臺灣化學教育

草酸鎂溶解度積常數測定的改良實驗

陳欣怡*、李晨君、戴珮玲

新北市立中和高級中學
*[email protected]

 

n  前言

本實驗試圖改良草酸鎂溶解度積常數測定的實驗方法，先以三碘離子代替過錳酸鉀滴定草酸根離子，測量草酸根離子的濃度，求出草酸鎂濃度積常數；再利用滴定過的溶液以氫氧化鈉滴定，測量鎂離子濃度，求出草酸鎂的溶解度積常數。藉由此兩個實驗，可雙重確認其實驗數據的準確性，且符合綠色化學的定義，把對人體和環境危害較大的藥品，替換成較無危害的藥品，既能測定草酸鎂濃度，又不會對環境造成太大影響，真是一舉兩得。

n  原理和概念

一、課本原設計實驗

在基礎化學（三）課本中，草酸鎂的溶解反應如式[1]所示，其溶解度積常數的表示如[2]所示。

MgC₂O₄(s)⇌Mg²⁺(aq)+C₂O₄^2‒(aq)[1]

K_sp=[Mg²⁺][C₂O₄^2‒][2]

課本原設計實驗有兩個部分：第一部分為先將草酸鎂溶解，過濾溶液，秤未溶的草酸鎂的量，求草酸鎂溶解度，再求其溶解度積，但此法因實驗過程中容易因過濾與乾燥等問題造成大誤差。第二部分是利用過錳酸鉀滴定草酸根離子，紀錄滴定過程中消耗的過錳酸鉀莫耳數，可推算草酸鎂溶液中草酸根離子的濃度，藉此求草酸鎂的溶解度積常數，其反應如式[3]所示。

2MnO₄(aq)+5C₂O₄^2‒(aq)+16H⁺(aq)→2Mn²⁺(aq)+10CO₂(g)+8H₂O(l)[2]

草酸鎂溶解度積常數的使用藥品，如表一所示。過錳酸鉀和硫酸的害處，如下所示。

表一：草酸鎂溶解度積常數的使用藥品

(一)   過錳酸鉀的害處

1.        其誤食有害。

2.        接觸過量稀溶液可能造成嚴重皮膚灼傷和眼睛損傷；濃溶液具強腐蝕性，長期暴露會影響中樞神經系統，記憶及判斷會有困難、情緒不穩。400mg/Kg影響生育力。

3.        對水生生物毒性非常大並具有長期持續影響。

(二)   硫酸的害處

1.        健康危害：對皮膚、粘膜等組織有強烈的刺激和腐蝕作用。蒸氣或霧可引起呼吸道刺激，重者發生呼吸困難和肺水腫；對眼睛可引起結膜炎、水腫等，以致失明。慢性影響：牙齒酸蝕症、慢性支氣管炎、肺氣腫和肺硬化。含硫酸的無機酸霧滴具致癌性。

2.        環境危害：對環境有危害，對水體和土壤可造成酸化污染。

二、改良實驗

圖一：改良實驗的概要圖

(一)      原課本設計實驗A：以碘直接滴定草酸根離子

在此氧化還原滴定中，利用草酸根離與三碘離子的氧化還原反應（見式[4]），以澱粉為指示劑，當滴定達到終點時，澱粉的螺旋結構的內部空間，恰能容入碘分子加上碘分子與澱粉間以凡得瓦力固定為一複合物，因此溶液呈現紫藍色，如圖二所示。再利用三碘離子濃度×體積 = 草酸根離子濃度×體積，求草酸根離子濃度，帶入式[5]，求得草酸鎂溶解度積常數。

C₂O₄^2‒(aq)+I₃^‒(aq)→2CO₂(g)+3I^‒(aq)[4]

K_sp＝[Mg²⁺][C₂O₄^2‒]＝[C₂O₄^2‒]²[5]

圖二：澱粉與三碘錯離子形成錯合物

（圖片來源：StarchandIodine,http://goo.gl/0YHlQ7.）

(二)      改良實驗A：以碘直接滴定改為以硫代硫酸鈉間接滴定

因為課本原設計實驗A的變色速率過快，無法準確的判讀使用量，所以作此修正。改良方式：加入過量的三碘離子到飽和的草酸鎂溶液中，使碘分子與草酸根離子充分反應，此時溶液呈黃褐色。過多的三碘離子以硫代硫酸鈉滴定，其反應如式[6]所示。當溶液的紫藍色消失時，意味著碘單質已反應完畢，即到達滴定終點。草酸根離子的濃度計算如[7]所示。草酸鎂溶解度積常數的計算式[8]所示。

I₃^‒(aq)+2S₂O₃^2‒(aq)→S₄O₆^2‒(aq)+3I^‒(aq)[6]

草酸根離子濃度×體積 =三碘離子濃度×體積×2‒硫代硫酸鈉濃度×體積[7]

K_sp=[Mg²⁺][C₂O₄^2‒]= [C₂O₄^2‒]²[8]

(三)           改良實驗B：再以氫氧化鈉滴定鎂離子

氫氧根離子會與鎂離子產生氫氧化鎂溶液，其反應如[9]所示。而氫氧化鎂溶液是一種膠體溶液。當一束光線透過膠體，從入射光的垂直方向可觀察到一條直線光亮的光束，這種現象稱為廷得耳效應。因此滴定達到終點時，會產生一條明顯的光束。鎂離子的濃度計算如[10]所示。草酸鎂溶解度積常數的計算式[11]所示。

Mg²⁺(aq)+2OH^‒(aq)→Mg(OH)₂(g)[9]

氫氧化鈉濃度×體積= 2×鎂離子濃度×體積[10]

K_sp=[Mg²⁺][C₂O₄^2‒]= [Mg²⁺]²[11]

n  實驗器材與試劑

表二：改良草酸鎂溶解度積常數實驗的藥品

表三：改良草酸鎂溶解度積常數實驗的儀器

n  實驗步驟

一、   原課本設計實驗A：以碘直接滴定草酸根離子

1.        取2g的草酸鎂，加入500mL的蒸餾水，並用濾紙過濾取得飽和草酸鎂溶液。

2.        取0.12g的碘，加入50mL蒸餾水，加入KI以讓碘溶解於水中，倒入100.00mL容量瓶中，加蒸餾水至刻度線並混合均勻，配置濃度為4.72 × 10^‒3M。

3.        取步驟2配好的溶液先潤洗滴定管，再把滴定管裝滿。

4.        取10.00 mL飽和草酸鎂，倒入錐形瓶，加入少許澱粉後，浸入熱水中加熱至60℃。

5.        趁熱滴定，並記錄其用量。此時溶液顏色呈藍色，如圖三所示。

6.        重複步驟4~5，並記錄其用量。

圖三：原課本設計實驗A滴定結束時的情況

二、   改良實驗A：以碘直接滴定改為以硫代硫酸鈉間接滴定

1.        取2.00g的草酸鎂，加入500mL的蒸餾水，並用濾紙過濾取得飽和草酸鎂溶液。

2.        取0.12g的碘，加入50mL蒸餾水，加入KI以讓碘溶解於水中，倒入100mL容量瓶中，加蒸餾水至刻度線並混合均勻，配置濃度為4.72 × 10^‒3M。

3.        取1.24g硫代硫酸鈉，加少量蒸餾水溶解，倒入100.00mL容量瓶中，加入蒸餾水至刻度線。

4.        先以硫代硫酸鈉溶液潤洗滴定管，再置入其中。

5.        取10.00mL的飽和草酸鎂，倒入錐形瓶，浸入熱水中加熱至60℃。

6.        加入10.00mL的三碘離子於草酸鎂中，此時溶液呈黃褐色。

7.        以硫代硫酸鈉滴定之，滴定達到終點時，呈現透明，如圖四所示。

8.        重複上述5~8並記錄，算出草酸鎂溶解度積常數。

圖四：改良實驗A以硫代酸鈉滴定

三、   改良實驗B：再以氫氧化鈉滴定鎂離子

1.        取0.4g氫氧化鈉，加入少量蒸餾水使溶解，倒入100mL容量瓶，加蒸餾水至刻度。

2.        以氫氧化鈉溶液潤洗滴定管

3.        取改良實驗A以硫代硫酸鈉間接滴定後的10mL澄清溶液，加10mL的蒸餾水。

4.        用重物壓住紅外線比的開關，使其一直照著溶液，如圖五左所示。

5.        滴定過程不斷搖晃錐形瓶，達終點時，成一條紅線，如圖五右所示。

6.        重複上述3~5，紀錄並算出鎂離子濃度並算出草酸鎂溶解度積常數。

 

圖五：以氫氧化鈉滴定前的照光（左）；達滴定終點時的光束（右）

n  結果與討論

一、   實驗結果

(一)      原課本設計實驗A（以碘直接滴定草酸根離子）：顏色變化迅速，不易觀察。無法準確判斷滴定終點。

(二)      改良實驗A（以硫代硫酸鈉間接滴定，測定草酸根濃度）：實驗結果如表四所示。

表四：以硫代硫酸鈉間接滴定的實驗結果

(三)   改良實驗B（再以氫氧化鈉滴定硫代硫酸鈉間接滴定後的澄清溶液，測定鎂離子濃度）：實驗結果如表五所示。

表五：以氫氧化鈉滴定的實驗結果

二、   實驗討論

(一)以碘取代過錳酸鉀，達成綠色化學12項原則：設計更有效，使用低毒或無毒的化合物、降低危險和思危。

1.        原課本的實驗使用過錳酸鉀溶液，雖然用量不大，但是因廢棄物與生成物的毒性較強，而選擇改用污染小的碘來滴定。其原因有：碘分子毒性較弱；再者，其生成物為碘離子，不會造成汙染，符合降低危險的原則。

