臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan化學科普活動與推廣：化學遊樂趣 – 鈣世硬雄 ／ 高憲章、林佑燐、陳逸書、譚均皓、蘇郁雅
星期三 , 12, 9 月 2018 本期專題, 第27期/2018年9月 在〈化學科普活動與推廣：化學遊樂趣 – 鈣世硬雄 ／ 高憲章、林佑燐、陳逸書、譚均皓、蘇郁雅〉中留言功能已關閉化學科普活動與推廣：化學遊樂趣 – 鈣世硬雄
高憲章*、林佑燐、陳逸書、譚均皓、蘇郁雅
淡江大學理學院科學教育中心
n 化學遊樂趣
化學遊樂趣活動，藉著化學車搭載化學教育的裝備在各地巡迴，已經累計超過四百場以上的活動經驗，服務超過五萬名的各地學子，受到各地師長的好評，在這許多年間，團隊參考了來自科技部、教育部以及眾多專業老師們的教案，嘗試精簡實驗時間與教學方式，配合科普雜誌與節目的編寫方式，設計了各種化學科普實驗以應用在化學車的活動中，在這段期間，各地縣市教育局也與科技部配合，推出各種科學相關的活動，期望能透過多元化地刺激，激起學生的學習興趣，自2015年起，科技部推出全民科學日活動，透過科普計畫向下紮根，以產官學媒合作的模式在每個縣市舉辦大型科普活動，鼓勵民眾走入科學的領域，化學遊樂趣工作團隊因應此特殊的活動模式，將經典的分析實驗改版為具有多層次，容易操作教學的實驗套組，團隊為這個實驗組命名為「鈣世硬雄」。
n 水質硬度檢測
水質硬度並不是國高中教材中特別強調的一個水資源數據，在商店中所賣的瓶裝水，政府也未規定在營養成分標示表中列出水質硬度，即使是水質軟硬度稍有差異，口感不得人人都感覺得出來，對一般生活也不具有立即性的影響，然而，水質的硬度是自來水廠處理飲用水的標準之一，同時工業用水上也需要控制，以免造成意外。因此，化學車團隊所設計的鈣世硬雄實驗組，從水質硬度的來源與背景、對水質的影響、使用的量測方式以及水質硬度的標準都需要包含於這份實驗教案中，並能夠在大型的活動中進行實驗操作。
依據台灣行政院環保署環境檢驗所公告的水中總硬度檢測方法—EDTA 滴定法，以六牙基的螯合劑EDTA（Ethylenediaminetetraacetic acid ，簡稱EDTA）做為滴定試劑，以鈣鎂指試劑(Calmagite Indicator)做為滴定終點的指示劑，以氯化銨與氨水的組合做為緩衝溶液，檢測受測水質樣本的鈣鎂離子濃度，每次待測水質樣本體積約25毫升，並準備25毫升去離子水稀釋，實驗需配置0.01M EDTA的鈉鹽溶液作為滴定液，並以緩衝溶液使待測液之滴定終點pH值維持在10.0 ± 0.1，每次實驗在水質樣本中需加入1毫升緩衝溶液，加完緩衝液後再加入1毫升鈣鎂指示劑，即可利用配置完成的 EDTA 滴定液進行滴定。滴定同時輕晃三角燒瓶，直至淡紅色消失，當加入最後幾滴時，每滴的間隔時間約為3至5秒，正常的情況下，滴定終點時溶液呈藍色。當水質樣本總硬度低於5ppm而使滴定操作困難時，可增加水質樣本體積，依比例加入較大量之緩衝溶液及指示劑進行實驗。
為了讓國中學生容易明白滴定過程的邏輯，化學車團隊將螯合劑與指示劑分別擬人化，設計了一個具有六隻大夾子的狠角色來表達多芽基的螯合能力，將鈣鎂指示劑塑造為一個喜歡與金屬離子在一起的純情角色，當指示劑與鈣、鎂離子結合反應出開心的紅色，失去鈣、鎂離子後則會呈現憂鬱的藍色，而螯合劑、指示劑與金屬離子之間的愛恨情仇，用來表達滴定前後的顏色變化以及溶液中發生的化學反應(圖一)。在活動前的準備工作中，工作人員先行調配好滴定液的濃度，以及各種試劑需要的量，便能在短時間內，由學生測量學校的水質硬度，工作團隊並與化學產業合作，利用台灣默克提供的水質硬度試紙，作為滴定後結果比對的快速工具。
圖一 鈣世硬雄滴定過程化學反應的四格漫畫
n 雲端、化學、做實驗
新北市全民科學日的活動，總共有來自新北市各地區共27所學校同時參加進行實驗，由於參加活動的學生人數眾多，較難找到能夠一次容納近千位學生進行實驗的場所，因此化學車的團隊利用新北市較高的網路涵蓋率，設計了利用網路串連實驗的活動方式，當設定好活動的日期後，首先於活動前一個月開始進行教師訓練，邀請各校承辦的的理化教師參與研習，除了解說鈣世硬雄實驗組的操作方式之外，並邀請業界的檢測專家為教師建立足夠的背景知識，確認所有實驗所需要的藥品器材，解說全民科學日的活動方式之後，讓教師們試做實驗，讓各校教師方便於活動日進行配合。在教師研習後到活動日的幾週內，工作人員開始著手準備所有參與學校的藥品與器材，並分批進行配送，將設備分配到各校的實驗室中準備迎接活動。
圖二 2015年新北市全民科學日主場地位於新北市中心的忠孝國中
2015年新北市科學日活動時，工作團隊以新北市立忠孝國中做為主實驗場地(圖二)，在主場架設舞台與指揮處、大型布幕與電腦投放系統、與鈣世硬雄實驗組所需的實驗設備，新北市的其他26所學校設定為衛星實驗場地，在衛星學校透過網路攝影機與遠端會議軟體將畫面傳送至主場地。在這個系統上，可以同時看到來自各地區學校所送來的訊號，同學在做實驗時，也能夠看到在其他地區的學生們也在進行一樣的實驗工作。實驗的結果數據資料庫放置於雲端，因此當各校每進行完一組水質樣本測試，就能立即將數據送至系統上，隨時與其他各地區的水質樣本結果資料進行比較，每個學校都會測試校內的自來水以及飲水機飲用水兩種不同的水質樣本，由各校視學生人數決定每一個樣品的資料數量。當所有參與活動的學校實驗都結束之後，透過雲端資料的統整，立即得到了來自每個行政區域不同學校校內自來水以及飲水機的水質硬度資料。新北市全民科學日的活動，利用網路的便利性與各校教師之間的合作，達成同時間多人多地區同步進行實驗收集數據的目標，本活動透過與科普傳媒合作，也製播成科普節目單元，透過電視與網路觸及更多學子(圖三)。
圖三 活動進行時也透過電視節目製作專輯播送
這次新北市全民科學日–鈣世硬雄–水質硬度檢測的活動，近千位師生參與實驗後的結果發現，在參與活動的27所學校中有過半的學校自來水是屬於硬度低於60ppm以下的軟水，僅有一所學校的自來水硬度是超過100ppm的極硬水(如圖四、圖五)，學校建築物的新舊與水質硬度的關聯性不大，但是地理位置的影響就相當明顯，位於老舊工業區的學校、地勢較高的學校與自來水管線末端的學校，自來水的水質硬度較位於大台北集水地區的郊區學校高，此外實驗的結果也顯示，雖然新北市學校的飲水機大多有效的降低了水質的硬度，但是仍可以發現有部分學校飲水機用水的硬度居然比自來水高，藉著學生實驗的結果資料，提醒校方注意到校園飲水的管理問題，這倒是活動設計時所始料未及的意外收穫。
圖四 新北市全民科學日–鈣世硬雄各校自來水水質硬度實驗結果
圖五 新北市全民科學日–鈣世硬雄各校飲用水水質硬度實驗結果
n 科普列車活動
科技部與台灣鐵路管理局在2016年起開始合作，設計了「台灣科普環島列車–全台走透透活動」，以一台列車用四天的時間行經全台19個火車站，每個縣市由當地執行科普計畫的團隊在車站與車廂上進行簡單的科學實驗或表演，與搭乘民眾互動，同時宣傳全民科學日，並利用此方式推廣科學至社會大眾，這是第一次台灣出現一個能夠有效帶起各地科普教育的活動，活動後受到各界的好評，2017年藉著一年前執行的經驗，科技部再次串聯各科普計畫，與台鐵合作進行科普列車活動，並由科技部統一規劃列車上的實驗體驗，台鐵的EMU500電聯車共掛有四節車廂，每個車廂的承辦單位都不同而各有特色，由第一節起分別由國家實驗研究院、遠哲科學教育基金會/臺南第一高級中學、中國化學會(淡江大學科學教育中心)以及台灣默克等幾個不同的單位來負責，四個不同屬性的車廂活動，代表了產官學研的攜手合作。
科普列車活動對於承辦單位的挑戰，除了上車乘客的年齡層複雜，影響活動教學教案設計之外，活動時間是這個活動設計上最困難的地方之一。每一段的活動時間由學生上車開始，進行到列車到達下個縣市的車站為止，隨著站與站之間的距離不同而使活動時間每一段都有差異。舉例來說，當列車由台北出發駛往新北市的板橋站，由於距離短暫，列車上活動時間只有7分鐘，但接著由新北市開往桃園需要25分鐘，由桃園開往新竹卻需要45分鐘，時間的差異將使得教學與實驗的內容都需要調整，列車空間與火車行使穩定度則是活動設計上的另一個困難點，列車上沒有固定的實驗桌設配，雖然有空調，但可以視為通風不佳的實驗空間，列車行駛時的晃動更使得化學實驗的操作受到極大的挑戰，無法使用太精細的實驗技巧，也必須避免在列車上使用過多的化學藥品與溶劑。
n 在行駛火車上做實驗
在短短時間內，讓這麼多來自台灣各地的人以同一個分析目標動手進行收集實驗數據，是一個極具魅力的科普活動挑戰，因此淡江科教中心的團隊再度選擇了鈣世硬雄實驗組來進行全台的水質硬度分析，為了讓沒有化學基礎，各種年齡層的上車民眾都能了解水質硬度的檢測方式，工作團隊在活動設計的難度上作了許多的分級來控制活動時間，並將原本的化學實驗滴定技術簡化成半定量(semi-quantitation)的方式來引導民眾接受化學實驗室檢測硬度使用的滴定技巧:
