臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan2019國際元素週期表年(IYPT)：化學學習與元素週期表 ／ 周金城
星期日 , 13, 1 月 2019 本期專題, 第29期/2018年01月 在〈2019國際元素週期表年(IYPT)：化學學習與元素週期表 ／ 周金城〉中留言功能已關閉n 前言
元素週期表一直是化學學習的核心內容之一，它呈現了一種自然界化學反應的規律性模型。本文的目的在分析化學教育相關文獻中有關週期表相關文獻之內容分析與整理，了解化學教育工作者以何種角度來研究週期表。元素週期表的內容背誦記憶是必須的，但是教師可以透過更多有趣的活動來幫助學生學習週期表(Franco-Mariscal, 2014)。
n 元素週期表教學的相關研究簡介(或評介)
為了瞭解元素週期表的相關教學設計與研究，作者利用臺灣大學的web of science資料庫，透過關鍵字” periodic table”進行檢索，再將和元素週期表有關的教學活動簡單整理如下，有興趣的讀者可以再進一步進行文章閱讀。
最常見的是使用桌牌遊戲的方式設計週期表學習活動(Bayir, 2014; Franco-Mariscal, Oliva-Martinez, Blanco-Lopez, & Espana-Ramos, 2016; Franco-Mariscal, Oliva-Martinez, & Gil, 2015; Kavak, 2012; Marti-Centelles & Rubio-Magnieto, 2014; Moreno, Hincapie, & Alzate, 2014)。將化學反應拍攝呈線上影片，讓學生學習週期表中的元素反應(Moore, 2009)；使用故事情境的方式，來教導九年級學生周期表(Demircioglu, Demircioglu, & Calik, 2009)；設計可使用QR-code的撲克牌，使用行動裝置來學習週期表(Bonifacio, 2012)。
也有使用電腦設計探索式解謎遊戲，幫助大學生來學習週期表的概念(Larson, Long, & Briggs, 2012)；讓小學生透過動手製作模型的方式，來學習元素的週期性(Selco, Bruno, & Chan, 2013)。針對高中生設計填字遊戲，進行學習週期表的活動(Joag, 2014)；使用樂高積木堆疊來教導週期表的概念(Melaku, Schreck, Griffin, & Dabke, 2016)。
還有使用桌球設計網格打擊比賽遊戲活動方式，讓大學生透過團隊競賽活動，經由兩個小時的課程，幫助學生學習週期表(Lee et al., 2016)。此外，也有專為盲人設計語音與點字的週期表學習活動(Fantin, Sutton, Daumann, & Fischer, 2016)。使用多種螺旋形式的週期表，並以不同圖表的表徵方式來呈現週期表概念(Imyanitov, 2016)；透過將常見週期表的重新結構繪製方式，來逐步教導週期表結構(Kurushkin, 2017)；。設計讓每一位學生自己當作是一種元素的50分鐘互相介紹學習活動，來幫助高中與大學生學習週期表概念(Hoffman & Hennessy, 2018)。
Lehman, Koran, and Koran (1984)針對160名高中生分成八個實驗組進行比較，設計不同周期表與教學方式的交叉比較，低能力的學生適合使用傳統周期表，而高能力的學生適合使用修改後可視覺化資訊豐富的周期表。由以上分析可以知道，元素週期表的教學活動也呈現出多元的方式。
n 元素週期表的不同研究
Izci, Barrow, and Thornhill (2013)分析不同網站上的10個週期表數據精準性，研究發現若想要獲得元素中的原始數據，網路可能不是最佳的選擇。Lemes and Dal Pino (2011)試圖利用人工智慧的設計將元素自動進行分類，產生自我組織圖(self-organized map)，可以產生鹵素、鹼金屬和過渡金屬與元素週期表，但仍無法到達門德列夫的複雜程度。
n 不同時代的元素概念是不同的
Ghibaudi, Regis, and Roletto (2013)將”元素”的概念發展可以分成四個時期，:古代元素概念、18世紀的元素概念、19世紀的元素概念與20世紀元素概念，以下將分別簡要介紹此文章內容，詳細內容讀者可以詳細閱讀此文章內容。
早期的元素概念:可以追朔到西元前四世紀亞里斯多德所談的組成物質的四元素:土、水、火、氣與四種可觀察的性質:冷、熱、乾、濕。當時所談的”元素”，是以觀察者自身所能感受的角度來談論的，“元素”是一種形而上且抽象的觀點。
18世紀的元素概念:由拉瓦錫以嚴格的實驗角度來檢視亞里斯多德學派的四元素說，認為”元素”是有具體的物體，具有真實與明確的特性。他並認為元素是可以由物質中分離出來，且不可再被進一步分離。
19世紀的元素概念:在門得列夫提出週期表的時候，現代原子模型尚未被提出，因此物質中的元素在組合時，元素仍是保持其本質。物質在化學變化中，仍保有元素的本質，此本質可以由原子量的測定來加以確認。
20世紀的元素概念: Friedrich Adolf Paneth（1887—1958）根據拉瓦錫所提出元素就是簡單物質的概念，以及門德列夫指出元素可以構成簡單物質與化合物，但他質疑化合物中沒有其構成元素的化學性質，因此他透過放射性化學的研究結果提出了基本物質(basic substance)與簡單物質(simple substance)的概念。基本物質就是如同門德列夫所指出的元素的原子量概念，也就是原子序。基本物質具有簡單物質的不同特性，能讓簡單物質和化合物所表現出的多樣化的性質。後續的科學家持續的逐步拓展元素的概念。
現代的元素概念:根據IUPAC所定義元素概念如下:1.原子核中具有相同質子數的原子就是同一種原子。2.所謂純化學物質是指由原子核中的質子數都相同的原子組成；有時這個概念被稱為基本物質，不同於1中定義的化學元素，但大多數化學元素的術語是使用這兩個概念。
在科學史上的文章閱讀要特別注意的是，在不同時代的”element”都稱為”元素”這一詞，但不同時代下的”元素”內涵卻是不同的，這是需要特別注意的。
n “碳”指的是元素還是簡單物質
由於在語言的使用上，並未仔細區分所指的是元素還是簡單物質的概念，因此常會造成學生學習上的誤解。例如提到碳是指元素，還是簡單物質的煤、石墨或鑽石。元素與簡單物質是兩種不同層次的概念，但由於化學課本中未特別分開指稱，所以在學習上會常有混用的情況，可用以下表格說明，化學教師在教學時，或許可以使用鈉物質、鈉原子、鈉離子與鈉元素來區分物質階層、與形式階層。
表一 區辨物質階層與形式階層能幫助分辨簡單物質、原子與元素的概念(引自Ghibaudi, Regis et al. ,2013)
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物質階層(physical level) |
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巨觀次階層 Macroscopic Sublevel |
微觀次階層 Microscopic Sublevel |
形式階層(Formal Level) |
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簡單物質(單一元素) |
原子、離子 |
元素 |
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化合物(多種元素) |
原子、離子 |
元素 |
n 結語
元素週期表是化學學習的重要核心概念，由於週期表具有結構性與預測性，所以在化學學習上很重要。如何讓學生記得元素週期表，是化學教師在教學上的一大挑戰。隨著科技融入教學與化學教育研究的發展，可以用來設計教學的媒材越來越多，希望化學教師可以多交流，將自己在化學教學上的發現，透過網路平台交流提供給大家使用。
n 參考文獻
Kavak, N. (2012). ChemPoker. Journal of Chemical Education, 89(4), 522-523. doi: 10.1021/ed1007876
Moreno, L. F., Hincapie, G., & Alzate, M. V. (2014). Cheminoes: A Didactic Game To Learn Chemical Relationships between Valence, Atomic Number, and Symbol. Journal of Chemical Education, 91(6), 872-875. doi: 10.1021/ed4008183
Selco, J., Bruno, M., & Chan, S. (2013). Discovering Periodicity: Hands-On, Minds-On Organization of the Periodic Table by Visualizing the Unseen. Journal of Chemical Education, 90(8), 995-1002. doi: 10.1021/ed300623b
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
星期六 , 12, 1 月 2019 本期專題, 第29期/2018年01月 在〈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〉中留言功能已關閉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
國立臺灣師範大學附屬高級中學
[email protected]
n 前言
中學生對化學的愛恨情仇，往往起因於要記誦的內容太多，造成認知負荷過重。所謂「聽了就忘記，看了知道一點點，做了才完全了解」，雖強調「做中學」的重要性，卻也不全然正確。因著學習者的學習類型不同，有的人聽了就完全了解，也有的人看了就完全了解。
掌管人類邏輯思維的左腦(認知腦)，對化學知識與技能層面的學習承擔著重要責任；而主管藝術與創造的右腦(藝術腦)，則對圖像與音樂等情意層面的學習與陶冶扮演著重要地位。教得愈久，身為老師的我就愈想在教學中尋找樂趣，尋求改變，替化學難以背誦的污名坂回一成，也替化學課室氣氛增添一點非化學的藝術元素，可能是一段故事情節、一抹圖像色彩，或是一節律動音樂，以嘗試跨腦教與學的可能性。
以下將分享有關週期表及沉澱表教學中涉及藝術腦層面的教學活動，介紹一本內容豐富精采的週期表課外書，以及分享學生對週期表元素的創意表現。
n 週期表十六變
對學生而言，週期表(Periodic Table)顧名思義應是一種具有某種規律性的表格。但是多數學生與週期表的第一次接觸卻是在不明白任何規律性之下，單單藉由多次複誦強記下來，就像小時候背誦三字經與千字文一樣。
曾經在澳洲雪梨大學的化學系館佈告欄中，看到一張佈滿著16個週期表的海報(圖一)，乍看之下就像是一隻隻變形蟲，吸引我駐足停留。在後來的教學中，我將之取名為「週期表十六變」。此16張週期表代表著元素的16種性質，包含原子半徑、共價半徑、固體密度、莫耳體積、宇宙大氣含量、地殼含量、導電性、導熱性、第一游離能、電負度、電子親和力、沸點、熔點、汽化熱、熔化熱、液態溫度範圍等。以代表地殼含量的性質為例，週期表圖片就像是一隻爬行於地面上的變形蝸牛，可以明顯看出除了氧、矽、鋁、鐵、鈣、鎂、鈉、鉀元素之外，其他元素幾乎弱化縮減成為一個點或連為一條線(圖二)；若改以沸點高低的性質為例，則多數元素都佔有一定的勢力範圍，其中以金屬鎢和非金屬碳(鑽石)所佔據區域較大，而第18族的惰性氣體則弱化為形似變形蟲的尾巴或觸鬚。(圖三)
圖一：16個週期表的海報 圖二：變形蟲1-地殼含量 圖三：變形蟲2-沸點
在教學時，建議可將16種元素性質名稱與放大裁切後的16隻變形蟲製成32張圖卡。先以2-3人為一組，每組抽出一張圖卡並依據變形蟲上各元素的面積大小進行對應之元素性質預測；接著由各組上網蒐集此性質的各元素資料並進行資料紀錄與整理；各組再依據所蒐集的資料規律性，將其與變形蟲圖卡的規律性進行比較，並加以判斷是否相符；兩兩一組進行結盟，以代表地殼含量的變形蟲為例，先分享彼此抽到的變形蟲形狀(變形蝸牛)、性質預測(地殼含量)、資料佐證(地殼含量元素表)與性質確認(核對預測性質與佐證資料查詢結果是否相同)。接著互換彼此的變形蟲卡片與佐證數據，找不同組進行結盟。建議可以比賽找出在規定時間內與最多組結盟，並獲得最多變形蟲與元素性質的配對關係的組別，予以加分或表揚，並於課後收回學習單作為多元評量成績之一。
n週期表口訣之故事與圖像
中文字具有單音節的特性，用中文讀出週期表元素遠比用英文讀的音節數少得許多，也容易的多。由於歷年學測範圍多以原子序前20個元素為主，且社會組學生大多無法依照原子序1到20的順序，流利的說出20個元素。因此我在101學年度時以諧音法設計了週期表口訣，以5個元素為一組字詞，將4組字詞賦予新意，串成一個纏綿悱惻的故事，並由當時一位學生繪製成四張圖(圖四到圖七)。以原子序1到5為例，將「氫氦鋰鈹硼」轉換為「青海裡皮棚」，取其含意為「在青色的海裡，有一個獸皮縫製成的帳棚」。至於原子序6到20元素諧音部分，則建議老師能依此原則自行發揮創意與想像力，勾勒一個合乎邏輯的故事，故事情節可以盡量曲折離奇一點，介紹故事時也可以添油加醋，激發聽覺型學生的專注力；同時以PPT呈現色彩鮮明的口訣圖片，吸引視覺型學生的目光焦點；另外可搭配元素圖卡的抽取競賽或排序活動，使觸覺型學生可以在圖卡排列的操作過程中記下元素的原子序順序。
圖四：原子序1-5 圖五：原子序6-10 圖六：原子序11-15 圖七：原子序16-20
n週期表口訣之國中生成效測試
由於高中生在入學前大多已能掌握元素的大概位置，雖然不能依照原子序的順序背出，但多能以族為單位背出週期表各族的元素，因此每年在新班級教授前述故事口訣時，學生大約都能在五分鐘內記下故事諧音並完整背出前20個元素的名稱。
為了解此搭配諧音法(聽覺刺激)、故事情節法(聽覺刺激)、鮮明圖片法(視覺刺激)、圖片抽取競賽(觸覺刺激)、圖片排序活動(觸覺刺激)等學習週期表口訣以記憶原子序1～20元素的系列方法，對國中學生的學習成效如何，特別挑選四位八年級的國中生(二女二男)進行試驗。由實驗前的訪談發現，四位學生中有兩位已經超前學習週期表，而且可以概略背出原子序1-10的元素。教學活動包含：運用元素撲克牌依序排出原子序1～5、6～10、11～15、16～20等四組元素並尋找口訣(圖八)、抽取圖卡進行元素心臟病遊戲(圖九)、用原子序1～20共20張元素圖卡打亂順序後進行排序競賽(圖十)。活動結束後，四位同學中有三位可以流利且正確的背出原子序1～20的元素，另一位則經由複習口訣的故事後，也能正確背出。而此位學生本來完全不會依原子序背週期表，且在活動前表示要背下週期表很難，不可能在一節課背起來，沒想到後來表現竟超出自己的預期，並在後測問卷中表示口訣方法很實用、很有趣，記憶很深刻[1]。
圖八：排序並尋找口訣 圖九：元素心臟病遊戲 圖十：元素排序競賽
n沉澱表口訣之六階段教學活動
元素的性質並非都像半徑、金屬性、電負度一樣，可由週期表上相對應位置看出大致規律性，以沉澱反應為例，電中性元素發生電子轉移形成陰陽離子後，在水溶液中是否發生離子沉澱反應，必須經由實驗建立沉澱與否的規律性，而後才能運用此規律性作為分離或檢驗混合物所含離子之判斷參考。
過去在進行沉澱表教學時一共設計六階段活動(圖十一)，並且運用本校自然科教師專業團隊發展的「沉澱查詢機」(圖十二)與「快打沉澱表」(圖十三)兩個App。階段一是以App進行的雲端實驗取代實體實驗，運用「沉澱查詢機」所得結果填寫實驗記錄；階段二是由各組抽選一種陰離子，運用聯想力將與此陰離子是否發生沉澱反應有關的數個陽離子進行故事性設計與組合；階段三是運用七組設計的聯想結果，進行沉澱反應配對競賽；階段四是介紹老師版的口訣並學唱由五月天學長作曲、佛慈老師作詞、樂研社學長主唱的「沉澱ING」歌曲，並進行各組接唱挑戰賽；階段五是運用陰陽離子圖卡進行沉澱心臟病活動；階段六是運用「快打沉澱表」答題成績找出五位沉澱表高手。
圖十一：六階段教學流程 圖十二：沉澱查詢機App 圖十三：快打沉澱表App
前述六階段均設計大量的視覺、聽覺與觸覺輸入及刺激，且限制各組進行各階段時所花的時間。觀察學生行為時，可以看到各組學生由剛開始的坐著討論，到後來自動會有具領導特質的人站起來引導全組，甚至有組織力很強的組別早已快速排出各項活動競賽的選手代表序。
圖十四：用平板進行實驗 圖十五：絞盡腦汁創口訣 圖十六：運用口訣玩配對
設計口訣時，建議老師可以融入各校的特色元素，讓學生產生共鳴就更容易記住。我設計的7個口訣是以陽離子的諧音進行故事情節聯想，共包含兩位主角三位配角，以天文社和桌遊社的活動為內容，以社團中學長與學妹的對話為橋段。最後將7個獨立情節(口訣)串成一個有意義的故事後，再用畫圖的方式將故事情節表達出來(圖十七到圖十九為其中3個口訣)。以口訣1為例，遇陰離子「全溶」的陽離子為「IA+ H+ NH4+」，諧音為「IA 請安」。故事情節是天文社社長一大早踏進校門時遇見學妹IA(先設計一個名叫IA的理由)，當學妹微笑跟學長道早安時，學長就就全溶(陶醉其中)了。
圖十七：沉澱表口訣1 圖十八：沉澱表口訣2 圖十九：沉澱表口訣3
將沉澱表以歌曲的方式呈現，主要原因是高中生喜歡音樂或喜歡唱歌的比例很高，其次是因為本校畢業典禮時，高三老師們總有人能挑選一首歌曲進行歌詞創意改寫，然後一起用唱的、跳的、或演的方式送給畢業生。因此我便著手挑選合適的歌曲、構思離子沉澱與溶解的陳述方式、挑選合適的歌詞韻腳、以提出「解離說」的「阿瑞尼士」作為第一段歌曲的主角、將調皮精明的「蠟筆小新」改為「粉筆小新」以配合老師的職業並作為第二段歌曲的主角、將「不理不理王國」改為「不理」(代表相互不理而不沉澱，如圖廿) 和「不離」(代表發生沉澱而不分離，如圖廿一)現象，再配合字數、旋律、節奏做調整，最後終於將知名校友五月天創作的歌曲「戀愛ING」成功改寫成「沉澱ING」(如圖廿二)。而此首改寫曲上傳youtube[2]之後曾在交大「喀報」中被報導出來，作者林婉婷(2013)不但觀察到臺灣教育界興起一股「音樂學科學」(包含物理公式、化學沉澱反應、生物構造、科學方法)的風潮，並提及化學歌詞「將沉澱的口訣改得更精簡且符合節拍，可達到邊唱邊記的學習效果」。
圖廿：不理=離子不反應 圖廿一：不離=離子不分離 圖廿二：沉澱ING歌曲(youtube)
n週期表之原子公寓圖解版
