圖左為硼砂製的感溫異形，圖右為小蘇打製的感溫異形
n 原理與概念
交聯作用(cross-link)分為化學性的交聯與物理性的交聯。一般化學性的交聯指的是兩條高分子鏈藉由小分子交聯劑，藉由真實的化學鍵，比如說共價鍵，鏈結接在一起，最常見的例子是橡膠分子中加硫；而物理性的交聯，通常是透過較弱的分子間作用力進行的，比如說氫鍵，這部分的反應也是可逆的，最常見的例子是硼砂與聚乙烯醇的反應，製作科學玩具史萊姆異形5，硼砂溶於水可產生硼酸B(OH)3與硼酸鹽B(OH)4–，可透過氫鍵連結兩條高分子鏈；交聯作用的發生可降低單一高分子鏈的移動的能力，高密度的交聯作用可提高聚合物的彈性與硬度，若進行縮合，高分子會脫水，重量減少。下圖是聚乙烯醇與硼砂可能交聯的示意圖。
圖14：氫鍵將兩條高分子鏈交聯連結一起
小蘇打溶於水呈鹼性，分子結構與硼砂溶於水的產物B(OH)4–類似，一樣具有高極性的氧離子、氫氧端(-OH)，但卻更有安全；三偏磷酸鈉Na3P3O9，結構中亦具有高極性的氫氧端(-OH)，常用於食品業用作澱粉改質劑，是衛福部建議製作鹼粽時取代硼砂的合法添加物5。兩者跟硼砂一樣都可做為高分子的交聯劑。下圖是三偏磷酸鈉的結構式。
圖15：三偏磷酸鈉的環形結構式，圖片來自維基百科6
實驗顯示，聚乙烯醇PVA無論小蘇打或三偏磷酸鈉都比硼砂的交聯作用來得強，這部分可能與結構有關；與聚乙烯醇PVA交聯時，推論可能是小蘇打的平面結構可能比立體的硼酸根B(OH)4– 擁有更強的引力，或更高密度的交聯密度7。下圖是小蘇打與聚乙烯醇PVA可能交聯的示意圖。
圖16：小蘇打透過氫鍵交聯兩條PVA高分子鏈
白膠是聚醋酸乙烯酯PVAc、水、聚乙烯醇的乳化產品，包覆在微包的外圍，作用在保護並穩定整個膠體，是一種適合黏著多孔性的材料。因外層包覆聚乙烯醇，同樣的可以透過硼砂、小蘇打等交聯劑形成Q彈的聚合物8。
有關磁性異形2以及感溫變色異形的製作方法9及相關原理之前已經談過，不再重述，有興趣的朋友可自文獻連結科學研習月刊網站下載參考。
n 安全注意及廢棄物處理
l 實驗後，反應所產生的廢棄物，依規定回收處理。有關硼砂的危害物質危害數據資料可參考以下化學品全球調和系統網站https://ppt.cc/fKbOIx
n 參考文獻
1. 楊水平(2011)，「變態的膠水─聚乙烯醇與硼砂的交聯作用」，中學化學示範實驗Chemical Demonstrations (http://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/26876)。
2. 廖旭茂，化學教室：自製磁性異形。科學研習月刊，2013，卷52，期06，頁26~31。
3. 洪美秀(民106年5月19日)。國小學童好奇嘻鬧
誤食硼砂送醫。自由時報。取自https://news.ltn.com.tw/news/society/breakingnews/2072509
4. 李忠勳(106年12月14日)。硼砂：讓食物變得QQ的月石。環保署毒物及化學物質局評估管理組。取自https://www.tcsb.gov.tw/fp-263-2728-ae3cb-1.html
5. 行政院衛生福利部(民106年5月25日)。端午飄香粽
食安來把關。取自食品藥物管理署，https://www.mohw.gov.tw/fp-2772-18316-1.html
6. Sodium trimetaphosphate，取自維基百科，https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_trimetaphosphate
7. Cross-link，取自維基百科，https://en.wikipedia.org/wiki/Cross-link
8. Polyvinyl acetate，取自維基百科，https://en.wikipedia.org/wiki/Polyvinyl_acetate
9. 廖旭茂，化學教室：自製感溫和感光變色異形。科學研習月刊，2013，卷52，期07，頁36~41。
利用手機App及雷切技術開發 高中化學探究與實作課程— 水中結晶紫的吸附去除與濃度測定 ／ 劉燕孝、廖家榮、趙君傑
