臺灣化學教育

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

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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

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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/.

創意化學實驗：
高解析度質譜快速鑑定未知農藥

方銘志*、蔡佳芬、高雅敏、王德原

衛生福利部食品藥物管理署
*[email protected]

n  前言

未知物的分析如同尋寶一般，憑著一絲線索逐步發掘更多的線索，最後一步步、一塊塊得拼湊出未知物的樣貌，其過程有如大海撈針，充滿著冒險與挑戰。過去一項未知物質的鑑定工作，從找出可疑訊號開始，歷經可疑物質純化分離，最後面臨其結構鑑定與確認，所需要的時間至少超過半年甚至更久；而隨著現代質譜科技的進步，本文藉由二個不明粉末鑑定的實際案例，利用高解析度質譜逐步推敲出未知物質的結構，最後確認為違法的新興農藥，整個過程所需時間僅數星期，文中以化學元素精確分子量及元素間穩定同位素比例的觀念，快速解析出未知物質，是化學元素基礎理論實際應用的優良實例，現代化高解析度質譜是鑑驗一大利器，搭配專業人員的化學知識得以搭建高效率檢驗圍籬，阻絕危害物質進入國內，維護國民健康。

n  質譜儀

三稜鏡用於光的色散，可以把一束白光分出七彩，而這一道道不同顏色的光，是不同波長的光線因折射率不同，而在折射時偏轉不同角度，稱為光譜（spectrometry）。質譜（mass spectrometry）意思就是質量（mass）與光譜，原理亦如三稜鏡般，但不同的是使用磁場或是電場代替稜鏡，而帶電物質會因為其質量大小而影響其在磁場或是電場偏移的角度，因此能把物質依質量大小分開，也可以叫做質量分析器，可以想像質譜儀是一個秤，可以秤量化學分子的質量，解析度高的質譜儀可以量測質量至很精準的地步，如小數點下第四位統一原子質量單位（Unified atomic mass unit, u），這時就可以輕易地分辨出例如水（H₂O=18.015 g mol^-1）和銨（NH₄⁺=18.038 g mol^-1）整數質量（Nominal Mass）同為18的兩個不同物質。利用高解析度質譜儀能幫助我們以較少的樣品量與較快的速度，鑑定出未知物質的化學元素組成。

n  不明粉末成分鑑定

近年國際快遞頗為流行，著名的國際購物網站如Amazon、淘寶等林立，我們只要在手機或電腦前按幾下，商品就會送到家門口，頗有貨暢其流寓意，去年2017年海關簡易進口數量就超過三千萬件，平均每位國民都有買超過一件以上的國際快遞物品，但這條〝路線〞卻也成為違法進口的康莊大道，不時可以在電視及網路媒體新聞上見到不肖業者利用國際快遞郵包，夾藏毒品、化學物質、藥物等，利用迂迴郵寄路線，增加查緝難度，使得多種化學物質在無人知曉的狀況，偷偷的進入國內，嚴重危害國民健康。

二件關務署送驗的未知粉末，其中一個是重達20公斤的國際快遞郵包，申報名稱為material，但實際上為黃色粉末物，貨品與名稱不符，遭關務署查扣，這件可疑的未知黃色粉末（見圖一左），經過一般例行性檢驗後，結果為未檢出現行檢驗方法列出之農藥有效成分，由於仍不知是什麼物質，於是輾轉送到食品藥物管理署檢驗。另一件是外觀類似水泥的細粉，顏色為白色（見圖一右），也是國際快遞郵包遭攔截，經例行性毒化物檢驗後，結果也為農藥未檢出。這二件檢體，經初步的溶劑萃取與層析分離後，可疑的訊號以高解析度質譜分析，能快速拼湊出未知物質的化學元素組成。但事實上未知物質的檢驗，在以儀器分析前的樣品處理步驟，才是最難的地方，因為不知道它是什麼成分或組合的物質，需要憑經驗嘗試許多不同的參數，例如：不同極性的溶劑、酸鹼值調整及溶劑間的分配率等一試再試，最後才能萃取出有代表性的檢液；而以層析方法初步分離未知物質後，還要能幸運的挑出可疑訊號，若挑出的訊號只是不純物而不是想要分析的未知物，只能回頭再重來一次，但既然是未知物，就什麼都有可能，這挑出可疑訊號的過程猶如大海撈針，在實務上比我們接下來要談的如何利用高解析度質譜快速鑑定未知物的結構還難呢！以下二張圖就是這二個未知物以高解析質譜儀分析的質譜圖，圖2是不明黃色粉末之質譜圖，圖3則為不明白色粉末之質譜圖。我們之前談論過質譜儀好像是一個秤，可以秤出分子的質量，那也許你會問為什麼圖一的黃色粉末經質譜儀分析後得到的結果竟有至少4個不同的質量，其實這四個質量都來自同一個未知物，原因是自然界存在天然同位素。