1. 在極軟水與極硬水中所搓出肥皂泡沫的差異，來呈現出水中溶有鈣鎂離子的差異，讓民眾了解硬度的概念。
2. 利用擬人化的教案設計，來表達指示劑與螯合劑在滴定過程中的化學反應。
3. 利用硬度試紙製作成實驗包，讓民眾離開科普列車之後仍能夠持續進行實驗並回傳資料(圖六)。
4. 利用各種塑膠容器、點滴瓶、樣品瓶來避免玻璃器材在列車上操作的困難性。
5. 以科普雜誌的授權資料作為補充，並轉交給各校帶隊參加活動的教師，讓活動在離開科普列車之後，回到學校還有機會能夠延續，並喚起學童們參與科普列車活動的記憶。
圖六 科普列車鈣世硬雄硬度試紙的教案資料
n 環島水硬度地圖
在科普列車活動開始前的數週，化學車的工作團隊已經開始與各縣市的承辦單位聯繫，請各單位協助轉發通知給所有可能參與列車活動的學校，並告知各地各校水質樣本的取得與攜帶方式，活動時列車到站後，列車上的工作人員除了下車收集車站自來水的水質樣本外，還必須四處奔走尋找收取各校所帶來的水質樣本。當列車開始離站後，工作人員中負責講解的講師開始講解水質硬度的背景資料，其餘工作人員則分組準備滴定用的水質樣本以及發放實驗器材。水質樣本以窄口的PE瓶取代玻璃錐形瓶承裝，滴定液、緩衝液則分別裝在點滴瓶中取代滴定用的滴定管，以此方式可安全的在行駛中列車進行滴定實驗(圖七)，每位進入車廂的乘客都能分配到來自不同地區的水質樣本進行硬度滴定實驗，藉由逐步滴入分裝在不同瓶內的滴定液，求得水質硬度半定量的結果，區分出水質樣本中的硬度為軟水、中度軟水、硬水與極硬水，最後發送硬度試紙實驗包與教案，供車上的乘客在列車到站後，還能到各處繼續進行實驗，並上網將實驗結果回傳。
圖七 科普列車上乘客進行鈣世硬雄的半定量滴定實驗
科普列車經過環島四天的實驗結果，參與的民眾在列車工作人員的引領之下，分析了各地車站與學校上百組的自來水水質樣本(圖八)，從實驗的結果可以發現，台灣北部的自來水，由於具有比較新的水庫與較高密集度的自來水淨水廠，水質硬度普遍比起台灣中南部低，而台灣東部由於遍布石灰岩，水質硬度普遍比西半部更高，民眾常把東部稱作是好山好水的台灣後花園，依據這次科普列車上水質硬度的實驗結果，這個所謂的好水樣本數據呈現出硬度是較高的水。
圖八 科普列車第三節車廂環台實驗結果圖表
科普列車活動秉持著科學教育活潑化的目標推行，在這一年第三節車廂上的活動，工作人員帶領著車上的民眾一步步的踏入水質硬度的化學檢測實驗，開心玩科學的同時，又能夠針對台灣地理特色作出具科學性的實驗數據，雖然科教中心的團隊僅以七位工作人員支撐四天車廂內全部的活動，大量的前置準備工作、藥品器材的搬運輪替、學員上下車的快速輪替以及車廂內秩序的管理，再加上活動中所飛來的各種程度的問題都一再考驗著工作人員的體力與耐心，但是頗受好評的車廂內教學與回饋資料，對於團隊人員都是非常好的經驗與訓練(圖九)。希望科普列車這樣一個成功整合跨界合作的活動計畫，利用火車能在短時間內承載大量乘客環島的特殊活動平台，可以設計更多對於短時間讓民眾易懂的教案，以合理可行的操作方式，邊玩科學邊收集區域資料的特色實驗，工作團隊希望藉著鈣世硬雄實驗組的活動分享，能夠提供日後參與科普列車或是類似型態的科普活動團隊一個可借鏡的參考經驗。
圖九 2017年科普列車行經基隆市暖暖區時以空拍機拍攝之照片
(工作人員:第三節車廂是淡江大學科教中心與第四節車廂是台灣默克公司)
化學科普活動與推廣：從化學到科學 談偏鄉瑞芳國中從行動化學車到自然科學實驗活動的實踐 ／ 王綠琳、陳逸書
星期二 , 11, 9 月 2018 本期專題, 第27期/2018年9月 在〈化學科普活動與推廣：從化學到科學 談偏鄉瑞芳國中從行動化學車到自然科學實驗活動的實踐 ／ 王綠琳、陳逸書〉中留言功能已關閉化學科普活動與推廣：從化學到科學
談偏鄉瑞芳國中從行動化學車到自然科學實驗活動的實踐
王綠琳1、陳逸書2
1瑞芳國中校長、2瑞芳國中理化教師
1[email protected]，2[email protected]
n 一切感謝就從淡大行動化學車開進了瑞中
就是喜歡科學，身為化學系畢業的科學人，更是努力學習與鼓勵他人接觸科學、探索科學。更以人人學習科學，絕對能快速救國治國為理想。於1986起，任教新北市(原台北縣)新店文山國中，認真把每個科學實驗準備好器材，備置好化學藥品，讓科學教師們能夠提供最佳的實驗操作過程，絕對讓每個學生能真正動手做實驗，更因此發掘許多科學菁英，更讓孩子們不放棄科學、不討厭科學；甚至也提升了實驗環境及科學競賽的品質，真的深感光榮。
自2014年8月奉派來到教育部核定的偏鄉學校瑞芳國中服務，發現城鄉資源的差距，實驗器材與化學藥品的老舊與缺乏，學校經費有限，如何能在經營學校硬體的建設與落實學科理化的教學品質之間取得平衡? 再加上社區與政府的補助上尚無進展，在在考驗領導者的智慧。
有願就有力，有願景就會有支援與助力進入校園的。2014年3月淡江大學行動化學車終於開到新北市的偏鄉型瑞芳國中，謝謝教務處行政同仁與自然科學領域教師的支持，開啟了孩子打開科學奇幻的旅程，雖然只有90位孩子受益，但豐富的器材與充足的藥品，真的讓孩子們能紮紮實實地動手操作與觀察。
n 一切以學生為主體爭取資源活化科學教育
化學課程、物理課程、生物課程及地球科學課程，透過動手操作、觀察與討論，絕對讓科普教育能快速擴大學習興趣與成效。從行動化學車進入瑞中後，科學教師在原來拮据有限的資源下，能透過大學與教育部的合作，讓偏鄉學子能有機會體驗更深度化、更生活化的化學趣味科學。
因為有了行動化學車的教學，孩子們知道學校的積極努力強化他們的科學探索。行政同仁與教師更積極尋找其他高中學生到校辦理化學及物理闖關活動，讓每個八九年級學生能夠透過大哥哥大姊姊的年輕語言解說，讓學生們不再對科學氣餒，而是眼睛發亮，對科學產生正向的好奇與學習力。
另外，學校校友聽聞同仁們為科學教育實驗奔波經費，也將其年終獎金全數捐出，讓母校能夠添購器材與藥品，真得更讓科學教師有較充足的資源能夠讓學生做實驗，使學生更加熱愛科學課程了。再加上學校積極爭取其他相關科學探索的專案，例如創客基地與職涯探索中心，更讓瑞中學生不再只是聽課與看影片來了解科學，而是真正去實作與探究，學生們也因此榮獲許多科學競賽佳績，強化了師生的教學氛圍與情感。
n 持續積極耕耘化學遊樂趣參與更多科普活動
喜見學子對科學的參與度升高，積極爭取深化與淡大的行動化學車化學遊樂趣合作，從2014至今2018從不間斷。並思考如何擴大讓更多學子們有參與科學實驗的興趣。從2015年起，身為科學領頭羊，一方面鼓勵各班科普閱讀，參與國語日報的科普閱讀寫作競賽，榮獲特優，獲得親臨太空中心的機會。
另一方面與科學教師討論，除了參與化學遊樂趣的少數幾十位學生受益外，其他孩子就由理化老師集體合作，同一時間辦理學闖關活動，由科學教師設計實驗，稱為「廚房科學」，器材簡單容易準備，先訓練一批學生帶實驗與準備材料，就在行動化學車日當天，全校七八年級同學一同做科學體驗，所有人都歡喜體驗，人人是小小體驗家，生生是科學員。闖關時，個個拿著有9至12個實驗的闖關卡至各關體驗，大家互相合作或討論或思考，此時一切都是平等，個個都是科學高材生了。每個孩子的眼神專注喜悅，學習會場人人說好有趣，希望學校年年舉辦! 2016年至2018年持續辦理，因為這是給學生最好的禮物!
不但如此，更感謝淡江大學能邀請瑞中參與2018年的211國際女科學家日活動，除了學校學生能夠學習到課外的化學實驗外，更能服務社會到瑞芳火車站與社區民眾互動，強化年輕學子的服務學習心，增進社會參與力，真正讓孩子提升自信心。不管是學術傾向高或低的孩子，在女科學家日那天，每個孩子都是最佳教師，細心耐心的指導家長、遊客與小孩，完成化學趣味實驗並協助完成成品，再次讓瑞中學子發現自身的優點! 瑞中學子學習沒有弱勢了!謝謝淡江大學扶助弱勢學子，我們感謝!
n 感動科教良師奉獻偏鄉必培育瑞芳為科學石墨烯與鑽石
『良師旺校、良師興國』，在屢次的行動化學車活動中，每位淡大服務的學員及教師與教授，都是瑞中人最想說一聲：『老師，你們可留下來教我們嗎?』偏鄉師資往往無法甄選到優秀的科學教師，科學人一般是會被企業界以高薪聘任挖角的，但主任年年的邀請，學校年年的精進，2018年，終於盼到一位有緣的化學人，坦克老師，真的來到瑞中了，暑假就無私地開設科學營，才開學第1個月，8年級的學生聯絡簿上已有許多的回饋，好喜歡坦克老師上課喔!老師帶我們做實驗好有趣喔!這就是家長與校長最想聽到孩子說的話語!
一切教育都是需要財力、物力、心力與人力，要有好的科學人才被培育出來，那國家就要提供財源、資源與人才，尤其偏鄉學校。瑞中的蛻變是由淡大的行動化學車點燃了生命與光明，我們會認真成長，更需更多陪伴與支持。謝謝!