星期五 , 1, 3 月 2019 化學課程與教材, 第三十期/2019年03月 在〈利用手機App及雷切技術開發 高中化學探究與實作課程— 水中結晶紫的吸附去除與濃度測定 ／ 劉燕孝、廖家榮、趙君傑〉中留言功能已關閉利用手機App及雷切技術開發
高中化學探究與實作課程—
水中結晶紫的吸附去除與濃度測定
劉燕孝、廖家榮、趙君傑
臺北市立建國高級中學
[email protected]
一、結合水汙染議題，將課本比色法實驗應用於解決生活問題
高中課綱中的比色法實驗，屬於基礎化學(三)化學平衡一章的範疇，利用鐵(Ⅲ)離子(Fe3+)和硫氰根離子反應生成血紅色的硫氰化鐵(Ⅲ)錯離子(FeSCN2+)，而溶液中鐵離子在低濃度時呈淡黃色，硫氰根離子為無色，但反應所生成的硫氰化鐵(Ⅲ)離子，莫耳吸收度高，血紅色極深，色深隨管內溶液的高度與濃度而改變。比色時，兩溶液濃度不同，須調整溶液的深度至兩溶液的顏色深淺相同為止。
而隨著「快速時尚」風潮席捲全球，文獻指出，全球17至20％的工業廢水汙染來自紡織染整業，染整業的廢水包含約72種有毒化學物質，其中有30種無法去除2；因此，我們希望以染料廢水為議題，引導學生利用課本比色法實驗切入染料所造成的汙染檢測。
二、發揮創客精神，應用雷射切割技術，自行設計製作比色裝置
然而，高中生的實作能力訓練較少，大多是在學理探討。我們希望藉由此模組能有助於高中學生更容易跨進「自造」領域，向生活科技科及網路創客學習AI(Adobe Illustrator)等設計軟體，經不斷摸索、反覆討論與修正，設計並產出自製的比色裝置，構造簡單，組裝容易，操作簡便，產製原料本成低，易於推廣，預留寬廣的設計發展空間，將來可結合更多的課本實驗。設計完畢後，使用校內生活科技教室的雷射切割機，輸入所設計的AI設計檔案，產製迅速，可依學生人數需求而隨時大量製造。
三、生活裝置應用於科學，利用手機及Apps偵測
利用感測元件軟硬體(如：分光光度計)可將人為判斷色度的主觀誤差因素降到最低，但一般市售分光光度計價格高，對於欲進行獨立研究或探討議題的高中生而言，恐無法負擔，為解決此問題，本模組的發展，醞釀而出。由於手機普及，學生又往往偏好其娛樂性，所以，我們引導學生善用身邊易取得又不離身的手機，除了運用其LED提供比色法的光源外，並將顏色與濃度的關係轉變為量化的數據，進行科學研究。我們先篩選數種符合功能需求的應用軟體，引導學生自行選擇，比較各種Apps的功能，熟悉其使用方法，引領學生將手機用於科學的學習用途上。
本團隊採用手機為硬體，搭配易於下載取得的免費應用程式(Apps)，搭配雷射切割製作的輔助裝置，將原本的「肉眼觀測」，改為利用手機及Apps的「偵測」，偵測待測溶液的RGB值或lux值(單位面積的光通量)，有效而穩定地提供量化數值，偵測簡便，再現性高，有利於數值分析與進一步的探討與研究。
四、應用手機或電腦軟體量化分析，培養學生數據處理的能力
本課程設計中，包含了利用手機或電腦軟體分析處理實驗數據的教學，經由作圖分析，了解各種活性炭的吸附特性等。我們在課程中也介紹了一些手機中方便好用的Apps，可供同學現場進行數據的紀錄及作圖，找出圖中的趨勢線，進而以Apps求出數據間的相關係數，可讓同學更懂得如何善用手機的強大運算能力，也讓同學能在實驗的空檔，更容易利用時間迅速而精確地處理數據。
較複雜的數據關係分析，如：濃度與lux值或像素的R、G、B值等關係的探究，也可以回到使用手機Apps或電腦的excel程式，同學須觀察原始數據，思考可能的數學關係，進行不同的數據轉換，如：取倒數、取log等，才能取得較佳的回歸關係。在這個過程中，學生也實際參與了科學性質的發現，了解課堂上的知識與定律，是如何透過實驗數據分析歸納而得。
一、應用雷射切割技術，設計、產製並組裝自製的比色裝置。
二、改變攪拌時間，利用市售活性炭，對結晶紫溶液，進行吸附實驗。
三、以手機、Apps及自製比色裝置，代替傳統肉眼觀察(傳統方法)，測量結晶紫溶液的顏色深度，並製作迴歸曲線。
四、以利用手機、Apps及自製比色裝置，代替傳統肉眼觀察(傳統方法)，測量經活性炭吸附後的結晶紫溶液之濃度
結晶紫（crystal violet）或稱龍膽紫（gentian violet），也稱「甲基紫10B」，是一種三苯甲烷系染料，結構如圖1。
圖1. 結晶紫結構