2.        若不需使用過錳酸鉀，就不須擔心其強氧化性與自燃的現象，可以達到避免存放危險物使達思危的效果。

3.        原課本的實驗時需使用20mL 的2M硫酸，若改用碘分子就不需要，可以達到減毒的效果，使實驗過程更加安全。

4.        原實驗配製100mL 的0.02M過錳酸鉀溶液，需要用到0.36g。改良的設計，只要使用0.12g的碘當作反應物，此用量是原實驗的1/3而已，達到減毒減量的功效。

5.        利用氫氧化鈉滴定實驗，取原來硫代硫酸根離子的間接滴定實驗後的澄清溶液，再以氫氧根離子滴定，求鎂離子濃度。如此一來，一杯樣品同時進行兩階段的實驗，分別得兩組數據除了可互相驗證，還可以達到減量的效果。

(二)   實驗誤差

直接滴定較不易判定滴定終點，間接滴定比較好觀察。根據實驗結果，改良的兩階段實際測得的溶解度積常數分別為6.56×10^‒5和6.4×10^‒5，與理論的8.1×10^‒5並沒有造成大的誤差。

n  廢棄物處理和安全注意事項

本實驗中使用的碘、氫氧化鈉及硫代硫酸鈉的濃度皆很低。若是實驗操作時接觸到皮膚，以大量清水沖洗即可。若擔心氫氧化鈉濃度過高，則可以以稀釋使用。

n  教學提示

l  本實驗教學時間可彈性調整，可以只執行其中一種或兩階段的實驗皆進行。

l  本實驗使用的指示劑用量極少，因此汙染性極低。

n  結語

本實驗設計希望引入生活常見的物質到化學實驗設計中，原理涉及包含認識廷得耳效應、膠體溶液及碘的顏色變化等。從綠色化學創意競賽起，深覺這活動意義甚大，於是著手改良課本的實驗並鼓勵學生參與競賽活動。藉由這項活動，漸漸植入本校學生的心中化學不一定等於有毒或環境汙染的概念，其中校內課程實驗或活動設計均採取主要是融入綠色化學的十二項原則為主，使用微量或少量的藥品，成本低廉，準備方便，且對環境影響小。

而這實驗的改良也許不是最佳，仍須持續努力，期待完成效果更好、節能與生活處處是化學的目標。圖六為本校學生在綠色化學創意競賽頒獎典禮。

圖六：綠色化學創意競賽頒獎典禮

n  參考資料

1.        翰林版，基礎化學（三），第三章化學平衡。

2.        過錳酸鉀物質安全資料，http://web.thu.edu.tw/joie/www/MSDS/054.PDF。

3.        硫酸物質安全資料，http://www.nfc.nctu.edu.tw/safety/MSDM/MSDS-H2SO4_cht.pdf。

4.        翰林版，選修化學（上），第三章溶液─廷得耳溶液。

5.        翰林版，選修化學（上），第五章氧化還原。

6.        科學Online，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress。

7.        綠色化學十二項原則，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=49978。

8.        StarchandIodine,http://goo.gl/0YHlQ7.

猜一猜有什麼顏色跑出來–帶國小學生進行濾紙層析趣味實驗

邱進坤

國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班

[email protected]

 

n  簡介

也許大家都有同樣的經驗，常看見小朋友下課時，隨手一張小紙張，小朋友們就可以獨自沉浸在自已的無限想像世界。突然發想，除了單純的彩色筆的色彩，小朋友應該可以有更寬廣的漸層世界。如果能運用學童畫畫的相關器具為材料，加上小孩無限的想像空間，透過色彩的激發，可以帶來更多聯想。

常思索怎樣的教學方式，可以讓國小學童，更喜愛學校裏的課程，尤其是國小三年級的學童，剛接觸到自然學科還不到一個學期，可否利用簡單的化學原理，以及生活中常用的事物，觸動學童們的學習之門，在不用探究深奧學理的方式下，以遊戲的方式，體會科學的樂趣，同時引起學童科學的探究之旅？因此，本文設計相關課程，以新北市某國小三年級30位學童為授課對象，陳述整個授課過程。

n  實驗目的

（一）        觀察濾紙上彩色筆標記的點，濾紙沾溼後，顏色會有什麼變化？

（二）        觀察不同顏色的彩色筆在濾紙上標記，散開的顏色是否相同？那一種顏色較快？

（三）        觀察不同顏色的彩色筆在濾紙上標記，最後在濾紙上分離的顏色種類是否相同？

n  原理和概念

（一）     本實驗是利用色層分析的原理，因為混合物中的成分在固定相和流動相裏，對溶劑的親和力的不同，而呈現不同移動距離，與流動相親合力大的物質，會跟著流動相移動到較遠的距離，與固定相親和力大的物質，較移動的較小。

（二）     在本實驗中，我們利用水來當溶劑，水就是流動相，而濾紙中的纖維就是固定相，因為彩色筆裏的筆液是由多種物質所組成，所以當濾紙在裁剪每種色彩的色筆，其所含的物質也不相同。

 

n  實驗設備器材

不同色彩色筆30枝、90mm圓形濾紙、透明塑膠杯、水、剪刀、小尺、小量杯、手錶

n  實驗步驟與過程

本實驗是利用濾紙懸掛的方式，在濾紙下方接觸到約5mm公厘的水，詳細的實驗步驟如下：

1.      先將90mm圓形濾紙，對折再對折找出圓心位置(學生於3上數學已學過圓心概念)。

2.      用直尺在其中直徑的二端，各量2cm距離，先用鉛筆各畫二條垂直至圓周，上方一樣各留2cm距離。

3.      利用剪刀將圖二的黑線剪開，將濾紙剪成有二個翅膀狀的紙片(如圖三)。

4.      濾紙底部需剪平(如圖三)，以確保接觸水的部分是水平。

圖一 剪濾紙步驟一	圖二剪濾紙步驟二	圖三剪濾紙步驟三	圖四剪濾紙步驟四

 

                                                                                         

圖四 準備實驗用的水	圖五 放入點上色筆的紙	圖六等待色素展開

 

                               

5.      在塑膠水杯中倒入約1cm高度的水(圖四)。

6.      利用色筆在離水平部上方約5mm處點上一點(如圖五)，點的大小不可以太大，約2mm，注意不要點太低。

7.      將濾紙二邊趐膀張開，掛在裝有水的水杯上(如圖六)，濾紙底部水平的部分必需接觸到水，此時開始觀察並記錄色彩的變化。

8.      重覆1-4步驟，分別用3種色筆在離水平部上方約5mm處，點上一點(要注意不要點太低)。

9.      將濾紙掛在水杯上，濾紙底部水平的部分必需接觸到水，此時開始觀察並記錄色彩的變化，同時記錄看看那個顏色跑得最快(如圖七)。

10.  重覆1-4步驟，分別用2種色筆在離水平部上方約5mm處，點上一點(要注意不要點太低)。

11.  將濾紙掛在水杯上，濾紙底部水平的部分必需接觸到水，此時開始觀察並記錄色彩的變化，看看原來色彩筆的顏色有什麼變化(如圖八)。

 

n  學生實驗結果

學生進行操作後，可以看到色素在濾紙上展開的樣貌如下圖所示。

圖七        看誰跑得快

 

圖八        顏色的分離

學生的學習單整理如下：

（一）     這個實驗好不好玩，喜不喜歡這個實驗？：喜歡27人、不喜歡1人與沒意見1人。

（二）     這個實驗裏，你有遇到或發現什麼問題？1.原來只有一種顏色變出不同顏色(4人)、2.紙沒剪好，水不會往上跑(4人)、3.點畫太下面，顏色不會往上升(4人)、4.顏色混在一起(8人)。

（三）     有什麼新發現(複選)：1.顏色會跑(30人)、2.顏色會變淡(12人)、3.顏色會變4.有多種顏色(22人)、5.顏色會混色(8人)、6.顏色會像彩虹(1人)。

（四）     那個顏色跑得快？1.橘色最快(8人)、2.藍色最快(8人)、3.綠色最快(10人)、4.黑色最快(4人)。

（五）     想想看為什麼某個顏色跑得快？1.因為橘色被放在下面(8人)、2.因為黑色點顏色深  (4人)、3.不知道18人。

（六）     你那組負責的顏色為什麼有變化？1.深色往淺色跑(1人)、2.彩色筆裡的顏色是很多顏色所形成(8人)、3.水把顏色往上推(16人)、4.點點長腳跑了(2人)、5.彩色筆的色彩討厭水  (2人)。