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2014行動化學車化學遊樂趣 |
2015行動化學車化學遊樂趣 |
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2016行動化學車化學遊樂趣 |
2017 行動化學車化學遊樂趣 |
圖一:行動化學車開幕式
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屬於我的洗手乳 |
水龍之印 |
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爆發熔岩 |
奔騰水母燈 |
圖二:行動化學車課程
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投石器 |
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浮沉子 |
興致高昂 |
圖三: 校內聯辦科學課程
圖四:2018 行動化學車趣味實驗:預言
圖五:2014-2018 與淡江大學結識5年
化學科普活動與推廣：國中校園體驗化學遊樂趣-淡江行動化學車 ／ 邱元甫
星期一 , 10, 9 月 2018 本期專題, 第27期/2018年9月 在〈化學科普活動與推廣：國中校園體驗化學遊樂趣-淡江行動化學車 ／ 邱元甫〉中留言功能已關閉化學科普活動與推廣：國中校園體驗化學遊樂趣–淡江行動化學車
邱元甫
高雄市小港國中校長
(前高雄市美濃區南隆國中校長)
[email protected]
就任南隆國中校長第一年，高雄市教育局希望擴大提供偏遠地區國中學生多一些科學實作課程，啟發學童科學學習動機，有意引入化學遊樂趣—行動化學車活動，而位處美濃邊區的南隆國中奉命於102年8月12日辦理簽約記者會，開啟高雄市與淡江大學科學教育中心行動化學車的正式合作關係。
接到任務後行政人員與教師們坎坷不安，因為不知要進行多少前置作業，也深怕偏鄉學校資源不足而無法配合。直到與淡江大學科學教育中心執行長高憲章博士搭上線後，發現科學人的短短話語卻句句重點，雙方合作很快進入順境。第一次的接觸，在高博士熱情帶領下，從化學魔術、科學故事，到進入分組教室進行實作課程。不論是在先備知識的教學或安全防護，淡江科教團隊都有完整的規劃與帶領，讓不論成績好壞的孩子們都能眼界立開，老師們也放下許多的不安。接著我們每年都進行化學車到校申請，也很高興可以被排入計畫中，淡江的化學遊樂趣成了孩子們每年期待的科學活動。103年7月31日行動化學車又來到南隆國中準備隔天的科學活動，當晚高雄市發生氣爆慘案，8月1日當日科學知識活動立刻轉換為與氣爆有關課程，第一時間讓孩子們認識了相關的化學知識，淡江的團隊能將即時新聞融入化學教學活動中，團隊的教學能力令人佩服。
圖一 學生製作彈力球實驗
這六年下來，若問這活動中做了些甚麼實驗？學生學到了多少化學知識？相信大家都可以查到滿滿的紀錄。化學遊樂趣活動對偏鄉孩子最大的感受就—「化學（科學）離我們真的不遠」，這距離可能比學校到高雄市區還近。淡江科教團隊真的把化學融入學習活動中，並讓科學生活化了，或許這就是符合目前教育最夯的用語：素養導向。南隆的孩子們與自然學科不再遙遠，能敢於追求並勇於追求，六年來的努力讓封閉的偏鄉客家子弟，在化學遊樂趣活動老師指導下，全高雄市科學實驗競賽拿過團體第三名，也敢於挑戰雄中科學班，讓更多孩子升學志願除了美容、餐飲科外，敢填高職、五專的科學類科，更培養出能再回來學校分享與回饋的實驗志工。
都會地區的孩子有豐富的資源與寫不完的科學作業，但化學遊樂趣淡江大學科學教育中心放棄了錦上添花，不斷巡迴偏鄉，以最平凡也最持續的方式，播送科學教育的種子，讓我們的孩子在偏鄉國中校園體驗化學遊樂趣，再次感謝化學遊樂趣淡江大學科學教育中心的行動化學車。
圖三學生快樂的參與化學遊樂趣活動
化學科普活動與推廣：化學科普活動與推廣對中學化學教育的影響 ／ 程長遠、李佳霖
星期日 , 9, 9 月 2018 本期專題, 第27期/2018年9月 在〈化學科普活動與推廣：化學科普活動與推廣對中學化學教育的影響 ／ 程長遠、李佳霖〉中留言功能已關閉化學科普活動與推廣：化學科普活動與推廣對中學化學教育的影響
程長遠a、李佳霖b
國立鹿港高級中學
a[email protected]; b[email protected]
科學學習的方法，應當激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願，再引導學生從既有的經驗為基礎來發現問題、進行探索、實驗操作與建構新的知識，使學生能具備科學的核心知識、探究與實作、科學論證溝通的能力，提供學生學習問題解決、運用思考智能、提升認識科學本質與科學態度的學習機會。
當我們是中學生的時候，都非常期待去實驗室上化學實驗；但是上了大學之後，又視實驗課為畏途。其實問題出在於我們總認為學化學就是要做實驗，而做實驗就是要進實驗室。中學時期的學生們為什麼會「期待」去做化學實驗，主要是因為這時候的學生很少有實驗課或根本沒有時間上實驗課，當然還有老師也不喜歡帶學生做化學實驗。其中原因就是：
1. 學校都有化學實驗室，設備也算齊全，但是缺乏管理人員，或是管理人員非相關領域且不具專業知識。老師在教學之餘還得協助管理實驗室和藥品室。
2. 實驗的化學藥品列管為毒性化學物質的越來越多，管理手續繁雜且越來越麻煩。化學藥品越來越貴，處理實驗廢液的費用越來越高。
3. 並非所有的學生對化學實驗都有興趣，老師需要花很多時間在鼓勵學生動手去做。
4. 實驗課的時間太短，若學生實驗失敗就沒有時間重做，無法收集到充足的實驗數據。
5. 實驗做失敗的機率很高，影響學生的學習興趣。
6. 雖然升學考試常想將化學實驗設計到考試題目之中，用升學考試來引導學校教學，但題目設計困難導致引導動手做實驗效果有限。
7. 公開舉辦的全國科展或數學、資訊及自然科學能力競賽，存在嚴重的城鄉差距，對於沒有科學班的普通社區高中非常的不公平，長年建議採分級比賽但都未被重視實行。
即便在化學教學現場存在著以上諸多的待解決問題，但台灣其實從大學、中學甚至到一般的民間社會都積累非常厚實的化學科普教育基礎，約莫從2011年國際化學年開始，化學的科普活動就從大學到中學到國小，由城市到偏鄉，點、線、面的在全台遍地開花。中學化學老師面對實驗課的時數不足，紛紛成立化學與科學相關社團，利用課餘時間，針對有興趣的學生，設計一些有趣的活動，一起來玩化學。約莫同時，各大學也紛紛成立科學教育中心，大力推展化學科普活動，像「化學趴趴走」、「化學遊樂趣」等科學下鄉活動。其實化學活動不一定要在實驗室裡完成，只要有一部改裝的化學實驗車就能在台灣各的做出許多有趣的科學實驗和實驗成果。這些大學科學教育中心進入偏鄉推廣化學的活動，也掀起中學化學老師開始改良一些課本內容中的實驗活動，將化學實驗的藥品改成日常生活常用的物質，可以省下購買及處理毒性化學物質的經費與人力，加上電子數位測量儀器價格變得較便宜，可以縮短實驗的時間和提升數據的準確度，讓學生在家裡也可以進行化學實驗，時間、空間限制變小能提高學生動手做實驗的興趣。
化學科普活動的取材大多和學生日常生活相關，以既有的知識或經驗為基礎，激發學生主動學習的動機，引導學生發現問題、培養探究能力、學習分工合作、獲得思考智能、分析實驗統計數據的結果且歸納實驗程序及方法。讓學生經由自己動手操作與反思的過程，逐步找出實驗條件與數據結果的關係，最後建立出新的知識。並能藉由學生在科普活動中的口頭報告、專題報告、實驗設計、成品展示等多種方式，來評估學生的學習成效。在許多的化學科普活動中發現，學生進行與生活情境相關的探究活動，使學生能由「做中學，學中做」體會學科知識與生活實踐兩者間的關係，也較能夠將所學知識轉化在實際生活中。
或許因為大學到中小學遍地開花的化學科普活動，間接引導了108新課綱的探究與實作及多元選修課程的變化，給中學師生有空間去設計化學活動，有時間去學習探究解決化學問題的能力，化學活動也就不一定只能在實驗室裡完成。與此同時，各校試辦設計的課程可謂百花齊放、百鳥齊鳴，有趣又富創意。這中間還要歸功於高中化學學科中心所做的橫向連結，其中還有書商穿梭各校間，互通各校課程的發展情形，也功不可沒。還有從107年學測自然科的試題來看，也顯示大考中心命題老師的用心與企圖心，最後如果未來大學端在選才上，能配合中學新課綱的發展，那中學化學教育新課綱的實施，將會很令人期待的。
雖然從近十年的化學科普活動推展，在化學教育上看似各自發展，但是似乎有一隻無形的手，編織了一個綿密的網，將化學教育與十二年國民基本教育以「自發」、「互動」及「共好」的理念相結合，培養以人為本的終身學習者。而新課綱的「核心素養」是指一個人為適應現在生活及面對未來挑戰，所應具備的知識、能力與態度。強調學習不宜僅以學科知識及技能為限，而應關注學習與生活的結合，透過實踐力行而彰顯學習者的全人發展。除了帶得走的能力及知識，更應該發展能靈活運用知識與合儀態度處理事務的能力等等，都與近期的化學科普活動不謀而合。
在此我們也可以看出台灣在化學教育上，有非常厚實的基礎，從大學、中學到民間基金會，甚至書商在化學教科書、化學教學素材的研發上都非常具有競爭力。其實政府相關單位可以整合這些化學教育資源，結合台灣的產官學研的力量，將化學科普活動當成一個產業向國內外來發展，活化化學教育的經濟利益，並讓國際間更多人可以看見台灣的化學教育實力。
化學科普活動與推廣：美國國家化學週
楊水平
國立彰化師範大學化學系
[email protected]
本文以圖文並茂方式描述美國國家化學週，其內容包含(一)起源與擴展：概述國家化學週的起源和擴展到世界各國並介紹美國國家化學週；(二)目標和使命：介紹美國國家化學週的目標和使命以及基礎工作；(三)組織和人力：介紹美國化學會地方分會、社區活動委員會和志工支持辦公室、高中化學俱樂部和學生聯盟俱樂部如何組織、支持並辦理國家化學週，以及介紹合作對象與活動資源如何合作並推廣國家化學週；(四)合作機構與活動項目：介紹美國化學會地方分會、大學和博物館舉辦活動以及舉辦插圖詩詞比賽，以慶祝國家化學週；(五)歷年主題和《慶祝化學》版本：表列歷年主題並介紹《慶祝化學》版本的推廣教材編寫內容；以及(六)啟示與建議：提供一些建議給推廣全民科學週的機構和推動者參考。
n 起源與擴展
一、 世界各國化學週
國家化學週（National Chemistry Week）的構想起源於澳大利亞，自1982年以來，澳大利亞皇家化學研究院贊助這活動，澳大利亞化學工業委員會也提供大量的經費贊助，包括每年化學資源手冊的補貼。自1989年舉辦的活動項目包括國家化學測驗、國家化學週短篇小說比賽、國家化學分析比賽及國家化學週專題文章比賽。[1]
自澳大利亞創辦國家化學週後，此構想也傳播到世界各國，例如：美國、加拿大和新加坡舉辦國家化學週、英國和愛爾蘭舉辦化學週、紐西蘭舉辦化學日、以及哥倫比亞舉辦國家化學與徵文比賽週等。
自1987年，美國成立國家化學日（National Chemistry Day），起源於美國化學會（American Chemical Society, ACS）成員擔心公眾對化學的看法過於消極；公眾認為化學家的主要活動是〝發明〞更多令人骯髒、討厭和危險的物質，污染環境和〝毒害〞食物，對這種恐懼的打擊已經成為ACS關心的主要問題。在1993年，國家化學日改名為國家化學週。圖一為美國國家化學週的標誌。[1] 加拿大國家化學週由加拿大化學研究院組織，並由眾多機關和學會共同合作，這推廣活動是加拿大所有省份和地區的化學慶典。[1-3]
圖一：不同時期和用途的美國國家化學週標誌
（圖片來源：National Chemistry Week at the Library, https://goo.gl/9CDSLv; National Chemistry Week, http://goo.gl/XGHoFc; National Chemistry Week, http://goo.gl/oAuRbS; Celebrate National Chemistry Week: Chemistry Rocks! https://goo.gl/3PUe6K.）
英國化學週是化學的年度慶祝活動，以皇家化學會為中心，旨在促進化學的積極形象，並向社區民眾展示化學如何與日常生活相關。在2018年，舉辦以〝社區推廣—每個人的化學〞為主題的活動，希望為當地民眾提供創造性、多樣化和創新的參與機會。[4] 愛爾蘭化學週是由愛爾蘭皇家化學會成員組織，並且愛爾蘭皇家化學會與愛爾蘭科學教師協會、愛爾蘭化學研究院及愛爾蘭化學工業聯合會共同合作，提供大量推廣化學的機會。[1,5]
在2007年，在新加坡國立化學研究院舉辦第一屆國家化學週。活動的地點包括新加坡國立大學和南洋理工大學等十多所的大學和學院。在活動期間，所有的機構自己安排的活動。[6-7]
二、 美國國家化學週
在1986年，時任ACS理事長的George Pimentel（見圖二）有一個想法：組織一場全國性活動慶祝化學對日常生活的影響，教育公眾有關化學在日常生活中的關鍵作用：介紹國家化學日（National Chemistry Day）。Pimentel表示：「國家化學日對我們來說，是一項大膽而令人興奮的事業。以短期來看，以我們的努力而達成的人數來衡量我們的成功。從長期來看，繼續使用化學來解決社會問題並改善所有人的生活品質來衡量我們的成功。」[2,8-9]
圖二：1986年美國化學會理事長George Pimentel
（圖片來源：Mars work by UC Berkeley’s George Pimentel, https://goo.gl/MkaT5E; National Chemistry Week started out as a single day thanks to 1986, https://goo.gl/FUHeTH.）
在1987年擔任ACS理事長Mary Good回憶說：「我們認為化學需要提升。…這是環境災難的時代，因此在某些方面讓孩子們重新學習科學，並讓公眾瞭解為什麼化學是日常生活中如此重要的一部分。」George Pimentel的遺孀Jeanne Pimentel說：「他的總體願景是建立一個受過良好教育和開明的公民。…除非人們理解事物像科學，否則他們就無法判定在政治中投票選出合適的事物。」為了測試國家化學日的水溫，在1986年秋天，ACS幾個地方分會舉辦全國化學日的活動。[2,9]
在1987年11月6日慶祝第一次國家化學日，George Pimentel帶領ACS成員和工作人員在華盛頓特區的兩個街區遊行，經過ACS總部大樓（見圖三）。[10] 當時ACS有182個地方分會中的173個在當地社區慶祝活動。ACS國家化學日的第一個協調員Randy Wedin說：「藉由轉交給地方分會且沒有指示他們應該做什麼的確切處方，國家化學日最終發揮相當多的創造力。」[2,10-12]
圖三：1987年美國國家化學日標誌（左）和遊行情況（右）
（圖片來源：1987 National Chemistry Day, https://goo.gl/UchFsM; Remembering the Driving Force Behind National Chemistry Week, https://goo.gl/xUMVX1.）
在1988年，雖然ACS沒有提出國家化學日給董事會時間審查的計劃，但是一些地方分會繼續舉辦活動。在1989年，ACS理事會批准國家化學日，此後每年舉行慶祝活動。[2,10] 由於首次亮相時表現出壓倒性的熱情和支持，在1993年，國家化學日改名為國家化學週，正式成為ACS年度的重要活動，許多地方分會每年都在慶祝國家化學週（見圖四）。1997年開始，每年增加一項主題，以保持慶祝活動的新鮮感，並與當地社區連結化學活動。[2,9]
圖四：1993年改名為國家化學週（左）和2009年的慶祝活動（右）
（圖片來源：Sections Win Phoenix Awards For National Chemistry Week Projects, https://goo.gl/LhajGK.