人類生活離不開化學，讓學生從小開始接觸科學知識，引發對生活中科學現象的好奇心及科學原理的想像力，是許多先進國家已經著手推動的事。各大圖書館的漫畫區座位常常是青少年讀者的必爭之地，漫畫的借閱率與書籍破損率也常常高居各類圖書之冠。以全球暢銷1000萬冊且風靡大小孩的臺灣尋寶記、日本尋寶記、英國尋寶記……等36國36本《世界歷史探險系列》暢銷套書為例，許多小讀者的出國初體驗就是陪著書中漫畫人物布卡與麥克到世界各國四處尋寶，以尋找線索、解開謎題的任務來學習世界古明與人類歷史。
化學的紮根也應如此。2014年初曾受邀推薦中文版的《原子有話要說～元素週期表【原子公寓圖解版】》(圖廿三)，當時有幸先試閱由日本元素週期研究會編寫的日文原文書，打開書本發現編者將週期表元素設計成118位(當時僅112位)個性鮮明的漫畫人物(圖廿四)，與我的右腦教學理念不謀而合；再加上書中將各元素人物安排住在對應週期表位置的七層樓公寓共118間套房之中(圖廿五)，此方法正和我在軌域教學時所經營的附堡豪華商旅(4類房型、7樓層、59間房號、118個床號)有相類似的套房譬喻(圖廿六)，教學時讓學生搭配此書的118位房客(元素)，恰好可以把人物性格(元素性質)及建物各樓層房間配置圖(軌域種類、軌域個數及最末填入的價電子數)等國高中化學元素概念完全融入並掌握。
圖廿三：書腰上有推薦者 圖廿四：元素氫的內容 圖廿五：七層樓元素套房
目前市面上有3～4本以漫畫風格介紹週期表化學元素的書籍，碰巧都是賦予每個元素一個人形外貌(圖廿七)，個人認為能夠系統性且詳盡提供每個元素獨特資訊的入門書，還是非這本《原子有話要說～元素週期表【原子公寓圖解版】》莫屬。該書除了以原子序為門牌號碼，以鮮明的性格彰顯元素的特徵之外，還提供「房客資料卡」(圖廿八)——包含房客的珍貴指數(如︰購買價值)、親密關係(如︰與日常生活之關係、對社會的貢獻度、與人類的契合度等)、危險程度(如︰毒性、活性、放射性等)等三類資料，另外設有「冷知識」專欄—包含相關有用情報、特殊話題、讓人感動之事等，以及「科學數據」專欄—包含特性、發現年分、發現者、名稱由來、原子量、密度等。
圖廿六：附堡豪華商旅1S房 圖廿七：1號房的小氫 圖廿八：小氫的個資
n週期表之教師節感謝板
能將化學元素應用於日常生活中，應該是學生對化學元素的接受度發揮到極致的表現。在任教的經驗中，多數化學有關的創意是在教室布置或班服的設計時，畫上蒸餾裝置或是錐形瓶、試管等化學實驗設備。印象中較特殊的是在教室門上用海報紙貼著四個大符號「H-Li-B-N」(表示該班班號)，也有一些學生會在作業或考卷的座號欄位填寫Mg號、Al號，還有的學生在段考考卷姓名欄位填寫著「Li-Mn-Zn」、「P-U-Ga」等等。
記憶中收到學生最特別的感謝卡，就屬104學年度教師節前夕收到的高二社會組男生班送的超大珍珠板的週期表感謝板了(圖廿九)。兩位貼心的化學小老師先是將全班34位同學寫給我的小卡片按照座號順序整齊排列並黏貼在珍珠板上，再用34張便利貼浮貼覆蓋在34張小卡片上，並在每張便利貼上書寫座號(原子序)、元素符號、元素中文名稱、原子量、熔點、沸點等資訊(圖卅)。身為化學老師，除了對社會組學生將教師節卡片設計融入週期表元素的創意感到驚艷外，更開心這些文組傾向的學生上化學課總能專心聆聽、積極回應問題，並能寫出喜歡化學課、期待化學課之學習反饋(圖卅一)。
圖廿九：週期表感謝板 圖卅：融入週期表之設計創意 圖卅一：學生的學習反饋
n 結語
2019年是國際週期表年，在慶祝元素週期表150歲生日的同時，有幸能藉此機會感謝前仆後繼發現118個元素的各國化學家們，因著他們鍥而不捨的精神，我們才能一再窺知未知元素的新風貌。而身為高中教師，期許自己能讓學生不畏懼化學、不排斥化學，甚而帶給學生一點點學習化學的熱情與動力。
n 參考資料
1. Kendra Cherry. Understanding the Myth of Left and Right Brain Dominance. https://www.verywellmind.com/left-brain-vs-right-brain-2795005
2. WebElements: the periodic table on the web。https://www.webelements.com/shop/product/periodic-table-cartograms-poster/
3. 元素週期表研究會(編)、鈴木幸子(繪) 劉佳麗譯(2014)。原子有話要說！元素週期表之原子公寓圖解版。臺北市：漫遊者文化出版。
4. 右腦開發的傳聞與真相。泛科學。https://pansci.asia/archives/15552
5. 吉佛慈 (2018)。中學化學App教材與教學：從化學心臟病到沉澱App。台灣化學教育電子期刊，2018年1月。http://531.9e9.myftpupload.com/?p=26575
6. 沉澱查詢機app。https://apkpure.com/tw/%E6%B2%89%E6%BE%B1%E8%A1%A8%E6%9F%A5%E8%A9%A2%E6%A9%9F/air.air.PrecipitationTable
7. 沉澱ING。https://www.youtube.com/watch?v=bc4pj2AbZc8&list=RDbc4pj2AbZc8&index=2
8. 林婉婷。唱出新滋味，不打「科」睡。交大喀報，第171期。2013/10/20。http://castnet.nctu.edu.tw/castnet/article/5692?issueID=437
[1] 此週期表口訣之國中生學習成效研究內容，包含實驗設計、實驗流程、前後測問卷內容、遊戲及競賽規則、實驗前訪談及實驗後學生回饋內容等，後續將另以專文詳述。
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
臺北市立和平高級中學
「You are what you eat!?」但你還記得早餐吃了多少的釩？喝了幾口的鋅嗎？
正常的成年人體內(體重以平均70公斤計)，約含有7×1027個原子。其中，至少可檢測到的化學元素約有60種，大多數是人體與生俱來就擁有，而有些元素則是藉由飲食等方式進入人體。每種元素的含量因人而異，主要是由於體內脂肪、肌肉和骨骼的比例不同；脂肪含量較高的人，擁有較高比例的碳，而其它元素的比例就會較少。
組成人體的主要元素，由多至少依序為氧(O)、碳(C)、氫(H)、氮(N)、鈣(Ca)、磷(P)、鉀(K)、硫(S)、鈉(Na)、氯(Cl)、鎂(Mg) (見圖1)；以上這11個元素在一般人的體重中，佔了幾近99.9%的比例！
圖1組成人體主要元素的百分比
其餘的元素屬於微量元素，它們的含量總和，甚至低於鎂元素(正常人體中不到10克)，但卻影響了人體許多重要的生理機能，本文主要即針對這些平常為大家所忽略，卻又對於人體十分重要的元素進行介紹！
n 主要元素
水約佔人體重量的70%，因此，氧與氫的含量多令人不足為奇；另外，擁有氫元素的分子可以在特殊的條件下形成分子內或分子間的氫鍵，使得這樣的分子具有特殊的形狀與性質，例如：各種蛋白質的形成、DNA的雙股螺旋結構等。
碳是生命體中重要的元素，動植物體中所含的物質，其主要組成絕大部分含有碳元素，並稱之為有機化合物，例如：葡萄糖、纖維素、各種胺基酸、蛋白質、DNA、RNA等。
氮藉由各種不同的胺基酸存在於人體中，構成了蛋白質並影響許多重要的生理機能，例如：胃蛋白酶，可將食物中的蛋白質分解為小的胜肽片斷，再被人體消化而吸收。
鈣是重量組成中含量最多的元素，它的含量超過其它金屬重量的總和。骨骼是撐起身體的主要支架，而鈣與磷正是形成骨骼的最主要成分，約99%的鈣是以磷酸鈣的型式形成骨骼(這同時也是磷的主要存在型式)，剩餘部份則與牙齒生長、肌肉收縮、神經系統的運作、幫助血液凝固和細胞分裂等有關。
鉀在紅血球、肌肉與腦組織內含量較多，若攝取不足或過多，會影響心肌的跳動；鈉對多項人體功能十分重要，有助於維持體內細胞液和酸鹼性的平衡，也是神經傳導與肌肉收縮的重要元素。
硫與肝臟的代謝機能有關，除此之外，在防止消化道的細菌感染、避免大腦衰老和抗氧化等方面也十分重要。在日常的飲食中，可以在蔥、蒜、韭菜等具有刺激性氣味的食物中，攝取到含有硫與硒的有機化合物。
我們每天必須攝取適量的食鹽(氯化鈉)，以維持體內正常的運作；而人體中也會製造氯化物，例如：胃會分泌胃酸(主要成分為鹽酸)來活化蛋白質酶，幫助食物消化。
鎂可以協助蛋白質的製造，組成部分的酵素，是人體中不可或缺的元素；老年人缺乏鎂，會精神不佳、情緒低落，經由正常的飲食，即可獲取足量的鎂。
n 微量元素
除了前述的11種元素，為了維持人體正常的生理機能，尚需要其它的元素；由於這些元素的含量極少，一般便以毫克為計量單元，我們稱為微量元素。
人體內的鐵(Fe)元素(見圖2)，主要存在於肝臟、脾臟與骨髓中，血紅素含有亞鐵離子(Fe2＋)，容易與氧氣結合，藉由血液的循環將氧輸送至身體各處。乳鐵蛋白在腸胃道中，可幫助鐵離子運送與吸收，對人體的免疫功能有重要的影響。肝臟、豬血、紅肉、紫菜、蛋、全穀類、乾果類、綠色蔬菜中都含有豐富的鐵質，若搭配維生素C則更容易被吸收。女性比男性需要攝取更多的鐵，特別在懷孕期間，可多攝取上述的食物。
圖2鐵元素的外觀
（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%93%81）
鋅(Zn)為人體生長的必需元素(見圖3)，控制發育生長、壽命及生殖能力的酵素大多含有鋅，人體肝臟的酒精脫氧酶是以鋅為中心，可進行酒精的分解；成長中的孩子若缺乏鋅，則可能有食慾不振、注意力不集中的問題。海鮮類(牡蠣、蝦、蟹)、動物肝臟、牛肉、蛋黃、五穀類、豆類、茄子、核桃、蘋果、柿子中，皆含有豐富的鋅，藉由平日均衡的飲食習慣，即可攝取足量的鋅。
圖3鋅元素的外觀
（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%94%8C）
排名在鋅後面的銅(Cu)、錫(Sn)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鉬(Mo)、鈷(Co)、鎳(Ni)，多為酵素的一部分，通常不必擔心這些金屬攝取不足的問題；要擔心的，反而是攝取過量，對其它金屬產生排斥的作用，影響了人體正常的生理機能。
銅(Cu)是人體的必要元素(見圖4)，成年人的體內約含50～120mg，可幫助人體內的鐵吸收形成血紅素，科學家建議每日銅的正常攝取量為2mg。銅經由人體吸收，很快由尿液、膽汁及糞便排出，但長期服用過多的銅會損壞肝臟及腎臟，人體可能出現中毒症狀，例如：噁心、嘔吐、口腔灼熱感、腹痛下痢、頭痛暈眩、胃痙攣等。含銅較多的有牡蠣、蝦、蟹等海鮮類，在牠們的血液中，負責輸送氧的血青素中含有銅，類似人類血紅素中鐵的功能。
圖4銅元素具有紅棕色的外觀
（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%93%9C）
當牡蠣體內累積的銅超過500ppm以上，肉眼就會看見綠色，此綠色是由於銅存在牡蠣淋巴系統中，而牡蠣對銅具有生物累積作用。例如：在民國75年間，高雄與臺南交界的二仁溪口海域，因為不肖業者在回收廢電線、電子零件、電路板等廢棄五金中的貴金屬後，將含有大量銅離子的廢液排放至溪水中，使得沿海養殖的牡蠣呈現綠色，即所謂「綠牡蠣」事件，綠牡蠣體內的含銅濃度，是附近海水中的50萬倍(韓柏檉,1989)。
圖5蚵農採集的綠牡蠣
（圖片來源：https://ourisland.pts.org.tw/綠牡蠣悲歌）
大部分的錫(Sn)化合物是無毒的，簡單的錫化合物和錫鹽的毒性相當低，但一些有機錫化物的毒性非常高，例如：三苯基醋酸錫，這種已禁用的農藥，具有毒性且可能致癌。錫的三烴基化合物(例如：三丁基錫，TBT)具有強烈毒性，早期被用來製作船的底漆(見圖6)，以殺死附生在船身的微生物、藻類和貝殼。但是環境研究顯示，三丁基錫是持久性的有機污染物，不只是毒化物，也是一種環境荷爾蒙，目前世界各國尚未訂出安全標準，但TBT的蓄積具有生物放大效果，長期累積不易分解，如果吃下含有TBT的魚貝類，會對人體發生類似賀爾蒙的干擾作用。 國際環保組織已決定從2003年開始逐步禁止使用TBT或其他有機錫基的船底漆，自2008年開始全面停止生產錫基船底漆以保護環境。但根據環保署委託成功大學環境微量毒物研究中心，針對臺灣七大漁港底泥與生物樣本的研究顯示，漁港底泥中的TBT濃度並未降低，且港內魚體的TBT含量仍遠高於港外。由於TBT為持久性有機污染物，長期累積不易分解，要降低環境中TBT濃度並不容易。
圖6有機錫常作為船舶的底漆塗料
（圖片來源：https://scitechvista.nat.gov.tw/c/sZ33.htm）
人體內的釩(V)元素(見圖7)，是一些酶的組成成分，可能有促進成長的功用；部分小動物，例如鼠和雞也需要少量的釩，缺釩會阻礙它們的生長和繁殖。一些含釩的物質具有類似胰島素的效用，醫學上已嘗試用來治療糖尿病患。另外，科學家發現，一些微生物使用含釩的酶來固定空氣中的氮，許多海藻類生物含有釩溴過氧酶(vanadium bromo-peroxidase,V-BrPO)，能促進鹵素離子的氧化作用並進行有機分子的鹵化反應。
圖7釩元素的外觀
（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%92%92）
鉻(Cr)是人體必需的微量元素(見圖8)，三價的鉻是對人體有益的元素，在醣類與脂質代謝中，具有特殊的作用：可調節人體內的醣類代謝、維持正常的葡萄糖濃度、影響有機體的脂質代謝、降低血液中膽固醇的含量、預防心血管疾病等。此外，可做為DNA和RNA的穩定劑，用以防止細胞內某些基因物質的突變。蛋黃、牛肉、肝、花生、蘋果、香蕉、麵粉、馬鈴薯及黑胡椒等，是鉻的主要來源。六價的鉻有毒，對人體組織造成刺激與腐蝕性，並具有致癌的風險。
圖8具有銀白色金屬光澤的釩
（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%93%AC）
錳(Mn)是高等動物必需的元素(見圖9)，在人體中的錳含量約為4ppm，對體內主要的影響包括生長、血液與內分泌功能。當人體缺乏足量的錳，會導致骨骼發育不健全，並會引起生長遲緩等情況。綠色蔬菜、堅果、茶葉、豆類、鳳梨、玉米、小麥與米等穀類，都是很好的錳來源。
圖9錳元素的外觀
（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%94%B0）
鉬(Mo)是一種在人體內重要的微量元素(見圖10)，但若是過多則會形成毒害。在人體中，鉬的主要功能是作為酶的催化劑，幫助分解體內的氨基酸。醫學上發現，酒精進入身體，先被含有鋅的酶氧化成醛，再被含鉬的酶氧化成酸，完成代謝。此外，某些含鉬的酶則會製造尿酸，但如果這些含鉬的酶太活躍，尿酸會在關節處累積，反而造成痛風。
圖10鉬元素的外觀
（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%92%BC）
鈷(Co)是維生素B12的中心元素(見圖11)，與紅血球的生成有關，多吃綠色蔬菜對鈷的攝取很有幫助。鈷鹽有擴張血管的作用，因此攝食後，可能會出現面色潮紅、血壓下降等症狀；鈷鹽對甲狀腺功能也有影響，臨床實驗證實鈷為甲狀腺素合成的必需物，無機鈷攝食過多可能導致甲狀腺增生，並造成肺臟、心臟的病變。另外，由於半生期較長，人工放射性同位素鈷-60的γ射線，已代替早期鐳的X射線或α射線，用以治療癌症、滅菌、標記追蹤劑等，也可用於材料內部結構的分析(近年來，由於銫-137具有更長的半生期，不但放射性強度穩定，且保存時間長，故鈷-60在工業和放射醫學中的應用，已逐漸被銫-137所取代)。
圖11維生素B12的構造
（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BB%B4%E7%94%9F%E7%B4%A0B12）
鎳可能致癌，科學家研究可能歸因於在人體中鎳可取代鋅與錳，造成DNA聚合酶錯亂而形成錯誤序列的DNA，雖然人體可自我修復，但若長期暴露於鎳含量高的環境，致癌機率就會大增。鎳的來源有豆類與茶，大多數鎳化物無毒，但四羰化鎳(Ni(CO)4)(見圖12)具有劇毒且易燃，在60℃就會爆炸。於高濃度下，藉由皮膚吸收即可能引發心肺功能失常或腎衰竭而死亡。
圖12四羰化鎳的正四面體結構
（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%9B%E7%BE%B0%E5%9F%BA%E9%95%8D）
n 結語
綜上所述，雖然微量元素在人體內的含量極少，但卻像是細緻的小螺絲釘般，把每一個生命的環節緊緊的聯繫在一起。
然而，如何獲取這些含量少卻又不可或缺的微量元素呢？其實大多數的微量元素存在於各種天然的食材中，只要每日能均衡、適量地攝取國健署建議的六大類食物(全榖雜糧、豆魚蛋肉、蔬菜、水果、乳品及堅果類等)，少油、少鹽、少糖並多喝水，相信大家都可以吃得愉快又健康！
n 參考資料
1.任金霞、田曉伍(譯)(2005)。化學元素導覽（原作者：StwertkaAlbert）。臺北市：世潮出版社。
2.吳嘉麗(1999)。化學醫藥與社會。臺北市：中國化學會。
3.韓柏檉(1989)。冰山一角──綠牡蠣事件。科學月刋，237。108年1月23日，取自：科學月刋全文資料庫http://lib.cysh.cy.edu.tw/science/content/1989/00090237/0009.htm。
4.鈷。國家環境毒物研究中心。108年1月23日，取自：http://nehrc.nhri.org.tw/toxic/toxfaq_detail_mobile.php?id=50
5.歐惠郡、張祖辛(2009)。人體中的元素(Elements in the Body)。科學Online 高瞻自然科學教學資源平臺。108年1月23日，取自：http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=2901
6.維基百科(2019)。Composition of the human body。Retrieved January 23,2019, from https://en.wikipedia.org/wiki/Composition_of_the_human_body。
7. Jockers, D.(2011).Sulfur is an important nutrient for optimal health. Retrieved January 23,2019, from https://www.naturalnews.com/034065_sulfur_nutrient.html.