圖1：可疑的未知黃色粉末（左）和外觀類似水泥的白色細粉（右）

圖2：不明黃色粉末之高解析質譜圖

圖3：不明白色粉末之高解析質譜圖

n  同位素是甚麼？可以幫助預測分子元素組成？

我們知道有機物質主要由碳、氫、氧、氮及硫組成，有時還含有鹵素，在自然界天然存在著同位素，他們的質量及在自然界中的比例如表1所示。如果一個有機分子裡所含的元素全都由自然界豐量最高（most abundant）質量的元素組成，稱為單一同位素（monoisotope），但事實上因自然界存在著同位素，因此所有有機物質均有同位素。以一個簡單的分子「苯」舉例來說，苯的化學式是C₆H₆，一般我們在算分子量時都使用整數，因此苯的分子量約為126 + 16=78(g mol^-1)。如果參考表1算得仔細一點為12.0000006 + 1.0078256 = 78.04695 (g mol^-1)。如果上網（例如：Wikipedia）查尋苯的分子量（或稱莫爾質量），則我們得到數字卻是78.11g mol^-1，為什麼上網查得78.11g mol^-1而我們自己查表算的確是78.04695g mol^-1呢？原因是我們在計算時沒有考慮到同位素，我們只計算分子量最小的分子，事實上苯分子上碳有可能被碳13（¹³C）所取代，而這個含有1個碳13的苯分子質量就會變成79.0503 （12.0000005 + 13.0033551 + 1.0078256）(g mol^-1)，這個比較重的苯出現機率還蠻高的喔，超過6%，利用數學課裡曾教過的排列組合，我們可以計算出來，如果含6個碳的苯其中1個碳是碳13的機率，那就是從6個碳裡取1個出來的機率，數學式為0.011¹0.989⁵= 0.0624  6%，意思就是1個碳13和5個碳12的機率（0.011和0.989分別為碳13和碳12在自然界中出現的機率，可以由表1中得到），因此如果以高解析質譜來分析苯，它的質譜圖會如圖4所示，至少可以看到3種苯分子的同位素組成，分別是質量為78、79和80的三種苯同位素，而一般我們所使用的莫爾質量就是平均分子量，是計算苯所有同位素的算術加權平均分子量，算法如表2所示：

表1：常見元素之質量及在自然界之比率

表2：計算苯所有同位素的算術加權平均分子量

圖4：苯的高解析質譜圖及其同位素組成

現在我們可以開始來利用某分子的同位素組成，推測它可能含有的元素比例，第一個未知物的質譜圖（見圖2）告訴我們這個未知物的精確分子量為271.09531g mol^-1，這個數字是該未知物因以電灑游離法分析，其單一同位素分子上多了一個氫離子，呈正1價的帶電狀態（M+H⁺），我們在分子量約增加1處（272.09848）也可以看到一個訊號，這是該未知物的M+1，以此類推，M+2及M+3也都看得到，而M+1多半由碳13所貢獻，因為常見主要元素中會對M+1有貢獻的元素只有碳、氮及硫而已（見表1），而碳在自然界中的比例又較其他二者氮及硫為高，且有機物幾乎都含有碳。我們從圖2中可以看出當M的數量為100時，M+1有14，所以M+1與M的比例約為12% [14/(14+100)=0.122]，若該未知物含有n個碳，則該未知物M+1的比例應為0.011¹0.989^n-1，而=n，若將0.989^n-1當成1時該數學式則可化簡為：M+1的比例%=n0.011，所以n= (M+1的比例)/1.1，我們已經從質譜圖中得知該未知物的M+1比例為12，因此可以推測該未知物含有11個碳原子（12/1.111）。同理該未知物的M+2有將近25%，從表1中可以知道，會對M+2有貢獻的有機元素只有氧18、硫34、氯37及溴81，只有含1個氯合理，因此憑藉質譜圖，我們已經可以得到多項未知物的資訊如：精確分子量為271.09531、含有11個碳及1個氯。