 

n  實驗注意事項

1.      三年級學童，使用剪刀時，施力大小還不太能掌控，操作時要小心。

2.      水杯中的水量，不可以太高，如果高於色筆點的位置，色彩會先往下跑，結果會弄髒水。

3.      濾紙在裁剪時，每次裁剪的長度要一致，避免因為然無法精準的比較顏色誰跑得快。

4.      彩色筆標示的位置二點間的距離，不可太靠近，靠太近的話二個色層可能會混在一起。

n  教學中遇到的困難與解決方法

(一)         學童操作剪刀時，力道的控制不是很好，造成很多紙張的浪費，先由老師幫各組剪好，每組同學再依老師的樣本去裁剪。

(二)         這是個非常簡單的實驗，可是還是有些步驟學童必須小心，否則可能無法達到預期的效果，例如許多組，一開始顏色不會往上跑，因為濾紙根本沒有沾到水。

(三)         因為三年級只有簡單溶液的概念，所以在實驗原理講述時，要特別以學童能理解的事物來類比。

 

n  教學省思

這個實驗對於國小三年級的學生而言，其實很難用原理來說明為什麼，同學們雖然不明白其中的原理，但大家玩得很開心，也確實達到預期設定的「引起學習科學動機」目的，還有很多省思，可做為下次教學參考。

1.      實驗原理的教法：

雖然無法直接用原理來解說，但是在學童做完實驗後，我先讓學童去思考，如何解釋所觀察到的現象。部份學童雖然無法正確表達顏色分離的原理，但是卻可以清楚地理解彩色筆的顏色中，應該含有不同的東西，也有學童可以想到彩色筆的這些東西會討厭水，所以往上跑了。

在說明這個現象時，以先以類比的方式來說明彩色筆液是由混合物所組成，因為彩色筆的顏色是由很多種東西所組成的，就好像我們喝的酸辣湯，除了有水之外，還有高湯、醬油、醋、辣醬…。

接著以膠水和一般水來類比二種同樣都是液體狀的物質，手沾到水時，用衛生紙或是手帕可以很快的擦乾，可是手沾到膠水，可能要擦很久，甚至於要去用水洗，才洗得乾淨。這是因為水和手的喜歡程度沒有像手和膠水來得大，就好像彩色筆液裏面的每種東西，和水的喜歡程度都不一樣，和水比較喜歡的(親和力大)的就會被水帶到比較遠，和水較不喜歡的就會被帶到比較近的地方。

對於這個實驗原理，雖然用類比法不見得是最正確的教學方法，但是學童已會使用「喜歡」這樣的語詞來傳達觀察的結果。

2.      實驗設計：這個實驗，當初的主要的目的，只想進行一個有趣的化學實驗，所以原本只設定一節課的時間，也應該要在一節課內完成；結果因為其中還包括自已動手裁剪濾紙，所以最後是用了二節課時間。趣味的實驗，對沒有經驗的學童，一節課的時間最能引起學童的學習動機，如果時間太長，新鮮度變低了，進行到後面「觀察顏色賽跑，誰跑得快？」的部分，有部分同學已經沒那麼專注，甚至於覺得有點無聊。

省思：老師應該思考器材的部分，也許用大一點的濾紙或是用咖啡濾紙，或許在操作上可以省掉不少時間。

3.      課程設計：原先只想利用遊戲引起學童的興趣，所以只用單純的水當溶劑，讓小朋友觀察到濾紙上用彩色筆作記號的點的顏色，會產生漸層的變化，而且各種顏色剛開始顏色散開的快慢不同，最後呈現出來的顏色也不同，好像有點單調。

省思：其實可以將內容更深的延伸，加上不同的變數，例如使用不同溫度的水，或是用不同的溶劑，或是不同種類的筆，或改變不同材質的紙，讓他們可以更近一步的探究–不同溶劑下顏色賽跑的情形會怎樣。

4.      器材及材料的選擇：當初只想到有趣的化學實驗，並沒有慎選彩色筆的種類。

省思：所以很多顏色是漸層色，所以在第三部分在進行顏色分離的部分，學童對於顏色的陳述會有些問題；另外塑杯的部分，如果將來要延伸，可能需要考量其他材質的杯子。

 

n  結語

雖然整個課程中，並沒有用到化學概念來解釋「色層分析」的原理，但是透過實驗的實際操作，我們仍然可以發現，學童其實對於有興趣事物是可以直接去探究的，如同前言所言，三年級的學童並不了解什麼叫化學，什麼叫做混合物，什麼是分子；但是在學童的理解裏，早已了解彩色筆裏有好玩的東西，例如：點點長腳跑了、色彩討厭水，彩色筆裡的顏色是很多顏色所形成的，色素的關係等。

所以有時我們在思考，某些課程會不會太深，小孩會不會聽不懂，會不會負擔太重；其實多半是以我們大人的觀點來看待學童的學習；透過簡單有趣生活事物，誘發學童的思考，讓學童從小就喜愛從生活中接觸科學，這樣才可以讓學童更熱愛學習自然。

 

n   參考文獻

1.     學研科學SOFT開發部：林政德譯。39元創意科學實驗。臺北市：遠見天下文化。2010.11

2.    Zfangの科學小玩意，2016年1月12日，取自http://zfang.tc.edu.tw/514.html

 

附件：學習單

有趣的化學實驗學習單

1.     這個實驗好不好玩，喜不喜歡這個實驗？為什麼？

2.     這個實驗裏，你有遇到或發現什麼問題？

3.     有什麼新發現呢？實驗結果為什麼會這樣？

4.     你們那一組中，總共有那幾色彩色筆？那種顏色在濾紙上跑得最快？

5.     想想看，可能是什麼原因，讓它跑得最快？

6.     你們這一組的顏色，最後變成什麼顏色？為什麼呢？

 

 

 

帶國小學生做「金銀銅幣變變」趣味化學實驗

 

楊朝芳

國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班一年級

[email protected]

n  前言

　　一元銅幣在生活中，幾乎是平凡無奇，甚至有很多人覺得一元很麻煩，一元掉在地上，也不太有人會去撿，隨著時代的進步，開始有了信用卡、悠遊卡、儲值卡…..，或許真的有一天，不再發行前也是有可能的，然而當老師將銀色的一元展現給小朋友看時，小朋友的反應都會認為那是五元硬幣，總是要與一元銅幣做比較時並看到上頭寫著「壹元」，小朋友才相信。

　　老師在課堂上，拿著一個銀色的壹元，先將酒精燈點著，再用鑷子夾著銀色壹元，移至火上烤，這時銀幣受熱後，神奇的事情發生了，銀幣竟在眾人的眼前變成了金色的，國小同學哇!的一聲，一種不可思議的反應，甚至有人懷疑那是假的錢，當小朋友親自拿到手上時也確認這是真的，此時每個小朋友都想自己試試看，也想擁有那神奇的金銀幣，教師接著告訴小朋友，如果要做這項實驗，必須請小朋友在下一次上課時，帶三個壹元硬幣來學校，最好帶接近新的硬幣來做實驗，做出來的成品會較漂亮。

    

圖1：銀幣在眾人的眼前變成了金色的

圖2：小朋友自己完成金銀銅幣實驗展示自己成品

n  銅幣是如何變成金銀幣的？

本實驗所涉及的化學反應式呈現如下:

(一)鋅在強鹼中會放出兩個電子形成鋅離子。

NaOH_(aq) + Zn_(s) →Na₂ZnO_2(aq) + H_2(g)

Na₂ZnO_2(aq) + 2H₂O_(l) → Zn_(s) + O_2(g) + 2HO^–_(aq) + 2Na⁺_(aq)

     (二) 鋅離子還原成金屬鋅附著在金屬銅表面成銀色。

Zn^2＋ _(aq)＋Cu_(s) →Cu^2＋ _(aq)＋Zn_(s)

(三) 持續加熱使鋅與銅均勻混合成黃銅合金。

　　

圖3:銅變銀(鋅附著在銅幣表面)、變金(銅與鋅混合均勻成黃銅)

n  可讓學生探索的實驗問題

（一）        用什麼材料可以製作金銀銅幣變變變？

（二）        熱對物質所產生什麼影響？

（三）        一元銅幣就可以製作金色與銀色的錢幣嗎？

（四）        溫度是否會影響到實驗結果？

（五）        已變成金色的銅幣可以再變回銀色或古銅色嗎?

n  實驗設備器材

氫氧化鈉一瓶、鋅粉一瓶、全新1元硬幣 (每位學生帶三枚)、酒精燈、三腳架、陶瓷纖維網、500ml或250ml燒杯每組一個、冷卻容器一個、鑷子每組一支、打火機、勺子、抹布、橡膠手套、口罩。

       

圖4：實驗必備器材

n  實驗過程

（一）     用什麼材料可以製作金銀銅幣變變變？

查詢網路資料上各種不同的版本，發現都必須要有銅幣或銅製品、鋅粉、氫氧化鈉水溶液(一般都可以自己調製)、燒杯及酒精燈即可製作出金銀銅幣。至於比例，一般250ml的燒杯大概放入一半以下的氫氧化鈉水溶液(約85ml~125ml之間)，先讓氫氧化鈉接近沸騰時，加入約一匙鋅粉即可(根據我的實驗，事實上鋅粉在哪一個時間點放入，基本上效果並無明顯差異)，約30~60秒之間就可以將一元銅幣放入，大約等3~4分鐘便可用鑷子，將一元硬幣取出，先放入清水中(一方面可以冷卻，一方面可大部分清洗掉附著在上面的氫氧化鈉)再用鑷子將一元硬幣取出，置於抹布上，稍微搓一搓(手上要戴手套)即可完成銀幣製作。