8. Pedersen, T. (2018). Facts About Molybdenum. Retrieved January 23,2019, fromhttps://www.livescience.com/34687-molybdenum.html
9.Schirber, M. (2009).The Chemistry of Life: The Human Body. Retrieved January 23 , 2019. fromhttps://www.livescience.com/3505-chemistry-life-human-body.html
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
星期四 , 10, 1 月 2019 本期專題, 第29期/2018年01月 在〈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〉中留言功能已關閉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
臺北市立第一女子高級中學
[email protected].tw
n 前言
鹵素在生活中運用廣泛，在歷史中亦占有重要的地位。我們可以看到這些元素在科學史上帶來的榮譽、在戰爭中造成的影響、及在醫學上扮演的角色，而看到有些元素有其害處也有其益處，如何使用決定它造成的影響。
n 氟
氟(fluorine)由於化學性質很活潑，因此很難由化合物中離析出來。在西元1768年，德國礦物學家馬格拉夫曾用硫酸(H2SO4)處理螢石(CaF2)製成氫氟酸，研究發現其酸性較鹽酸強，法國科學家安培認為氫氟酸(HF)應是某一元素的氫化物，建議將此元素命名為氟，之後在溴、碘被發現後，化學家比較性質判斷其為同一族，十九世紀許多科學家都想將氟游離出來，西元1813年，戴維電解氫氟酸以為可得到氟(F2)，卻得到氧氣，而蘇格蘭的兩位科學家藉由加熱氯氣及氟化汞，試圖以氯置換氟，不但沒成功，反而中了劇毒，原因是氟的活性很強，無法被氯置換，西元1850年，法國佛雷密試圖電解無水氟化氫，因不導電而未成功，他的學生摩瓦桑承接這個任務繼續研究，在西元1886年，摩瓦桑將氫氧化鉀(KOH)溶於無水氫氟酸中作為電解液，使其可導電，並用氯仿冷凍劑使鉑(Pt)製的U型管冷卻到-23℃， 以強耐腐蝕的鉑銥合金作為電極，終於析出氟，其為淡黃綠色氣體，此項成就使他獲得獎金，並獲得西元1896年英國戴維獎章、西元1903年德國霍夫曼獎章、西元1906年諾貝爾化學獎金，可說是名利雙收(趙匡華，1998)。氟得到一個電子或和其它元素共用電子後，會因為滿足八隅體變得較安定，生活中常見的氟製品有實驗室中的滴定管內的鐵氟龍活塞(圖一)、含氟牙膏(圖二)、含氟漱口水、鐵氟龍不沾鍋、鐵氟龍的布料等。
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圖一 滴定管 (來源:看的到的化學) |
圖二 含氟牙膏 (來源:看的到的化學) |
n 氯
哈伯(Fritz Haber，1868－1934)研究這次戰爭後決定改發展氯(Chlorine)，氯對呼吸的危害更大，氯的的分子式為Cl2，它和溴都是ⅦA族，都想再搶一個電子已滿足八隅，由於氯的原子量比較小，體積較小，反應更迅速，如果溴對黏膜的反應像步行，氯就像閃電。氯在生活中常見的製品有漂白水 (圖四)可用在消毒，氯在常溫常壓下為黃綠色氣體(圖三)，會讓受害者皮膚變黃、變綠，甚至變黑，還會讓眼睛罹患白內障，歷史上一些可怕的戰爭像是綠十字、藍十字就是以氯為基礎的戰爭攻擊，即使德國有哈伯的幫忙最後仍輸掉戰爭，西元1918年，哈伯原本因為研發出氨的製造有利於製造肥料，但在西元1919年因參與領導化學戰而被起訴為國際罪犯(楊玉齡譯，2011)。
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圖三 石英玻璃管中的氯 (來源:看的到的化學) |
圖四 含氯的漂白劑 (來源:看的到的化學) |
n 溴
法國波拉德研究海藻，主要在研究如何從海藻提取碘，他將海藻燒成灰放入熱水中，再通入氯氣便可得到紫黑色固體(碘)，此時發現底部有深褐色液體且又刺鼻臭味，經過詳細研究最後發現為新元素(溴)，古代化學藥劑主要研究溴(Bromine)，溴的分子式為Br2，外圍有七個價電子，由於溴很想要得一個電子以滿足八隅體，所以會去搶細胞的電子，對於身體來說，眼睛和鼻子很容易受到溴的傷害，可用來做手榴彈，例如西元1910年，軍方化學家已有以溴為主的催淚彈，法國政府在西元1912年曾用溴乙酸乙酯逮捕一幫銀行搶匪，隔了兩年便朝德軍丟溴彈，但溴彈的攻擊無法立即見效，那時因風大就吹散了，但德軍把其他意外事故都規咎於法國秘密藥劑就可以有藉口發展自己的化學戰爭研發，然而德軍研發化學戰爭仍需受到海牙公約的限制，該公約禁止使用專用於散布窒息或有毒氣體的投射物，但此公約無權管投擲炸彈碎片和氣體的砲彈，因此德國完成了白十字(white cross)，此為裝滿甲基溴的砲彈，德國拿此砲彈來打俄軍，結果因為俄國氣溫太低，砲彈全部凍結成固體(楊玉齡譯，2011)。溴常溫常壓下為暗紅色氣體(圖五)，但因其沸點只有59℃，故在室溫下易揮發成紅紫色氣體，生活中常見的溴製品有含阻燃劑(四溴双酚甲烷A)的衣服(圖六)、酸鹼指示劑(例如：溴甲酚藍)、底片感光劑(溴化銀)等。阻燃劑主要可延緩起火時間，溴系阻燃劑主要使用四溴双酚甲烷A等。這些溴化合物會添加到高分子的聚合反應中，形成的聚合物即包含阻燃物質。當高温時這些材料會釋放出溴化氫，因而阻斷燃燒反應，主要因為密度較高的不可燃溴化氫可達到隔絕空氣的效果。
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圖五 溴蒸氣 (來源:看的到的化學) |
圖六 含阻燃劑的衣服 (來源:看的到的化學) |
n 碘
西元1930年，甘地領導印度民眾抗議英國爭徵百分之八的食鹽稅，由於民眾只要取海水將其蒸發便可得到食鹽拿去販賣，因此徵稅就好比撿沙子還要付錢，甘地因此鼓勵民眾都自製食鹽，十七年後，當印度獨立時，自行製造食鹽已相當普及了，唯一的問題是這種食鹽含的碘(Iodine)極少，然而碘對人體健康相當重要，人體缺乏微量碘，會造成甲狀腺腫大，長期會造成甲狀腺萎縮，由於甲狀腺和許多荷爾蒙的製造及分泌，例如：因碘不足導致腦部荷爾蒙無法正常分泌，人們便會逐漸退化成智能障礙，若是懷孕婦女也會導致生下畸形兒，因此西元1922年，許多國家就開始將食鹽中加入碘，碘的分子式為l2，本身難溶於水，故添加的是含碘的鹽類，像是碘酸鉀(KIO3)，雖然印度的醫生也有發現碘的重要性，所以在西元1950年，印度各省政府開始禁絕未加碘的食鹽，然而卻遭到民眾反對，因為一般民眾已習慣自行製造食鹽，甚至毫無根據誣賴碘鹽會導致癌症、糖尿病等，因此西元2000年，印度總理又廢除禁止普通鹽的法令，直到西元2005年，新總理再度禁絕普通鹽，雖然添加碘的鹽只要多花每個印度人美金一毛錢，但運輸費用貴是目前無法普及的原因(楊玉齡譯，2011)。碘常溫常壓下為紫黑色固體，和溴一樣常溫下易形成蒸氣(圖七)，反應性比起氟略顯溫和，碘在自然界主要在智利硝石礦中，以碘酸鈉的形式存在。生活中常見的碘製品有碘酒(碘溶在酒精中)、加碘鹽、含碘的顯影劑(可用在心臟的電腦掃描圖)、131I可用於甲狀腺腫瘤的早期診斷和治療、照相底片的感光劑(碘化銀)、人工降雨的晶種(碘化銀)、碘片(碘化鉀)等。
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圖七 碘分子及碘蒸氣 (來源:看的到的化學) |
圖八 含碘顯影劑 (來源:看的到的化學) |
n 砈
砈(Astatine)在地殼中含量極低，砈的元素符號為At，本身具有放射性，可用在醫療用速效放射性的同位素。原子會具有放射性主要是因為其原子核，所有原子核裡都有兩股力量：強核力(吸引力)、靜電力(排斥力)，強核力雖然比靜電力強好幾百倍，但只要超過幾兆分之一吋就無法發揮效用，所已通常出了原子核強核力就不太有影響力了，當原子核半徑像砈(原子序85)這麼大，強核力已很難在把所有質子及中子都抓在一起，因此原子會變得不穩定。砈元素會天然生成但只要超過幾兆分之一吋就無法發揮效用，所以通常出了原子核強核力就不太有影響力了，當原子核半徑像砈(原子序85)這麼大，強核力已很難在把所有質子及中子都抓在一起，因此原子會變得不穩定。
n 結語
在歷史上，摩瓦桑因成功析出氟而名利雙收，氯和溴用在許多戰爭中，而人攝取碘不夠會智能不足，砈雖有放射性卻可用在醫療上。從元素的歷史中我們可看到這些元素的不同功能，而對這些元素多了更深的認識。
n 參考資料
1. 趙匡華(1998)，化學通史。新竹市，凡異出版社
2. 楊玉齡譯(2011).消失的湯匙。臺北市，大塊文化。譯自Kean, S. (2010). The disappearing spoon: and other true tales of madness, love, and the history of the world from the periodic table of the elements. NY: Little, Brown and the Company.
3. 吳瑤玲譯(2010).看的到的化學。臺北市，大是文化。The Elements：A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe.
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
星期三 , 9, 1 月 2019 本期專題, 第29期/2018年01月 在〈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〉中留言功能已關閉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
新北市立三重高級中學
壹、 前言
自然界的物質由元素組成，瞭解元素性質有助於解決科學問題及發展應用科技。元素週期表可說是化學科學的心臟，其系統化地呈現元素性質規律性，奠定各領域研究之基礎，如電子組態、原子半徑、游離能等。然而，在高中化學教學過程中，學生常挫折於背誦元素週期表的元素排序及對應性質；若是面對對於自然學科重視程度較低的學習群體，如社會組或藝術才能班，元素週期表的教學更是挑戰。
筆者於107學年度第二學期時教授高中部某班以美術科為主的學生，考量化學學科的理論及背誦常常是造成學生挫折及學習動機下降的原因，且對於美術班學生升學進路的影響遠不及其他升學考試科目如國文、英文、數學以及美術術科。爰此，於該元素週期表課程的教學目標並非針對學測考試，而是著眼於學生瞭解元素週期表與生活應用連結的基礎知能，並進而提升學習化學學科的興趣。
近年相關研究指出：學生的學習動機（Learning Motivation）影響學業表現，該動機又與學生的自我效能（Self-Efficacy）有關（Miele & Scholer, 2018）。就認知學習（Cognitive Learning）來看，當課程內容與學生生活經驗的相互連結時，即可產生有意義的學習（Meaningful Learning) （Eggen & Kauchak, 2010）；換言之，給予學生學習任務有助於聚焦於學習重點，提升學習成效（McCrudden & McNamara, 2018）。因此，針對美術班學生的課程設計，在於結合他們的美術專長來引導瞭解週期表中的化學元素性質及應用，產出兼具科學內容及藝術理念的繪畫作品，將美學融入於科學，增加個人藝術發展的內涵及多元性，藉此提升學習興趣及成效。此外，每一張元素畫作集結於週期表的過程，讓學生體悟到個人學習責任對於團隊成果的重要性。
貳、元素週期表巧拼創作
n 教學流程：
1. 教師說明繪圖標準
A. 分配學生創作的元素作品，每人負責一或兩個元素。
B. 每一圖像皆繪圖於一張橫式16 K（約A4大小）達文西插畫紙。
C. 每張圖上要寫上元素名稱、元素符號、創作理念及署名。
D. 作品內容務求正確性並與該元素的性質或是應用相關。
E. 使用的畫筆不限，繪圖時間40~50分鐘（約一節課）。
2. 學生蒐集創作素材。
3. 學生繪圖作品產出 (圖一、圖二)。
4. 師生巧拼元素週期表 (圖一)。
n 評量方式：
此教學活動評量規準根據教學目標來設計，主要方向為讓學生瞭解元素週期表與生活應用連結的基礎知能，以及提升化學學科的學習興趣，故作品呈現的評量（圖一、圖二），符合前述繪圖標準即可。而基礎知能及學科興趣面向，則運用Google表單設定數字評定量表 （Numerical Rating Scale）及開放式問題兩種評量形式，以理解學生自我評估後的學習成效 （參考第參部分，學生回饋）：認知方面，評估該教學活動是否有助於學生瞭解元素週期表性質及應用；情意方面，評估該教學活動是否有助於提升學習興趣；技能方面，評估該教學活動是否幫助學生應用化學知識融入於生活及美學創作。
n 作品呈現：
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圖一、原子序1~54之元素週期表 |
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氫H |
氦He |
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鎂Mg |
硫S |
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鉀K |
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鋯Zr |
碘I |
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圖二、元素圖像創作 |
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參、學生回饋
以下茲呈現該班級28位學生Google表單自我評量問卷調查之統計數據，以及開放式問題之部分回應：
n 數字評定量表結果（1：完全沒有幫助；5：非常有幫助）
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問題 |
各等級之人次 |
平均等級 |
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1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||
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1. 繪圖某種元素的過程是否有助於你對於該元素的認識與了解? |
1 |
0 |
1 |
9 |
17 |
4.46 |
|
2. 該創作元素週期表的活動是否幫助你了解元素週期表中常見元素的性質及重要性? |
1 |
0 |
1 |
11 |
15 |
4.39 |
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3. 該創作元素週期表的活動是否提升你學習化學的興趣? |
1 |
0 |
4 |
13 |
10 |
4. 11 |
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4. 該創作元素週期表的活動是否正向影響你未來的美術創作，例如題材的多元性及內容的知識性? |
2 |
0 |
5 |
16 |
5 |
3.79 |
n 開放式問題之學生回饋
1. 請簡單描述此創作元素週期表的活動中，你最大的收穫是?
1) 利用圖像讓我更加認識週期表。
2) 一開始上元素表，本來就不是美術班的強項，因為它偏向理科又要背，但是雁婷老師帶領我們用這種以圖來記化學元素，會讓我想去查看這些元素，在日常生活中的功用有哪些，我們不僅能發揮我們的才能，也了解到生活周遭有很多有趣的事情都跟化學有關。
3) 很驚訝這些元素發生變化時所產生的視覺效果，假想他們如果在作品裡會產生什麼樣的樣子！
4) 小小的元素原來可以有很大的影響，從使用性來看，或許我們平常都不知道原來它們是不可或缺的來源。
5) 因為補充的東西可以加分，我會花時間去找相關的資料並用自己的方式畫下來，不但學到更多，印象也比較深刻。
6) 能從畫畫了解元素表 我覺得非常有趣。
7) 剛開始聽到老師說要實施這個計畫的時候覺得很新鮮，從國中接觸化學課程以來從來沒有做過此類的活動，原先也對化學完全不敢興趣，甚至覺得學校教這些根本沒有用處，但經過老師教學的活動之後，獲益良多，體會到原來生活上大大小小的事都與元素脫不了關係，也提升了對元素的興趣，以致現在，有時看到一些事物也不免會好奇這裡頭有包含何種元素。
8) 可以了解生活中各種物品是用何種元素構成的。
2. 請簡單描述此創作元素週期表的活動中，你想給老師的教學建議是?