另一個未知白色粉末的質譜圖如圖3所示，顯示未知化合物之單一同位素精確分子量為529.9550 （M+H⁺），數量最高的同位素是M+2處的同位素（m/z 531.9524），其次則是M+4處（m/z 533.9495），這種奇怪的組成是因為該未知分子含有鹵素，因為鹵素同位素在自然界的比率都很高，可以由表1中看到，我們推測其元素組成一定含有多個氯及溴，因為氯或溴主要只有M+2n同位素，而此未知化合物之M、M+2、M+4和M+6的量在圖2中分別為50、100、65和20，因此M、M+2、M+4和M+6之相對比例則分別為21%、42.5%、27.6%和8.5%，相對比例之計算方式以M處同位素為例，M% = 50/(50+100+65+20) × 100% = 21%（M+8因為太小所以忽略不計）。

我們要推測該未知化合物分子式中氯或溴的可能數量，讓我們先猜猜如果該未知物含有1個溴和2個氯，那該未知物的質譜圖中M+2之比例應該要是47.7%，算法是因為1個溴和2個氯中只有1個同位素，所以可能組合是⁸¹Br³⁵Cl₂（溴為較重同位素）+ ⁷⁹Br³⁷Cl³⁵Cl （1個氯為較重的同位素），數學式則為0.493¹0.758² + 0.507¹0.758¹×0.242¹ = 0.477，這與圖3中的實驗值42.5%並不相符。那我們再試試，如果該未知物含有1溴和3氯，其M+2之比例則會是42.6%，因為1溴和3氯中只有1個是同位素，可能組合是⁸¹Br³⁵Cl₃ + ⁷⁹Br³⁷Cl³⁵Cl₂，數學式為0.493¹0.758³ +0.507¹ 0.242¹  0.758² = 0.426，這與實驗值42.5%相當接近，所以該未知物可能含有1個溴和3個氯。我們可以再算一算M+4的比例來做第二次確認，如果1個溴和3個氯中有2個同位素時可能組合為⁸¹Br³⁷Cl³⁵Cl₂ + ⁷⁹Br³⁷Cl₂³⁵Cl，數學式則為0.493¹0.242¹  0.758² +0.507¹ 0.242²  0.758¹ = 0.273，這與實驗值27.6%也很接近。另外，該未知物含有的碳數量為19個，因為我們從圖3中計算M+1和M的比值約為20%，因此20/1.1  19。最後我們得到這個白色未知粉末的資訊為：精確分子量529.955g mol^-1，含有1個溴、3個氯及19個碳。

n  質量能秤得多精準

從表1中我們可以看到，除了碳12的原子量是12.000000為整數之外，其他的元素都不是整數，這是國際原子量委員會（International Committee on Atomic Weights,ICAW）決定以碳-12（¹²C）為原子量的比較標準，其他元素的質量都是和碳-12來比較。可以看到各元素的原子量都接近整數，但均有小數點以下位數之數值。讓我們再看一次黃色未知物的質譜圖（圖2），M+1和M之間的距離，事實上就是碳-13（¹³C）和碳-12同位素之間的差，不難理解M+1是因為該未知物分子裡其中1個碳-12被碳-13所取代，因此，M+1和M之間的距離可以算出是13.003355‒12.000000=1.003355，讓我們把圖2中的M+1訊號放大來看如圖5所示，我們發現M+1的訊號其實不只是只有1個分子，分子量272.09848代表的是該未知物分子中有1個碳-12被碳-13所取代，那它之前的那一個小訊號272.09311是甚麼呢？它只會是含硫-33（³³S）或是氮-15（¹⁵N）的同位素，如果是硫的話（意思是該未知物含有硫元素，而且其中1個硫-32（³²S）被硫-33所取代），那它應該在距離M 0.999387處有訊號（³³S‒³²S = 32.971459 ‒ 31.972072）。事實上，我們在圖5中並未見到，因此可以推測該未知物的組成沒有硫元素。那這個小訊號一定是氮嗎？我們可以算算看，若該未知物含有氮，且分子中有1個氮被氮-15所取代，它的重量應該會增加15.000109 ‒ 14.003074 = 0.997035，因此會在距離M+1左邊約0.0063 u處有1個小訊號，實際上我們也在圖5中見到了（圖5中二個訊號的距離約0.0054 u，雖然有誤差，但可以明顯判別該訊號非硫所貢獻，所以一定是氮），而這個訊號的比例約為1.5%，再由表1中得知氮15在自然界中的比率為0.36%，因此0.0036¹ 0.993^n-1=1.5%，可以化簡為n0.36=1.5，所以n4，因此我們又得到另一個有關該未知物的資訊就是它還含有4個氮。綜上所述，如果質譜儀的解析度可以區分小數點以下4位的u，我們可以快速的解開未知物質的元素組成，這就是拜現代高科技之賜，然而從此例中也可以知道目前所使用的最高階儀器仍有誤差，需引進更高解析度的質譜儀，方能以科學證據，持續防杜不法。