活性炭主要是由木頭、木屑、水果殼或煤炭等物質經高溫（600℃ ~ 800℃）乾餾後，使其分解形成低分子量的碳氫化合物和多孔性的碳殘留物，再通以熱空氣或水蒸氣加以活性化。活性炭表面具有許多的毛細孔，這些毛細孔洞內表面及顆粒表面即是吸附作用之所在，這些表面的面積相當大，使得活性炭的比表面積(即總表面積/質量)非常大。
經由比較或測量有色物質溶液的顏色深度，可確定待測成分含量的方法，稱為比色法(colorimetry)。以比色法測定有色未知物的濃度時，是由二比色管的管口上方，向下俯視，觀察二溶液的顏色深淺，調整某管溶液的液深，直到二溶液的顏色深淺由上方俯視看起來相同為止，此時二溶液的濃度（C1與C2）與液深（h1與h2）成反比。
[1]
式[1]只能測出此二溶液的濃度比，欲求得溶液的確實濃度，必須選擇一已知濃度的標準溶液與其比色，即可依式[1]求得未知溶液的濃度。
比色法其原理為比爾–朗伯定律（Beer–Lambert law）5，是光穿透溶液時被吸收的基本定律，適用於所有波長的光，適用於所有會吸光的物質，如：固體、液體、氣體和水溶液。
以水溶液為例，一束單波長的光，在通過一定厚度的水溶液後，水溶液中的吸光介質吸收了一部分此單波長光的光能，會使透射光的強度較入射光弱。水溶液中吸光介質的濃度愈高，厚度愈厚，透射光強度的減弱愈顯著，其數學關係式為：
其中，A是吸光度(Absorbance)；It是透射光的強度；I0是入射光的強度；T是透射比或穿透度(Transmittance)；a是莫耳吸收係數(L‧mol-1‧cm-1)；b是光穿過水溶液的路徑長(cm)；C是水溶液中吸光介質的濃度(mol/L)。
當一束相互平行的單色光，垂直穿透含吸光物質的水溶液時，其吸光度(A) 與光穿過水溶液的路徑長(b)及水溶液中吸光物質的濃度(C)成正比。因此，二溶液的濃度（C1與C2）與其高度（h1與h2）成反比。
而目前飲用水色度檢測，是採用環保署所公告之「鉑鈷視覺比色法NIEA W201.52B」6。其原理為視覺比色法，將水樣和一系列不同色度之鉑鈷標準溶液進行視覺比對，測出水樣之色度，比對方式亦可以使用附有校正證明之玻璃製標準色盤進行。一個色度單位，係指1 mg鉑以氯鉑酸根離子（Chloroplatinate ion）態存在於1 L水溶液中時所產生之色度。在某些特殊情況下，可改變鉑和鈷之比例，以接近水樣之色調。
一、實驗目的：
(一) 模擬環保署公告之飲用水色度檢驗方法，以比色法及自製比色裝置，探討活性炭對有色物質結晶紫的吸附效果，模擬水汙染的防治與測量污水處理的效果。
(二) 以手機、Apps及自製比色裝置，偵測溶液lux值或中間像素的R、G、B值，代替肉眼觀察的比色法，探討活性炭對有色物質結晶紫的吸附效果，模擬測量污水處理的效果。
二、器材與藥品
(一) 每組的器材
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50 mL量筒 |
1個 |
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100mL燒杯 |
2個 |
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25mL分度吸量管 |
1支 |
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安全吸球、50mL容量瓶 |
1個 |
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20 mL比色管 |
6支 |
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滴管 |
1支 |
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攪拌子 |
1個 |
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濾袋 |
1個 |
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電子天平 |
全班3台 |