1) 我覺得用畫畫的很好記。
2) 如果有機會，想把完完整整的元素完成，原本呆板無味的元素週期表，經過每個同學的巧手，讓它變得繽紛且豐富，更可以傳承給未來的學弟妹，我覺得這會是一個好方法。
3) 畫週期表的方式不錯，因為我們班本來上物理化學都是保持不要被當就好的心態，用畫的我們會更重視，對科學更有興趣。
4) 我覺得可以在課堂進度不那麼緊迫的時候，讓大家一起討論一起創作，並加以用實驗方式將創作內容更完整的表現出來，使大家更加深印象。
5) 我覺得可以在畫的時候，可以把化學元素的那個字寫大一點，這樣遠看的時候會更清楚。
肆、教學反思
1. 該課程活動有助於學生學習化學元素週期表及生活化學知能：
1) 從元素繪圖作品（圖一、圖二）得知，大部分畫作呈現的內容是來自於學生自我先備知識（如生活經驗及繪圖能力）及新資訊（元素的性質及應用）之連結所建構而成，即建構學習（Constructivism Learning）；
2) 學生回饋問卷之問題1與問題2的統計結果顯示，九成以上的學生認為繪製元素圖的教學活動對他們學習元素週期表的助益相當大。
3) 依據學生對於開放式問題之回饋得知，該班級以美術發展為主，富有較高的及繪畫興趣，對於作品具有一定期待及標準，故學習動機強烈，態度較為積極；學生主動探究，內化成自己的知識及能力；非死板記憶，印象較為深刻。
4) 當學生被賦予責任繪元素圖後，確立了學習方向及重點。他們主動找尋資料，連結自身的畫作技能、科學資訊及生活經驗，構圖產出作品，創造有意義的學習（Meaningful Learning），以提升學習成效。
2. 該課程活動有助於學生提升學習化學的興趣：
1) 學生回饋問卷之問題3及問題4的統計結果顯示，九成以上的學生認為繪製元素圖的教學活動能夠有效提升他們對於學習化學的興趣及正向影響未來的作品內涵。
2) 依據學生對於開放式問題之回饋得知，此教學活動讓學生發揮本身具有的美術專長，提升學習信心及自我效能（self-efficacy），進而增進學習動機（learning motivation）；同時將元素週期表知識內容帶入個人創作，引發學生學習生活化學的好奇心。
3. 此次的繪圖創作週期表巧拼活動為一初步嘗試，有許多改進空間：
1) 大部分作品的正確性及應用性與生活經驗及應用相符，少部分學生內容正確性與完整度需要再更深入確認。
2) 此次活動中教師本身多給予知識上的回饋，作品上的創作回饋較為缺乏。
3) 以碳筆或鉛筆繪圖之作品圖像較無法清楚呈現；許多元素作品的元素符號字體需要再大些。
4) 結合實驗教學，清楚呈現抽象的概念。
5) 能有更多時間共同創作完整的週期表。
伍、未來展望
1. 感謝校內化學科教師以及美術科教師團隊合作，激發此元素週期表巧拼教學活動。
2. 延續此週期表巧拼活動，完成其他元素繪圖作品，與該元素週期表整合。
3. 提升化學與美術教學的深度及廣度，與美術教師合作，協同教學，精進化學元素作品之創作。
4. 安排作品發表及同儕回饋活動，以增加反思學習（Reflective Learning）的機會，讓學生更廣泛深入了解各種不同元素及精進個人創作內涵。
陸、參考文獻
1. Eggen, P. D., & Kauchak, D. P. (2010). Educational psychology: windows on classrooms. Upper Saddle River, NJ: Pearson/Merrill/Prentice Hall.
2. McCrudden, M. T., & McNamara, D. S. (2018). Cognition in education (8th ed.). London: Routledge.
3. Miele, D. B., & Scholer, A. A. (2018). The role of metamotivational monitoring in motivation regulation. Educational Psychologist, 53, 1–21.
2018年諾貝爾化學獎
蔡蘊明譯
國立臺灣大學化學系
轉載自https://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/2018.html
n 化學的(革命性)進化
演化的力量是透過生命來顯示的。2018年的化學諾貝爾桂冠頒給Frances H. Arnold (阿諾)、George P. Smith (史密斯) 和 Gregory P. Winter (溫特)爵士，表彰她/他們透過演化的控制為人類謀取了最大的福祉。運用人工定向演化(directed evolution)所製造的酵素，現在已被用來生產包括生質燃料和藥物等等的物質。抗體的演化可以透過一種噬菌體顯示(phage display)的方法來對抗自體免疫的疾病，以及在某些特定的例子中治癒轉移性癌症。
我們活在一個由強大的力量：演化，所主導的星球。在頭一批生命的種子於37億年前出現時，幾乎地球上的每一個裂縫都充滿了能適應身處環境的生物體：生長在光禿禿山脈的地衣、於溫泉茂盛生長的古菌、能存活於乾燥沙漠的多鱗爬蟲類以及能在黑暗深海中發光的水母。
學校裡我們在生物課學習到這些生物，但讓我們戴上一副化學家的眼鏡並換個視角來觀察，地球上的生物之所以能夠存在，是因為演化解決了無數複雜的化學難題，所有的生物都有能力從其環境的利基取得材料和能量，並用來建立它們的組成所特有之化學創造品。魚能在極地海洋中悠遊是歸因於其血液中的抗凍蛋白質，貽貝能攀附在岩石上乃因它們發展出了能在水中運作的分子黏膠，而這只是眾多例子中的幾個而已。
生命化學精彩的地方在於它被設計在基因的程式碼中，並讓它能被遺傳且不斷進化。一個小小的基因隨機變化就能改變其化學，有時這導致產生較弱的生物體，但也有可能產生一個很強壯的個體。新的化學慢慢的發展，而地球上的生命隨之變得愈來愈複雜。
這個過程現在已經演化出了三個非常複雜的人類個體，具有能掌控演化的能力，2018年的諾貝爾化學獎之所以頒給這三位科學家，乃因為她/他們透過定向演化革新了化學以及新藥物的發展(圖一)。讓我們先從酵素工程的明星：Frances H. Arnold (阿諾)開始介紹。
圖一 2018的諾貝爾化學獎得主們能控制演化並進一步的在她/他們的實驗室中向前開拓
n 酵素 ─ 生命的化學工具中之利器
即便在1979年，身為一位剛取得機械與航太工程學位的新鮮人，阿諾就已經具有了一個憧憬：透過新科技的發展以謀求人類的福祉。美國已經決定在2000年要有20% 的能量是來自於再生能源，而她剛好在研究太陽能，不過這個產業的未來前景於1981年的總統大選後，產生了巨大的改變，因此她將眼光改為投注於新興的DNA (去氧核糖核酸)科技，她自述”很明顯的，對於我們每日生活上所需要的材料和化學品，可以利用改寫生命密碼的能力來創造新的製造方法。”
用傳統方式製造藥物、塑膠和其它化學品需要強力的溶劑、重金屬和腐蝕性的酸，她的想法是捨棄這些方法而改用生命的化學工具：酵素，它們催化在地球生物體中發生的化學反應，如果她能掌握設計新酵素的方法，就可從根本改造化學。
n 人的思考是有限的
最初就如同在1980年代末期的許多其他學者一般，阿諾企圖使用推理的策略來重塑酵素，讓它們具有新的性質。然而酵素是極端複雜的分子，它們是由20種不同的結構單元 – 胺基酸 – 以幾乎無限種可能的組合方式結合而成的，一個單一的酵素分子可以包含數千個胺基酸，它們連結成長鏈的型態，進一步摺疊成三維的立體結構，其中用來催化特定化學反應的局部結構，是建立在整體結構的內部。
運用邏輯推導來決定如何將這一個精密的構造重新調整，以賦予其新的功能，即便是運用現在的知識以及電腦能力來看，亦是非常困難的。在1990年代初期，謙卑的折服在大自然的優越能力之下，阿諾決定放棄上述她所謂“有些傲慢”的策略，取而代之，她獲取的靈感來自於使用大自然優化化學的方法：演化。
n 阿諾開始操弄演化
有好些年，她試圖改變一個稱為”枯草桿菌蛋白酶”的酵素，讓它不是在水溶液中催化化學反應，而能在一個有機溶劑：二甲基甲醯胺(簡稱DMF)中運作。此時她刻意在酵素的基因密碼中製造隨機的變化 – 突變 – 然後將這些突變的基因引入細菌中，並產出數千種不同的枯草桿菌蛋白酶變體。
在這之後的挑戰是如何從如此眾多的變體中，找出在該有機溶劑中運作效率最高的那些酵素。在演化學中我們說的是適者生存；在定向演化學中，這個階段稱為”選汰”。
阿諾利用枯草桿菌蛋白酶能切割一種牛奶蛋白質 – 酪蛋白 – 的能力，在一個35% DMF 水溶液中，先選汰出切割酪蛋白最有效率的枯草桿菌蛋白酶變體，接著在這個變體中進行下一輪的隨機突變，得到另一個在DMF中運作效率更高的變體(圖二)。
於第三代的枯草桿菌蛋白酶中她找到了一個變體，其在DMF中的運作效率比原始的酵素要高256倍。這個酵素的變體總共含有十個不同位置的突變，最終造成的優異效果是沒有人能夠事先預測的。
透過這些實驗，阿諾展示了若要掌控新酵素的研發，僅憑藉人的推理能力，將遠遜於讓機率以及定向(人為)選汰來運作的力量。這是我們現在所見證的革命性發展之第一個，也是最具決定性的一步。
接下來的另一重要步伐，是由一位荷蘭研究人員及發明家 Willem P. C. Stemmer (史坦姆)所邁出的，但他已於2013年過逝。他引進了另一個酵素定向選汰的維度：試管中的交配。
n 交配 ─ 為了更穩定的演化
一個自然演化的先決條件是不同個體的基因可透過例如交配或授粉的方式混合，有用的性質可藉此結合而得到更強壯的生物體，在此同時，較不具功能的基因突變，將於代代相傳的過程中消失。
圖二定向選汰背後的運作原理：在數個定向選汰的輪迴之後，一個酵素可能增加數千倍的效率
史坦姆運用的是交配的試管對等法：DNA改組(DNA shuffling)，在1994年他展示了可以將一個基因的不同版本切割成一些小的片段，然後透過DNA科技的一些工具，將這些片段重新組合成一個完整的基因，就好像是原始基因的一個馬賽克版本。
透過好幾輪的DNA改組，史坦姆將一個酵素改變成比原始版本更有效率。這顯示利用基因的交配 – 研究人員稱之為”重組” – 可達成更有效率的酵素演化。
n 新酵素製出永續生質燃料
那些DNA科技的工具自1990年代初期開始不斷的優化，用於定向演化的方法亦倍數成長，阿諾在這些發展中一直具有領先的優勢；現在她的實驗室所產出的酵素能催化的化學反應，甚至於根本不存於大自然中而能製造出全新的材料，她裁製出的一些酵素也成為製造不同物質，例如一些藥物，的重要工具。化學反應不但可被加速，且減少不要的副產物，在某些例子中，可以去除透過傳統方法須使用的重金屬，因此大幅減少對環境的衝擊。
事情的發展更回歸了原位，阿諾又重新回頭開始研究再生能源的製造。她的研究小組研發出一些酵素，能將一些簡單的糖轉化成異丁醇，那是一種具有高能量的物質，可用於製造生質燃料和較永續的塑膠。一個長程目標是製造出的燃料能讓運輸業更為環境友善，另類燃料 – 用阿諾的蛋白質所製造的 – 能用在車輛或飛機上。以這樣的方式，她的酵素促成了一個更永續的世界。
至於2018年諾貝爾化學獎所表彰的另一份工作，則是將定向演化導向了製藥，所產出的藥物能中和毒素，或對抗自體免疫疾病的進展，甚至於在某些病例中治癒轉移的癌症。這是由一個能感染細菌的小小病毒所扮演的重要角色，而這個方法被稱為”噬菌體顯示” (phage display)。
n 史密斯運用噬菌體
經常發生的情況是，科學走了一條無法預測的路徑。在1980年代的上半期，當史密斯開始使用噬菌體 – 能感染細菌的病毒 – 主要是期望它們能用在基因選殖。此時DNA科技仍未成熟，而人類基因體仍是一塊未開發的土地，研究人員知道製造身體所需蛋白質的所有基因都存於其中，但是想要指認某一個蛋白質的基因，就好像在大海中撈針一樣困難。
不論如何，對能找到那個基因的科學家而言將具有極大的益處，運用當時最新的基因學工具，基因可以插入細菌中 – 靠著一點運氣 – 該細菌能製造出大量想要研究的蛋白質，這整個程序被稱為基因選殖，而史密斯的想法是，尋找基因的研究人員可以透過一個巧妙的方式，運用噬菌體來做到。
n 噬菌體 ─ 一個蛋白質與其未知基因的連結
噬菌體本質上具有很簡單的構造，它含有一小段的基因物質封裝在一個由保護蛋白質形成的鞘膜中，當複製時，會將它們的基因物質注入細菌中，綁架細菌的代謝系統，接著利用細菌製造出噬菌體基因物質的拷貝，以及形成保護鞘膜需要的蛋白質，由此產生新的噬菌體。
史密斯的盤算是研究人員應可運用噬菌體的簡單構造，找出一個已知蛋白質的未知基因。在此時已經有一些大型的分子庫存在，其內含有許多各種未知基因的片段，他的構想是這些未知基因的片段，可與形成噬菌體鞘膜的一個蛋白質之基因融合，當新的噬菌體製造出來時，這個未知基因對應的蛋白質就會出現在這個噬菌體的表面，與形成鞘膜的一個蛋白質結合在一起(圖三)。
圖三噬菌體顯示法 – 史密斯發展的這個方法用於尋找已知蛋白的基因
n 抗體可釣出正確的蛋白質
這個做法會導致生成一個噬菌體的混合物，各帶有許多不同的蛋白質於其表面。史密斯推論在下一個階段，研究者應能利用抗體，將帶有各種已知蛋白質的噬菌體自這碗湯液中釣出。抗體是一些具有導向飛彈功能的蛋白質；它們能從數萬種蛋白質中以高度的精準度，辨識並束縛住一個特定蛋白質。利用一個已知蛋白質的抗體，如果研究者能逮住一個自這碗湯液中釣出的東西，就可以順帶的釣出這個蛋白質對應的未知基因。
這是一個漂亮的構想，而史密斯於1985年證實那是可行的，他製造出了一個噬菌體，其表面攜帶了一個蛋白質的部份胜肽，運用一個抗體，成功的將這一個他製造的噬菌體，由含有許多不同噬菌體的湯液中釣出。
透過這個實驗，史密斯建立了現在被稱為”噬菌體顯示法”的基石。此法的精采處在於它的簡便，它的長處則是將噬菌體當成一個蛋白質與它的基因之連結。不過此法卻在基因複製的領域之外取得其最主要的突破性進展；在另外一方面，於1990年左右，幾組研究人員開始運用噬菌體顯示法來發展新的生物分子。其中一個採用此技術的人就是Gregory P. Winter (溫特)。感謝他的研究，使得噬菌體顯示法現在帶給人類更大的福祉，要瞭解其原因，我們需要對抗體進一步的認識。
n 抗體可遏阻疾病的進展
人類的淋巴系統具有能產生數十萬種不同抗體的細胞，在這一個發展完善的體系中，這些細胞通過檢驗不會攻擊任何屬於身體之各種型態的分子，不過這龐大的種類能確保總是會有抗體，能附著在感染我們的病毒或細菌之上，一旦抗體附著在上面，就會傳送訊號給強悍的免疫細胞，趕來消滅入侵者。
因為抗體具有高度的選擇性，在數萬種分子中只會附著在一個特定分子上，因此研究人員很早就希望設計抗體，能遏阻各種疾病在體內的進展，扮演藥物般的功能。最初為取得這些醫療用的抗體，是將各種藥物的標的物，例如癌細胞的蛋白質，注入老鼠體內。不過在1980年代，愈來愈清楚的知道此法是有侷限的；某些物質對老鼠是有毒的，但也有一些不會產生任何的抗體。更進一步的發現這樣取得之抗體，會被病人的免疫系統視為異物而被攻擊，導致這些老鼠抗體被破壞，為病人帶來副作用的危險。
由於這個障礙，促使溫特開始研究史密斯的噬菌體顯示法可能具有的潛力。他想要避免使用老鼠，改成發展基於人類抗體的藥物，因為它們可以被我們的免疫系統所容忍。
n 溫特將抗體置於噬菌體的表面
抗體是具有Y-字形的分子；靠著每隻手臂的遠端附著在外來物質之上。溫特將此部分的基因訊息與噬菌體鞘膜的一個蛋白質基因融合，於1990年成功的證實此法讓抗體的結合部位出現在噬菌體的表面。他所用的抗體是設計來與一個稱為phOx的小分子結合，當溫特用phOx作為一種分子釣魚鈎，他成功的從一含有四百萬個其它噬菌體的湯液中，釣出那個含有抗體在其表面的噬菌體。
在這之後，溫特展示了他能將噬菌體顯示法運用於抗體的定向演化。他製造了一個噬菌體庫，其內包括數十億不同的抗體表現在噬菌體的表面，從這個庫藏中他釣出了一些可與不同蛋白質標的結合的抗體，接著他隨機的突變這第一代的抗體菌株，進而創造出一個新的噬菌體庫，從中找到與標的物具有更強結合力的抗體。例如在1994年他用此法發展出了一些抗體，能以非常高的專一性與癌細胞結合。
n 世界上第一個基於人類抗體的藥物
基於抗體的噬菌體顯示法，溫特與他的研究同仁創立了一家公司，在1990年代它發展出一個完全基於人類抗體的藥物：adalimumab，此抗體能中和一個稱為TNF-alpha的蛋白質，該蛋白質驅動許多自體免疫疾病的發炎反應。於2002年此藥物被核准醫治風濕性關節炎，現在亦用於治療不同型態的牛皮癬和發炎性腸疾。
藥物adalimumab 的成功，刺激了製藥業的重要發展，而噬菌體顯示法已被用來製造包括癌症在內的各種疾病抗體。其中有一個抗體能讓體內的殺手細胞釋出以攻擊腫瘤細胞，使腫瘤生長遲緩下來。在某些例子中甚至於那些產生轉移的癌症病患能被治癒，成為癌症醫療的歷史性突破。另一個抗體藥物被核准用於中和造成炭疽病的細菌毒物，另一種藥物能減緩稱為狼瘡的自體免疫疾病；另有更多的抗體現在正在進行臨床實驗，例如用來對抗阿茲海默症。
圖四運用噬菌體顯示法來進行抗體的定向演化的背後原理，此法用於製造新藥
n 一個化學新時代的開始
由2018年的諾貝爾化學獎得主們所開發的方法，現在正以跨國際的方式發展，來提升一個更為永續的化學產業，產出新的材料，製造永續的生質燃料，減輕疾病挽回生命。酵素的定向演化和抗體的噬菌體顯示法讓阿諾、史密斯和溫特帶給人類最大的福祉，並為化學的革命性變化立下基石。
註:
本文譯自諾貝爾化學獎委員會公佈給大眾的新聞稿，原文可自以下官方網站取得：
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2018/popular-information/
若有興趣閱讀進階的原文資料，請由下列官方網址取得：
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2018/advanced-information/
致謝
感謝台大化學系的蔡明軒幫忙將此文放上化學系的網頁。另感謝曹一允博士在第一時間對我的初稿提出之意見與討論。
綠色化學實驗模組的設計與應用-2：金屬取代模組 ∕廖旭茂
星期二 , 8, 1 月 2019 化學實驗含影片, 第29期/2018年01月 在〈綠色化學實驗模組的設計與應用-2：金屬取代模組 ∕廖旭茂〉中留言功能已關閉綠色化學實驗模組的設計與應用-2：金屬取代模組
廖旭茂
台中市立大甲高中
教育部高中化學學科中心
[email protected]
n 影片觀賞
本實驗影片由國立大甲高級中學提供，金屬取代模組的設計與製作過程介紹。
影片網址：https://youtu.be/tipoPgnIytA, YouTube.