圖5：黃色未知物之M+1高解析質譜圖

n  未知農藥結構快速鑑定

使用高解析質譜儀，我們得到黃色未知物之資訊為C₁₁H_xO_yN₄Cl+H⁺=271.09531，X與Y雖為未知，但因H=1.007825、O=15.994915，要與該分子量的小數位0.09531符合，因此唯一可能的組合為15個H和2個O，所得到的化學式為C₁₁H₁₅O₂N₄Cl，這個未知物被解出來是烯啶蟲胺（Nitenpyram），並透過和標準物質比對後確認。烯啶蟲胺是動物用殺蚤劑，但不得使用於供作人類食用之動物身上，烯啶蟲胺的化學結構和前一陣子雞蛋中芬普尼殘留事件的主角芬普尼（Fipronil）相似。由於無法於一般例行性檢驗中被檢測出來，若於市售肉品、蛋品中發現，即為違法使用，所幸有被查緝攔阻。

另一白色未知粉末經試驗後所得到的資訊為C₁₉H_xN_yBrCl₃O_z+H⁺=529.955，唯一的可能組成為C₁₉H₁₅N₅BrCl₃O₂，得到國際純化學暨應用化學聯合會（InternationalUnion ofPure andAppliedChemistry, IUPAC）名為3-bromo-1-(3-chloro-2-pyridinyl)-N-[2,4-dichloro-6-(isopropylcarbamoyl)phenyl]-1H-pyrazole-5-carboxamide的化合物，結構如圖6所示。雖然此化合物並沒有商業化標準品，無法以標準品進一步比對，但是以質譜碎片和核磁共振光譜（NMR）可加以確定無誤。有趣的是該粉末竟為一種名為氯蟲苯甲酰胺（Chlorantraniliprole）農藥的結構類似物，從圖6中可以看出它們之間的不同處和相同處，這是化學家刻意合成的農藥結構相似物，屬於新興農藥，由於這種新合成的農藥結構相似物無法於例行性農藥殘留檢驗中被發現，如被不肖者使用於農產品、有機食品、無毒食品中，將能僥倖逃過檢驗，所幸被查緝出並無流入市面。未知物檢驗的挑戰度高，隨者科技不斷的進步，很多未知物終將漸漸被發現而成為已知物，但也不斷有未知物被合成及使用。

 

圖6：農藥氯蟲苯甲酰胺（Chlorantraniliprole）和白色未知粉末的結構

n  參考文獻

1.      週期表上原子量的數字即將有所更動，http://case.ntu.edu.tw/magichem/blog/?p=1168.

2.      Table of isotopic masses and natural abundances, https://goo.gl/M6HfmS.

3.      Unified atomic mass unit, https://en.wikipedia.org/wiki/Unified_atomic_mass_unit.

創意化學實驗：光譜儀的製作及電漿光譜的觀測

范智傑¹、洪舜文¹、吳韋霆¹、黃佑杰¹、周芳妃²、盧麗娟³、呂家榮*¹

1.國立臺灣師範大學化學系

2.台北市立第一高級女子中學

3.臺北市立南港高級工業職業學校

*[email protected]

壹、前言

    大家對「電漿」這個東西可能會很陌生，但其實「電漿」卻跟我們的生活息息相關。舉凡日常生活中的日光燈管、霓虹燈的發光；大自然中的閃電，極光皆是應用到電漿的原理。本實驗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之後，即可用於偵測電漿光譜性質。在實驗室中利用高壓直流電在金屬電極尖端放電，也可以產生電漿。本實驗取用家庭中常見電蚊拍電路裝置，應用以產生大約3000伏特但電流很微弱的高壓直流電。在自製電漿瓶裡有兩個電極，瓶中填入待測氣體，與電蚊拍的電路連接以後，電漿就會在兩個金屬電極尖端放電生成，於瓶中看到類似「極光」的現象。最後，利用自製光譜儀，量測自製電漿的光譜訊號，得到電漿光譜。

 

█什麼是光譜儀?