ARL celebrates National Chemistry Week with APG youths, https://goo.gl/pBjGAV. ）
國家化學週每年有數十萬人到百萬人參與，也催生其他幾項ACS的推廣工作，包括化學家慶祝地球日（於2018年改為化學家慶祝地球週）。2017年（30週年）的主題是〝化學岩石！〞，以慶祝地球化學對日常生活的影響，呼籲ACS協調員和ACS志工，為美國和全世界的兒童和成人帶來地球化學的興奮（見圖五）。[2,10]
圖五：2017年國家化學週30週年：在加州一所大學舉行活動（上左）、四年級學生參加活動（上右）及在密西西比州立大學舉行活動（下）
（圖片來源：2017 National Chemistry Week, http://goo.gl/9AGG3i; National Chemistry Week at Eastman, https://goo.gl/VVum7C; National Chemistry Week 2017 Tailgate Extravaganza, https://goo.gl/RXvn9L.）
在30年的時間裡，國家化學週的計劃已經獲得多個著名的公共關係和協會獎項，1988年獲得公共關係卓越的最高榮譽，並被授予美國公共關係協會的銀砧獎（Silver Anvil awards）。[9] 此外，該協會委員會還為ACS地方分會的國家化學週頒發化學燈具獎（ChemLuminary awards），提供其他ACS贊助的社區推廣活動的認可，並協助舉辦向卓越致敬獎（Salute to Excellence awards）的計劃。[12]
n 目標和使命
美國國家化學週是ACS年度重要的活動，旨在提高公眾對化學在日常生活中重要性的認識。[13] 其基礎工作是在1986年制定的，當時ACS理事長George Pimentel敦促議員們制定國家化學日。在這位理事長的聲明中：「每個地方分會、每個學術機構和化學工業應該尋求接觸當地社區，以建設性的方式展望化學的未來。」[10] Pimentel對化學工業和化學品的影響非常敏感，公眾對健康和安全的關注日益增加。他確信：ACS必須向公眾、新聞界及民選官員展示化學的主要角色，同時兼顧化學品的利益和風險。Pimentel指出：如果化學要在公眾受到尊重和公眾理解方面重新獲得更堅實的基礎，它必須是持續的教育努力。[14]
ACS社區活動委員會（ACS Committee on Community Activities）的主席Michael McGinnis說：「國家化學週的目標是鼓勵ACS成員和非成員都能夠走出去融入社區，透過推廣進入社區促進化學。」[11] 國家化學週的共同目標是在日常生活中提升化學價值。[15] 當化學家們參與國家化學週時，他們有權利慶祝他們的職業，並向公眾傳遞透過化學改善生活的更好事物的資訊。[14] 國家化學週的任務是向公眾，特別是小學和中學兒童，傳達關於化學的積極資訊；改變公眾對化學的印象；以及促進有效動員ACS地方分會的機制等。[16]
n 組織和人力
一、 地方分會、社區活動委員會及志工支持辦公室
為了使地方分會的志工做到大量的推廣工作，ACS社區活動委員會開設地方分會外聯志工表彰計劃（見圖六）。[10] 該委員會主席Michael McGinnis說：「化學家們參與解決奧秘所有的時間，而且這確實帶來化學的重要性。」他在ACS志工支持辦公室（Office of Volunteer Support）的幫助下組織國家化學週（見圖六和圖七）。[17] ACS理事長Allison Campbell說：「此計劃的成功是ACS的志工在國家化學週期間花費無數個小時，他們創造一個處於兒童化學實驗驚嘆的熱情過程中投入社區的推廣活動。」[11]
圖六：ACS的LSCA地方分會主席Wayne Jones（左圖左）與ACS社區活動委員會主席Ingrid Montes（左圖右）共同組織地方性的國家化學週；大學教授與學生志工共同舉辦國家化學週（右）
（圖片來源：ACS National Chemistry Week, https://goo.gl/8oKBDK; CUH Professor Coordinates National Chemistry Week, https://goo.gl/mbX9LC.）
圖七：一群參與國家化學週的志工
（圖片來源： Volunteer Service & Outreach Efforts, http://goo.gl/qG5ZqW.）
在2010年，有98%的ACS地方分會參與國家化學週，無數小時的社區服務，超過6400名志工和138,000名參與者。[18] 每年有超過10,000名志工和數十家化學公司為國家化學週投入他們的時間、創造力、材料和資金，並且透過紙本、廣播、電視和網路以及數百萬人親自參與。[13] 圖八是企業界和工業界直接參與國家化學週。
圖八：巴斯夫（BASF）股份公司工的業伙伴示範聚氨酯合成（左）和雪佛龍菲利普斯（Chevron Phillips）化工公司的員工教育學童化學在日常生活扮演的角色（右）
（圖片來源：BASF demo of polyurethane, https://goo.gl/GfgofZ; Chevron Phillips Chemical Celebrates National Chemistry Week, http://goo.gl/EnEv6h.）
國家化學週是ACS領先的推廣計劃，鼓勵ACS和非ACS成員對公眾分享日常生活中化學的故事。[8] 數據顯示：在過去五年參與活動的人中有超過40%為非ACS成員，許多小學和中學教師、高中學生、大學生和大學教授參與活動。[9] 有超過1萬名志工聚集在全國各地的學校、商場、大學、圖書館、博物館和動物園，讓兒童及其父母參與動手做活動和示範活動慶祝國家化學週。[10] ACS社區活動委員會與ACS志工支持辦公室合作、開發並支持社區推廣計劃。[19]
二、 高中化學俱樂部和學生聯盟俱樂部
在2009年，超過三分之二的高中化學俱樂部（High School Chemistry Clubs）參加國家化學週，例如：在博物館舉辦化學示範，小學學生進行實驗，與當地大學的化學學生進行互動，為中學組織科學活動，贊助海報競賽等。所有的新成立高中化學俱樂部獲得國家化學週的資源包，並加入不斷壯大的俱樂部家族。[18] ACS高中化學俱樂部，為學生提供在課外體驗化學的獨特機會。目前，在美國和海外有500多個俱樂部參加課外活動，參與社區建設，瞭解化學事業，享受社交活動。學生計劃並享受各種以化學為重點的活動，包括：為小學生進行示範，透過社區幫助清潔環境，以及邀請演講者。[20] 圖九是高中化學俱樂部辦理活動的情形。
圖九：ACS高中化學俱樂部的學生（上左）、示範實驗（上中）和準備活動的玩具（上右）；以及學生辦理的動手做活動（下左）和大型化學示範（下右）
（圖片來源：Chemistry Day at the Library, http://goo.gl/G7yY9B; Put the Fun First! Ideas for a First ChemClub Meeting, http://goo.gl/8cFnJc; Community Fest: A Success! https://goo.gl/GBdGMy; Creating Inspiring Leaders, https://goo.gl/aeepKd.）
ACS學生聯盟俱樂部（Student Affiliate Club）是支持國家化學週的最大團體之一（見圖十）。雖然國家化學週是一個非正式的教育計劃，但是它也為教育者提供學生參與社區服務的機會。此俱樂部尋求機會啟動活動，獲得資金並從地方分會成員尋求幫助，從而培養領導技能。[9]
圖十：太平洋路德大學（上）和匹茲堡大學（下）的ACS學生聯盟俱樂部學生參與國家化學週的情形
（圖片來源：PLU American Chemical Society Student Affiliate Chapter, https://goo.gl/oE4zHm; University Of Pittsburgh American Chemical Society, https://goo.gl/HoSWZv.）
三、 合作對象與活動資源
ACS舉辦國家化學週有很多合作對象和活動資源，例如：教師使用以國家化學週為主題的資源，讓學生接受有關化學的積極資訊，鼓勵學生和青年團體（例如：4-H俱樂部、男孩和女孩俱樂部、南童子軍、女童子軍和基督教青年會）參加ACS地方分會贊助的化學相關活動。[18] 還有教師分享其經驗或透過他們的教學網路或出版物的資訊，或在各種科學教育大會上收集的資源作為國家化學週的活動資源。[9]
2012年，ACS與奈米非正式科學教育網路（National Informal STEM Education Network, NISE Network）合作，為國家化學週提供網路推廣資源，尋找當地的合作夥伴，以開展國家化學週的活動（見圖十一）。[21] 為了支持2007年的主題〝化學的多面性〞，地方分會舉辦職業招聘會，並邀請社區的專業人士談論如何在工作中使用化學，以動手做活動和示範幫助參與者瞭解在化學相關領域工作的感受。[10]
圖十一：ACS與NISE Network合作舉辦國家化學週
（圖片來源：NanoDays Collection Digital, http://goo.gl/Cvr67J; Partner Highlight, http://goo.gl/iQyUbU.）
每年秋天，明尼蘇達州聖瑪麗大學化學系舉辦兩場〝化學之夜〞來慶祝國家化學週，來自區域學校的高中學生在校園裡度過一個晚上，進行與國家化學週主題相關的實驗。這些慶祝活動旨在帶動化學到社區並招募學生到該大學和科系。[22] 圖十二為匹茲堡大學舉辦國家化學週。
圖十二：2017年匹茲堡大學舉辦國家化學週
（圖片來源：University of Pittsburgh American Chemical Society, https://goo.gl/qoVkFp/.）
n 合作機構與活動項目
一、 地方分會舉辦活動
1989年慶祝國家化學週的參與者有ACS的183個地方分會、許多化學品製造商、學校和其他機構。慶祝活動包括兒童和高中學生的比賽、工廠參觀、化學示範、公開講座和許多其他活動（見圖十三）。[14] 國家化學週是由ACS精心策劃的核心化學推廣，化學教育工作者透過公開講座、示範和動手做實驗來促進化學的公眾理解。在2015年，國家化學週有成千上萬的志工向近百萬人展示〝化學色彩我們的世界〞的主題。所有年齡的學生都可觀看示範表演和參加動手做化學實驗。[23]
圖十三：ACS加州分會在加州灣區對國中和高中學生的乙醇火焰示範（上）；沿海喬治亞分會在阿姆斯特朗大西洋州立大學為小學學童帶來動手做實驗和化學示範（下）
（圖片來源：Public Outreach, http://goo.gl/TDxQ5K/; That’s Chemistry!! http://goo.gl/uUG4py.）
二、 大學舉辦活動
麥吉爾大學國家化學週的推廣活動，包括公共講座、無線電廣播和非專業化學課程，向公眾介紹從核科學到食品化學等各個領域的廣泛主題。核融合科學劇院的化學示範節目使用戲劇元素，觀眾透過〝表演〞來學習化學原理。[23] 愛達荷州立大學的學生表演乒乓炮示範，以激發公眾的好奇心。[17] 圖十四為在大學舉行國家化學週的活動和示範。
圖十四：在堪薩斯州立大學（左和中）和田納西大學（右）舉行國家化學週的活動和示範
（圖片來源：National Chemistry Week, http://goo.gl/Kp6pQu; UT Celebrates National Chemistry Week, https://goo.gl/FNtQyB. ）
三、 博物館舉辦活動