再將銀幣用鑷子夾住放置火上燒烤，約30~60秒之間即可慢慢變成金色，此時需迅速放入水中冷卻，呈現在水中的就是黃澄澄的金幣(黃銅)了。

  

  

圖5：銀幣製作過程

 

  

圖6：金幣製作過程

 

（二）     熱對物質的所產生的影響？

有些食物加熱前後會改變顏色、形狀、體積和氣味等情形，而其他物質有的也會因熱產生物理及化學性質的變化，雖然金銀銅幣，可以互換還原，但其顏色還是會有些微改變。　　

圖7：金銀銅幣可以互換還原顏色還是會有些微改變

 

（三）     一元銅幣就可以製作金色與銀色的錢幣嗎？

原則上銅幣便可以製造出金銀幣，但如果銅幣氧化嚴重，甚至破舊模糊，所製成的銀幣和金幣也會跟之前一樣，並不會變新，而以新幣製成的銀幣和金幣也相對的呈現亮麗的樣子。

   

         圖8：使用舊幣所製作出來的效果不好。

 

（四）     溫度是否會影響到實驗的結果？

溫度確實可以加速銅幣變銀幣，銀幣變金幣的狀態，如果溫度不夠高，有可能使鋅在分布在銅上不均而產生斑點或者部分還原為銅的情形。

 

圖9：銀幣產生斑點或者部分還原為銅的情形

 

（五）     已變成金色的銅幣可以再變回銀色或古銅色嗎?

將燒成的金幣冷卻後，可以再放回加了鋅粉的氫氧化鈉水溶液煮約2~3分鐘依然可恢復成為銀幣。而金幣在火焰中再度加熱，則銅幣表層的鋅成份逐漸減少，約一分鐘左右便會呈現銅色，恢復成銅幣。若加熱過久，銅會被氧化而失去光澤，有毀損國幣之虞，切記小心。 

n   國小教學中遇到的困難與解決方法

（一）     已超出課程內容:金銀銅幣變變變，基本上是在國中課程氧化還原反應的課程。
解決方法：在國小五年級中有「熱對物質的影響」，作者想應該也可作為延伸教材，其實學生還真的很感興趣。

（二）     製作銀幣味道刺鼻:前幾年在教學時，因製作銀幣味道刺鼻，怕學生吸入氣體對身體有害。

解決方法：為了安全，可事先將銀幣製作出來，然後以排隊方式在老師全程確保安全的情形下製作完成。

（三）     學生操作不當容易燙傷：學生在操作時，因過於興奮及緊張，後有幾個學生忘了老師一再提醒，便徒手去握燒燙的鑷子，造成燙傷。

解決方法：除了教學示範外，要求學生操作者必須戴手套，且鑷子必須和錢幣一起放入水中，確保鑷子與錢幣都冷卻。

（四）     銅幣新舊影響實驗結果：一元硬幣容易取得，但舊硬幣製造出來便是缺乏光澤，要整理銅幣讓其恢復原有光澤，也要花費很大的處理時間，而成效也並不穩定，有的甚至黑黑醜醜的，學生的驚奇度也大打折扣。

解決方法：請學生蒐集新的一元硬幣或前往台灣銀行兌換新的銅幣。

（五）     製作完成後保存不易:因鋅離子的活性大，很容易讓銅還原，只要稍不注意，就會發現銀幣上出現銅斑，慢慢還原成銅幣了。

解決方法：放置夾鏈袋內保存，防止與空氣接觸，尚能保持一段時日。

 

         圖10：置夾鏈袋內保存，防止與空氣接觸。

n  應用在教學上的策略

（一）     應用在引起動機上：課程為教學延伸課程，可融入高年級熱對質的影響，作為引起動機，增加學生對課程的興趣。

（二）     作為教學中對學生的獎勵：學生在課堂上難免會分心或搗蛋，如將其活動的進行加入條件，必須學生能夠完成課堂的學習目標，或者達到老師要求的作業，才能進行此項實驗，學生的教學配合度將會大大提升，達到雙贏的效果。

（三）     應用在平時教學中的獎勵：教師可以先製做部分銀幣，當學生在課堂上表現優異，即可獲得親自燒金幣一枚，如此不用花很多金錢及心思來購買禮物作獎勵，亦可達到鼓勵學生的效果。

n   教學中應注意事項

（一）     在操作實驗時，教師須先指導學生使用酒精燈及酒精燈翻覆時，滅火的方法。

（二）     準備急救箱，萬一實驗中學生不小心受傷時可做初步救護。

（三）     因氫氧化鈉遇水會放熱，卻具有腐蝕性，千萬不可將氫氧化鈉顆粒或粉末，直接倒入燒杯水量超過一半的熱水，否則會導致水沸騰溢出的現象，而造成危險。

（四）     實驗過程，學生務必戴上口罩減少學生對氣體的不適。

（五）     實驗過程，學生務必穿戴手套，防止氫氧化鈉液體濺到手，也避免被燒燙的鑷子或高溫的銅幣燙傷。。

（六）     錢幣放入沸騰溶液中，切勿用拋丟方式，才能避免溶液濺出，應慢慢將銅幣輕輕夾放置溶液內。

（七）     因放入溶液中的銅幣不易夾取，鑷子過短時，手容易碰觸到氫氧化鈉水溶液，鑷子應需要有18公分以上長度較適合。

（八）     取出時不可沖水，直接放入水中冷卻，就立刻取出，用抹布輕輕搓即可完成。

 

圖11抹布輕輕搓即可

（九）     以夾鏈袋來保存成品，可觀賞，又可保存較久，放置時，夾鏈袋內儘量不要有空氣。

（十）     銀幣燒金幣時，鑷子不可有水分，儘量夾邊緣燒，讓銅幣受熱均勻，金幣才會呈現家情形且保存較久。

圖12夾正反面容易造成加熱失敗                            圖13夾兩側成功率較高

 (十一) 銀幣加熱成金幣時當成現金銅色時，須馬上放置水中冷卻，才會呈現金黃色，切勿加熱過久。

 (十二) 銅幣放置氫氧化鈉水溶液，約一次1~3個就好，請勿放置太多，否則失敗的機率可能會增加。

n   學生的回饋

(一)學生對製作金銀銅幣的好奇，產生強烈的興趣:

501:我很喜歡這個實驗，因為很有趣，可以讓一元硬幣變色，又不會因毀損國幣被罰。

502:這次的經驗讓我對銅幣更加了解，也讓我了解不能毀損國幣，不然會違反規定。

503:藉由這次實驗讓原以為一元是銅色，竟然加上鋅粉加熱之後，而成為金和銀，我覺得很神奇。

504:燒金幣十分有趣，但需要小心，並遵守老師的步驟，才能保持金幣燒得漂亮。

505:今天在自然教室裡做實驗，非常有趣，而這個實驗名稱叫”金銀銅幣變變變，這個實驗的過程，我覺得最令人感到稀奇，就是當銅幣放進鋅裡面和用火燒銀幣，剛開始，我想銅幣若放進水裡煮真的可以變成銀幣嗎?可以，而且全部都變成銀色的，那我想，如果用火燒硬幣不會毀損?並不會，我感到無比驚奇。

506:今天我們在自然教室做一個很有趣的實驗，我們在實驗室煮銀幣、燒金幣，我覺得非常的有趣。

507:我最喜歡這個實驗中把銀幣變成金幣的部分，因為可以用來變魔術，我感謝老師讓我體驗。

(二)學生製成金銀銅幣後，在操作後對實驗了解:

508:這個實驗很有趣，叫「金銀銅幣變變變」，當一元錢幣被火煮過後，放入水裡冷卻，顏色就會變成銀色呢!

509:我們在自然教室做了有關熱和銅幣的實驗課程，老師先準備氫氧化鈉的水放在酒精燈上煮，然後放進了鋅粉，在把銅幣丟進水中，過了差不多2~3分鐘，竟然就變成銀色了，這項實驗引發我的好奇心，讓我想做各種實驗，了解更多不同的原理。

510:我覺得「金銀銅幣變變變」是個很好玩的活動，因為只要把銅錢放在加鋅粉的水裡煮一煮，就會變成銀色的，再燒一燒又會變成金色，再做一次一樣的做法，又會變回銅色的，我覺得這個實驗非常神奇。

511:今天我們做了一個有關錢的實驗，先把水裡加氫氧化鈉，氫氧化鈉裡面含有「鋅」，所以如果碰到銅就會變成「黃銅」，先把水加熱，再把鋅的一塊放進去，過一會兒後，再把它拿出來，，結果就變成銀色的一塊錢!接下來，再將它慢慢用火燒，就變成金色了!這個實驗很有趣，希望能再做更多的實驗，增廣見聞。