n 簡介
在高一的基礎化學中，將化學反應分為結合反應、分解反應、取代反應、以及雙取代反應，其中取代反應主要講述的是涉及活性大小的氧化還原反應；活性大的金屬把活性小的金屬從化合物中取代出來。
過往在進行微型陰陽離子分析實驗時，為方便觀察常利用塑膠透明片，將數滴溶液滴在透明片上，進行實驗1,4。筆者於2018年在雪梨參加國際化學教育研討會工作坊時，英國的學者Bob Worley亦曾使用透明片放置在學習單上，直接在透明片上進行酸鹼反應、沉澱反應、取代反應等。本文參酌透明片法的優缺點，並進行優化成實驗模組，同樣利用雷射切割機對矽膠與壓克力進行加工完成的裝置。模組中包含2個微孔盤(一大加一小)、五個裝著不同金屬細絲的離心管、六個裝著不同溶液的點滴瓶，與一支塑膠鑷子。模組利用自製的微孔盤，讓金屬取代反應在1平方公分不到的小孔中進行；反應的過程僅使用1~2滴溶液，會不易觀察，建議老師指導學生使用手機的鏡頭來進行實驗過程的觀測與紀錄，並由反應結果決定未知溶液的身分與金屬的活性序列。大型的微孔盤亦可使用在「猜猜我是誰」1–陰陽離子的分析與鑑定實驗中。下圖為本校開發的微型金屬取代實驗模組。
圖1：微型金屬取代實驗模組
此微型模組除了方便調查金屬取代反應外，可與之前投稿的文章2,3所提及的微型電化學池搭配，組成一個完整的實驗模組，探討氧化還原反應中電子的流向，除此之外還可探索鹽類在水中的水解作用。期盼透過本實驗模組的分享，能拋磚引玉，除了鼓勵中小學的教師們「自己的教具，自己做」外，更推前瞻化學教育核心素養–「綠色思維」，讓中小學的化學實驗能真正達到減量、減廢，並符合綠色化學原則，落實永續教育的經營目標。
n 器材與藥品
1. 功率80 W的雷射切割機。
2. 透明壓克力板60 cm × 40 cm，厚度5 mm一塊、單面背膠矽膠片30 cm × 30 cm，厚度1 mm一片
3. 鎂(以鎂鋁合金取代)、鋅、鐵、錫、銅金屬絲（長度為1 cm，厚0.5 mm，裝於塑膠離心管中）、塑膠鑷子一支
4. 0.5 M硫酸亞錫（Tin(II) sulfate, SnSO4）溶液、0.5 M硫酸銅（Copper sulfate, CuSO4）溶液、0.5 M硫酸鋅（Zinc sulfate, Na2SO4）溶液、0.5 M硫酸亞鐵（Ferrous sulfate, FeSO4）溶液、0.5 M硫酸鎂（Magnesium sulfate, MgSO4）溶液、0.1 硝酸銀（Silver nitrate, AgNO3）溶液各3 mL，盛裝在點滴瓶內。
n 微型金屬取代裝置的製作
1. 發想：在減廢、減量及重複使用的原則下，製作前的設計思考有三個方向：
(1) 如何利用一滴溶液來進行金屬取代反應。
(2) 設計多孔盤，單一孔洞僅能容納1~2滴溶液，可進行一組金屬取代反應。
(3) 模組為方便觀察的透明材質、可攜式，方便清理。
2. 在Adobe CS3 Illustrator的繪圖軟體中，依設計原稿繪出數位的圖檔，另存為雷射切割機所需軟體可預讀的ai檔。圖2、圖3分別為微孔盤數位設計圖。
圖2：大型微孔盤壓克力底座（左）及矽膠上蓋（右）
圖3：小型微孔盤壓克力底座（下）及矽膠上蓋（下）
3. 在雷切軟體Rdworks中，導入設計ai檔，然後依圖層依序填色，並調整雷射切割的速率與功率。打開雷切機暖機後，取一塊大小為60 cm × 40 cm，厚度為5 mm的透明壓克力板，置入雷切機中，進行切割。雷切完畢後，再取一塊大小為30 cm × 30 cm，厚度為1 mm的背膠矽膠片，切出與上圖大小相等的矽膠片。下圖為雷切機切割的過程。
圖4：雷射光切割過程圖
4. 撕開矽膠片的離形紙，將矽膠片沿著壓克力板內的框線黏貼在壓克力板上方。下圖為黏貼的過程。
圖5：撕開矽膠片（左）及黏貼在壓克力板上（右）
5. 以棉花棒沾取些許藥用酒精，清除雷切過程產生的碳汙後，備用。
圖6：清潔碳汙的過程
6. 使用前可噴上撥水劑(氟系或矽基)，待陰乾後，即可使用。噴了撥水劑後，水滴成圓珠狀，方便觀察與實驗厚的清洗。
7. 準備厚約0.5 cm的長條狀鎂合金等五種金屬片，利用鐵剪刀將金屬片剪成細絲，裝入玻璃樣本瓶或塑膠離心管中，備用。下圖為金屬絲的裁剪過程。
圖7：鐵剪刀裁剪金屬絲過程
n 教學應用
1. 金屬取代：猜猜我是誰(小微孔盤，如下圖所示)
圖7：鎂與未知溶液的反應模組
(1) 在壓克力微孔盤上第一個圓孔A中滴入1~2滴的甲溶液，液滴涵蓋圓孔面積涵蓋約75%，接著用鑷子從離心管中夾取一根鎂金屬絲，從水珠的側邊置入。觀察圓孔內水珠所發生的變化。下圖為反應圖示。
圖8：鎂絲與甲溶液的反應圖
(2) 承上，在第二個圓孔B中滴入1~2滴的乙溶液，接著用鑷子從離心管中夾取一根鎂金屬絲，從水珠的側邊置入。觀察圓孔內水珠所發生的變化。下圖為反應圖示。
圖8：鎂絲與乙溶液的反應圖
(3) 承上，在圓孔C、D、E中各滴入1~2滴的丙、丁、戊三溶液。觀察圓孔內鎂絲與水珠所發生的變化。下圖為反應圖示。
圖8：鎂絲與丙溶液的反應圖
(4) 根據觀察，前面有些水珠中產生了氣體反應，推測該氣體是甚麼？是氧氣，還是氫氣？
(5) 您認為上述氣體是如何產生的？
(6) 將實驗結果詳實紀錄在表格1中。請鑑定五種溶液的身分，說說您的判斷觀點與理由。(提示：五種溶液包含硫酸鎂、硫酸鋅、硫酸亞鐵、硫酸銅、硝酸銀)
表1：金屬取代反應紀錄表
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孔序 |
現象觀察(氣泡、沉澱等) |
理由依據及反應 |
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甲 |
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乙 |
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丙 |
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丁 |
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戊 |
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2. 金屬活性序列調查：
(1) 步驟1：在壓克力微孔盤上第一排A的圓孔中，依序滴注硫酸鎂、硫酸鋅、硫酸亞鐵、硫酸亞錫、硫酸銅、硝酸銀等六種溶液，每一種液滴涵蓋圓孔面積涵蓋約75%，接著用鑷子從代號A的離心管中夾取一根金屬絲，從水珠的側邊放置到六個圓孔中。以手機觀察每一圓孔所發生的變化。紀錄在活動一步驟後的表格中。
(2) 步驟2：承上，在壓克力微孔盤上第二排B的圓孔中依序滴注硫酸鎂、硫酸鋅、硫酸亞鐵、硫酸亞錫、硫酸銅、硝酸銀等六種溶液，接著用鑷子從代號B的離心管中夾取一根金屬絲放置到六個圓孔中。觀察並將結果紀錄在表格中
(3) 步驟3、承上，將溶液及金屬絲依序加入第三排C、第四D、第五排E的圓孔中，觀察並將結果紀錄在表格中。下圖為微型取代反應操作示意圖。
圖9：微型金屬取代反應
(4) 根據上述實驗結果，可以推斷A~E，以及銀等六種金屬，哪一種金屬活性最大
？您依據的理由是甚麼？
(5) 若金屬中分別有鎂、銅、鐵、錫、鋅，嘗試推測A、B、C、D、E的身分，說明看看是否可以根據這個微型反應模組來完成金屬活性大小序列？說說自己的理由。
(6) 根據反應的結果，請歸納出活性大小序列，並寫出每一個反應的離子方程式，說明何者氧化？何者還原？
3. 沉澱反應–陰陽離子分析–猜猜我是誰
沉澱反應亦可以在微孔盤上進行，棋盤式的規劃，讓反應觀察變得有條理，方便觀察比較。實驗的設計可分為兩個部分，第一個部份中，同學透過裝於點滴瓶的溶液，依序滴加在自製的微孔盤上，同學透過實驗觀察與紀錄，認識各種陰陽離子在水中反應所產生的變化，並建立對照資料表。陰陽離子分析的第二部分，同學透過老師提供的未知溶液(陰離子)，根據上述的沉澱資料表鑑定未知化合物的身分(陽離子)，下圖為微孔盤內的沉澱反應。
圖10 微孔盤中的沉澱反應
n 原理與概念
金屬取代反應，是中學化學課本中常見到的內容，也是學習電化學的基礎。以鎂金屬與硫酸銅等溶液反應為例，大部分的中學生都可以記憶出答案，並熟練的寫出反應方程式。常見的反應方程式的答案如下式所示：
………式(1)
但真實的實驗內容並不只有這樣，從微孔盤中得知反應的過程還有氣體的生成。從常理上判斷得知硫酸銅固體溶於水中，會發生水解作用，產生銅的氫氧化物，並釋放出氫離子，使水溶液呈酸性；此時活性大的鎂金屬可與中的氫離子作用，將氫離子還原成氫氣。但鹽類的水解作用是在高三的選修化學中出現，高一、二學生除了程度高的學生外，可能不容易答對，必須進行進一步的教學引導，才能獲效。相關反應式修正
………式(2)
其他的鹽類中的陽離子，如鋅離子在水中亦會發生水解，所以硫酸鋅水溶液呈酸性。當鎂金屬與硫酸鋅水珠作用時，亦會產生氫氣。
溶液中鹽類的溶液的鑑定，可以用顏色，像硫酸銅溶液是藍色，硫酸亞鐵是淡綠色；若硫酸亞鐵溶液太淡，無法直接用肉眼判斷時，亦可用磁鐵吸引與鎂作用時產生金屬鐵顆粒4。下圖是利用磁鐵鑑定鐵顆粒的過程。
圖11磁鐵靠近鐵鹽溶液時，鎂片因鐵顆粒的吸附，被磁鐵吸引而移動
有關於鎂絲與硫酸亞鐵鹽的反應方程式，如下所示：
![clip_image002[5]](https://5319e9.p3cdn1.secureserver.net/wp-content/uploads/2019/01/clip_image0025.gif "clip_image002[5]")
………式(3)
n 安全注意及廢棄物處理
l 本次實驗所用的CO2雷射切割機，波長為1064 nm，為高能灼熱的熱線，眼睛不可直視，切割加工過程切勿離開現場，以免起火燃燒，引發火災；產生的氣體與粉末可能對健康有害，加工前後，務必全程開啟抽風機和空氣清淨機。
l 實驗結束後，以衛生紙吸取微孔盤上的溶液，請以鑷子夾取殘存金屬絲，分開蒐集後交給老師回收。
n 參考資料
1. 施建輝，動手動腦學化學：猜猜我是誰—溶液篇。台灣化學教育電子期刊，2015，期9，http://531.9e9.myftpupload.com/?p=9666。
2. 廖旭茂，綠色化學實驗模組的設計與應用-1：電化學模組。台灣化學教育電子期刊，2018，期28，http://531.9e9.myftpupload.com/?p=2174。
3. 廖旭茂，綠色創客：微量電化學電池的設計與應用。科學研習月刊，2017，卷56，期11，頁54~62。
4. Bob Worley (2012), Microscale chemistry revisited. 2018年參考英國皇家化學學會網站，https://eic.rsc.org/feature/microscale-chemistry-revisited/2020193.article.