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電磁攪拌器 |
1台 |
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自製比色裝置組 |
1組 |
(二) 各組的藥品
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5×10-4 M 結晶紫溶液(A1) |
200 mL |
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市售活性炭(附公用刮勺) |
1.0克 |
三、實驗前準備
(一) 影像分析軟體的裝載與操作：
1. 在手機中，免費裝載行動應用程式(mobile application，簡稱APP)，例如：ColorAnalyzer、ColorMeter等，以讀取影像的RGB數值。
2. 啟用該APP，開啟一張照片或影像，選取該影像中任一像素，讀取該像素的資訊，如： R值、G值、B值等。以ColorAnalyzer為例，執行後，出現圖2.畫面I，接著出現畫面II。此時，若點選「Real Time」，可讀取攝像鏡頭中某像素的R、G、B值。
3. 若點選「Existing Image」，會出現圖2.畫面III，點選該畫面左下方的「Image」，可讀取該手機中已存在的數位影像檔，手機螢幕下方即是白方框游標正中間像素的R、G、B值，以圖2.畫面IV為例，R =54、G =58、B =93。
畫面I 畫面II 畫面III 畫面IV
圖2.ColorAnalyzer的操作畫面
(二) 照度量測軟體的裝載與操作：
1. 在手機中，免費裝載APP，例如：Light Meter-Free(一般手機Android 系統用)、LuxLightMeter(蘋果手機的iOS系統用)，以量測前鏡頭或後鏡頭的勒克斯(Lux)數值。
2. 以Android系統Light Meter-Free為例，搜尋時，手機畫面會如圖3.畫面I所示，安裝執行後，手機畫面如圖3.畫面II，先點選右下角「Preferences」後，手機畫面如圖3.畫面III，將「Display FC and lux」設為勾選，並按退出鍵，使手機畫面回到圖3.畫面II。
3. 若要用後鏡頭(手機相機，觸控板反面)的感光器，則當手機畫面如圖3.畫面II時，觸碰左上角的「Camera Meter」使手機畫面如圖3.畫面V，其中，下半部左邊的紅點拉把可調鏡頭的遠近，上半部右下角的藍色方格中，會顯示ev、fc、lux三數值，其中最下方為lux值。以圖3.畫面IV為例，在ev值6.0、fc值15、lux值165，當後鏡頭呈現該影像時，後鏡頭的感光器所測得的勒克斯值即為165。
4. 若要用前鏡頭(自拍鏡頭，與觸控面板同面)旁的感光器，則當手機畫面如圖3.畫面II時，觸碰右上角的「Sensor Meter」，手機畫面如圖3.畫面IV，其中，上半部右下角的藍色方格中會顯示ev、fc、lux三數值，其中最下方為lux值，即是前鏡頭旁的感光器所測得的勒克斯值，以圖3.畫面V為例，ev值3.9、fc值3、lux值38，38即前鏡頭旁感光器所測得的勒克斯值。
畫面I 畫面II 畫面III 畫面IV 畫面V
圖3. Light Meter-Free的操作畫面
(三) 檢量線迴歸方程式軟體的裝載與操作練習：
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1. 搜尋程式
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2. 下載
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3. 進入迴歸選項
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4. 進入線性回歸
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5. 輸入行與列各2
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6. 開啟數據表單