    光譜儀（Spectroscope）屬於科學儀器，由稜鏡或衍射光柵等分光材料構成，可將具有多種頻率的的光線，經過分光材料而將光線分辨出各種色光的波長或頻率。這些被分析出來的色光可稱為光譜線，光譜儀測量得到的光線性質與光譜線的關係可統稱為光譜。

█什麼是電漿?

   最早在1920年代，Langmuir等人首先研究電漿中的現象，發現氣態離子的存在，而在1929年Langmuir使用了電漿 (plasma)來敘述此類離子化氣體的現象。

圖1:離子化氣體放光圖

若對物質施加高溫或加速電子、加速離子等能量，中性物質會透過激發、解離、離子化等反應而產生分子(molecules)、原子(atoms)、激態物質(excited species)、電子(electrons)、正離子(positive ions)、負離子(negative ions)、自由基(free radical)、紫外光、可見光等物質。這些物質混合在一起的狀態就稱為電漿，因其不同於 固、液、氣三態，因此電漿常被稱為是物質的第四態。日常生活中常看到的日光燈、霓虹燈發亮的狀態，就是屬於電漿發亮的狀態。

 

◆ 如何產生電漿?

    電漿的產生是因為具有足夠能量的電子去撞擊中性氣體，使中性氣體解離失去電子而產生電漿。但中性氣體的原子核對其電子具有束縛能，外界電子能量需大於束縛能，才可在衝撞中性原子時造成中性原子解離出電子。所以我們需要以高壓直流電的方式來使電子的能量足夠，電子在電極中會被帶正電之電極吸引而加速，在加速過程中電子就可以累積能量，當電子的能量達到某一個程度後就有足夠能力來解離中性氣體。

 

貳、實驗器材列表:

一、基本器材： l   筆、橡皮擦、美工刀、方格紙、手套 l   大針筒(50mL)x1 l   小針筒(10mL)x1 l   木夾子x1 二、電漿燈源： l   雙頭鱷魚夾1~2個 l   電蚊拍電路x1 l   電漿燈源樣品瓶x1 l   變壓器x1 l   氣體(氦氣鋼瓶即錶壓頭) l   教師準備：市售未知氣體小型螢光燈

三、光譜儀製作： l   CD片(分光用) 1小片 l   黏土4~5塊 l   光譜儀模板(包括內部隔板、架燈源板子)一組 l   光電晶體x1 l   10M歐姆電阻x1 l   9V電池x1 l   3V電池組x1 l   各色光LED燈(紅、綠、藍、白)各1個

 

叁、實驗步驟

一、光譜儀的製作

   本步驟中將利用光碟片碎片做為簡易「光柵」來進行分光實驗，並且利用「光電晶體」來偵測光源各波長的相對強度。

 

1.          將事先裁好的紙板順著割痕輕折，以黏土或膠帶黏成盒子的形狀，如下圖1所示。右側盒壁要向內凹，底邊與長邊的底邊對齊並貼住。

圖1: 摺疊光譜儀盒子的過程

2.          以左窄右寬的梯形狀CD切片進行觀測時，檢查CD切片的表面條紋走向是在垂直方向。先將CD切片以左窄右寬形狀固定並貼在光譜儀視窗對側的長邊正中央(可用長尺量過)。取白光LED接於3V電池組(LED長腳接正端，短腳接負端)，放置到光譜儀盒中CD切片右下方大約45度位置，用白光LED確認CD切片方向，使入射的白光可以成功散射到觀察口，如下圖2。

圖2: 取白光LED接於3V電池組(LED長腳接正端，短腳接負端)，放置到光譜儀盒中CD切片右下方大約45度位置的過程。

 

3.          此時以眼睛在觀察口左右移動看看，由左到右可以看到藍綠黃紅等色光，如圖3所示。測試由左到右成功看到散射各種色光之後，可再用黑膠帶將CD片的縫隙寬度貼得更細一點，露出CD切片約0.2~0.3 cm 寬，以提高光譜儀解析度。

圖3: 測試由左到右成功看到散射各種色光的過程。

4.          由於反射光線過強會導致感光偵測儀器的誤差過大，需在盒內左側貼上一片擋板防止反射光干擾偵測器，此檔板的位置大致即可，只要能有效防止反射光干擾感光偵側器。為了避免光源裝置發生滑動，也在盒內右側貼好燈座和固定版。檔板和燈座位置參考圖4所示。