利用另類的多倫試劑學生DIY隨身鏡 ／ 方舜雨、蔡家興、楊水平
星期一 , 7, 1 月 2019 化學課程與教材, 第29期/2018年01月 在〈利用另類的多倫試劑學生DIY隨身鏡 ／ 方舜雨、蔡家興、楊水平〉中留言功能已關閉利用另類的多倫試劑學生DIY隨身鏡
1國立彰化師範大學化學系
2國立彰化女子高級中學
*[email protected]
n 簡介
透過銀鏡反應（silver mirror reaction），製作漂亮的銀鏡瓶當作裝飾品或紀念品，是高中學生感到驚艷的和有趣的化學實驗。對於學習氧化還原反應和錯合反應，銀鏡反應是一項合適的和有亮點的高中化學實驗。銀鏡反應深受師生的喜愛且此反應速率快速，在教學上經常以學生在實驗室親自操作，在教室或公共場所偶而以教師示範的方式展現。
銀鏡反應在99舊課綱中被編列於「普通高級中學選修科目化學課程綱要」的『主題：物質性質→主題內容：有機化合物→應修內容：碳氫化合物、有機鹵化物、醇、酚、醛、有機酸、酯、油脂、胺、醯胺→說明：醛：氧化反應–銀鏡（與葡萄糖，還原醣單元連結）』之中。而在108新課綱中被編列於的「普通型高級中等學校化學科加深加廣選修課程」的『主題：物質的反應、平衡與製造(J) →主題內容：有機化合物的性質、製備與反應(Jf) →應修內容：CJf-Va-3常見有機化合物的重要反應與其用途→ 學習內容說明：3-5醛：氧化反應–銀鏡』之中。很明顯地，新舊課綱都十分重視銀鏡反應的內容知識。
傳統上，銀鏡反應係利用多倫試劑（Tollens’ reagent，或稱銀氨溶液）當作氧化劑，在化學實驗室中利用葡萄糖當作還原劑，而工業製造玻璃鏡係利用甲醛當作還原劑。多倫試劑是指含有二氨銀錯離子（[Ag(NH3)2]+）的水溶液，由硝酸銀（silver nitrate）或其他銀化合物與氨水反應製備而得。多倫試劑的製備方式為加入幾滴氫氧化鈉稀溶液到硝酸銀溶液中，產生棕色的氧化銀沉澱；再滴加濃氨水到混合溶液中，直至棕色沉澱剛好溶解，恰好變為澄清溶液為止。[1]很可惜，多倫試劑的製備方式需要用到濃氨水。濃氨水的氣味難聞，吸入或吞食有害，過度暴露於濃度略高於閾值極限值可能會刺激眼睛、鼻子及喉嚨。暴露於濃度較高可能會導致呼吸困難、胸痛、支氣管痙攣，粉紅色泡沫痰和肺水腫。過度暴露可能導致急性支氣管炎和肺炎。[2]因此，取用濃氨水必須在化學實驗室的抽風櫃中取用。此外，硝酸銀為昂貴的藥品，傳統上使用硝酸銀的濃度偏高（例如：0.5-0.6 M硝酸銀[3-4]）且用量甚多（例如：150 mL硝酸銀溶液[5]），造成藥品的浪費。
為避免直接使用濃氨水造成身體的危害和過量使用硝酸銀造成經費的浪費，本文描述改善這兩項缺點。在銀鏡反應的過程中，直接加入硝酸銨溶液和氫氧化鈉溶液到欲鍍銀的玻璃片上，以間接產生氨水的方式製備另類的多倫試劑，並且使用低濃度的且少量的硝酸銀溶液，以小量實驗方式進行玻璃片的鍍銀。然後，鍍銀的玻璃片裝入證件套中，形成一個隨身鏡。由於本實驗無濃氨水的難聞氣味且以小量實驗進行鍍銀，適合在教室內進行化學活動或在室外進行科普活動。
本實驗係延續發表在《臺灣化學教育》第二十七期的一項實驗〈化學教室活動：利用另類的多倫試劑製作銀鏡瓶〉[6]，同樣地利用另類的多倫試劑，讓學生DIY製作隨身鏡，期望學生親身體驗動手做實驗的樂趣（融入技能領域和情意領域），習得銀鏡反應的化學原理和概念（融入認知領域），以及獲取自製的實驗成品當作隨身用品（融入技能領域）。
n 藥品與器材
l 每組的藥品使用量（每組使用一塊50 cm2的玻璃片製作隨身鏡）：0.10 M硝酸銀（Silver nitrate, AgNO3）4.0 mL、1.8 M氫氧化鈉（Sodium hydroxide, NaOH） 1.0 mL、1.0 M硝酸銨（Ammonium nitrate, NH4NO3） 1.0 mL、5.0%葡萄糖（Glucose / Dextrose, C6H12O6）1.0 mL。【藥品分別裝在小玻璃瓶中，分別用4支PE滴管取用。】
l 每組材料：玻璃片（6.0 cm × 8.4 cm × 0.2 cm） 1塊、證件套（PU皮製，可合適套入玻璃片） 1個、名片紙 1張、L型塑膠資料夾（如圖一左下角所示，使用單片） 1片、美工刀 1把、剪刀 1把、小玻璃瓶（20-30 mL，4個用於裝藥品，1個用於混合反應溶液）5個、PE滴管（3 mL） 4支、安全眼鏡 1副、乳膠手套 1雙。
l 全班藥品和材料：砂紙（中細） 1 張、迴紋針1盒（或釘書機 1支）、小塑膠盆 2個、95%酒精50-100 mL、蒸餾水（裝在保特瓶中） 1個、吹風機 1把、大塑膠盆（或紙箱） 1個、報紙 1張、噴漆 1罐、廚房用紙巾（或衛生紙）數張、白膠適量、廢棄物瓶（可用空保特瓶取代，內裝1/4滿的蒸餾水） 1個。
l 本實驗的藥品和器材（見圖一），可裝在一個小型置物箱或塑膠盒內，方便帶到教室進行化學活動或在室外進行科普活動使用。
圖一：本實驗使用的藥品和器材
n 安全注意事項
l 在進行實驗時，務必戴上一次性手套和防護眼鏡，避免化學物質接觸到皮膚和眼睛。實驗後，用肥皂和水徹底洗手。
l 氫氧化鈉溶液（或固體）具有腐蝕性，高濃度溶液可能會導致皮膚和眼睛灼傷。攝入硝酸銀是有毒的，硝酸銀及其溶液會污染皮膚和衣服。硝酸銨溶液攝入是有毒的，必須避免接觸皮膚、眼睛和肺部。若不慎接觸時，應該立即用大量水沖洗10至15分鐘。
l 注意藥品的配製時機：在開始實驗之前才開始配製多倫試劑（混合硝酸銀溶液、氫氧化鈉或氫氧化銨溶液、及硝酸銨溶液）。此試劑可能在靜置並使其濃縮或乾燥後，形成爆炸性的物質；從不預先混合多倫試劑且長久放置。
n 廢棄物處理
l 不回收銀的處理方式：在銀鏡反應後，立即倒出在鍍銀的小玻璃瓶的殘留物到裝有蒸餾水的保特瓶或塑膠杯（當作廢棄物回收瓶）中，先集中處理，然後帶到有排水之處用大量水沖掉。
l 回收銀的處理方式：在銀鏡反應後，在小玻璃瓶中殘留的混合物先倒入標示「銀鏡廢棄物」的回收瓶中。然後帶在實驗室，透過添加1M鹽酸，測試廢棄液中是否存在剩餘的銀離子。若觀察到有白色混濁的氯化銀沉澱，則繼續加入少量的稀鹽酸直至沒有明顯的沉澱為止。然後過濾此混合物，裝入沈澱物在一個標示「氯化銀沈澱物」的玻璃瓶中。過濾液可以用大量的水沖掉。
n 實驗步驟
A. 事前準備
A1. 配製藥品：事先在實驗室配製硝酸銀溶液、氫氧化鈉溶液、硝酸銨溶液和葡萄糖溶液，用小玻璃瓶盛裝，並用標籤紙標示各藥品的名稱和濃度，以方便實驗操作。
l 100.0 mL的0.10 M硝酸銀：使用量瓶，溶解於1.7 g的AgNO3（莫耳質量：169.9 g/mol）在蒸餾水中，加蒸餾水到100 mL的刻度線，混合均勻，蓋上瓶蓋。【每組用量4.0 mL】
l 100.0 mL的1.8 M氫氧化鈉：使用量瓶，溶解於7.2 g的NaOH（莫耳質量：40.0 g/mol）在蒸餾水中，加蒸餾水到100 mL的刻度線，混合均勻，蓋上瓶蓋。【每組用量1.0 mL】
l 100.0 mL的1.0 M硝酸銨：使用量瓶，溶解於8.0 g的NH4NO3（莫耳質量：80.0 g/mol）在蒸餾水中，加蒸餾水到100 mL的刻度線，混合均勻，蓋上瓶蓋。【每組用量1.0 mL】
l 100.0 mL的5.0%(w/v)葡萄糖：使用量瓶，溶解於5.0 g的C6H12O6（莫耳質量：180.2 g/mol）在蒸餾水中，加蒸餾水到100 mL的刻度線，混合均勻，蓋上瓶蓋。此濃度約為0.28 M。【每組用量1.0 mL】
A2. 玻璃片和證件套：玻璃片的尺寸恰與證件套的內部大小一致，剛好玻璃片可套入為佳。玻璃片的四角和週邊事先用中細磨砂紙磨掉銳角再給學生使用，避免學生割傷皮膚。處理玻璃時，儘量避免刮傷玻璃的表面而影響鏡子的光亮。證件套上的透明塑膠片，事先用美工刀或剪刀移除，因為塑膠片的透明度不佳而影響鏡子的光亮。
A3. 玻璃片面積與藥品溶液用量：使用直尺，測量需要鍍銀的玻璃片面積。使用各種藥品溶液的用量，依玻璃片的面積不同而異。鍍銀玻璃片的面積（本次實驗使用約50 cm2的玻璃片）與使用藥品溶液的用量如下所示。其他玻璃片的面積，可依比例自行調整各藥品溶液的用量。
l 50 cm2的玻璃片：4.0 mL的硝酸銀、1.0mL的氫氧化鈉、1.0mL的硝酸銨、1.0的葡萄糖水溶液。
l 100 cm2的玻璃片：8.0 mL的硝酸銀、2.0 mL的氫氧化鈉、2.0 mL的硝酸銨、2.0 mL的葡萄糖水溶液。
A4. 製作塑膠反應槽：放置一塊玻璃片在L型塑膠資料夾的一片上，用美工刀在玻璃片的周邊輕輕地割出其輪廓，施力不可過大而割破塑膠片。翻面這塑膠夾，依照割痕處折彎並折起四邊的邊角，使之形成一個四面傾斜的塑膠盒。折起後，用迴紋針或釘書針固定四個角落，並用剪刀修剪突出部分，如圖二所示。
圖二：用美工刀，在玻璃片的周邊輕輕地在塑膠片上割出其輪廓（左上）；翻面塑膠片，依照割痕處折彎形成一個塑膠盒（右上）；用迴紋針或釘書針，固定四個角落（左下）；以及反應槽示意圖（右下）。
B. 進行銀鏡反應
B1. 黏貼並清潔玻璃片
1. 取一塊玻璃片，用大片膠帶，全面地貼在玻璃片的一面，並於膠帶面上黏貼一段突出的小膠帶，以利於玻璃片從塑膠反應槽中放入或取出，如圖三所示。
2. 用廚房用紙巾（或衛生紙）沾少許酒精，擦拭即將鍍銀的玻璃面，使之乾淨且無污染物（不可留下灰塵或指紋）。乾淨的玻璃面向上，放入塑膠反應槽內，如圖三所示。【註：擦拭乾淨後，避免觸摸到玻璃面。】
圖三：在玻璃片的一面貼上膠帶並黏貼一段小膠帶（左）；擦拭乾淨即將鍍銀的玻璃面（中）；以及玻璃面向上，放入塑膠反應槽內（右）。
B2. 配製反應溶液並進行反應
1. 取一個20-30 mL的小玻璃瓶（本次實驗玻璃片大小約50 cm2，建議使用容量大於20mL的玻璃瓶），用PE滴管先加入4.0 mL的0.10 M硝酸銀，再滴入0.5 mL（約10滴）的1.8 M氫氧化鈉，此時溶液出現棕色沉澱物，如圖四所示。【PE滴管每毫升約20滴。】
圖四：小玻璃瓶內裝硝酸銀溶液（左）；再滴加氫氧化鈉溶液（右）。
2. 用PE滴管，滴入1.0 mL（約20滴）的1.0 M硝酸銨，此時棕色沉澱物逐漸消失，直到溶液變回透明澄清狀，如圖五所示。【註：如果未變回透明，需多加１滴硝酸銨，蓋緊瓶蓋搖晃，觀察溶液是否變回澄清，若否，則繼續滴加一滴硝酸銨直至溶液變回透明狀。】
圖五：小玻璃瓶內然後滴入硝酸銨溶液（左）；繼續滴入硝酸銨溶液（中）；直到溶液變回透明澄清（右）。
3. 用PE滴管，滴入1.0mL（約20滴）的5.0%葡萄糖，蓋緊瓶蓋並搖晃均勻，然後快速地滴入0.5 mL（約10滴）的1.8 M氫氧化鈉，立即蓋緊瓶蓋並快速地搖晃均勻後，打開蓋子迅速地倒入塑膠反應槽內，如圖六所示。
圖六：在小玻璃瓶內快速地滴入葡萄糖溶液（左）；再快速地滴入氫氧化鈉溶液（中）；以及迅速地倒入塑膠反應槽內（右）。
【另類作法】：（上面第1-2步驟）先在小玻璃瓶中混合三種試劑（4.0 mL的0.10 M硝酸銀、0.50mL的1.8 M氫氧化鈉和1.0 mL的1.0 M硝酸銨）並搖晃均勻後，倒入反應槽。（上面第3步驟）然後在原來的小玻璃瓶中，混合二種試劑（1.0 mL的5.0%葡萄糖和0.50mL的1.8 M氫氧化鈉）後，快速地倒入反應槽。
4. 手持反應槽的底部或兩邊，持續搖晃使玻璃面與反應溶液充分地均勻接觸，搖晃至反應槽內除了沉澱物外溶液呈現接近透明即可停止搖晃，如圖七所示。【註：若冬天氣溫過低，塑膠反應槽放在溫水浴中以熱水浴方式加熱，增加銀鏡反應的速率。】
圖六：搖晃使玻璃面與反應溶液均勻接觸（左）；搖晃至混合溶液呈現接近透明（右）。
5. 實驗完畢後，倒出塑膠反應槽內殘留的混合物到指定的廢液回收桶中，由教師統一處理。
B3. 潤洗、乾燥並噴漆玻璃片
1. 拿著小膠帶取出玻璃片，放玻璃片到小塑膠盆的水槽中潤洗，如圖七所示。【注意：不要碰觸到鍍銀的玻璃面，以免鍍銀的薄層剝落而影響鏡面光亮的質感。】
2. 為了加速乾燥，取出玻璃片改放到裝有95%酒精的小塑膠盆中再次潤洗，如圖七所示。
圖七：取出玻璃片，放到水槽中潤洗（左）；再放到95%酒精的小塑膠盆中潤洗（右）。
3. 用吹風機吹乾玻璃片，直至鍍銀薄層的顏色明顯變為白色，如圖八所示。【注意：玻璃片務必全面吹乾，否則會影響鏡面光亮的質感。】
4. 放置玻璃片到舖有報紙的塑膠盆上，用噴漆罐，在鍍銀層上噴漆以保護銀層。均勻地噴漆後，使用吹風機吹乾，如圖八所示。
圖八：用吹風機吹乾玻璃片，直至變為白色（左）；在鍍銀層上噴漆以保護銀層（右）。
B4. 噴漆玻璃放入證件套
1. 取一張名片紙，先均勻地塗抹些許的白膠在紙上，然後黏貼在乾燥後的油漆上，如圖九所示。如此是為了防止玻璃碎掉後碎片掉下來。
2. 撕掉玻璃片的膠帶，使用紙巾沾取少許酒精，擦拭玻璃片。接著放入PU皮證件套後，即完成隨身鏡的製作，如圖九所示。
圖九：用名片紙黏在油漆面（左）；撕掉玻璃片的膠帶（中）；用沾酒精的紙巾擦拭玻璃片（右）。
B5 去除銀層和油漆的方法
1. 若製作銀鏡有瑕疵，可用廚房紙巾沾少許的95%酒精，在玻璃上用力地擦拭，即可擦拭乾淨油漆和銀層，如圖十所示。【註：使用廚房紙巾的耐磨性比衛生紙較佳。】
2. 擦拭後的玻璃，再用乾淨的廚房紙巾沾少許的95%酒精，擦拭數次直到非常乾淨。這玻璃可以重做銀鏡反應。
圖十：用廚房紙巾沾少許的95%酒精可去除玻璃上的銀層和油漆
n 實驗結果
(一) 利用另類的多倫試劑，教師和助教製作隨身鏡的照片，如圖十一所示：
圖十一：左邊照片的焦聚在鏡後的虛像，右邊照片的焦聚在證件套上以致鏡後的虛像稍微不清楚。
(二) 利用另類的多倫試劑，高一學生DIY隨身鏡的照片，如圖十二所示：
圖十二：高一學生DIY隨身鏡的舉隅，有些隨身鏡銀層不均勻有瑕疵，尚待改善。
n 原理和概念
一、 銀鏡的歷史
在1835年，德國化學家尤斯圖斯·馮·李比希（Justus von Liebig, 1803–1873）報導醛類還原銀鹽為金屬銀。於1856年，德國物理學家和天文學家卡爾·奧古斯特·馮·斯泰因海爾（Carl August von Steinheil, 1801–1870）與李比希接洽，看看他是否能開發高質量光學鏡的鍍銀生產技術，用於反射望遠鏡的製造。在李比希去世之後，當安全立法最終禁止使用汞製造鏡子時，李比希鍍銀技術才得到廣泛的採用，最終成為現代鏡像製造的基礎。[7]至今這個製程仍然應用於家用鏡的製造，這鍍銀製程涉及多倫試驗（Tollens’ test）的變化。大多數家用鏡是用銀製成的，因為銀色鏡子反射的光線會有輕微的粉紅色調，可以增強膚色。[8]
二、 多倫試劑
多倫試劑（Tollens’ reagent）用於測定醛類、芳香醛類及α-羥基酮官能基的存在，該試劑由硝酸銀和氨的強鹼溶液組成。多倫試劑以其發現者，德國化學家伯恩哈德·托倫斯（Bernhard Tollens, 1841–1918）的名字命名。多倫試驗的陽性試驗是藉由金屬銀的沉澱來判定其存在，通常在反應容器的內壁產生有特徵的銀鏡（silver mirror）。[9]多倫試驗在玻璃表面上產生銀鏡，這過程不需要任何的電力，被稱為化學鍍（chemical plating）、自催化鍍（autocatalytic plating）或無電極鍍（electroless plating），與傳統需使用外部電源的電鍍有所不同。
由於多倫試劑的保質期很短而不能在市場上買到，因此必須在實驗室中新鮮製備。常見的製備包括兩個步驟。首先，滴加氫氧化鈉溶液到硝酸銀溶液中，銀離子先在水中形成銀水錯離子（[Ag(H2O)4]+），再與OH‒離子反應轉化為氧化銀Ag2O（silver oxide），其以棕色固體的形式從溶液中沉澱出來，其反應如式[1]所示：[9]
2AgNO3(aq) + 2NaOH(aq) → Ag2O(s) + 2NaNO3(aq) + H2O(l) [1]
接著，加入足量的氨水以溶解棕色氧化銀，此溶液含有混合物中的[Ag(NH3)2]+錯離子，此為多倫試劑的主要成分，其反應如式[2a]或[2b]所示：[9]
Ag2O(s) + 4NH3(aq) + 2NaNO3(aq) + H2O(l) → 2[Ag(NH3)2]NO3(aq) + 2NaOH(aq) [2a]
Ag2O(s) + 4NH3(aq) + 2NaNO3(aq) + H2O(l) → 2[Ag(NH3)2]OH(aq) + 2NaNO3 (aq) [2b]
三、 銀鏡反應
金屬塗料（Metallic coatings）廣泛用於工業中，特別是銀塗料，該技術基於眾所周知的銀鏡反應，亦即鹼性的銀氨錯離子（Ag(NH3)2+）溶液中的銀離子（當作氧化劑）與醛類等物質（當作還原劑，例如：葡萄糖，以НОСН₂(CHОН)₄CHО表示）反應，銀離子被還原成金屬銀，並以鏡面塗層的形式沉澱在玻璃的表面上，而醛類的醛官能基被氧化成羧酸或羧酸鹽，如式[3a]或[3b]所示：[10]
НОСН₂(СНОН)₄СHO(aq) + 2[Ag(NH₃)₂]OH(aq)→
НОСН₂(CHОН)₄СООH(aq) + 2Ag(s) +4NH₃(aq) + 2H₂O(l) [3a]