512:今天我們做了一個跟錢有關的遊戲實驗，先用水加氫氧化鈉，再把水加熱，放入鋅粉後，銅錢就變成銀錢，十分有趣。

513:今天的銅幣變銀幣，銀幣變金幣的實驗，不只是為了好玩，而是讓你學會怎樣應用化學來做實驗，也為未來打上一份基礎。

n   心得

　　化學實驗很像是變魔術一般，每當我在教室上呈現過程時，幾乎學生們都聚精會神地專注在實驗中，當呈現結果之時，學生歡呼聲可真令老師非常有成就感，在指導「金銀銅幣變變變」教學中，學生為了可以親自體驗讓銅變金在變銀幣的過程，也變得很有秩序，深怕失去操作這項活動的資格，當學生完成金、銀、銅幣之時，內心的喜悅溢於言表，他們小心翼翼的將金銀銅幣收入夾鏈袋內，深怕因接觸到空氣而恢復成銅幣，有些孩子便會開始發問有關實驗中不解的現象，很有趣的是，有很多學生在實驗完畢後便開始問我材料要哪裡買?他很想要回家做給家裡的人看，但我都告他們做這實驗需有大人指導，並且需在通風良好的地方才能做實驗，而詳細資訊在網路上都可以查到，在這次的活動中，學生的專注力真的變好了，幾個上課原本都在恍神的，也突然變得炯炯有神，主動參與在這個教學活動中。

圖14：學生完成金銀銅的後，學生感到神奇有趣

n   教學省思

　　今天的實驗，很吸引小朋友，小朋友玩得很開心，但仍有許多不足之處尚待改善，可做為下次教學參考。

（一）雖然已將材料準備齊全，學生人數眾多，老師極力在行間巡視，但一不小心，學生還是會碰觸到以為冷卻的鑷子而燙傷。

教學改進方式:教師可以在學生操作時，再說明流程時加入鑷子一起放入水中冷卻動作，降低學生被鑷子燙到的機會，並要求操作者必須穿戴棉製或隔熱手套更為安全。

（二）雖然活動非常成功的製成銀幣和金幣，但經過一段時間，還是回恢復銅的顏色，甚至，在操作上就已經發現還原的情形，搜尋網路資料，並沒有這樣文獻，但事實確有這樣的情形發生。

　　　教學改進方式:根據多次的實驗判斷，氫氧化鈉水溶液與自行泡製的氫氧化鈉加水是有可能造成不同情形，影片上的應屬於氫氧化鈉水溶液，而我是用氫氧化鈉加水，但一般的自來水含有氯和雜質，也可能因此影響實驗結果。

n謝誌

感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系104學年度碩士在職專班碩一課程－化學特論(一)周金城教授暨全體同學協助提供本文架構調整與內文修正之意見。

n參考文獻

1.陳冠松 金銀銅幣 國立科學博物館科學學習中心 2005年11月12日取自http://slc.nstm.gov.tw/Teaching/Details.aspx?Parser=99,4,27,,,,81

 

微型實驗－磁性黏土

陳家琦

國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班

[email protected]

壹、前言:

　　本實驗是由＂鼻涕蟲＂實驗加以調整改良，添加磁性，使之能更加廣泛應用於自然科教學。並期望透過磁性黏土的運用，讓學生學習磁力單元時能有不同的體驗與學習經驗。本文首先介紹磁性黏土之原理，主要有如何配製硼砂飽和水溶液及磁鐵吸引鐵製品兩個概念相關，第二部分以照片步驟說明製作方式，並附註實驗過程中的注意事項，第三部分則提出將磁性黏土運用於教學上的活動構想。

貳、原理:

　　第一階段黏土的形成主要是運用硼砂水溶液加白膠。硼砂溶於水後解離成硼酸根離子，遇上聚醋酸乙烯酯（白膠）便會和長鏈狀的聚醋酸乙烯酯形成氫鍵，兩條聚醋酸乙烯酯透過和硼酸根離子形成的氫鍵產生交聯作用，此作用讓原本柔軟具黏性的白膠內部分子間的吸引力變強，而使白膠膠體無法自由流動，成為具有可塑性的黏土。

　　第二階段透過添加四氧化三鐵使黏土成為磁性黏土。四氧化三鐵是鐵的一種氧化物，化學式為Fe₃O₄，具有不溶於水、可溶於酸的性質，在自然界中常以磁鐵礦的形態出現。四氧化三鐵中含有Fe²⁺和Fe³⁺，使四氧化三鐵具有高的電導率，四氧化三鐵在磁場中，呈現相鄰磁性粒子指向相反方向排列，稱為亞鐵磁性，能夠被磁鐵所吸引，本實驗即是運用四氧化三鐵的亞鐵磁性，讓磁性黏土能夠被強力磁鐵吸引，展現不同的磁力樣貌。

參、磁力黏土設計與製作

 

一、實驗藥品與器材

(一)實驗藥品：硼砂、四氧化三鐵、白膠。

(二)實驗器材：燒杯、量杯兩三個（一個裝硼砂，一個裝水，一個裝四氧化三鐵粉末）、量匙三個（掏取白膠、硼砂、四氧化三鐵用）、滴管、攪拌棒、電子秤。

 

二、實驗步驟：

(一)      調配硼砂飽和水溶液。

(二)      將白膠與四氧化三鐵粉末約以5：1的比例混合。

(三)      將硼砂飽和水溶液徐徐加入白膠與四氧化三鐵中，同時快速攪拌，讓硼砂飽和水溶液能和四氧化三鐵白膠順利混合。

(四)      將三種材料混合完成後，取出磁性黏土，輕拉測試黏土堅韌度，如果太黏則再加入一些硼砂水溶液，如果太硬則再加入一些水，讓磁性黏土呈現易造型卻不黏手的狀態即完成。

(五)      成品製作完成。建議放置於塑膠容器內，因磁性黏土仍具有一些黏著性，如果放置於紙張上會造成紙張沾黏，不易清除。

 

圖1:實驗器材一覽

 

圖2-1：磁性黏土製作過程–硼砂秤重與配製飽和硼砂溶液

 

圖2-2：磁性黏土製作過程–四氧化三鐵與白膠秤重

 

圖2-3：磁性黏土製作過程–混合攪拌確認黏稠度

 

 

圖2-4：磁性黏土製作過程–磁性黏土成品

 

圖3:磁性黏土完成圖

肆、實驗操作及教學演示

一、本實驗中所使用之化學粉末，因調配量較少，部分電子秤難以精算，如要製作小型的磁性黏土，建議使用能測量1公克以下之小秤重範圍之電子秤，較能準確調整材料比例。

二、實驗調配中，因使用到四氧化三鐵粉末，如不慎吸入易對學生健康產生不良影響，因此建議讓學生配戴口罩或由教師示範操作。

圖4: 四氧化三鐵粉末

三、在實驗過程中，第一步驟可引導學生觀察硼砂經過攪拌溶解在水中的現象，並在逐漸加入硼砂粉末後出現沉澱，以導出飽和溶液的概念。因硼砂具有毒性，請提醒學生實驗後務必將雙手洗淨，實驗過程中手部避免碰觸臉，以確保實驗安全。

圖5:硼砂飽和水溶液

四、實驗第二步驟中所使用的四氧化三鐵粉末可使製作出來的黏土具有磁性，添加時注意如果過量會使黏土形成凝固的小顆粒，而無法製作出高品質的磁性黏土。

五、實驗第三步驟透過攪拌讓學生觀察硼砂水與四氧化三鐵白膠混合所產生的改變，硼砂溶於水後解離，會與白膠反應讓白膠的性質改變，此一步驟可讓學生觀察到不同化學物質混合會產生性質上的改變，讓學生能認識物理變化與化學變化的不同。

六、製作完畢後，可以使用強力磁鐵來吸引磁性黏土，磁性黏土會被吸引而像蝸牛伸出觸角般靠近強力磁鐵，學生可實際操作來體驗磁鐵吸引鐵製品的能力，除此之外也可以將紙板或墊板隔在磁性黏土與強力磁鐵間，讓學生觀察磁鐵的超距力現象。

圖6:磁性黏土受強力磁鐵吸引

七、第二個操作方式是將小的強力磁鐵放在磁性黏土上方，磁性黏土會受到吸引而慢慢包覆住強力磁鐵，看起來就像強力磁鐵被吞噬一般，此操作同樣是利用磁鐵吸引鐵製品的特性。

圖7:磁性黏土逐漸包覆強力磁鐵

八、教學演示完畢後，可將磁性磁鐵放入密封的罐子或袋子中保存，並加入少許水分，以避免磁性黏土中的水分散失，可以稍微保存較長時間。

圖8:磁性黏土建議保存於密封袋中

九、製作過程中所剩餘的硼砂應以大量清水稀釋後再倒入水槽倒，四氧化三鐵則建議由教師統一收集後以化學廢棄物處理。

伍、搭配國小三年級自然課程－磁力之教學設計

針對國小三年級自然的磁力課程，教學步驟說明如下所示，可以分成引起動機、發展活動、綜合活動。

一、引起動機

(一)      情境營造：「不小心把鐵粉打翻在桌上，有什麼辦法可以把桌上的鐵粉清乾淨，收集起來呢？」

(二)      引導學生運用＂磁鐵可以吸引鐵製品＂及＂磁鐵可以隔著紙張或袋子仍有吸引力＂等原理想出解決辦法。

二、發展活動

(一)     實驗預測：「如果把鐵加在白膠中，遇到磁鐵會怎麼樣呢？」

(二)      請學生思考並提出自己的看法，如果鐵加在白膠中，遇到磁鐵仍然能被吸引，或者會因為白膠的黏性而無法被吸引。

(三)      實驗操作，進行磁性黏土的製作。

(四)      實驗說明：「飽和的硼砂水溶液，讓白膠變成像黏土、鼻涕蟲的材質，而混合在白膠裡的鐵（四氧化三鐵）會受到強力磁鐵的吸引，而向強力磁鐵伸展。」

(五)      討論分享製作過程中觀察到的現象，分析磁性黏土能被磁鐵吸引的原因。

 