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7. 輸入數據
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8. 顯示迴歸直線方程式
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求得迴歸線方程式為：y = 1057.7x + 0.0556 |
(四) 組裝自製比色裝置：
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1. 裝置平面圖
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2. 組裝頂蓋及一側邊
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3. 組裝內部比色管固定座
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4. 組裝壓克力底板與上蓋
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5. 將手機光源置於手機架下
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AI設計圖
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四、實驗步驟
(一) 活性炭對結晶紫溶液的吸附實驗：
1. 以秤量紙秤取約1.0克(0.09~1.10克,記錄至0.001克)活性炭，裝入濾袋，濾袋以木夾夾住，置入100 mL燒杯內。
2. 以50 mL量筒量取5.00×10-4M 結晶紫溶液(A1) 50 mL，傾入步驟1的100 mL燒杯中，濾袋靠邊放置，以磁攪拌器及攪拌子，定速攪拌溶液1分鐘。
3. 經此攪拌吸附後的溶液訂為Ax液，以25.0mL分度吸量管量取20mL Ax液於20mL比色管中。
(二) 經由稀釋配製不同濃度(A2~A5)的結晶紫溶液：
1. 以25.0mL的分度吸量管及安全吸球，吸取5.00×10-4M的結晶紫溶液(A1) 25 mL，加入50.0 mL的容量瓶中。
2. 於容量瓶中加R.O水稀釋至50.0 mL刻度線處，均勻混合後得2.50×10-4 M結晶紫溶液(A2)，倒入100.0 mL燒杯中後，將容量瓶以R.O.水潤洗兩次。
3. 以25.0mL的分度吸量管及安全吸球，吸取20mL A2溶液於20mL比色管中。將步驟1中的A1溶液依序改為A2、A3及A4溶液，重複步驟1~3，可得溶液A3 、A4及A5。
(三) 利用不同濃度的結晶紫溶液，製作檢量線：
1. 填寫手機、Apps及比色裝置成品組裝紀錄圖表：
表1. 手機、Apps及比色裝置成品組裝紀錄表
2. 依序攝取不同濃度的結晶紫溶液A1、A2、A3、A4、A5、Ax同條件下的影像各三幅，或依序量取其照度值(Lux值)各三個。
3. 用手機的Apps，讀取各影像的R、G、B值或照度值，分別以數值R、 G、B或照度值為緃軸，以溶液濃度為橫軸，作圖，並以軟體取趨勢迴歸，畫出檢量線，記錄迴歸後R2數值及其數學方程式，推測待測液Ax中結晶紫的濃度。
表2. 結晶紫標準溶液濃度
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|
A1 |
A2 |
A3 |
A4 |
A5 |
|
濃 度 (M) |
5.00×10-4 |
2.50×10-4 |
1.25×10-4 |
6.25×10-5 |
3.125×10-5 |
五、實驗結果
(一) 繪製檢量線並推測未知液的濃度：
1. 結果：
圖5.A1、A2、A3、A4、A5溶液濃度與G值關係圖
2. 趨勢線預測迴歸分析：
指數：Y=179.89e -1648X，R2=0.8672；
線性：Y=-14274X + 173.94，R2=0.7452。
對數：Y = -57.47ln(X) – 359.77，R2=0.9379。
二次式：Y=3*108X2 -484452X + 221.27，R2=0.9544。