НОСН₂(СНОН)₄СHO(aq) + 2[Ag(NH₃)₂]OH(aq) + 2NaOH(aq) →
НОСН₂(CHОН)₄СООNa(aq) + 2Ag(s) + 4NH₃(aq) + 3H₂O(l) [3b]
本實驗使用另類的多倫試劑係以硝酸銨溶液取代濃氨水，混合硝酸銀、硝酸銨及氫氧化鈉溶液，其化學反應是混合三種溶液產生水溶性的氫氧化二氨銀（Diamminesilver(I) hydroxide, Ag(NH3)2OH），其反應如式[4]所示。接著，進行銀鏡反應，氫氧化二氨銀與醛類（以RCHO表示）或葡萄糖（以C6H12O6的結構式呈現）進行氧化還原反應，生成金屬銀和羧酸銨或葡萄糖酸根離子，其反應分別如式[5a]和[5b]所示。
AgNO3(aq) + 2NH4NO3(aq) + 3NaOH(aq) →Ag(NH3)2OH(aq) + 3NaNO3(aq) + 2H2O(l) [4]
RCHO(aq) + 2Ag(NH3)2OH(aq)→RCOONH4(aq) +2Ag(s) + 3NH3(aq) + H2O(l) [5a]
[5b]
四、 銀鏡反應的反應機制
銀鏡反應的反應機制有多位研究者提出不同的建議，此處列出兩種建議。
(一) 首先形成自由基碳陽離子，最後生成羧酸根離子
在銀鏡反應的過程中，醛類的羰基被氧化並且銀離子被還原，所得到的氧化醛（一種自由基陽離子）再與氫氧根離子（OH‒）反應，透過氫原子的轉移，形成類似寶石二醇（gem-diol like）四面體的中間體（一種自由基），然後繼續進行反應生成最後的羧酸根離子。這種建議的反應機制如式[6]所示。[11]
[6]
（圖片來源：https://goo.gl/8ESaA7.[11]）
多倫試驗使用銀氨錯離子（[Ag(NH3)2]+）來判斷醛類的存在，藉由金屬銀的沉澱顯示陽性試驗。生物化學家使用多倫試劑來確定還原糖的存在。還原糖具有游離的醛基，醛糖（如葡萄糖）的環狀半縮醛形式在水中可以打開以顯示其醛基，而且某些酮糖可以經過互變異構化（tautomerization）而變成醛糖。非還原性雙糖（如蔗糖）在其變旋碳之間具有糖苷鍵（glycosidic bond），因此不能轉化為開鏈形式，因此多倫試驗呈現陰性試驗。還原雙糖（如乳糖和麥芽糖）只有兩個變旋碳中的一個參與糖苷鍵，因此透過半縮醛形成的反向，它們可以轉化成具有醛基的開鏈形式，因此多倫試驗呈現陽性試驗。利用葡萄糖當作還原糖，其銀鏡反應的反應機制與醛類的醛基被氧化成羧酸並且銀離子被還原成金屬銀相似，其反應機制如式[7]所示。[12]
[7]
（圖片參考來源：Tollens’ Test, WikiPremed, https://goo.gl/rLwXgf。[12]原文的反應機制有誤，本文作者已稍加修改。）
(二) 首先形成醛醇陰離子，最後生成羧酸根離子
在沒有添加任何氫氧化鈉下，銀氨錯離子與幾種醛的氧化還原反應，已經有研究者提出其反應機制。在pH值不超過10的情況下，研究者發現：當pH變化時，反應速率沒有變化。因此，研究者建議銀鏡反應的機制如式[8a]-[8c]所示。[13]
RCHO + H2O ⇌ RCH(OH)2[8a]
RCH(OH)2 + Ag+ ⟶ RC(OH)2 + H++ Ag [8b]
RC(OH)2 + Ag+ ⟶ RCOOH + H+ + Ag [8c]
雖然這種機制可能在pH <10下進行，但是它並不能解釋為什麼當pH> 10下，銀鏡反應的速率會變得更快。有一些醛（例如：甲醛和氯醛）與多倫試劑在室溫下產生非常快速的陽性反應。乙醛（和更高級的醛）的反應速率要慢得多。這是因為甲醛和氯醛迅速水合，得到寶石二醇‘。水合作用是必不可少的第一步，如式[8a]所示。該水合作用是可逆反應，其平衡位置隨醛類的不同而異。該反應式表明平衡的位置不受鹼性的影響。然而，鹼作為催化劑引起相當大的作用，在較高pH下，由於氯醛中的氯原子有拉電子效應，它是最強的酸（pKa = 10.0），在水中會發生解離。基於該事實，醛類的反應的第二步可能如式[9a]所示。[13]
RCH(OH)2 + OH− ⟶ RCH(OH)O−+ H2O [9a]
醛類氧化成為羧酸涉及兩個電子的轉移，並且需要兩個Ag+，這過程必須透過自由基的反應。其可能的反應機制，如式[9a]-[9e]所示。[13]
RCH(OH)2 + OH− ⟶ RCH(OH)O−+ H2O [9a]
RCH(OH)O−+Ag+ ⟶ RCH(OH)OAg [9b]
RCH(OH)OAg ⟶ RCH(OH)O + Ag [9c]
RCH(OH)O+ Ag(NH3)2+ ⟶ RCOOH + NH4++ NH3 + Ag [9d]
RCOOH + OH− ⟶ RCOO− + H2O [9e]
五、 製作隨身鏡的化學計量與催化反應
在本次實驗製作隨身鏡的過程中氫氧化鈉溶液分成兩次添加，有別於一般的銀鏡反應一次加入氫氧化鈉溶液，原因何在？這與氫氧化鈉作為限量試劑或過量試劑有密切的關係，詳細說明如下。
第一階段，在小玻璃瓶中，混合4.0 mL的0.10 M硝酸銀、0.5 mL的1.8 M氫氧化鈉與1.0 mL的1.0 M硝酸銨，產生水溶性的氫氧化二氨銀等產物，其反應如式[4]所示。
AgNO3(aq) + 2NH4NO3(aq) + 3NaOH(aq) → Ag(NH3)2OH(aq) + 3NaNO3(aq) + 2H2O(l) [4]
依照上述的用量，硝酸銀的毫莫耳數 = 4.0 mL × 0.10 mmol/mL = 0.40 mmol；硝酸銨的毫莫耳數 = 1.0 mL × 1.0 mmol/mL = 1.0 mmol；氫氧化鈉的毫莫耳數 = 0.50 mL × 1.8 mmol/mL = 0.90 mmol。根據反應式[4]，完全反應的毫莫耳數比 = AgNO3：NH4NO3：NaOH = 1：2：3。實際上，使用的毫莫耳數比 = AgNO3：NH4NO3：NaOH = 0.40 mmol：1.0 mmol：0.90 mmol = 1.0：2.5：2.3。因此，AgNO3為過量試劑，NH4NO3為過量試劑，NaOH為限量試劑，此階段混合溶液為非強鹼性。生成氫氧化二氨銀的毫莫耳數= 0.90 mmol × (1/3) = 0.30 mmol。
第二階段，在小玻璃瓶中，接著加入1.0 mL的5.0%葡萄糖和0.5 mL的1.8 M氫氧化鈉，生成羧酸銨等產物，其反應如式[5a]所示。
RCHO(aq) + 2Ag(NH3)2OH(aq) → RCOONH4(aq) +2Ag(s) + 3NH3(aq) + H2O(l) [5a]
依照上述的用量，在考慮本階段又加入的氫氧化鈉之下，連同第一階段加入的氫氧化鈉，兩次總共加入1.0 mL的體積。因此，總共氫氧化鈉的毫莫耳數 = 1.0 mL ×1.8 mmol/mL = 1.8 mmol。根據反應式[4]，完全反應的毫莫耳數比 = AgNO3：NH4NO3：NaOH = 1：2：3。實際上，使用的毫莫耳數比 = AgNO3：NH4NO3：NaOH = 0.40 mmol：1.0 mmol：1.8 mmol = 1.0：2.5：4.5。因此，AgNO3為限量試劑，NH4NO3為過量試劑，NaOH為過量試劑；而且NH4NO3與NaOH相比較，NaOH也是過量試劑，此階段的混合溶液為強鹼性。生成氫氧化二氨銀的毫莫耳數 = 0.40 mmol × (1/1) = 0.40 mmol。
此階段加入葡萄糖的毫莫耳數 = 1.0 mL ×0.28 mmol/mL = 0.28 mmol。根據反應式[5a]，理論上，完全反應的毫莫耳數比 = 葡萄糖：Ag(NH3)2OH = 1：2。實際上，使用的毫莫耳數比 = 葡萄糖：Ag(NH3)2OH = 0.28 mmol：0.40 mmol = 1：1.1。因此，葡萄糖為過量試劑，氫氧化二氨銀為限量試劑。因此，這些試劑的設計用量，不會造成硝酸銀使用的浪費。
根據反應機制[6]和式[7]，當pH > 10下，銀鏡反應的反應速率會變得更快，過量的鹼作為催化劑引起相當大的作用。在第一階段使用限量試劑的氫氧化鈉且未加葡萄糖，其目的是銀鏡反應不會快速發生。在第二階段再加入的氫氧化鈉而變成過量試劑並加入葡萄糖，造成鹼性的環境，氫氧根離子（OH‒）當作催化劑，以致銀鏡反應的反應速率加快。
n 教學提示
l 上課時間：教師實驗簡介和步驟說明：5-10分鐘；學生實驗操作：15-20分鐘；教師實驗原理解說或討論：10-20分鐘。若由學生自行配製藥品，需要加上10-20分鐘。
l 本實驗的藥品用量為少量實驗，由於經費花費不高，因此配製藥品的用量和準備器材的數量以1人為一組為宜，讓每位學生有機會操作為佳。
l 為了獲得最佳的銀鏡效果，另類的多倫試劑必須新鮮配製，且在實驗後的廢棄液立即用大量水處理。多倫試劑可能在靜置並使其濃縮或乾燥後，形成爆炸性的雷酸銀（silver fulminate, AgCNO）或氮化銀（silver nitride, Ag3N）。另有文獻提到：形成〝暴露銀〞（fulminating silver），它可能是氮化銀、疊氮化銀（silver azide, AgN3）及雷酸銀。[14]雷酸銀有兩種晶態：正交晶態和三方晶態。三角形的多晶型物包括環六聚物（(AgCNO)6）。[15]
l 若搖晃一段時間後反應槽內的玻璃片鍍銀不多或還有暗灰色固體存在，這表示銀鏡反應不完全，可慢慢地滴加氫氧化鈉溶液到反應槽中，使溶液呈現更強的鹼性，繼續搖晃均勻。若仍然有暗灰色固體出現，可先加硝酸銨溶液，使之變澄清，再滴加氫氧化鈉溶液。反覆滴加這兩溶液並搖晃均勻，直到反應後的溶液變成略微澄清為止，如此可加速銀鏡反應並且在玻璃片上鍍銀的厚度更厚。
l 硝酸銀的價格：在網路上，可搜尋到多家有販售，此處列出兩家。第一家：硝酸銀（純度99.8%）25公克1,050元，每公克42元；450公克14,280元，每公克32元。1000毫升的0.10 M硝酸銀2,572元，每1毫升2.6元。第二家：硝酸銀（試藥級）25公克1,500元，每公克60元；450毫升的0.10 M硝酸銀945元，每1毫升2.1元。以25公克硝酸銀自己配製0.10 M的溶液，可以配製成1,470毫升，價格以1,050元計，每1毫升0.71元。若以50 cm2的玻璃片製作隨身鏡，則需要4.0 mL的0.10 M硝酸銀，花費只要2.8元，實屬便宜。
l 玻璃片和證件套的價格：玻璃片到玻璃行購買，以本實驗使用的玻璃片（6.0 cm × 8.4 cm × 0.2 cm）為例，一塊玻璃片包括切割不包括磨去銳邊的價格為10元。PU皮製證件套（證件卡套）到文具店購買，證件套的價格不一，昂貴者數百元到數千元，便宜者不到十元；文具店有販售多個證件套的一包裝，價格較為便宜，如6入39元。
n 教學活動照片
本次DIY隨身鏡教學活動在國立彰化女子高級中學107學年寒假化學營隊舉行，活動照片如圖十三所示。
圖十三：寒假化學營隊DIY隨身鏡活動照片
n 教師教學和學生學習的心得
T1：蔡家興老師
此次利用寒假時間，在學校開設化學營隊，讓有興趣的同學能親自動手作實驗，藉此提升同學們的實驗認知和技能，進而了解化學不只是課堂上知識的學習，而是可以將所學的知識融合實驗加以應用。以下是帶學生製作隨身鏡的過程和結果，提出個人看法提供給教師們參考：
(一) 利用資料夾製作反應槽，有些同學在裁切力道不易掌握，容易劃破資料夾而重新製作，此反應槽或許可以用與玻璃片相當大小的保鮮盒取代資料夾。
(二) 操作過程必須提醒同學拿玻璃片時要手持玻璃片的邊邊。小玻璃瓶中的多倫試劑，在最後加入0.5 mL的氫氧化鈉溶液，即開始反應，必須將反應液快速倒入反應槽中。一旦倒入氫氧化鈉溶液，銀鏡反應快速。在鍍銀過程中，有些同學搖晃反應液太過謹慎，導致玻璃片上鍍銀不均勻，而影響成品的質感。針對最後加入0.5 mL的氫氧化鈉溶液，或許可以與葡萄糖溶液事先混合，加入反應槽。
平常教授化學時，很少有時間可以從容地帶學生們作實驗，有感於化學是一門實驗的科學，因此個人會利用寒暑假6小時（一天）或9小時（一天半）開設化學營隊，人數上限24人。學生從準備器材、配製溶液都可以親自操作，過程中看著溶液混合後的化學變化而露出驚奇的表情，我想這是每個老師在教學時最樂見且欣慰的場景。此次DIY隨身鏡，引用學生的心得：鏡子是日常生活很普通的東西，但從來沒有想過自己有一天也能做出一面鏡子！看著鏡子就像看著自己的孩子一般，雖然它並不完美，但是出於自己的手，更讓我對這面鏡子衍生出一種特別親切的感覺！
S1：陳O莉同學
(一) 知識和領域—學得化學原理和概念的心得和感想
在加入硝酸銀溶液時老師提醒要特別小心，不然碰觸過的地方會被染色。我們組員間還開玩笑說一定要全身而退（像是要去打仗）。然而，總得有個轉折點這個故事才有看頭，我後來發現，我中「彈」了，手指側面一小塊變成咖啡色了啦！有好氣又好笑的，硝酸銀溶液照光後會進行化學反應生成黑色銀原子附著在皮膚或衣物上，這個知識點我應該永生難忘。
(二) 技能領域方面—親身體驗動手做實驗的心得和感想
實驗的過程真的要無時無刻打起十二分的精神，稍有不留意可能哪個化學藥劑就多滴了幾滴，要是比例不對的話，實驗的結果就會受到影響，我深刻的體會到，實驗的所有變因都得好好把關，外在的溫度影響真的也很重要在製作實驗二的銀鏡反應時花了我一個多小時在搖晃那個瓶子（那應該是我整個寒假的運動量了…….∑(￣□￣;)）不過，上天給我關閉了一扇窗就會再給我開啟另一扇窗，下午DIY自製隨身鏡過程超順利而且成果還意外的不錯！！動手做實驗真的很有趣，老實說，莫耳數這一單元真的令我很頭痛，但是做完實驗以後重新激勵起我的鬥志決心利用寒假把他重修一遍fighting！
(三) 情意領域方面—動手做實驗、習得化學原理及獲取實驗成品樂趣和感受
實驗的每一步驟都是關鍵，越是小心翼翼越會期待未來的結果。因此在實驗成功的那一刻其實很激動，哇~成功了欸，而且做出好的成品會讓自己很有成就感，比方說我製作的鏡子，學長和學姐都紛紛讚賞，然後此時心情就像插了翅膀開心的要飛起來（…..沒那麼誇張啦！）因為親身體驗實作的樂趣，所以感覺這次學習到的知識會在大腦裡流下很深刻的記憶。
S2：楊O沂同學
(一) 認知領域方面—學得化學原理和概念的心得和感想
在銀鏡實驗中，我們認識了之前沒接觸過的「多倫試劑」，銀鏡反應是在鹼性的環境中，將硝酸銀溶液加入氫氧化鈉，隨後會產生氧化銀，再加入氨水，生成二氨銀離子（錯離子），並以葡萄糖當還原劑，將銀離子還原成銀原子，使銀元子吸附在玻璃表面而生成銀色的鏡面。從老師的說明和實驗當中，我們對這這個實驗有了更進一步的了解，亦有了更多發現。
(二) 技能領域方面—親身體驗動手做實驗的心得和感想
最後一個實驗是利用多倫試劑來做隨身鏡，過程其實跟銀鏡反應很類似，不過它不需要耗那麼多時來搖，但步驟較麻煩，先利用資料夾折出一個符合玻璃片大小的容器（我折的有點畸形呢），然後配製多倫試劑，但配製完後只需將瓶身搖個2、3下左右，便隨即倒入容器中，將容器搖一搖！然後將成功變銀鏡的玻璃片拿起，潤洗後吹乾，噴漆後吹乾，並將紙黏在漆面，撕掉原本另一面的膠帶，裝入卡套後便大功告成！雖然我做的沒有很漂亮，但畢竟還是我做的，我會好好收著的，因為這是我的心血結晶。
(三) 情意領域方面—動手做實驗、習得化學原理及獲取實驗成品樂趣和感受
平常上課的時候都是看老師在做實驗，現在終於有這個機會可以自己動手做，當然要好好把握住呀！每個實驗都要認真做，既然來參加這個實驗活動就該抱持著一種學習心態，而不是來虛度光陰、打發時間的。透過這些實驗，我發現了自己對實驗室的物品和藥品的認識還真是見識淺薄！然而，親自動手做真的很有趣，讓我們親自接觸到了各個反應的過程與結果，而不是只能在旁邊看看，看著溶液的變化而感到興奮，看著一個個成功的結果，成就感真的滿到爆表！由衷感謝家興老師、姵宇老師、舜雨學長！
S3：游O芳同學
(一)認知領域方面—學得化學原理和概念的心得和感想
從這次實驗，讓我在不知不覺中，又學到了許多化學有關的知識，像是—硝酸銀+氫氧化鈉會變成氧化銀+硝酸鈉+水，葡萄糖可以當還原劑，把銀離子還原成銀原子…等，都讓我獲益良多。
(二)技能領域方面—親身體驗動手做實驗的心得和感想
從一剛開始對於為什麼要在玻璃板上貼膠帶，還一頭霧水；反應槽一直折不好，正感到失落，到慢慢地了解貼膠帶的用意是什麼，其實反應槽折不好，也不會影響實驗結果之後，才又放心的繼續接下來的實驗。看著玻璃瓶中的溶液，從無色漸漸變成棕色，再漸漸變回無色，每一個變化都時時牽動這我的心，深怕只要一個不留神，就會錯過哪個精彩畫面。
最喜歡將氫氧化鈉滴入玻璃瓶中反應之後，馬上就要倒在玻璃上的那一段，超級刺激！！！深怕只要慢了一秒，整個實驗就會失敗，最後的成品雖然不到完美，但這中間的過程，卻讓我感到非常的充實～
(三)情意領域方面—動手做實驗、習得化學原理及獲取實驗成品樂趣和感受想
雖然我做出來的銀鏡，並不像真的鏡子一樣，那麼的清楚和均勻。不過因為是第一次實驗，並不可能馬上就能做到最好，覺得那種略帶有漸層的鏡子，似乎也有著自己獨有的美感。同學還發現，從銀鏡中照出來的自己，頭髮會變棕色的喔！