2017年國家化學週的主題是〝化學岩石！〞ACS東北分會再次與波士頓兒童博物館和波士頓科學博物館合作，舉辦高中科學系列活動，大約500名學生參加動手做和示範活動。在科學博物館舉辦的公共活動，超過80名志工參與活動。當年，波士頓兒童博物館與東波士頓的非營利組織ZUMIX合作，提供現場搖滾音樂會。搖滾音樂會由麻州海事學院贊助，並邀請一群高中學生參加兩場25分鐘的課程。[11,16]
四、 舉辦插圖詩詞比賽
插圖詩詞比賽（Illustrated Poem Contest）當作國家化學週的一部分，ACS地方分會邀請地區學生參加比賽（見圖十五）。所有插圖詩詞必須先在地方層級進行評比才能被考慮參加全國比賽（見圖十六）。當地的第一名獲勝者可以進入全國比賽，有機會贏取現金獎勵。在四個等級類別（K-2, 3-5, 6-8和9-12）中全國比賽第一名獲獎者獲得300美元的和第二名150美元！[24-26]
圖十五：2014年ACS薩克拉門托分會畫報詩歌比賽的獲獎者作品，當年的主題是〝化學的甜蜜方面：糖果〞，由左而右是11、6和5年級學生的作品。高解析度作品放大圖，請見：http://goo.gl/v9SxiY。
（圖片來源：Winners of NCW Illustrated Poem Contest 2014, http://goo.gl/v9SxiY.）
圖十六：2017年全國畫報詩歌比賽第一名：K-2（上左）、3-5（上右）、6-8（下左）及9-12（下右）年級學生作品。高解析度作品放大圖，請見：http://goo.gl/2t2DuQ。
（圖片來源：Hawai’i DOE on Twitter, https://goo.gl/GLnfbs; NISE Network Online Workshop, http://goo.gl/Wn7K1d; NCW Illustrated Poem Contest Winners, https://goo.gl/dkpvgJ.）
n 歷年主題和《慶祝化學》版本
一、 歷年主題
在1987年，ACS開始慶祝國家化學日，於1989年改為國家化學週。在1997年開始，社區活動委員會增加年度慶祝主題，為當年的慶祝活動提供方向和多樣性（見表一）。2017年ACS慶祝30週年國家化學週，向公眾展示〝化學岩石！〞的主題。[8,27] 2018年慶祝主題為〝在這個世界之外的化學〞，2018年《慶祝化學》版本和其他網路資源現已上市。[15,28]
表一：國家化學週（National Chemistry Week）版本[27-28 ]
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西元年 |
英文主題 |
主要聚焦 |
語文版本 |
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2018 |
Chemistry is Out of This World |
著重於外太空的化學。 |
• 英文 • 西班牙文 |
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2017 |
Chemistry Rocks |
慶祝該計劃30週年，著重於岩石的化學成分。 |
• 英文 • 西班牙文 |
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2016 |
Solving Mysteries Through Chemistry |
著重於纖維和法醫學的化學。 |
• 英文 • 西班牙文 |
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2015 |
Chemistry Colors Our World |
著重於檢驗色彩的化學。 |
• 英文 • 西班牙文 |
表二：化學家慶祝地球週（Chemists Celebrate Earth Week）版本[28]
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元年 |
英文主題 |
語文版本 |
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2018 |
Dive into Marine Chemistry |
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2017 |
Chemistry Helps Feed the World |
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2016 |
The Great Indoors—Your Home’s Ecosystem |
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2015 |
Climate Science—More Than Just A Weather Report |
表三：國際化學年（International Year of Chemistry）版本[28]
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西元年 |
英文主題 |
語文版本 |
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2011 |
Water in Our World |
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2011 |
Energy—It’s Everywhere |
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2011 |
Living in a Materials World |
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2011 |
Chemistry—Our Health, Our Future |
二、 《慶祝化學》版本
《慶祝化學》（Celebrating Chemistry）版本是ACS社區活動委員會志工支持部的出版教材（見圖十七），旨在吸引並教育兒童（4-6年級）有關化學的基本原理，提供英文和西班牙文的版本，以彩色的紙本和電子檔發行。國家化學週的《慶祝化學》版本和化學家慶祝地球週的版本一致，包含基於主題的文章、實驗和謎題。[28] 《慶祝化學》出版物可能是規劃和推廣國家化學週被公認最佳資源。[18] 年度主題有三種版本：國家化學週《慶祝化學》版本、化學家慶祝地球週版本（見表二）、以及國際化學年版本（見表三），後二者與國家化學週一起配合化學相關活動的版本。《慶祝化學》版本是以化學為中心，涵蓋環境、海洋、農業、能源、生物及科技等跨學科和跨領域的活動教材。
在2016年，近40,000人參加當地的推廣活動，在美國發行超過15萬份《慶祝化學》版本；[10] 亦有其他文獻提到，發行超過13萬份英文版本，包括在西班牙文版本18,500份。[18] 《慶祝化學》版本的紙本可透過ACS當地分會協調員免費獲得，亦可以從ACS商店訂購（最多五箱，每箱250本，會員價$13.5元，一般價$15.0元，相當便宜）和一套免費的西班牙語版本（250本），電子檔可在網路免費取得。
圖十七：由左而右，2018、2013及2012年《慶祝化學》的封面
（圖片來源： National Chemistry Week, https://goo.gl/M5wm75.）
《慶祝化學》版本以彩色卡通圖畫並以圖文並茂方式呈現，每年的主題都有整頁的卡通封面（見圖十七），還有文章、小活動、歷險記及單詞搜尋等。以2012年的「奈米技術」為例，說明如下：兩或三篇與年度主題相關的文章（見圖十八上左），淺顯易懂，對國小學童極為友善，例如：〈奈米技術：科學領域最小的構想〉；三至五個容易動手做的小活動（見圖十八上右），大致分為「介紹」、「材料」、「步驟」、「安全建議」以及「化學在哪裡？」等項目，例如：〈探索材料—石墨烯〉、〈探索水凝膠〉、〈防曬霜〉、〈在陽光下的安全〉及〈尺寸有所不同嗎？〉，適合國小學生動手操作實驗；梅格･莫耳歷險記（The Adventures of Meg A. Mole）專欄（見圖十八下左），介紹與主題相關的兩位化學家的工作；與主題相關的整頁漫畫和重要字詞；還有，單詞搜尋（Word Search）（見圖十八下右），嘗試找到旁邊列出的單詞，它們可以是水平、垂直或對角線、或是向前或向後讀取！透過搜尋和讀取單詞，可以幫助兒童記住年度主題的化學名詞。其他年度版本有時編列填字遊戲（crossword）。
圖十八：《慶祝化學》版本：與年度主題相關文章（上左）；適合學童的小活動（上右）；梅格･莫耳歷險記專欄（下左）；以及單詞搜尋（下右）
（圖片來源：Nanotechnology: The Smallest BIG Idea in Science, https://goo.gl/eV9q1w.）
n 啟示和建議
我國全民科學週由國立臺灣師範大學科學教育研究所邱美虹教授在2015年發起，由科技部的科普計畫贊助經費，目前已邁入第四年，在各界的努力下已擴展為全國性的科學活動，而且涵蓋遍鄉和離島等地區。全民科學週的構想起源於國立彰化師範大學理學院洪連輝院長推動科技部科普計畫的「彰化縣大眾科學日」。全民科學週的重頭戲之一是臺灣科普環島列車於2016年開始啟動，以四節區間列車停靠全臺灣21站的方式進行，並在四節車廂內設計不同的科學主題。臺東蘭嶼鄉及金門縣的學童搭乘飛機、澎湖小朋友搭輪船前來參與，透過陸、海、空三管道讓更多的離島學生和家長參加科普列車活動。全民科學週的辦理方式、以及組織和人力等方面與美國國家化學週有同異之處，以下提出一些啟示和建議。
就美國化學會的組織架構而言，高中化學俱樂部對國家化學週的推動和貢獻實在功不可沒。建議在臺灣物理學會、中華民國物理教育學會、中國化學學會、臺灣生物學會、中華民國地球科學學會及中華民國科學教育學會等學會，以及在教育部物理、化學、生物及地球科學等學科中心之下，整合全國高中學生的科學社團，共同成立「高中自然科學學生俱樂部」，鼓勵高中學生加入這個俱樂部，以強化學生志工的人力組織，提升高中學生對全民科學週等推廣活動的意願和強度。此外，在全國各學會和學科中心之下，共同成立「自然科學教師俱樂部」，鼓勵國小、國中、高中和大學中小學教師加入這個俱樂部，以強化教師志工的人力組織，提升教師對全民科學週等推廣活動的品質和深度。
美國國家化學週推廣的地點非常多樣，包括大學端師生到中小學端、大學端邀請中小學生到大學校園、博物館端邀請公眾人士和中小學生到館內活動等。目前，全民科學週的實施地點大致在火車站前和小學校園，鮮少在中學和大學校園以及博物館舉行。建議活動地點擴展到這些地點。淡江大學科學教育中心的化學行動車到全國各國中辦理科普活動，口碑極佳，是良好的推廣活動實例，值得效法。此外，鼓勵企業界和工業界經費贊助並直接辦理全民科學週的活動，以提高其員工的參與感和成就感。
美國國家化學週自1997年開始，ACS社區活動委員會增加年度主題，為當年的慶祝活動提供方向和多樣性，而且出版《慶祝化學》版本，以教育小學學童有關化學的基本原理的極佳教材。目前，全民科學週並未設定年度主題和出版與主題相關的教材。建議全民科學週每年設定以不同的學科為中心的跨學科或跨領域主題，出版類似美國國家化學週《慶祝化學》版本的教材，以吸引學童認識科學和技術的原理和知識。
n 參考資料
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28. Celebrating Chemistry, https://goo.gl/PSyDLr.