圖9:實驗前發給學生口罩、並提醒學生實驗後洗手

 

圖10:學生配製飽和硼砂水溶液

學生會發現硼砂水溶液很容易變飽和了，也有學生懷疑硼砂其實不能溶解，老師便可從而引導不同物質有不同的溶解度。

圖11:學生混合白膠和四氧化三鐵

學生一開始混合白膠和四氧化三鐵時，因白膠的黏性會使混合物黏在量杯壁上，此為正常現象，不必擔心。

圖12:學生加入硼砂水於混合後的白膠和四氧化三鐵

經過提醒，學生能夠少量的加入硼砂水，不過加入後學生容易不清楚隔多久才能再加入硼砂水，此部分需要老師的提醒。攪拌的過程中學生很容易就發現一加入硼砂水，攪拌起來的重量感出現變化，混合物也出現油亮的光澤，此時教師便可引導此為物質的性質發生改變，是化學變化，這一部分是學生最能夠體驗到化學實驗與物理實驗的區別之處。

圖13:：學生製作完成磁性黏土

等到學生可以攪拌棒將黏土拉起後，便可以讓學生將黏土拿起以手揉捏調整軟硬了。本實驗發給學生紙口罩，較不耐久，很快就會因為學生的行動而破裂或脫落了，建議配戴不織布型的口罩較能長久維持。

圖14:提醒學生不要將磁性黏土沾到衣物

讓學生把黏土拿起來揉捏前，建議提醒學生將袖口撩高，本次實驗有不少學生袖口沾到黏土，會造成清洗上的問題。

圖15:要適時調整黏土軟硬度才不會都黏在手上

如果學生看到黑色黏土有顧慮而不敢調整黏土軟硬度，就會造成黏土幾乎都黏在手掌上，難以揉搓。此時需要他人協助將手上的黏土略為聚集，便可藉由添加硼砂水溶液與持續的揉搓讓黏土均勻的成型。

圖16:夾鏈袋加硬殼盒子來保存磁性黏土

顧慮到學生攜回之便利性，採用夾鏈袋加硬殼盒子雙層設計，讓學生不會因為把磁性黏土擺在書包中，造成夾鏈袋因位移開口黏土溢出的狀況。

 

三、《綜合活動》

(一)   提出延伸思考問題給學生，「當磁性黏土隔著紙張或塑膠袋，還可以被強力磁鐵吸引嗎？」，接著運用教具磁性黏土進行實驗驗證。並學生拿磁鐵透過夾鏈袋來吸引磁性黏土，發現磁性黏土依然會被磁鐵吸引，並且還有像黏土花一般綻放的現象。

(二)   再提出接續思考問題：「當磁性黏土因水分消失而硬化後，還可以被強力磁鐵吸引嗎？」此部分可在學生製作的磁性黏土水分消失後進行實驗驗證。讓學生剝下一小塊磁性黏土作驗證，脫離密封的磁性黏土小碎片大約一節課後就失去水分硬化了，此時的磁性黏土以不會跟隨磁鐵吸引而變化，因此學生了解物品應當依循正確的保存方式，才能使物品的效能保持。

陸、結語

　　本實驗製作完成的磁性黏土，使用於指導學生學習＂磁鐵可以吸引鐵製品＂概念時能有效引起學習動機。除了運用磁性黏土讓學生觀察現象外，也可以搭配相關的磁鐵教學影片，能夠讓學生對於磁鐵單元的學習成效更佳。在實驗的過程中，有學生將磁性黏土靠近自己的鐵製鉛筆盒，引發學生之間的討論，發現磁性黏土具有鐵的成分，而非磁鐵的成分，所以不能吸引鐵鉛筆盒；另外有些同學會將磁性黏土的黏性當成是受到吸引，需要老師特別提醒，可透過隔著一段距離來觀察變化，以證明是磁力作用而非黏性作用。

 

致謝

    感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系104學年度碩士在職專班碩一課程－化學特論(一)周金城教授暨全體同學協助，提供本文架構調整與內文修正之意見。

 

參考資料

一、廖旭茂(2013)。自製磁性異形。科學研習，第52期。

二、生活裡的科學－軟硬兼吸的磁鐵(2014)。大愛電視。

三、中華民國第54 屆中小學科學展覽會，國小組化學科，「沙」了鼻涕蟲

－沙士與醣對鼻涕蟲交聯作用之研究。

四、中華民國第53 屆中小學科學展覽會，國小組化學科，鼻涕蟲運動會。

國內外化學教育交流（第二十七期）

林靜雯

國立臺北教育大學自然科學教育學系

[email protected]

 

n  九月內容摘要搶先看

一、2018東亞科學教育國際研討會與第34屆中華民國科學教育年會（續）

二、第八屆亞洲化學教育研討會

三、2019年門得列夫150週年：第四屆週期表國際研討會

n  詳細介紹

一、2018東亞科學教育國際研討會與第34屆中華民國科學教育年會（續）

2018 International Conference of East-Asian Association for Science Education& 2018 34 th International Conference of Association of Science Education in Taiwan

地點：國立東華大學(National Dong Hwa University, Hualien, Taiwan)   

日期：2018年11月29日至2018年12月2日

相關網址：http://ease2018.ndhu.edu.tw/

 

2018東亞科學教育國際研討會（EASE）與第34屆中華民國科學教育年會（ASET）同時由國立東華大學教育暨潛能開發學系承辦，即將於2018年11月29日(周四)至12月2日(周日)舉行。本次研討會的徵稿已截止，正開放報名中，相關重要日程如下：

EASE：

l   早鳥報名截止日期：2018年9月1日

l   最佳論文獎投稿：2018年9月1日至10月1日

ASET：

l   早鳥報名截止日期：2018年10月31

l   通知論文接受/拒絕日期：2018年10月15日

兩研討會都有精彩工作坊，EASE的工作坊已經公告訊息(http://ease2018.ndhu.edu.tw/modules/tadnews/page.php?nsn=22)，歡迎踴躍報名參加！

（一）    簡單又美麗的實驗（Simple and Beautiful Experiments）

本場工作坊為時1.5小時，由來自日本LADY CATS〈Creators of Activities for Teaching Science，科學教學活動的創造者〉這個團體所規劃。此團隊的成員乃由日本各級教育系統的女科學教師所組成，於2005年成軍，此團體希望藉由低成本實驗器材執行「美麗」的實驗以吸引學童。2012年，此團體獲得國際物理教育研討會表揚其在物理教育推廣的貢獻。在本場工作坊中，您將可以自己製作「美麗」的教具或成品、學到物理教育中教學方法的新想法，並實際動手操作。過去相關成果，請見：https://www.osaka-kyoiku.ac.jp/~masako/exp/ladycats/

（二）Educating Science Students for Critical and Active Community Engagement in Addressing Socio-political Problems

本場工作坊共3小時，由加拿大多倫多大學Lawrence Bencze教授所帶領。此工作坊之主旨希望協助教育工作者開發課程和教學活動，幫助學生在科學和科技教育的相關課程中發展專長、自信和動機，最終實現自我導引，以更瞭解科學和科技如何對個人、社會和環境（例如：氣候變遷）的健康造成傷害。工作坊將帶領學員根據發現以及社會談判來規劃個人和社會行動計畫（例如：線上遊說活動），以嘗試解決這些危害。

 

二、第八屆亞洲化學教育研討會

The 8^th International Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators

地點：國立臺北教育大學 (National Taipei University of Education, Taipei, Taiwan)      

日期：2019年7月30日至2019年8月1日

相關網址：http://www.8thnice.org/

 

 

 

 

 

 

 

經歷2014年在日本、2016年在韓國，六年一次重回臺灣舉辦的亞洲化學教育研討會，將於2019年7月30日於國立臺北教育大學舉辦。這個研討會極受化學教師及化學教育學者重視，每次大會都會規劃精彩的演講、發表和實務工作坊，讓大家滿載而歸。

本次大會重要日程如下：

l   投稿截止日期：2019年4月30日

l   通知論文接受/拒絕日期： 2019年5月31日

l   早鳥報名截止日期：2019年6月15日

此國際研討會的主辦方新加入馬來西亞，下一屆2021年將於馬來西亞舉辦，並於八年後重新回到臺灣主辦。此研討會有專門為高中生化學學習國際交流場次，歡迎高中老師帶高中生參與。相關網站已經架設完畢，敬請臺灣化學教育同好隨時關注相關訊息！

 

三、2019門得列夫150週年：第四屆週期表國際研討會

地點：俄羅斯聖彼得堡(Saint Petersburg)

日期：2019年7月26日~7月28日

相關網址：http://mendeleev150.ifmo.ru/

 

 

 

 

 

 

 

