臺灣化學教育

化學教室活動：
感温貼片DIY—膽固醇型液晶的製備

連經憶

國立嘉義大學應用化學系
*[email protected]

n  前言

一、符合教室活動的實驗條件

「在教室裡進行化學實驗」，聽起來不太可能哦，做過實驗的學生都知道，化學與物理實驗不同，化學實驗常用到溶劑和化學藥品，操作時一定要小心，避免化學藥品噴濺，實驗後的器皿清洗更不可馬虎，以免影響下次實驗結果，因此一般認為化學實驗要在特定的實驗室，有耐酸鹼、抗腐蝕的實驗桌才能進行，實驗桌旁邊就有水槽，萬一發生意外才能及時應變。如果有足夠的空間且經費充裕，化學實驗當然最好在有專業設備的化學實驗室中進行，但往往囿於現實，在設備不完善的情況下，教師們仍需努力尋求合適的教材，克服困難，讓學生在教室中也能做實驗。

除了示範實驗之外，教師可以在教室演示，如果學生也能在教室內動手操作，實驗教學場域得以延伸，增加學生由「做中學」的機會。化學實驗因受到危險的限制，要讓學生能在教室中操作實驗，需以「在實驗室中操作的實驗」為基礎，加以改進，能在教室中操作的實驗需符合以下的條件。

l  使用到實驗器材種類及數目不要太多，或太過複雜，因教室課桌椅桌面較小，如能將器材微小化，進行微型實驗更佳。

l  實驗時所選用的藥品需特別注意劑型、用量、及安全性，儘量避免使用強酸、強鹼、及強氧化還原劑等；避免使用大量的液體，如果可能，以固態的試劑取代，以免因桌面空間小，造成翻倒、潑濺的意外。所使用的試劑量越少越好，以免產生大量的廢液，同時也較符合綠色化學的操作原則。

l  儘量選用不需要加熱的實驗，如需加熱，加熱時間不宜太長，而且宜使用沒有明火的加熱器材如電磁加熱攪拌器、電磁爐或熱風吹風機。

l  儘量避免採用會產生大量氣體、熱、或發出氣味的實驗，因教學場所並無抽氣櫃等設備，如果教室內空氣不流通，即便是芳香的氣味，當濃度達一定程度以上，對某些學生而言也可能成為難聞的味道，造成不必要的危害。

l  實驗操作步驟不宜太過繁雜，這樣才能避免上述的情況，有利於實驗教學之推廣。

二、簡介膽固醇型液晶的製備

利用膽固醇的衍生物製備液晶是由美國威斯康辛大學材料科學與工程跨領域教育中心（UW Materials Research Science and Engineering Center Interdisciplinary Education Group; UW MRSEC IEG），依據Brown和Wolken在1979年出版的書¹，及Elser和Ennulat在1976年發表的文献²所開發出的實驗，加熱分子結構與膽固醇類似的衍生物，混合均勻後降温，形成液晶的狀態^3,4，所用的藥品皆為固體，加熱時間短，隨著温度的改變又有豐富的顏色變化，做好的液晶材料可以做成簡易的感温貼片，測量體温的高低，如實驗硬體未臻完善，這個實驗是非常適合用來做為教室中的演示活動。

膽固醇型液晶之製備適用的範圍十分廣泛，從小學高年級學生，到大學一年級學生皆可操作，只需依年齡和時間調整原理解說的深淺，及動手操作的層次，如時間有限，學生年齡層徧低，可以事先製備好液晶材料，學生直接取膽固醇型液晶做成感温貼片。對於國中以上的學生，可以讓参與者自行混合、加熱及製備液晶材料；如参加人員為高中和大學生，可以在講解時加入鏡像異構物的概念，介紹對掌性（chiral）化合物及其性質，因所用的膽固醇衍生物具有掌性中心（chiral center），是具有對掌性的化合物。對於不具備化學實驗經驗的初學者而言，這個實驗可以作為入門的體驗實驗，操作過程中學生可以認識實驗器材、學習器材正確的使用方法、學會如何用酒精燈加熱、觀察、及建立實驗誤差的概念。

與一般教學用化學實驗所需的試劑相比，膽固醇衍生物的價格較高，但經修改後降低化合物使用量，除避免不必要的浪費，符合綠色化學的操作原則外，同時也使實驗材料的成本下降。實驗前的準備工作較多是這個實驗較大的缺點，在減少化合物使用量的前提下，又要讓實驗結果具有一定的精確度，讓膽固醇液晶能在特定的温度範圍內變色，建議在事前先用精確度較高的天平秤好膽固醇衍生物、分裝在微量離心管中，操作時學生只要將化合物倒出、混合、轉移到試管中加熱即可，實驗組數如果較多，實驗前置作業就要花較多的時間。將化合物倒出，移轉到試管中的動作看似簡單，但是否能確實將所有化合物倒入試管中，不掉落桌面，或沾附在管壁上是關係到實驗成功與否的重要關鍵，對不常做實驗的學生而言，這樣的操作步驟就可能有些難度，進而影響最後的成果，藉由實驗結果討論，正是讓學生了解實驗操作的重要性、建立誤差概念最好的時機。如無法事先秤好膽固醇的衍生物，也可以讓學生自行秤取所需的藥品，唯秤量時需注意學生是否遵守綠色化學的原則，不要任意浪費藥品。

n  原理和概念

液晶（Liquid crystal）是一種物質的狀態，發現液晶狀態可以追溯到西元1888年，奧地利的化學家Friedrich Reinitzer為了決定一種膽固醇衍生物的化學式和分子量時，發現一種奇妙的現象，當他在測量膽固醇衍生物（安息香酸膽固醇酯或稱為苯甲酸膽固醇酯，cholesterol benzoate）的熔點時發現，這個化合物好像有二個熔點，當加熱到145.5°C時化合物呈現霧狀的液體，直到178.5°C時突然變為澄清透明液體。為確認這奇妙的現象並非因雜質所造成的，Reinitzer轉向德國的物理學家Otto Lehmann求教，進而發現霧狀液體的分子排列具有特殊的規則性，當温度升高時，澄清物質就像正常的液體般不具規則性，最後Lehmann了解霧狀液體為新的物質狀態並將其稱之為「液晶」。