化學科普活動與推廣：美國國家化學週
表一：國家化學週（National Chemistry Week）版本[27-28 ]
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西元年 |
英文主題 |
主要聚焦 |
語文版本 |
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2018 |
Chemistry is Out of This World |
著重於外太空的化學。 |
• 英文 • 西班牙文 |
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2017 |
Chemistry Rocks |
慶祝該計劃30週年，著重於岩石的化學成分。 |
• 英文 • 西班牙文 |
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2016 |
Solving Mysteries Through Chemistry |
著重於纖維和法醫學的化學。 |
• 英文 • 西班牙文 |
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2015 |
Chemistry Colors Our World |
著重於檢驗色彩的化學。 |
• 英文 • 西班牙文 |
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2014 |
The Sweet Side of Chemistry: Candy |
強調糖果和糖果的化學反應。 |
• 英文 • 西班牙文 |
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2013 |
Energy—Now and Forever |
探討可再生和不可再生能源，如何為我們的星球提供動力。 |
• 英文 • 西班牙文 • 葡萄牙文 |
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2012 |
Nanotechnology: The Smallest BIG Idea in Science |
慶祝該計劃25週年，關注於奈米科學對環境、能源、材料和健康的貢獻。 |
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2011 |
Water in Our World |
強調化學對我們的健康和未來的重要性。 |
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2011 |
Living in a Materials World |
強調化學對我們的健康和未來的重要性。 |
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2011 |
Chemistry—Our Health, Our Future |
強調化學對我們的健康和未來的重要性。 |
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2010 |
Behind the Scenes with Chemistry |
著重於探索電影特效背後的化學。 |
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2009 |
Chemistry—It’s Elemental |
著重於紀念元素週期表140週年。 |
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2008 |
Having a Ball with Chemistry |
著重於運動器材的化學、運動安全以及進行體育活動的身體。 |
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2007 |
The Many Faces of Chemistry |
慶祝該計劃20週年，強調化學學科及其從業者的多樣性，並結合職業概況與職業相關的化學活動。 |
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2006 |
Your Home—It’s All Built on Chemistry |
著重於大多數家庭常見物體中的化學物質以及化學如何幫助改善建築物材料。 |
• 英文 |
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2005 |
The Joy of Toys |
著重於玩具中的化學物質，以及使用化學或化學反應作為玩具如何運作。 |
• 英文 |
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2004 |
Health and Wellness |
分享有關食物選擇及其如何影響某些疾病的資訊，強調身體各個部位發生的化學反應。 |
• 英文 |
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2003 |
Earth’s Atmosphere and Beyond |
慶祝改進飛行材料，描述大氣層、酸雨和臭氧層。 |
• 英文 |
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2002 |
Chemistry Keeps Us Clean |
慶祝該計劃15週年，並討論肥皂和洗滌劑的化學性質、水的表面張力以及化學在清潔中的作用。 |
• 英文 |
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2001 |
Chemistry and Art |
探討化學在藝術中的作用，包括使用化學來製作藝術作品的活動。 |
• 英文 |
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2000 |
Get Cooking With Chemistry |
檢查烹飪中使用粉末的性質：小蘇打、發酵粉、玉米澱粉等。研究化學在提高麵包和製作奶酪的強調。 |
• 英文 |
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1999 |
A Global Salute to Polymers |
著重於研究不同聚合物的性質。 |
• 英文 |
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1998 |
World of Color |
使用天然植物材料來繪製八種顏色的天然來源。 |
• 英文 |
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1997 |
Planet Chemistry |
慶祝該計劃10週年，活動重點是硬水和軟水測試，測量pH值，並用瀉鹽製作水晶。 |
• 英文 |
表二：化學家慶祝地球週（Chemists Celebrate Earth Week）版本[28]
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西元年 |
英文主題 |
語文版本 |
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2018 |
Dive into Marine Chemistry |
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2017 |
Chemistry Helps Feed the World |
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2016 |
The Great Indoors—Your Home’s Ecosystem |
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2015 |
Climate Science—More Than Just A Weather Report |
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2014 |
The Wonders of Water |
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2013 |
Our Earth: Handle with Care |
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2012 |
Rethinking the 3 R’s: It’s Easy to be Green |
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2011 |
Energy—It’s Everywhere |
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2010 |
Plants—The Green Machines |
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2009 |
Air—The Sky’s the Limit |
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2008 |
Streaming Chemistry |
• 英文 |
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2007 |
Recycling—Chemistry Can |
• 英文 |
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2006 |
Dig It 挖它 |
• 英文 |
表三：國際化學年（International Year of Chemistry）版本[28]
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西元年 |
英文主題 |
語文版本 |
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2011 |
Water in Our World |
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2011 |
Energy—It’s Everywhere |
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2011 |
Living in a Materials World |
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2011 |
Chemistry—Our Health, Our Future |
化學教室活動：
利用另類的多倫試劑製作銀鏡瓶
方舜雨、王竣生、楊水平*
國立彰化師範大學化學系
*[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，是高中學生感到非常驚艷和有趣的化學實驗。對於學習氧化還原反應和錯合反應，銀鏡反應是一項非常合適的且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教學。
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被鍍銀的小玻璃瓶中，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小玻璃瓶的鍍銀。然後，鍍銀的小玻璃瓶以小貼紙或各種顏色的絲帶或彩繩加以裝飾，形成美麗的裝飾品，增添學習化學的樂趣和成就感。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。
n 藥品與器材
l 約15組的使用量（每組使用一個容量8 mL的小玻璃瓶製作銀鏡瓶）：0.10 M硝酸銀（Silver nitrate, AgNO3） 30 mL、2.5 M氫氧化鈉（Sodium hydroxide, NaOH） 15 mL、1.5 M硝酸銨（Ammonium nitrate, NH4NO3） 15 mL、5.0%葡萄糖（Glucose / Dextrose, C6H12O6） 10 mL。塑膠點滴瓶（15-30 mL，裝藥品用）2個、玻璃瓶（20-50 mL，裝藥品用） 2個、蒸餾水（裝在保特瓶中） 1個、PE滴管（3 mL）4支。【硝酸銀溶液和氫氧化鈉溶液裝在小玻璃瓶中，硝酸銨溶液和葡萄糖溶液裝在塑膠點滴瓶中。】
l 每組材料：小玻璃瓶（容量8 mL或依實際大小，製作銀鏡瓶用，最好學生自備）數個（依需要而定）、裝飾材料（小貼紙或各種顏色的絲帶或彩繩）適量（依需要而定）、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可裝在一個小型置物盒內（見圖一），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 氫氧化鉀溶液（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，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。
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
1. 事先在實驗室配製藥品，硝酸銀溶液和氫氧化鈉溶液用玻璃瓶盛裝，硝酸銨溶液和葡萄糖溶液用點滴瓶盛裝，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：使用量瓶或錐形瓶，溶解於1.7g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。
l 100.0 mL的2.5 M氫氧化鈉：使用量瓶或錐形瓶，溶解10.0 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。
l 100.0 mL的1.5 M硝酸銨：使用量瓶或錐形瓶，溶解於12.0 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。
l 100.0 mL的5.0%葡萄糖：使用量瓶或錐形瓶，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。此濃度為2.8 M。
2. 使用塑膠滴管或塑膠量筒，大約測量即將鍍銀小玻璃瓶的容量。使用各種藥品溶液的用量依小玻璃瓶的容量不同而異。小玻璃瓶的容量（本次實驗使用約8mL的小玻璃瓶）與使用藥品溶液的用量如下所示。其他容量的玻璃瓶，可依比例自行調整藥品溶液的用量。
l 8 mL玻璃瓶：2 mL的0.10 M硝酸銀、0.75 mL的2.5 M氫氧化鈉、0.65 mL的1.5 M硝酸銨、0.5 mL 5%葡萄糖。
l 20 mL玻璃瓶：5 mL的0.10 M硝酸銀、1.9 mL的2.5 M氫氧化鈉、1.7 mL的1.5 M硝酸銨、1.3 mL的5%葡萄糖。
l 50 mL玻璃瓶：12.5 mL的0.10 M硝酸銀、4.7 mL的2.5 M氫氧化鈉、5.4 mL的1.5 M硝酸銨、3.1 mL的5%葡萄糖。
l 其他容量的玻璃瓶容器：用上述三種的配方之一，依照比率換算四種溶液的體積。
3. 最好，直接使用新的小玻璃瓶進行銀鏡反應。若小玻璃瓶已用過，則必須事先浸泡清潔劑數天，然後使用蒸餾水沖洗乾淨，任何髒污物可能使實驗的效果大打折扣。
4. PE滴管每毫升約20滴，點滴瓶每毫升約26-27滴。點滴瓶的1滴體積相當於PE滴管的0.75滴。
B. 進行反應
1. 本次實驗使用約8 mL的小玻璃瓶：使用PE滴管，滴入2.0 mL（約40滴）的0.10 M硝酸銀到小玻璃瓶內。再滴入0.75 mL（約15滴）的2.5 M氫氧化鈉，此時溶液生成棕色沉澱物，如圖二所示。
圖二：滴入硝酸銀溶液和氫氧化鈉溶液到小玻璃瓶
2. 使用塑膠點滴瓶，滴加0.65 mL（約17滴）的1.5 M硝酸銨，直到棕色沉澱物完全消失，溶液變回透明為止，如圖三所示。【注意：每次滴加一兩滴，必須蓋緊瓶蓋並輕微搖晃，觀察溶液是否變回澄清，若為否，則繼續滴加，直至溶液變回澄清。】
圖三：滴加硝酸銨直至溶液變回澄清
3. 使用塑膠點滴瓶，快速地滴加入0.50 mL（約14滴）的5%（2.8 M）葡萄糖，蓋緊瓶蓋並搖晃玻璃瓶。此時可觀察到開始出現黃色，接著溶液轉變為紅棕色，如圖四所示。搖晃約一分鐘過後，銀鏡立即顯現出來。
圖四：滴加葡萄糖溶液後短暫出現黃色（左），而後轉變為紅棕色（右）
4. 繼續搖晃小玻璃瓶，使銀金屬鍍在瓶內的量更多，以致銀鏡更為光亮。【註：若冬天氣溫過低，小玻璃瓶可以熱水浴方式加熱，增加銀鏡反應的速率。】
5. 倒出小玻璃瓶內剩餘的藥品到指定的廢液回收桶中。使用少量的蒸餾水稍微清理瓶內的殘留物，接著使用折疊數層的衛生紙放在瓶口，倒置玻璃瓶並上下搖動使瓶內的液體盡可能被吸乾。然後打開瓶蓋，使瓶內的水分風乾約一天。待瓶內無水分後，緊蓋瓶蓋。
6. 使用小貼紙或各種顏色的絲帶或彩繩，裝飾此玻璃瓶，以美化銀鏡瓶。
n 實驗結果
利用另類的多倫試劑製作銀鏡瓶的照片，如圖五所示：
圖五：製作完成的並裝飾好的銀鏡瓶（右圖之右的銀鏡瓶為8 mL容量）
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。[6]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。[7]
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（BernhardTollens, 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）。8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：[8]
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：[8]
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)₄СHО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：[9]
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。[10]
[6]
（圖片來源：https://goo.gl/8ESaA7.[10]）
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。[11]
[7]
（圖片參考來源：Tollens’ Test, WikiPremed, https://goo.gl/rLwXgf。[11]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。[12]
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。[12]
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。[12]
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]
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：10-15分鐘，教師實驗原理解說或討論：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 製作銀鏡瓶用的小玻璃瓶最好由學生自備，使用者付費或許可增加學生的成就感，並作為課程的紀念品。小玻璃瓶可在網路、手工藝材料行或文具店購得。小玻璃瓶必須有塑膠蓋或鋁蓋且有塑膠內襯。若小玻璃瓶的瓶蓋為軟木塞，則在進行銀鏡反應時必須用PE膜包住軟木塞，以避免溶液沾濕軟木塞，而使其變質。
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。[13]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）。[14]
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0.10M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0.10M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8mL的小玻璃瓶製作銀鏡瓶，則需要2.0 mL的0.10 M硝酸銀，花費只要1.4元，實在相當便宜。
l 小玻璃瓶的樣式和價格：在網路上，可搜尋到多家販賣小玻璃瓶，每個價格不一，一般在5-14元（除較精緻外，未含運送費），如圖六所示。圖六上層左而右依序為鋁蓋小玻璃瓶，每個7-14元；精緻鋁蓋小玻璃瓶一組四瓶四色100元，單瓶30元；塑膠蓋小玻璃瓶，每個7-14元。圖六下層左而右依序為軟木塞試管瓶，每個7-12元；裝飾軟木塞玻璃瓶每個約10元；手機吊飾異形透明玻璃8個300元，每個38元；收納小玻璃瓶每個10元。
圖六：可用於製作銀鏡瓶的各式各樣小玻璃瓶
l 在銀鏡反應後且瓶內乾燥後，除了蓋緊瓶蓋外，亦可用透明指甲油或蟲膠塗覆小玻璃瓶的內部，以避免瓶內的金屬銀氧化和受到機械應力。
l 若銀鏡瓶製作有瑕疵，則在實驗室的抽風櫃使用極少量的濃硝酸來移除瓶內的金屬銀，再用蒸餾水潤洗兩次。此玻璃瓶可繼續使用。小心地倒入濃硝酸沖洗液到一個標示「回收銀」的玻璃瓶（裝有3倍體積的蒸餾水）中。
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. Justus von Liebig, https://en.wikipedia.org/wiki/Justus_von_Liebig.
7. Mirror, Mirror, On the Bottle, http://goo.gl/bh15AY.
8. Tollens’ reagent, https://en.wikipedia.org/wiki/Tollens’_reagent.
9. “Silver mirror” experiment, https://melscience.com/en/articles/silver-mirror-experiment/.