5.          以1cm寬的細長珍珠板輕夾住光電晶體，做成感光偵測器。放置偵測器到光譜儀盒子的觀察視窗上，觀察視窗上下邊皆貼軌道(其一有方格紙須朝外側)，畫標記的時候可以更清楚的看見標記。電池盒也固定在光譜儀盒蓋上，避免光源燈座晃動，即可完成簡易光譜儀! 如圖5所示。(盡量不要有光透進光譜儀，可以膠帶貼住防光，不要貼太緊以便可以再打開蓋子)

圖5: 觀察視窗上下邊皆貼上白紙，電池盒也固定在光譜儀盒蓋上。

二、光譜儀的校正

    本步驟中將使用數種單色光LED燈校正光譜儀的訊號位置，並做出波長檢量線，應用於電漿光譜偵測。

 

1.          把藍色LED插入3V電池組的輸出端(長腳接正端，短腳接負端)。再將LED燈架在光譜儀的LED固定板上，之後將光譜儀蓋上(膠帶貼住防光)，眼睛湊到觀察口並嘗試從不同角度透過觀察口看CD切片，確認CD切片可以成功散射出藍光並被眼睛觀察到即可(如圖6)，先以鉛筆註記此位置，稍後使用感光偵測器就可較快速找到訊號精確位置。

圖6: 先用眼睛找出CD切片散射藍光位置。

 

2.          將感光偵測器裝上，並依圖示將9V電池、電阻、三用電表接起來，偵測器與9V電池逆接(如圖7所示)，將9V電池的正極接在感光偵測器的負極，9V電池的負極先接到電阻器，再接到感光偵測器的正極。滑動偵測器至剛剛觀察到光的位置附近(間隔在1~2公分內)，三用電表的電壓讀數會明顯上升，慢慢移動調整感光偵測器，找到電壓最高的精確位置，標示畫於方格紙上。

圖7: 感光偵測器的逆接電路。

3.          依次用其他色光LED重複以上步驟，定出藍光(453 nm )、綠光(516 nm )、紅光(653 nm) LED的波長位置，並於方格紙上作圖，以色光波長為縱軸，方格紙座標位置為橫軸，找出檢量線(如圖8所示)。

圖8: 以色光波長為縱軸，方格紙座標位置為橫軸，找出檢量線。

 

4.          在方格紙上分別標記各色LED的波長對應偵測器位置的點，作圖後，找出各點連線的最佳直線關係。利用各兩點計算此直線的斜率及截距，即為光譜儀偵測波長/感光偵測器位置對應的檢量線的線性方程式。回答下列問題：

回答問題： 1. 偵測波長/感光偵測器位置對應的檢量線的線性方程式為何？     2. 依據電子躍遷理論，計算產生三種色光的兩個高低能階差各為多少？    藍光(453 nm)、綠光(516 nm)、紅光(653 nm) 補充說明： (1)光的波動性質： C = λυ  真空中光速C = 3×108 m.s-1 (2)光的粒子性質： E = hυ   普朗克常數h = 6.62×10-34 J.s

 

三、測量電漿光譜

1.          將LED光緣燈座的板子抽出，留下電漿瓶的燈座板。 (圖9)

圖9：留下電漿燈源的燈座板

 

2.          將氦氣灌入電漿瓶中，連接電蚊拍的高壓電路(3000伏特)，以產生電漿光源。

【詳見附錄說明】               

3.          調整電漿瓶位置使光線可以成功進入光譜儀，與校正時相同，確認眼睛可透過觀察口看到CD可成功將光線散射分光。

4.          進行類似光譜儀校正時的步驟，先將偵測器滑動到觀察口的最左邊，慢慢地往右滑動，並觀察三用電表的電壓訊號，注意訊號大概在哪個(哪些)位置電壓訊號有大幅升高的趨勢。若訊號不太穩定，有可能是因為電漿燈源閃爍造成讀取訊號不穩定，則以觀察最高值為準。

5.          將偵測器由觀察口左側滑動到觀察口右側，觀察並於方格紙上記錄可觀察到的最高電壓值以及偵測器對應的位置。中間沒有觀察到訊號峰的部份可以比較快的帶過，約每0.3~0.4公分記錄一次數據即可，前一步驟觀察到可能的訊號位置附近(約1公分)則需要仔細測量(約每0.1公分記錄一個數據點)。