n 參考資料
1. Tollens’ reagent, https://en.wikipedia.org/wiki/Tollen’s_reagent.
2. Ammonia MSDS (E4562), http://goo.gl/WYhbZx.
3. Silver Mirror Reaction, http://dwb5.unl.edu/chem/smallscale/SmallScale-075.html.
4. Silver mirror reaction, http://gclab.thu.edu.tw/sse/ppt/09.pdf.
5. A giant silver mirror experiment, http://goo.gl/NEKxxD.
6. 方舜雨、王竣生、楊水平，化學教室活動：利用另類的多倫試劑製作銀鏡瓶，《臺灣化學教育》，第27期，http://531.9e9.myftpupload.com/?p=29758。
7. Justus von Liebig, https://en.wikipedia.org/wiki/Justus_von_Liebig.
8. Mirror, Mirror, On the Bottle, http://goo.gl/bh15AY.
9. Tollens’ reagent, https://en.wikipedia.org/wiki/Tollens’_reagent.
10. “Silver mirror” experiment, https://melscience.com/en/articles/silver-mirror-experiment/.
11. Mechanism for reaction of Tollens’ reagent with aldehydes, https://goo.gl/8ESaA7.
12. Tollens’ Test, https://goo.gl/rLwXgf.
13. Benet, W. E.; Lewis, G. S.; Yang, L. Z.; Hughes, P. D. E. Journal of Chemical Research, 2011, 35(12), pp. 675-677.
14. Fulminating silver, https://en.wikipedia.org/wiki/Fulminating_silver.
15. Silver fulminate, https://en.wikipedia.org/wiki/Silver_fulminate.
n 學生活動手冊
下載學生實驗手冊—「利用另類的多倫試劑學生DIY隨身鏡」。
化學安全的教育視角
李賢哲
國立屏東大學應用化學系
先敬祝各位讀者新年快樂，這期的化學新知部分，或許是個人的偏好，較多於化學安全相關之文章，第一篇是當代無人機在精密農業上的應用，第二、三篇則聚焦於化學教育最需強調的安全訓練領域，謹提供大家參考與指正。
一、無人機使用於農業用途之回顧與展望
由於個人對於無人機(UAV)的喜愛，這一期化學新知部分，首先與各位先進介紹無人機於精密農業(precision agriculture)之應用。這篇2018年回顧之論文作者來自開發中國家印度，目前印度仍有70%人口依賴著農田耕種生活，但農業使用之土地卻面臨空前的危機，尤其是害蟲與昆蟲造成的農業土地病變，降低農作物的生產效率。爰此，殺蟲劑(pesticides)與肥料(fertilizers)的使用，以提高農作物之產率，更加重農民與環境的負擔。這些被農業使用之化學藥品，如果能藉由無人機噴灑系統(drone spraying systems)的使用，搭配多光譜相機(multi-spectral camera，440-510 nm 藍色、520-590 nm綠色等)系統進行農地植被自動偵測與判別，期能減少以人工噴灑殺蟲、除草藥劑，相對造成的人員健康危害；並達到更有效的使用噴灑藥劑以降低藥劑對於土地負擔衝擊與造成的環境污染。
個人對於此文獻內容，認為科技的發展始於人性，如圖一說明無人機之發展自傳統固定翼(fixed wing)(a)、單旋翼(single rotor)垂直起降( helicopter) (b)持續發展至多旋翼(multi rotors drone)之形貌(e)，也正好為這多元的無人載具，提供用途持續開創的空間(例如載貨與人員使用)。然無人機機體結構的成本、操作的費用(例如電池)和操作人員的訓練與政府相關法規的制定等，對於無人機的普及具有相對重要之影響，讓大家樂觀以待。
圖一:無人載具依其時程的進程與發展樣貌，e為最貼近當前之樣貌 (取自 Mogili, 2018)。
參考文獻：Mogili, UM R. & Deepak, B. (2018). Review on Application of Drone Systems in Precision Agriculture. Procedia Computer Science, 133, 205-509. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877050918310081。
二、二十一世紀的化學安全教育 – 培養化學家的安全資訊能力
在教育過程中，每位學子試著在其選擇職業類別中，努力取得成功所必需要的各別技能或能力組合。例如，申請成為一位合格之實驗化學家(bench chemist)所須具備的資格可能標準要件如下:1. 具有化學學士學位（知識領域）；2. 熟悉日常的實驗室操作（技能領域）；3. 能貢獻與成就團隊的成員（態度領域）。有鑑於此，課程設計者和教育工作者最重要的使命，乃為學生提供成功所需的能力(competence)。對於化學課程規劃而言，更應該包括如何在化學研究實驗室安全工作所需具備的能力。關於化學知識領域部分，或可藉由符合標準螺旋式編列之化學專業課程如圖二所示，來實現並獲得。然而，我們仍舊不宜假設已取得化學學士學位的學生，就已獲得進行風險評估(risk assessment)或閱讀安全數據表（Safety Data Sheet, SDS）所需的能力。操作技能取向的實驗室研究活動是具有的重要價值，因為此技能可以轉移到下一個專門的任務，雖然知識和態度有助於未來轉移到非特定的學習，對於專業技能轉移之教學活動而言，則須以發想(ideas)和原則(principles)來進行。這篇研究論文主要的工作即著眼於從歷史角度評估要成為一位化學家所需具備的能力，並建議使用融入式安全作業規範，運用風險評估和SDS來擴大和深化安全知識，將化學安全資訊納入二十一世紀化學課程如圖三所示，以培養符合時代需求之化學人才。
圖二:符合化學專業螺旋式課程設計之學習進程(取自Sigmann, 2018)。
圖三:較符合21世紀跨科際整合之化學專業課程關連(取自Sigmann,2018)。
參考文獻：Sigmann, S. (2018). Chemical safety education for the 21st century — Fostering safety information competency in chemists. Journal of Chemical Health and Safety, 25(3), 17-29. https://doi.org/10.1016/j.jchas.2017.11.002.
三、安全科學於中國高等教育之發展
這是一篇回顧性論文，摘要揭櫫安全科學(safety science)是目前學術界較為獨特且多學科的活動，且具有豐富的科學意涵(connotation)。文中敘述依定義而言，安全科學指特定科學學科的訓練與方法(Stoop,2017)，對於科學研究的歷程能預防人員的傷害(personal injury)，財產的損失(property loss)與對環境的破壞(environmental damage；Fu, 2015)。過去20年中國高等教育於安全科學領域的發展迅速，然其發展過程由於受到國家法律政策、經濟發展和行政體制等因素的影響，也使得其對專業安全訓練(safety discipline)具有獨特的工業特徵。
本文回顧了各國安全科學的發展歷程和重大事件。其次，分析了高等教育機構安全學科的教育條件，主要包括教育機構，研究領域，課程設置，就業情資，職業情境和學術交流。然後討論這些因素如何影響安全學科的發展。結果發現，1999年可做為中國安全科學發展過程的分界點，至2016年已有183所高等教育機構建立了不同研究領域的安全學科。安全專業人才培養的重點已逐步從技術擴展能力到綜合能力與質量的提升。受經濟發展影響，建立安全學科的大學數量，從東南沿海向逐漸下降往中部地區再至西部地區，其研究領域與當地大力發展的重點產業基本一致，出現為解決單一產業研究主要面臨問題的安全學科領域。作者對此現象疾呼中國高等教育機構，應提出新的研究方向，提高學科內容，提高多元安全科學環境建構，以更進一步試著淡化安全學科的產業效應。
圖四：評估科學學科發展之理論架構（取自Zhang, 2018）。
1. Fu, G. (2015). Studies on the Structure of Safety Science.Safety Science Publishing Pty.
2. Stoop, John (2017). Safety science, a founding fathers’ retrospection. Safety Science.94, 103–115.
3. Zhang, J.et al. (2018). Development of safety science in Chinese higher education.Safety Science,106, 92-103. https://doi.org/10.1016/j.ssci.2018.02.034
跨領域的科學活動: 以「澱粉」主題為例 ∕ 潘俊宏
星期六 , 5, 1 月 2019 多元教學法, 第29期/2018年01月 在〈跨領域的科學活動: 以「澱粉」主題為例 ∕ 潘俊宏〉中留言功能已關閉跨領域的科學活動: 以「澱粉」主題為例
潘俊宏
臺北市立介壽國中教師
12年國民基本教育課程綱要即將於108年開始實施，在自然科學領域除了強調問題解決之「探究能力」外，更需要有跨領域議題的探究與實作學習。在此探究的科學活動希望能夠培養學生有系統思考、創意思考、問題解決、表達溝通等多元的能力，進而使學生具有相當的能力與素養去面對未來快速變化的日常生活議題，這些學生應必備的能力並非只是單純的學科知識，且更非由教師單方面的知識給予，必須由學生於課堂中經實際的觀察、探究、思辨和溝通，進而培養出學生的基本素養。基於此概念，便設計一跨科/領域的科學探究活動。以下我們介紹一個以澱粉為主題，所設計的跨領域科學探究活動。
n 「澱粉」專題科學活動:
「澱粉」是人類飲食中最常見的碳水化合物，平常所吃的食物中很容易所看見「澱粉」的存在，因此便設計相關的活動使同學對生活中常接觸的「澱粉」有更深入的認識，本科學活動主要針對國中階段的學生設計一系列活動，活動首先讓同學知道哪些農產品(或產品部位)中含有澱粉，進而引導同學如何生產(製作)澱粉，經由活動產出的澱粉和日常生活中的澱粉產品進行觀察，分辨其物理性質和化學性質的特性與差異。此外，利用種子的發芽過程讓同學觀察、探究種子內的澱粉含量的變化，引導同學藉由活動的結果觀察、思辨、而瞭解澱粉在種子發芽時所扮演的角色。由於澱粉為人類主要的糧食之一，所以活動最後便指導同利用不同植物所生產的澱粉(如:太白粉、麵粉、糯米粉…等)來製作食物～麻糬，由產出的食品外觀、Q度和口感等性質，來瞭解不同種類澱粉經加熱發生澱粉糊化現象後有不同的結果，期使同學對澱粉與其糊化現象有更深刻認識。
本活動透過以學生為中心的自主學習教學法，過程中採用POE (預測–觀察–解釋)教學法與合作教學法進行，教師在旁引導同學進行活動，而活動設計主要有以下幾個特色:
一、家庭科學實驗:活動中所採用的材料或物品大部分來自家庭中常見或隨手可得的物品，以期活動操作結束後，有興趣的同學仍可進一步自己再進行探索研究。
二、活動與課程結合:本活動和目前國中自然與生活科技及綜合(家政)領域的課程有高度相關，所以本科學活動可當作跨科/領域課程來進行，亦可配合教學課程進行課後活動來實施。
三、差異化教學方式:本教學設計主要配合國中自然與生活科技領域的課程所設計的科學活動，對於不同能力(或年段)的同學可著重教材不同學習成就，對能力較差的同學而言，主要在於化學變化的現象瞭解與動手作的部分，而對能力中等的同學而言，可進一步探討澱粉其他的原理(如:分子結構、澱粉分解…等)，而對能力較佳的同學而言，可鼓勵同學進一步對澱粉探究(如:抗性澱粉..等)。除此之外，亦可針對不同能力的學生，在教材上作一深入探討，或對此仍有興趣的同學，再作探究式學習的科學活動。
本科學活動主要強調學生的主動探究與學習，其活動內容大綱如表一所示。本科學活動主要分成四大單元，分別為:澱粉的製作、澱粉在植物中的祕密、澱粉的特性和美味的澱粉。
表一: 澱粉主題活動的活動內容大綱。
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澱粉科學活動 |
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活動單元 |
澱粉的製作 |
澱粉在植物中的祕密 |
澱粉的特性 |
美味的澱粉 |
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活動內容大綱 |
讓同學探究澱粉主要儲存於植物何處，並進一步讓同學能製作出不同來源的澱粉，如：番薯、馬鈴薯…等。 |
觀察花豆或其他豆類在種子發芽前後，種子內儲存的澱粉的變化?並探究其主要原因。 |
觀察澱粉和一些化學藥品的反應與透過顯微鏡進一步瞭解澱粉的種類與物性和化性 |
利用不同來源的澱粉，如:糯米粉、太白粉、玉米粉…等，讓同學利用簡單的製作方式去製作出美味的麻糬。 |
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與國中相關科目 |
理化(化學)、家政、生物 |
理化(化學)、生物 |
理化(化學)、生物 |
理化(化學)、家政 |
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活動時數 (小時) |
1~2 |
1~2 |
2~3 |
2~3 |
活動的內容探究難度可視學生活動狀況作一調整，其科學活動內容描述如下:
一、澱粉的製作:本單元先引導同學判斷在哪些農產品中那些富含澱粉，接著以碘酒進一步檢測農產品中所含澱粉，進而找出富含澱粉的農產品，最後再和同學討論如何從農產品中將澱粉分離出來。
二、澱粉在植物中的祕密: 此活動可配合目前生物教材進行，分別準備已泡水的和巳發芽的種子(如:花豆…等)，同學預測二種不同狀況種子的澱粉分布，再利用碘液測試和顯微鏡觀測來驗證自己的預測，也能在教師的引導下，解釋發芽前後澱粉的差異及造成差異的可能原因。
三、澱粉的特性:本活動可接續澱粉的製作單元，活動中利用同學所製作出的澱粉和教師提供不同的澱粉，引導同學探究不同澱粉的性質有何不同，例如:利用碘液配製不同濃度之溶液進而觀察顏色差異(如圖一和圖二)，也可於澱粉加碘液後,利用顯微鏡加以觀察探究(圖三)。
圖一:不同濃度的支鍵澱粉在碘液下所呈現顏色
圖二:不同濃度的直鍵澱粉在碘液下所呈現顏色
圖三:支鍵澱粉加碘液在顯微鏡下所呈現情況
四、美味的澱粉單元:同學經由初步對澱粉認識後，最後教師將經由麻糬的製作來介紹澱粉的糊化現象，首先，教師可引導同學用不同的澱粉來製作麻糬(如圖四)，進而由同學自行設計最美味的麻糬食譜。
圖四:不同來源的澱粉所製作而成的麻糬
n 科學探究活動始終來自日常活動
經由此系列科學探究活動的同學對澱粉的概念有基本的認識，同學也學會探究事物的能力，但要設計一個完美的科學活動，仍需更多專業教師的共同討論、備課、試行與再修正(見圖五)，以設計出更好的科學活動，以提高同學的探究興趣，利於同學於課後或假期進行個人的專題計畫或學習，進而增進學生個人日常解決問題能力以及具備科學素養的生活能力。