10. Mechanism for reaction of Tollens’ reagent with aldehydes, https://goo.gl/8ESaA7.
11. Tollens’ Test, https://goo.gl/rLwXgf.
12. Benet, W. E.; Lewis, G. S.; Yang, L. Z.; Hughes, P. D. E. Journal of Chemical Research, 2011, 35(12), pp. 675-677.
13. Fulminating silver, https://en.wikipedia.org/wiki/Fulminating_silver.
14. Silver fulminate, https://en.wikipedia.org/wiki/Silver_fulminate.
n 學生活動手冊
下載本化學教室活動的學生活動手冊—「利用另類的多倫試劑製作銀鏡瓶」。
磷酸、亞磷酸、次磷酸的酸性強度比較 ／ 廖家榮、劉燕孝
星期四 , 6, 9 月 2018 第27期/2018年9月, 高中化學教學疑難問題與解題 在〈磷酸、亞磷酸、次磷酸的酸性強度比較 ／ 廖家榮、劉燕孝〉中留言功能已關閉磷酸、亞磷酸、次磷酸的酸性強度比較
廖家榮1、劉燕孝2
臺北市立建國高級中學
1[email protected]
2[email protected]
n 前言
在高中課堂上介紹酸在水中的解離強度時，我們總會附上酸的pKa值及資料來源，其中也包含磷酸、亞磷酸及次磷酸，此三者的酸性強弱次序與參考資料的來源有關，某些講義文本的載述不同，常有學生問何者正確，並進一步詢問如何解釋，我們總是從酸在水中的解離切入，再介紹有機羧酸的結構特性中的羰基（CO，carbonyl group）對酸性強弱的影響，再導引到無機的含氧酸，這樣的解說方式，學生的接受度高，於此提出供參考。以下將由酸在水中的解離切入，經實例的比較與討論，檢視分子中羰基數目與鄰接羥基數目的多寡，歸納出比較的規則，最後應用於磷酸、亞磷酸及次磷酸的酸性強度比較上。
n 酸在水中的解離與酸性強弱的討論
以HA表示酸的通式，酸在水中的解離反應可表示成：
HA(aq) + H2O(l) 
H3O+(aq) + A–(aq)，解離常數Ka [1]
解離前，分子HA不帶電，分子中的氫原子（H）所帶的部分正電荷愈多者，所受的束縛愈小，使HA愈易解離出H+，使溶液中H3O+增多，代表HA的酸性愈強；此外在解離後，陰離子A–溶於水愈安定者，電荷愈分散1，愈不利逆反應或水解的進行，HA的酸性也愈強。而Ka或pKa數值的大小，便是綜合所有效應後的結果呈現。
為了比較不同酸的酸性強弱，我們分兩方面來看，一方面是解離前電中性分子HA的比較，主要著重於誘導效應；另一方面是解離後陰離子A–的比較，重點則擺在電荷的分散效果1。以具有O-H結構的含氧酸為例，無論是結構、共價鍵結原子的種類及鍵結順序，皆會影響解離前氫原子（H）所帶部分正電荷的多寡，也會影響陰離子A–的性質。
以下是一些解離前的分子結構及其25℃時的pKa1數值，作一比較（氫鍵對解離前O-H中氫原子的束縛在此不討論）。
n 誘導效應相近時，電荷分散效應影響酸性強弱的實例討論
過氧化氫 碳酸過氧甲酸
11.62, 11.623, *3.582, 3.737.14,
11.655, 11.76**57,6.36, 6.358, 6.3519, 6.35257.7710
圖1：過氧化氫、碳酸與過氧甲酸 ( peroxyformic acid ) 的結構式及其不同參考資料的pKa1值
*註：H2CO3(aq) + H2O(l) 
HCO3–(aq) + H3O+(aq)，Ka1 [2]
**註：CO2(aq) + H2O(l) 
HCO3–(aq) + H3O+(aq)，Ka1’ [3]
如圖1，過氧化氫 ( H2O2 ) 的結構中，若在O-O鍵結間嵌入羰基（CO）可得碳酸（H2CO3）；若在H-O鍵結間嵌入羰基則可得過氧甲酸（HCOOOH）。比較碳酸及過氧甲酸此二同分異構物可發現，對於接在氧上的氫原子而言，解離前-O-H旁所鄰接的原子團皆是2個氧、1個碳及1個氫構成，但接法不同，在碳酸中-O-H先鄰接羰基（CO）再接氧原子，過氧甲酸中-O-H先鄰接氧原子再接羰基（CO），誘導效應雖有差異但相近。當碳酸與過氧甲酸解離成陰離子A–後，負電荷在氧原子上的分散情形不同1，如圖2。
碳酸氫根 過氧甲酸根
圖2：碳酸氫根與過氧甲酸根的負電荷在氧原子上的分散情形不同
在過氧甲酸根（H-CO-OO–）中，一個負電荷分散至三個孤對電子（lone pair），過氧甲酸的pKa1值較過氧化氫約降低4個數量級；在碳酸根（HO-CO-O–）中，由於C-O的π鍵會共振，一個負電荷分散至六個孤對電子(lone pair)，碳酸的pKa1值較過氧化氫約降低8個數量級，比過氧甲酸降更多，可歸因於碳酸中兩個C-O鍵上π鍵的共振效應。
n 電荷分散效應較弱時，誘導效應影響酸性強弱的實例討論
過氧化氫 過氧甲酸
11.62, 11.623, 11.655, 11.767.14, 7.7710
圖3：過氧化氫與過氧甲酸（peroxyformic acid）的結構式及其不同參考資料的pKa1值
根據圖3，過氧化氫與過氧甲酸在解離成陰離子A–後，皆無C-Oπ鍵的共振結構，負電荷在氧原子上的分散情形1，均為一個負電荷分散至三個孤對電子（lone pair）。然而，由於兩者的結構差了一個羰基（CO），過氧化氫的O-H結構間嵌入羰基（CO）後，pKa1降低，故可視為羰基（CO）的誘導效應造成酸性提升，約在4個數量級左右。仿此，如圖4，甲基過氧化氫的結構中，在C-O鍵結間嵌入羰基（CO）可得過氧乙酸，過氧乙酸的pKa1值較甲基過氧化氫約降低3個數量級。
甲基過氧化氫 過氧乙酸
11.52 8.23,2
圖4：甲基過氧化氫（methyl hydroperoxide）與過氧乙酸（peroxyacetic acid）的結構式及其不同參考資料的pKa1值
n 電荷分散效應較強時，誘導效應影響酸性強弱的實例討論
碳酸 草酸
3.582, 3.73； 57, 6.36, 6.358, 6.3519, 6.35251.259, 1.2713,5
圖5：碳酸（carbonic acid）與草酸（oxalic acid）的結構式及其不同參考資料的pKa1值
根據圖5，碳酸11,12,13與草酸在解離成陰離子A–後，皆具有羧酸根（COO–）的結構，而兩者末端氧原子上的負電荷皆會藉由C-O間π鍵的共振結構將之分散1，分散效益相近，然而，若將草酸視為在碳酸的C-O間嵌插入羰基（CO）的分子結構，則可以解釋為羰基（CO）使分子末端H的pKa1降低。故可理解為羰基（CO）的誘導效應造成酸性提升，約在2個數量級以上。
甲酸 乙醛酸
3.7513,5, 3.7593.189, 3.303,5
圖6：甲酸（formic acid）與乙醛酸（glyoxylic acid）的結構式及其不同參考資料的pKa1值
根據圖6，甲酸與乙醛酸在解離成陰離子A–後，皆具有羧酸根（COO–）的結構，而兩者末端氧原子上的負電荷皆會藉由C-O間π鍵的共振結構將之分散1，分散效益相近，然而，若將乙醛酸視為在甲酸的C-O間嵌插入羰基（CO）的分子結構，則可以解釋為羰基（CO）使羧基（COOH）末端H的解離度升高與pKa1降低。故可理解為羰基（CO）的誘導效應造成酸性提升，約在0.5個數量級。
由以上的比較可知，羰基（CO）會使接在氧上的氫更容易解離，所以，結構具有O-H的含氧酸分子中，對於接在氧上的氫原子而言，羰基（CO）是拉電子基，藉由誘導效應，會增加該氫原子的部分正電荷，增強其酸性。，且羰基（CO）與–OH「鄰接」時的誘導效應比「非鄰接」時的影響大很多。
n 電荷分散效果及誘導效應兩因素同時改變對酸性強弱影響的實例討論
當具有O-H結構的有機物嵌入羰基（CO），使羰基（CO）的誘導效應及C-Oπ鍵的共振效應同時增強時，其鄰接O-H結構中的氫原子之酸性增強幅度更大。將醇基所接碳上的兩個C-H單鍵，改為與氧接的雙鍵形成羰基（CO）而成為羧酸時，以圖7、圖8及圖9為例，上述的兩效應使pKa1值依序遽減了11.45、10.7、11.27，酸性提升皆在10個數量級以上，因此，結構中羰基（CO）對羧酸的酸性扮演了非常重要的角色，這裡通常也是我們引導高中生認識有機羧酸結構特性的切入點。
甲醇 甲酸
15.214,15.52,7,9,1663.759,3.7513,3.7555
圖7：甲醇及甲酸的結構式及其不同參考資料的pKa1值
乙醇 乙酸
15.59,167,14 4.7415,4.7565,4.7614,4.87
圖8：乙醇及乙酸的結構式及其不同參考資料的pKa1值
乙二醇 乙醇酸
14.223, 15.19 3.839, 3.8315
圖9：乙二醇及乙醇酸（glycolic acid）的結構式及其不同參考資料的pKa1值
綜觀圖1~圖9中pKa1的實例比較，可以推論，羧酸（RCOOH）中的羰基（CO）對羧酸酸性的影響甚鉅，而羰基（CO）的嵌入所造成鄰接羥基（OH）中H原子解離度增大與pKa1下降，可用誘導效應及共振效應來解釋，如圖10。
羧酸 羧酸根
HA A–
圖10：HA解離前，羧酸分子中羰基上氧原子經誘導效應使氫的部分正電荷增強；
解離後的A–，羧酸根離子經由共振效應使負電荷分散至兩個氧原子上。
n 分子中羥基鄰接羰基時，羰基數目與鄰接羥基數目的檢視
整理前述例子，將其分子中羥基（OH）所分配到的鄰接羰基（CO）數目條列後如下表：
|
酸的種類 |
pKa或pKa1(25℃) |
鄰接羥基的 |
鄰接羰基的 |
x / y |
|
過氧化氫 |
11.62, 11.623, 11.655, 11.76。 |
無 |
無 |
— |
|
碳酸 |
3.582, 3.73, 57, 6.36, 6.358, 6.3519, 6.3525。 |
1 |
2 |
1/2 |
|
過氧甲酸 |
7.7710, 7.14。 |
無 |
無 |
— |
|
甲基過氧化氫 |
11.52。 |
無 |
無 |
— |
|
過氧乙酸 |
8.23,2。 |
無 |
無 |
— |
|
草酸 |
1.259；1.2713,5。 |
2 |
2 |
1/1+1/1 |
|
乙醛酸 |
3.189；3.303,5； |
1 |
1 |
1/1 |
|
甲醇 |
15.214, 15.52,7,9, 166； |
無 |
無 |
— |
|
甲酸 |
3.759, 3.7513, 3.7555, 3.772； |
1 |
1 |
1/1 |
|
乙醇 |
15.59；167,14； |
無 |
無 |
— |
|
乙酸 |
4.7415, 4.7565, 4.7614, 4.87； |
1 |
1 |
1/1 |
|
乙二醇 |
14.223, 15.19。 |
無 |
無 |
— |
|
乙醇酸 |
3.839, 3.8315。 |
1 |
1 |
1/1 |
表1：綜觀前述各例子的酸，將不同參考資料的pKa值或pKa1值、鄰接羥基的羰基（CO）個數x、鄰接羰基的羥基（–OH）個數y與其比值（
）作一整理及比較。
由上表可知，最右欄（
）註記為「—」者，pKa1皆在7以上，表示該分子酸性較弱；反之，註記有數字者，pKa或pKa1皆在7以下，代表該分子酸性較強，也就是說，解離前羥基鄰接羰基時，酸性皆比較強。
n 誘導效應與電荷分散效果影響酸性強弱的歸納與應用
以此類推，上述羰基（CO）中的碳若換成其他中心原子時，在高中常見的酸中，具有如圖11結構者也能適用，僅鍵結中心原子且不接其他原子的氧原子，可稱之為「強力氧」，「強力氧」會使解離後A–的負電荷分散使酸性增強，而「強力氧」對HA解離前中心原子旁O-H產生誘導效應所造成的酸性變大，也是重要原因。
圖11：「強力氧」可藉由共振效應使解離後A–的負電荷分散，也可藉由誘導效應使HA解離前的氫原子部分正電荷增強。圖中框框的位置，可以是C、N、Cl、P、S等原子。
高中課程常見的酸中，許多都有「強力氧」結構，會增強如圖11結構O-H中氫原子的酸性，整理如下表：
|
酸的種類 |
pKa或pKa1(25℃) |
「強力氧」個數(a) |
–OH的個數(b) |
a/b |
|
HClO4 |
-102, 14,8,16,17, -7.315, -1.69。 |
3 |
1 |
3 |
|
HClO3 |
-117, -1.014, -316。 |
2 |
1 |
2 |
|
HClO2 |
1.949, 1.9614, 217, 2.03,16。 |
1 |
1 |
1 |
|
HClO |
7.409, 7.433, 7.516,17, 7.502,14, 7.545,9。 |
0 |
1 |
0 |
|
H2SO4 |
-107, -98, -314,16, -3.02。 |
2 |
2 |
1 |
|
H2SO3 |
1.859, 1.895, 1.92；1.923。 |
1 |
2 |
|
|
HNO3 |
-214, -1.57, -1.385, -1.32,8, -116。 |
2 |
1 |
2 |
|
HNO2 |
3.1385, 3.259, 3.292, 3.38。 |
1 |
1 |
1 |
|
HCOOH |
3.759, 3.7513, 3.7555, 3.772。 |
1 |
1 |
1 |
|
CH3OH |
15.214, 15.52,7,9, 166。 |
0 |
1 |
0 |
|
CH3COOH |
4.7415, 4.7565, 4.7614, 4.87。 |
1 |
1 |
1 |
|
C2H5OH |
15.59；167,14。 |
0 |
1 |
0 |
|
H3PO4 |
2.121, 2.122,14, 2.1483,5,20, 2.1520, 19, 2.169, 2.1618。 |
1 |
3 |
|
|
H3PO3 |
1.2919, 1.39, 1.435, 1.520, 2.003,18。 |
1 |
2 |
|
|
H3PO2 |