6.          將記錄的數據，於方格紙上畫上對應的點，並將各點連起來，繪成一張連續光譜圖(圖10)，將比較明顯的訊號峰位置標記，寫出感光偵測器對應位置。利用光譜儀檢量線的內插/外插法，求得氦氣電漿的光譜訊號峰。

                     圖10：測量並繪製He氣體電漿光譜。

 

附錄一：電漿的產生方法

    把要測量的氣體(氦氣)灌於電漿瓶中，通入高壓電讓氣體游離化生成「電漿」。利用氣體電漿當作「燈源」，利用光譜儀去量測不同氣體電漿燈源訊號。

Step1：把待測氣體抽入電漿瓶中

1.          用大針筒抽取大約30mL待測氣體(氦氣)，如圖11所示。把裝有待測氣體(氦氣)的大針筒，針頭插進瓶蓋墊片中，墊片上也插入另一隻小針筒。                          (注意:不要把瓶內電線的塑膠外皮刺破。)

圖11：用大針筒抽取氣體。

2.          方法一：正壓填充法
　　把裝有氦氣的針筒透過針頭刺入進瓶蓋墊片中，並另外插一個小針頭，把針筒內的氣體推入瓶中，形成瓶內正壓。填充完畢後，先將小針頭拔出，再將大針筒取出(圖12A)。

圖12A：正壓填充法

方法二：負壓填充法
　　先用小針筒將電漿瓶內空氣抽出，形成瓶內負壓，使大針筒氦氣自動灌入電漿瓶中，瓶中氣體就置換成氦氣，最後將針筒以及排氣針拔出來。氣體被抽入後，先把抽氣小針筒拔出，再把待測氣體大針筒拔出來(圖12B)。

圖12B：負壓填充法

Step2:把電漿瓶接上電蚊拍電路和電源

3.          拆解市售電蚊拍，取出高壓電路裝置，如圖13所示。

圖13：市售電蚊拍的高壓電路裝置。

4.          把電蚊拍電路輸出端接上電漿瓶，電蚊拍電源輸入端則接上電源變壓器。注意線路採用正接正、負接負方式，操作連續步驟如圖14(A)、(B)所示。市售電蚊拍有多種不同設計的電路，須依據現場的電蚊拍電路判斷線路連接方式，如圖14(C)所示。

圖14-A：電蚊拍電路	圖14-B：電蚊拍電路接電源
圖14-C：電蚊拍電路接電漿瓶，並且通電。

5.          把電源變壓器插在插座上，打開電蚊拍電路上的開關，電蚊拍電路上的LED燈會亮，可於瓶子內看到電漿。

**注意：建議操作電蚊拍電路接通的時候要戴上手套，以免觸電!!

 

附錄二：抽真空實驗

    把空的大針筒針頭插進灌有氦氣(He)電漿瓶墊片上，把電漿瓶接上電蚊拍電路和變壓器，通電並接通開關以產生電漿。用針筒慢慢抽走電漿瓶內的氦氣，覺得抽不動時，請另一人幫忙把針筒的針頭拔出來。於瓶內可看到氦氣電漿發光的電弧形狀，仔細觀察瓶內電極電漿放光變化，如圖15所示。

圖15：用針筒慢慢抽走電漿瓶內的氦氣，觀察氦氣電漿發光的電弧形狀。

結 語

本實驗設計利用容易取得的材料來建立一個可以確實量測波長數字之光譜儀，相較於一般以肉眼觀測顏色變化的分光實驗，本實驗可以提供學生更確實的波長記錄與感受，同時引入氣體游離的觀念，讓學生可以親手製造類似極光的光暈，使學生明瞭在生活週邊其實有許多的現象與物質的第四態(電漿) 息息相關。

 

誌謝

感謝張昭鼎紀念基金會贊助本研究成為高中實驗教案，並安排於2015年與2016年兩屆的居禮夫人高中化學營實驗課程，提供給三百多位國內外全體學員師生進行研習。

 

參考文獻

1.      維基百科https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%AD%89%E7%A6%BB%E5%AD%90%E4%BD%93

2.      J.E. Lovelock, Nature 181 (1958) 1460.

3.      R.C. Pitkethly, Anal. Chem. 30 (8) (1958) 1309.

4.      Y.-M. Fu et al., Microchemical Journal 89 (2008) 7–12.