 2019年，化學元素週期表即將滿150周年了，最大國際化學組織國際純粹暨應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry¸ IUPAC）也將滿100周年。2017年12月，聯合國宣布2019年為國際化學元素週期表年，藉此迎接週期表150歲的生日。全球各地因應這個特別的日子，也將同步舉辦許多活動以彰顯基礎科學的重要性及最近發現和命名的四個超重元素（113 Nihonium, Nh; 115 Moscovium, Mc; 117 Tennessine, Ts; 以及 118 Oganesson, Og）的重要性。有鑑於化學元素週期表對於人類福祉永續發展的重要性以及研究前瞻性，國際純粹暨應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry¸ IUPAC）亦將舉辦第四屆週期表國際研討會慶祝。本次大會將邀請英國Peter Atkins教授以及俄羅斯Viktor Vyatkin博士擔任大會主講嘉賓，並規劃了12位全球各地知名的化學及化學教育學者擔任特邀講者。本刊主編，國立臺灣師範大學邱美虹教授亦在此次受邀演講行列。

創意化學實驗

林震煌

國立臺灣師範大學化學系
*[email protected]

           本期的專題文章介紹了幾個有趣的化學實驗，首先是如何將化學偵測方法，連接市售簡易的訊號讀取系統，完成一組手提式儀器的研究。該實驗運用myRIO－學生用嵌入式介面卡（myRIO-1900）。這工具可透過單一可重設 I/O (RIO) 裝置，教導並實踐多種設計概念。myRIO-1900裝置本身兩側均設有以 MXP 及 MSP 接頭形式提供的 I/O，包含 10 個類比輸入、6 個類比輸出、40 個數位 I/O 通道、WiFi、LED、一個按鈕、一個內建加速規、1 組 Xilinx FPGA，以及一個雙核心 ARM Cortex‑A9 處理器。學生可使用 LabVIEW 或 C 做為myRIO‑1900 的程式設計語言。此外，本期還介紹一個小實驗,引導大家對「電漿」的認識。實驗中先進行簡易光譜儀的裝置組裝，利用特定波長的發光二極體校正光譜儀後，接著利用偵測電漿光譜性質，而得到電漿光譜。該實驗運用日常容易取得的材料組裝成一個可以量測波長數字之光譜儀，同時更引入氣體游離的觀念，讓參與實驗的人可以親手製造類似極光的光暈，使其明瞭在生活週邊其實有許多的現象與電漿息息相關，這是一個令人驚豔的實驗設計。另外，一般人對於質譜儀的印象，大多停留在這是昂貴、精密的儀器，非庶民可用的儀器。本期也介紹了質譜儀應用在食品安全的問題上，例如用在新興農藥的鑑定以及法醫研究上的應用(如指紋鑑定的應用)。

在大型化學災害事件頻繁發生的現今，如何教育年輕人對化學災害的認識，進而將此用火安全相關的教育課程推廣到社會大眾，是刻不容緩的工作項目。本期專文介紹了若干「用火安全科學關卡」小實驗，希望讓闖關人了解如何正確了解並面對「火」的危險。尤其對中學的化學教育進展來看，減少化學藥劑的使用與提升實驗安全，並且同時兼顧學生的實作啟發與化學觀念的傳遞是非常重要的。本期專文介紹的內容可以提供給國內從事化學教育者參考，同時透過集思廣益，可使其他中學的化學老師得以觀摩交流。

最後在對於如何培養學生的實驗創意也有深入的探討。本期專文介紹了一篇深具啟發性以及哲學意涵的文章，針對如何由教育者的角度思考培養學生實驗上的創意有相當良好的看法。文中列舉三個不同的面向的例子，引導讀者反思，由生活面或跨領域的知識去引發創意，尤其所整理的範例與參考資料，比較鮮為中學教育者所注意，很值得從事化學教育者一再閱讀。

 

創意化學實驗：
嵌入式平台的氣體感測器對不同酵母菌
在麵糰發酵過程中二氧化碳變化之研究

郭家瑀、林震煌*

國立臺灣師範大學化學系
*[email protected]

 

n  摘要

利用本研究自行設計並組裝的二氧化碳感測器搭配NI LabVIEW撰寫程式碼設計嵌入式平台的系統NI myRIO (National Instrument myRIO)，再以自製密封罐放置待與不同的市售酵母菌一起發酵的麵團，以觀察酵母菌在不同溫度環境下的二氧化碳濃度變化，藉此得知市售酵母菌在麵粉發酵時適合的溫度條件並從開始到酵母菌活性下降時的這段時間內共產生多少克的二氧化碳，以研究適合市售酵母菌的發酵環境溫度。

n  實驗原理

揉製好的麵團於發酵時，酵母菌利用水和麵粉所供給的養分（單醣）進行發酵作用產生大量的二氧化碳。麵包作為要好吃的一個關鍵是要有好的口感，其關鍵為麵包內部要產生多孔洞。而內部產生的孔洞乃酵母菌在靜置發酵過程中產生的二氧化碳氣體撐開麵團的麵筋造成的現象；部分多餘的二氧化碳則從麵團溢散而出。被麵筋包覆住的二氧化碳會在烘焙麵包的時候因升溫而撐大麵包，使麵包鬆軟好吃。本實驗則依據麵團溢散而出的二氧化碳的總量來判定麵團內部被麵筋包含的二氧化碳的多寡。若由麵團溢散而出的二氧化碳越多，其內部所產生的二氧化碳孔洞也越多，做出來的麵包也越有好的口感。

本實驗依固定比例的配方，在麵團配置好後並放入自製密封罐，並藉由水浴密封罐控制其發酵環境的溫度，持續觀察其二氧化碳濃度變化直至達到最大濃度、酵母菌活性開始下降為止。以此段過程作為實驗反應的時間，利用嵌入式平台上的系統記錄此段時間每一秒的濃度數值，即可推算出從實驗反應的時間之內，酵母菌利用麵團供給的養分共產生並溢散出的二氧化碳重。並且比較出在何種溫度參數下酵母菌能夠有良好的表現，在反應時間內可以產生最多的二氧化碳，做出鬆軟好吃的麵包。

n  使用材料及器材

1.      市售酵母菌：滿點牌速發乾酵母、白玫瑰牌即溶速發乾酵母，如圖一所示。成分：天然酵母（Saccharomyces cerevisiae）、乳化劑。麵粉：日清牌山茶花（高筋）、紫羅蘭（低筋）麵粉，如圖二所示。

 

圖一：滿點牌速發乾酵母（左）和白玫瑰牌即溶快發乾酵母（右）

 

圖二：日清牌山茶花高筋麵粉（左）和日清牌紫羅蘭低筋麵粉（右）

材料：輸送氣體用的管路以及改裝密封罐等等。

2.      器材：電磁加熱攪拌器、2000 mL玻璃燒杯、自組裝搭載嵌入式平台系統二氧化碳感測器、電腦攝像頭、空氣鋼瓶。實驗裝置示意圖，如圖三所示；實驗裝置圖，如圖四所示。

圖三：實驗裝置示意圖

 

圖四：裝置實際圖

n  NI myRIO嵌入式平台系統

所謂的嵌入式系統為控制、監視或輔助設備、機器甚至工廠運作的裝置所使用的系統。換句話說是一種嵌入機械內部且具有專一功能和實時計算效能的處理系統。其上述許多應用內容都可採用NI myRIO技術達成。不過有時候為了某堂課或是某個專案而學習新技術，對學生可說是非常困難，而myRIO的優點即可克服這些困難。

NI myRIO的最大特色為其可以搭配簡單易上手的LabVIEW圖形化程式設計來構寫執行程式碼。圖形化程式設計讓學生能夠像工程師一樣，只要以直覺觀察並處理圖像的方式來撰寫執行程式碼，直接以滑鼠連結各種功能物件，取代繁雜的程式語言。針對大多數的程式設計語言，學生均需耗時了解特定語法，再對應為該語言的架構，才能解決問題。而NI LabVIEW圖形化程式設計，對學生而言是一種更直覺、簡單易上手的處理方法。

RIO代表「可重設I/O」(Reconfigurable I/O)，RIO採用FPGA架構也就是「現場可重設閘陣列」（Field Programmable Gate Array），是一種可以重新設定的晶片，可供使用者自行設定電路程式。因此，藉由LabVIEW圖形化程式設計，學生就會知道該如何設計自己的電路程式。FPGA是一種可以設定的電路，所以運作速度快，而且非常穩定，就像在麵包板上運作的電路一樣。上述提及這是一種可以重設的I/O。也就是說，如果想要修改FPGA可以隨時清空原有的內容，設定其他不一樣的功能。

NI myRIO其中除了FPGA之外，還有一個搭配Real-Time作業系統的處理器，我們可以把程式碼部屬至Real-Time作業系統，接著就能夠在FPGA來回讀寫資料。Real-Time作業系統的特別之處在於其出色的穩定性。比如說，Windows必須平均分配處理器時間給各項電腦作業像是執行程式碼、更新和防毒軟體，對於基本資料擷取應用來說非常實用。但是Real-Time作業系統會優先並專心執行程式碼，提高系統持續工作的穩定性，這對控制應用的產品來說非常重要，比如汽車、航太、控制機器人多種應用領域。此外，如果我們把程式碼部署至Real-Time作業系統，不需要電腦也可以運作產品。

本實驗利用本實驗室自行使用LabVIEW撰寫持續監測二氧化碳並記錄的執行碼，並把該執行碼放入myRIO的FPGA晶片當中，使該系統能夠配合二氧化碳感測器持續觀察感測器周遭二氧化碳的濃度變化，有助於觀察酵母菌在麵團發酵時二氧化碳的變化情形。嵌入式系統平台架構，如圖五所示。