乘冪：Y=1.1673X-0.539，R2=0.9654。
(二) 代入上述檢量線，求出經活性炭吸附後待測液Ax中結晶紫的濃度：
|
函數 |
迴歸方程式 |
Ax中結晶紫的濃度(M) |
|
指數 |
Y=179.89e -1648X， R2=0.8672 |
Y=82.9，X=4.7×10– 4M |
|
線性 |
Y=-14274X + 173.94, R2=0.7452 |
Y=82.9，X=6.4×10– 3M |
|
對數 |
Y = -57.47ln(X) – 359.77, R2=0.9379 |
Y=82.9，X=3.0×10– 4M |
|
二次式 |
Y=3*108X2 -484452X + 221.27, R2=0.9544 |
Y=82.9，X=3.7×10– 4M |
|
乘冪 |
Y=1.1673X-0.539， R2=0.9654 |
Y=82.9，X=3.7×10– 4M |
圖6. 比色裝置學生實作照片
一、學生回饋
由所收集學生回饋單可發現(圖7)，他們覺得這樣的設計與以往有很大的不同，除了富有創意與改進了實驗的精確度之外，也有許多在裝置操作上的便利性。此外，學生們也提供了許多設計上需要再改進的地方，如光源與感光元件不易對準，光源亮度不足等問題。然而，許多組也發現了許多原本並非原設計所使用的方式，恰可克服一些其他組所遭遇的困難，總結而言，學生們相當肯定這份課程設計。原本課本實驗的觀測較主觀而換算方法較制式，在本課程模組中，透過動手做的創客精神，我們希望藉由此模組能有助於高中學生更容易跨進「自造」領域，不論裝置、測量方法、甚至數據處理方式，皆具有探究精神，同時結合水污染的議題，具有跨學科的知識整合，也結合創客教育(Maker Education)的動手實作。
圖7. 學生的課程回饋單
二、教學心得
(一)本課程以「水污染」為議題出發，除開發測量活性炭降低污染程度的工具外，更可將本技術應用於改良高中比色法實驗，將其導入探究與實作精神，測量方法由肉眼判斷進階為科學數據的量測，結合焦點討論法(ORID)啟發學生四學習興趣，學生普遍認為，提昇了科學研究的能力。
(二)進行傳統以肉眼觀察的比色法實驗時，最常聽到學生問：「老師，這兩個誰的顏色比較深？我看不出來啊！」若改以手機提供光源及偵測的感光元件等硬體，學生普遍認為可以降低人為判斷的誤差，因此降低無法正確判斷的挫折感；當然，Apps有許多的選擇，各有特色，且不同手機的感光元件有差異，偵測RGB值或勒克斯值的極限及靈敏度有所不同，故同一組宜固定使用同一台手機操作。
本課程從課本實驗「以比色法測定推算平衡常數」出發，我們引導學生認識成衣界快速時尚造成染料汙染的問題，並透過測量顏色的深淺，將水溶液中的有色物質定量，以測定經活性炭處理過後的汙水，觀測到污染降低的效果。
本課程中的偵測法，值得深入探討，讓學生思考有不同的選擇，可以引領學生發揮無限的想像，透過實驗的設計與變因的控制，鼓勵同學繼續探討其中各種值得探究的議題。例如：
一、 汙染物吸附物的選擇方面：可以將各種植物原料自製為活性炭時，何者效果較佳？
二、 吸附條件方面：活性炭效果是否受到溫度、攪拌方式或攪拌時間的影響？
三、 汙染濃度偵測方法的探討：選用比色法、RGB值還是lux值效果較好？原因為何？
四、 手機裝置偵測效果的比較：又可分為硬體(手機感光元件)，及軟體(Apps)程式的效果比較，如何選擇？
五、 汙染偵測比色裝置的改良：何種比色管效果較佳？光源位置如何調整以降低干擾？更可以引導學生學習AI等軟體後，根據實驗需求自行設計改良裝置，並實際以雷射切割製造並應用。
六、 數據分析方法及原理的探討：何種數學關係式的相關係數最高？數據是否須考慮對照組(純水或鐵離子溶液)？是否與比爾–朗伯定律結果相同？
以上為可深入進行探究與實作的議題實例，學生可以由本議題與技術裝置出發，真正實踐一個探究的科學活動。
1：葉名倉等(2018)。基礎化學(三)。台南市:南一書局。
2：Kant, R. (2012) Textile dyeing industry an environmental hazard. Natural Science, 4, 22-26. doi: 10.4236/ns.2012.41004.