~118, 1.0711, 1.1019, 1.35,20, 2.03, 2.012。 |
1 |
1 |
1 |
表2：依高中課程中常見酸的結構，將其不同參考資料的pKa或pKa1值、「強力氧」的個數（a）、羥基（–OH）的個數（b）與其比值（
）作一整理與比較。
由表2可知，當中心原子相同時，每一O-H中的氫所分配到的「強力氧」愈多，即
愈大，其酸性愈強。
一個「強力氧」，a=1 一個「強力氧」，a=1 一個「強力氧」，a=1
三個鄰接中心原子的–OH，b=3 兩個鄰接中心原子的–OH，b=2 一個鄰接中心原子的–OH，b=1
圖12：磷酸（H3PO4）、亞磷酸（H3PO３）與次磷酸（H3PO２）的結構式，方框的是「強力氧」， a值皆為1，虛線楕圓所圈的是鄰接中心原子的–OH基，三者的數量不同，依序為3、2、1，因此，三者的
值依序分別是
、
、1。
依此，將以上的規則，應用於磷酸、亞磷酸、次磷酸的酸性比較上時，如圖12所示，三者皆各有一個「強力氧」，皆有鄰接中心磷原子的–OH基，依序分別有3個、2個及1個，各分子中鄰接P原子的–OH基所分配到的「強力氧」，即
值，依序為
、
、1，故酸性的強弱順序為：
H3PO2＞H3PO3＞H3PO4，而這樣的排序與說法也見於新近出版的原文教科書中21。
n 結論
在水中經一次解離出氫離子後，磷酸根（H2PO4–）、亞磷酸根（H2PO３–）與次磷酸根（H2PO２–）的電荷分散效應1相近，而在水中解離前，磷酸（H3PO4）、亞磷酸（H3PO３）與次磷酸（H3PO２）的三結構中，中心原子磷都鄰接一個不接氫的「強力氧」，此「強力氧」透過誘導效應，增強各分子中酸性較強的氫所帶的部分正電荷（δ＋），如果鄰接中心原子磷的–OH數愈少，增強的效果愈集中，增強效應愈好，分子中–OH結構中氫的酸性也會愈強，如圖13所示，大小箭頭表示誘導效應的方向及強弱，用大小δ＋表示所標註氫的部分正電荷大小，可用來表達本篇文章中所做的酸性比較，因此，酸性的強度：磷酸＜亞磷酸＜次磷酸，希望這篇文章的觀點能解決多年來高中化學教師與學生們在磷酸、亞磷酸、次磷酸在酸性比較上的困惑。
圖13：磷酸（H3PO4）、亞磷酸（H3PO３）與次磷酸（H3PO２）三結構式中，誘導效應以箭頭表示，箭頭大者效應強；分子中酸性較強的氫所帶部分正電荷以「δ＋」註記，「δ＋」愈大，表示該氫的部分正電荷愈強，酸性也愈強。
n 參考資料
1. 施建輝，, 高中化學教學疑難問題與解題：非含氧酸的酸性強度判斷與酸與鹼教學上的問題研究，第24期，2018年3月，臺灣化學教育(Chemistry Education in Taiwan)。
2. www.mch.estranky.skfile24pka_tables.pdf,compiled by R. Williams.
3. James G. Speight, Lange’s Handbook of Chemistry, Sixteenth Edition, McGRAW-HILL.
4. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/66051#section=Decomposition，performic acid 4-2.6 Dissociation constants.
5. Dean, J.A. (ed.). Lange’s Handbook of Chemistry. 13 ed. New York, NY: McGraw-Hill Book Co., 1985.
6. https://www.chem.wisc.edu/areas/reich/pkatable/index.htm, compiledby Hans J. ReichLast updated 10/27/2017 05:31:27.
7. Marye Anne Fox, James K.Whitesell,Organic Chemistry,table6.2,p295.
8. https://www2.onu.edu/~b-myers/organic/2511_Files/Chapter3-pKa%20table.pdf, compiled by B-Myers,updated 9/6/2016.
9. David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics.
10. F. A. Carroll Perspectives on Structure and Mechanism in Organic Chemistry, Wiley-Interscience, 2010, ISBN 0-470-27610-X p. 416.
11. M. H. Moore; R. K. Khanna (1990).”Infrared and mass spectral studies of proton irradiated H2O + CO2 ice: Evidence for carbonic acid”.SpectrochimicaActa Part A. Bibcode:1991AcSpA..47..255M. doi:10.1016/0584-8539(91)80097-3. (http://science.gsfc.nasa.gov/691/cosmicice/reprints/H2CO3-1.pdf)
12. Hage, W.; Hallbrucker, A.; Mayer, E. (1993). “Carbonic Acid: Synthesis by Protonation of Bicarbonate and FTIR Spectroscopic Characterization Via a New Cryogenic Technique”. J. Am. Chem. Soc. 115 (18): 8427–8431. doi:10.1021/ja00071a061.
13. J. Bernard, R. G. Huber, K. R. Liedl, H. Grothe and T.Loerting，Matrix isolation studies of carbonic acid – the vapour phase above theβ-polymorph，J. Am. Chem. Soc. 135, 20, 7732-7737.
14. Robert S. Biokess,Chemical Principles for Organic Chemistry,CENGAGE Learning.
15. William W. Porterfield, Inorganic Chemistry, Academic Press, 2013.
16. Daniel L. Reger, Scott R. Goode, David W. Ball.,Chemistry: Principles and Practice, Cengage Learning.
17. Jonathan Clayden, Nick Greeves, Stuart Warren,Organic Chemistry,OUP Oxford, 2012.
18. Bodie E. Douglas Darl H. McDaniel John J. Alexander, Concepts and models of INORGANIC CHEMISTRY Second Edition.
19. Merck Index
20. Daniel C. Harris Quantitative Chemical Analysis Seventh Edition, W.H.Freeman and Company, New York.
21. R. L. Madan, Chemistry for Degree Students, S. CHAND & COMPANY PVT. LTD, 2014.
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
星期三 , 5, 9 月 2018 化學實驗室, 化學課程與教材, 第27期/2018年9月 在〈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〉中留言功能已關閉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)+C2O42‒(aq)[1]
Ksp=[Mg2+][C2O42‒][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)+5C2O42‒(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
|
藥品 |
濃度 |
體積 |
|
草酸鎂 |
未知 |
20 mL |
|
硫酸 |
2M |
30 mL |
|
過錳酸鉀 |
0.02M |
未知 |
(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
(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。
C2O42‒(aq)+I3‒(aq)→2CO2(g)+3I‒(aq)[4]
Ksp＝[Mg2+][C2O42‒]＝[C2O42‒]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)+2S2O32‒(aq)→S4O62‒(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]
Ksp=[Mg2+][C2O42‒]= [C2O42‒]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]
Ksp=[Mg2+][C2O42‒]= [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
|
藥品 |
莫耳體積濃度 |
藥品 |
莫耳體積濃度 |
|
草酸鎂 |
飽和水溶液 |
硫代硫酸鈉Na2S2O3 |
0.05M |
|
碘I2 |
0.01M |
氫氧化鈉NaOH |
0.1M |
|
碘化鉀KI |
─ |
太白粉(澱粉) |
數克 |
表三：改良草酸鎂溶解度積常數實驗的儀器
|
器材 |
數量、用量 |
器材 |
數量、用量 |
|
錐形瓶150mL |
數個 |
漏斗 |
1個 |
|
滴定管25mL |
1隻 |
雷射筆 |
1隻 |
|
容量瓶100mL |
3個 |
支架 |
2座 |
|
濾紙 |
數個 |
量筒25Ml |
2個 |
|
刮杓、玻棒 |
各1個 |
溫度計 |
1隻 |
|
燒杯 |
3個 |
電子秤 |
1台 |
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
|
次別 |
第一次 |
第二次 |
第三次 |
第四次 |
第五次 |
|
Na2S2O3用量mL |
1.8 |
2.0 |
1.9 |
1.6 |
1.3 |
|
次別 |
第六次 |
第七次 |
第八次 |
第九次 |
第十次 |
|
Na2S2O3用量mL |
1.5 |
2 |
1.8 |
1.4 |
1.9 |
|
平均用量mL |
1.72 |
||||
|
草酸濃度M |
8.1×10‒3 |
||||
|
草酸鎂溶解度積常數 |
(8.1×10‒3)2= 6.56×10‒5 |
||||
(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
|
次別 |
第一次 |
第二次 |
第三次 |
第四次 |
第五次 |
|
0.1M氫氧化鈉用量mL |
1.4 |
1.5 |
1.8 |
1.7 |
1.8 |
|
次別 |
第六次 |
第七次 |
第八次 |
第九次 |
第十次 |
|
0.1M氫氧化鈉用量mL |
1.8 |
1.3 |
1.6 |
1.6 |
1.5 |
|
平均用量mL |
1.6 |
||||
|
草酸濃度 M |
8.0×10‒3 |
||||
|
草酸鎂溶解度積常數 |
6.4×10‒5 |
||||
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
星期二 , 4, 9 月 2018 化學課程與教材, 第27期/2018年9月 在〈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〉中留言功能已關閉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
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。
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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 |
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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。
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圖七 看誰跑得快 |
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圖八 顏色的分離 |
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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？