圖五：嵌入式系統平台架構

n  二氧化碳感測器

傳統的紅外二氧化碳感測器中僅有1個感光元件，一般都是將無人存在的環境中的二氧化碳濃度假定為300 ppm作為背景值，採用通過檢測與背景值之間的差異來確定二氧化碳濃度。該種〝相對值檢測〞方法。如果環境中經常有人活動，其二氧化碳濃度不會下降到300 ppm的水平，如此一來背景值與實際濃度的誤差將會被放大，從而無法檢測到準確的濃度。本實驗採用的二氧化碳感測器中有2個感光元件，其前端搭载各不相同的光學濾鏡，一個感光元件對二氧化碳吸收紅外線波長範圍（二氧化碳的吸收波長）的紅外線通量進行檢測，而另一個感光元件則對二氧化碳不吸收的波長範圍（背景波長）的紅外線通量進行檢測，如此即可随時檢測到不受背景影響的紅外線水平。二氧化碳感測器內部構造及原理，如圖六所示。

    

圖六：二氧化碳感測器內部構造及原理

n  實驗方法

一、  組裝儀器裝置

1.      接上空氣氣瓶到氣體流量計，以便達到穩定流量空氣流入，流速設置1：15 mL/min，如圖七所示。

圖七：在氣瓶出氣口加裝氣體流量計控制氣體出氣流速

2.      利用管線，連接氣體流量計‒密封罐‒乾燥管‒氣體感測器，並確保空氣鋼瓶的氣體會將酵母菌產生的二氧化碳往感測器輸送。

3.      於水浴裝置前架設電腦攝像頭，並設定定時拍照記錄麵團在試管中的高度生長情形。

二、  進行二氧化碳監測

1.      以微量天秤秤取3.5 g麵粉、2.5 g水、5%麵粉重的市售速發酵母菌（0.175 g）以適當容器混和後均勻攪拌。

2.      攪拌完成後將麵團放入試管當中，並以玻棒適當壓平麵團頂端表面。再把試管放入密封罐中固定。

3.      放入密封罐到燒杯中水浴，並且以電磁加熱攪拌器控制溫度為25℃。

4.      利用壓縮空氣鋼瓶，持續供給空氣當作背景值至密封罐內，氣體再由密封罐頂端輸送到嵌入式平台感測器之中進行二氧化碳檢測。

5.      重複步驟1-4，每次提昇溫度5℃，重複三次至40℃。

6.      從電腦讀取配合嵌入式系統平台所記錄的濃度值變化，並用攝像頭記錄的麵團高度生長情形進行數據分析。

n  結果討論

一、  葡萄糖發酵

葡萄糖發酵的總體化學反應，如式[1]所示：

C₆H₁₂O₆  2C₂H₅OH + 2CO₂    [1]

葡萄糖發酵會導致麵包麵團發起，乃酵母菌利用麵團裡所提供的單醣產生二氧化碳和乙醇做為副產物。麵團內部的泡狀孔洞為二氧化碳撐開麵筋所造成的，這也是麵團在發酵當中會變高的原因。過多的二氧化碳則會從麵團溢散出去被感測器偵測。至於乙醇則是在烘培的過程中蒸散。

二、  二氧化碳監測

以35℃下進行發酵的二氧化碳濃度觀察情形，以下列舉四個例子：滿點牌酵母搭配高筋麵粉、滿點牌酵母搭配低筋麵粉、白玫瑰牌酵母搭配高筋麵粉以及白玫瑰牌酵母搭配低筋麵粉。

(一)滿點牌酵母搭配高筋麵粉

滿點牌酵母在高筋麵粉為材料的麵團中其發酵產生的二氧化碳濃度變化，如圖八所示。可發現麵團在試管中的高度會持續生長到二氧化碳的濃度達到最高的時間點為止，二氧化碳濃度開始下降，即表示酵母菌的活性亦開始下降。本實驗均以從開始觀察直到濃度最高點這段時間作為實驗觀察時間。

圖八：滿點牌酵母菌於高筋麵粉中發酵產生二氧化碳濃度與時間的關係圖

(二)滿點牌酵母搭配低筋麵粉

滿點牌酵母菌在低筋麵粉為材料的麵團中其發酵產生的二氧化碳濃度變化，如圖九所示。與在高筋麵粉麵團中的發酵情形相同，其生長高度也會持續生長到二氧化碳的濃度達到最高的時間點為止。

圖九：滿點牌酵母菌於低筋麵粉中發酵產生二氧化碳濃度與時間的關係圖

(三)白玫瑰牌酵母搭配高筋麵粉

白玫瑰牌酵母在高筋麵粉為材料的麵團中其發酵產生的二氧化碳濃度變化，如圖十所示。結果與滿點牌酵母菌於高筋麵粉麵團中的發酵情形相同，其生長高度也會持續生長到二氧化碳的濃度達到最高的時間點為止。

圖十：白玫瑰牌酵母菌於高筋麵粉中發酵產生二氧化碳濃度與時間的關係圖

(四)白玫瑰牌酵母搭配低筋麵粉

白玫瑰牌酵母在低筋麵粉為材料的麵團中期發酵產生的二氧化碳濃度變化，如圖十一所示。結果與在高筋麵粉的情形相同，其生長高度也會持續生長到二氧化碳的濃度達到最高的時間點為止。

圖十一：白玫瑰牌酵母菌於低筋麵粉中發酵產生二氧化碳濃度與時間的關係圖

麵粉有高筋與低筋之分，其差別在於蛋白質的含量。蛋白質和水進行混合後會形成麵筋，因此以此作為高筋與低筋麵粉的區分，高筋麵團有好的柔軟度，適合做麵包等較柔軟的食品，而低筋麵團則相反，適合做蛋糕、餅乾類的食品。

兩種不同筋度的麵團最終高度之所以有差異，在缺少麵筋的情況下，麵團的柔軟度會下降，二氧化碳就不容易撐開麵筋造成麵團高度的上升，因此低筋麵團的最終高度均會低於高筋麵粉。

三、  二氧化碳產量推算方式

本實驗利用加壓氣體鋼瓶持續以定量流速灌輸空氣到放置發酵麵團的密封罐內，利用嵌入式平台系統記錄二氧化碳濃度數值（ppm），並扣掉空氣鋼瓶內的二氧化碳背景值300 ppm，積分後可得濃度的積分值，乘上流速以及時間後，即可推算出反應時間內酵母菌產生了多少公升的二氧化碳。利用理想氣體方程式pV = nRT，得出每公升的二氧化碳在不同溫度下為多少克，以此換算出每次實驗由酵母菌產生了多少克的二氧化碳。

表一：每公升的二氧化碳在不同溫度下為多少克重

四、  數據分析：不同溫度下的酵母菌發酵時產生的二氧化碳重量

嵌入式平台系統經自行設計後，可以設定每經過多少毫秒（Polling Time）記錄一次濃度值，並且以Excel檔案的型式匯出，如圖十二所示。

圖十二：嵌入式平台系統電腦端使用介面

記錄的濃度值扣除空氣鋼瓶內的二氧化碳濃度值300 ppm後，積分濃度值後在乘以上述定義的觀察時間與流量計固定的流速1.15 mL/min，便可求得在這段時間內酵母菌產生的二氧化碳共有多少公升從麵團中溢散出來。經表一換算後便可得出在每個溫度下，酵母菌在麵團中產生並且溢散出來的二氧化碳總重，如式[2]所示。

表二：不同溫度參數下，滿點牌酵母菌在高筋麵團中發酵產生並溢散而出的二氧化碳重

表三：不同溫度參數下，滿點牌酵母菌在低筋麵團中發酵產生並溢散而出的二氧化碳重

表四：不同溫度參數下，白玫瑰牌酵母菌在高筋麵團中發酵產生並溢散而出的二氧化碳重

表五：不同溫度參數下，白玫瑰牌酵母菌在低筋麵團中發酵產生並溢散而出的二氧化碳重

n  結論

l  本實驗觀察出麵團發酵開始直到酵母活性開始下降的這段時間內，兩種廠牌市售酵母菌產生並且從麵團溢散出的二氧化碳氣體總量會隨著發酵環境的溫度上升而下降。符合溫度越高，酵母越不能有良好的活性，因此在麵團成長到最高度前溫度越高酵母菌越不利產生二氧化碳。

l  相同溫度參數下，高筋麵粉內的酵母菌產生的二氧化碳重量均高於低筋麵粉，推測是因為這兩種麵粉內含有對於酵母菌進行酒精發酵所需要的養分—葡萄糖等單醣的含量不同有關。依實驗結果來看，高筋麵粉所含的單醣養分較低筋麵粉為多。

l  生長高度可以準確的在酵母產二氧化碳量開始減少時一起達最高，此項特性也許可實際應用於生活中的麵團發酵。

l  麵包評價的標準其一是內部是否鬆軟，而鬆軟的條件則是看氣體產生的多寡，而實驗的發酵在較接近室溫（25℃左右）時有較高的二氧化碳產量，也符合麵包在室溫度下適合發酵的常理。

n  參考資料

1.        什麼是RIO技術？National Instrument, http://www.ni.com/f/academic/12/7071/zht/.

2.        C/C++嵌入式系統設計工具，National Instrument, http://www.ni.com/white-paper/14623/zht/.