3：維基百科(2019/2/7) https://zh.wikipedia.org/wiki/結晶紫
4：維基百科(2019/2/7) https://zh.wikipedia.org/wiki/活性炭
5：維基百科(2019/2/7) https://zh.wikipedia.org/wiki/比爾–朗伯定律
6：中華民國96年6月22日環署檢字第0960046607A號公告，自中華民國96年10月15日起實施。水中色度檢測法－鉑鈷視覺比色法 (NIEA W201.52B)
《臺灣化學教育》第二十九期（2019年1月）
目 錄
n 主編的話
u 第二十九期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕
n 本期專題【專題編輯／邱美虹】
u 2019國際元素週期表年(IYPT)／邱美虹〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：追尋元素週期表的歷史軌跡／蔡蘊明 〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：開啟化學與週期表的「萬應室之鑰」／陳竹亭〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：門得列夫化學元素週期表最具突破性的研究報告是哪一篇?／邱美虹〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：中文和日文在元素與化學名詞翻譯上的異同／林震煌〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：鉻不叫Chromium，也是五彩繽紛！／李祐慈〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：煉金術經濟學──從商業活動來看現代化學的誕生／蔡文潔、戴桓青〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：同位素之簡介及應用／廖文昌、連經憶〔HTML｜PDF〕
2019國際元素週期表年(IYPT)：化學學習與元素週期表／周金城 [ HTML｜PDF ]
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：現代藝術家與門得列夫的時空交會／楊水平〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：讓藝術腦撈過界～跨腦學週期表／吉佛慈〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：微量元素，人體中的有感元素！／張榮耀〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：鹵素歷史及生活運用–榮譽、戰爭、醫學／許之音〔HTML｜PDF〕
u 2019國際元素週期表年(IYPT)：美學與化學的邂逅：元素週期表巧拼創作／李雁婷〔HTML｜PDF〕
n 新知報導／化學教育新知【專欄編輯／邱美虹】
u 2018年諾貝爾化學獎／蔡蘊明譯〔HTML｜PDF〕
n 化學實驗／化學實驗含影片【專欄編輯／廖旭茂】
u 綠色化學實驗模組的設計與應用-2：金屬取代模組／廖旭茂〔HTML｜PDF〕
n 課程教材／化學課程與教材【專欄編輯／楊水平】
u 利用另類的多倫試劑學生DIY隨身鏡／方舜雨、蔡家興、楊水平〔HTML｜PDF｜學生手冊〕
n 新知報導／化學教育新知【專欄編輯／李賢哲】
u 化學安全的教育視角／李賢哲〔HTML｜PDF〕
n 課程教材／化學課程與教材【專欄編輯／周金城】
u 跨領域的科學活動／潘俊宏〔HTML｜PDF〕
n 新知報導／國內外化學教育交流【專欄編輯／林靜雯】
u 國內外化學教育交流(第二十九期)／林靜雯〔HTML｜PDF〕
第二十九期 主編的話
邱美虹
國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授
國際純粹化學與應用化學聯盟（IUPAC）執行委員會常務委員
中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員
美國國家科學教學研究學會（NARST）前理事長
[email protected]
國際化學元素週期表年(The International Year of Periodic Table of Chemical Elements, IYPT)巴黎開幕式我來了! 收到聯合國教科文組織(UNESCO)的邀請函後，就期待能到巴黎參加1月29日在UNESCO總部的開幕式，除能以IYPT Management Committee委員身分踏進UNESCO是令人興奮外，更令人興奮的是以臺灣這個不是UN會員國的身分進入UNESCO，個人是感動莫名。
凡是上過科學課程的人，沒有不知道元素週期表的。門得列夫在1869年發現元素之間的關係後正式提出元素的規律性進而建立週期表，同時他大膽地對尚未發現的元素進行預測，這一步使得他的週期表與其他較為保守的科學家所建立的週期表具更具前瞻性，也奠定他在科學史上的崇高地位。
IYPT就是為了慶祝門得列夫發表元素週期表150年所訂的。負責IYPT活動的主要是IUPAC的成員，包括前理事長Natalia Tarasova和無機委員會主任委員Jan Reedijk，和四位管理委員會委員(Chris Brett, Chris Ober, Lars Ohrstrom, 和我)，其他是UNESCO代表和各科學委員會代表[如純粹物理與應用物理聯盟(IUPAP)、國際科學理事會(ISC)、國際天文學會(IAU)、歐洲化學學會(EuChemS)等]國際科學組織。臺灣的化學會也未缺席，是IYPT活動的贊助單位之一，共襄盛舉。此次開幕式嘉賓包括有UNESCO司長(Andrey Azoulay)、俄國科學和高等教育部部長(Mikhail Kotyukov)、法國科學院院長(Pierre Corvol)、還有相當知名的PhosAgro(Andrey Guryev)公司執行長，其他還有來自世界各國將近700位代表出席，這些科學社群與業界的支持，使得這次的活動更彰顯化學的歷史地位與對社會的影響力。一整天的開幕的活動從早到晚，從小朋友的實驗活動(1001 Inventions: Journeys from Alchemy to Chemistry，這讓我很訝異，誰說小朋友不能教化學元素的!!!)、到中學和大學動手做化學實驗、各種週期表海報展、以及大師論壇等，內容多元與豐富。其中大會的兩個特別演講分別是2016年諾貝爾化學獎得主班．福瑞吉(Ben Feridge，下圖左)的Periodic Table for Society and the Future，演講內容從門得列夫的歷史道起，再以深入淺出的方式介紹元素在食衣住行醫學等的影響；另外一位嘉賓是發現元素118的尤里．奧格奈西恩(Yuri Oganessian，下圖右)，以其化學研究與元素發現為主題(New comers in the Periodic Table)。兩位國際重量級大師為當天的活動帶來高潮。其他演講大都圍繞在週期表以及化學元素在各科學領域的應用與研究突破的角色。此外，IYPT今年針對週期表各元素向全世界徵求傑出年輕學者代表特定元素，因此當天有來自五大洲的獲獎的年輕化學家代表致詞，這種傳承的精神讓人可預見化學更長遠的未來。
Ben Feridge，2016年諾貝爾化學獎得主 Yuri Oganessian發現元素118
這一期的臺灣化學教育專刊主要是以國際元素週期表年為主題，共13篇文章分別從元素週期表對人類科學發展、週期表的發展史到週期表在中學化學教育和在音樂美術上的影響，展現化學的面面觀，希望這些文章能對讀者在認識化學發展史、週期表的發展史、學校化學教育的目標、取向、及延伸有更深入與更多元的認識與啟發。除此之外，常除此之外，常態性文章有每年諾貝爾化學獎公布後都為文介紹該年得獎的研究成果的蔡蘊明教授的「2018年諾貝爾化學獎」、對飛機癡迷的李賢哲教授的「當代無人機在精密農業上的應用」、長期投入教具改良的廖旭茂老師的「綠色化學實驗模組的設計與應用」、以及潘俊宏的「跨領域科學活動設計」和林靜雯教授的活動介紹。此期內容豐富，讀者可以利用寒假慢慢欣賞閱讀。預祝讀者們新年快樂，萬事如意!
感謝化學會推薦和中研院補助此行。