能形成液晶的分子，通常具有特定的形狀，如桿狀或平板狀，當分子排列成類似晶體的整齊形態時，又可以因温度、壓力、濃度、溶劑、磁力、電力等因素而改變分子排列的方式。以本實驗的膽固醇型液晶為例，膽固醇分子與其衍生物具平板狀的結構（見圖一上），同層分子間為向列型排列，層與層間的分子互相平行，但各分子的長軸方向不同，代表在相鄰二層間分子的長軸夾著一個角度，兩個平面中分子長軸的方向相同時，這兩平面之間的距離稱為一個螺距（pitch）（見圖一下），螺距的長度隨温度的改變而改變，進而反射不同波長的光，產生不同的顔色，因此常用在温度感測器上。温度越高，螺距越短，當膽固醇衍生物排列成液晶的狀態，隨著温度的增加，呈現出的顏色依序為紅、橘、黃、綠、藍、最後為紫色⁵。膽固醇苯甲酸酯、膽固醇壬酸酯，及膽固醇油醇碳酸酯是常見可以形成液晶的材料（見圖一上），三者的主要差別在A環3號碳上所接的基團，其中膽固醇油醇碳酸酯與膽固醇壬酸酯具有長碳鏈基團，二者的熔點較膽固醇苯甲酸酯低（表一、三種膽固醇型液晶組成表）。美國威斯康辛大學材料科學與工程跨領域教育中心開發出的實驗教材中，每種液晶都含有這三種膽固醇的衍生物，可在不同温度範圍變色，膽固醇衍生物的總質量相同，但比例不同，藉由調整三者的比例，使液晶能在接近室温的範圍內改變顏色。膽固醇油醇碳酸酯的熔點最低，增加這個成份的比例，可以讓液晶在較低的温度下變色，膽固醇油醇碳酸酯的量越多，變色的温度範圍越低。單獨加熱膽固醇壬酸酯，熔化降温後也可以形成液晶，但變色範圍較高，不易用手的温度加熱，且變色過程快速，不易觀察，加入膽固醇油醇碳酸酯，會降低液晶變色的温度，如經費有限，可以省略膽固醇苯甲酸酯，但只含二種物質的液晶，其變色温度與文献提及之温度略有不同，需經測量才能決定。

圖一：膽固醇及其衍生物的化學結構（上）；膽固醇型液晶結構示意圖（下），淺棕色長方格代表膽固醇衍生物，藍色箭頭代表其長軸方向。

n  實驗器材與藥品

膽固醇苯甲酸酯（Cholesteryl benzoate, 5-cholesten-3-yl benzoate）、膽固醇壬酸酯（Cholesteryl pelargonate, Cholesteryl nonanoate）、膽固醇油醇碳酸酯（Cholesteryl oleyl carbonate）、試管、試管夾、試管架、酒精燈（或熱風吹風機）、竹筷、透明塑膠片、黑色塑膠片、秤量紙、冰浴。

n  實驗步驟

（一）膽固醇型液晶的製備

1.        實驗前，依表一先分別秤取膽固醇苯甲酸酯及膽固醇壬酸酯，加入微量離心管中，（見圖二），秤取膽固醇油醇碳酸酯加入小試管中備用。

表一：三種膽固醇型液晶組成表

圖二：秤好的膽固醇衍生物放入微量離心管。

2.        將微量離心管和試管分組，每一種液晶材料含三種不同的膽固醇衍生物。

3.        製備在較低温範圍變色液晶。取一秤量紙，將二種膽固醇衍生物全部倒在秤量紙上，再將二種化合物倒入有膽固醇油醇碳酸酯試管中。

4.        以試管夾夾住試管，用酒精燈加熱（或熱風吹風機加熱）至固體完全熔化呈透明狀。

註：如用酒精燈加熱，加熱時可將試管以進出火焰的方式加熱，避免燒焦，一邊加熱一邊搖動試管，使化合物充分混合。加熱方式可以用熱風吹風機取代酒精燈加熱，但較為費時。為考量要讓學生都能操作實驗，不要花太多時間等待，使用酒精燈加熱，教師必須強調操作酒精燈的安全性，教導學生酒精燈加熱的正確方法。

5.        降温冷卻，在膽固醇型液晶尚未固化時，轉動試管，讓液晶材料均勻地塗佈在試管壁周圍（見圖三），觀察並記錄試管中顏色的變化。

 

圖三：膽固醇型液晶塗佈在試管上的狀況

6.        待試管完全冷卻後，以手加熱試管（見圖四），觀察並記錄顏色的變化。

圖四：以手加熱試管並觀察顏色變化

7.        重覆步驟3~6，製備另外二種液晶，觀察並記錄實驗結果。

註：當室温較高時，在低温範圍變色的液晶需冰浴才能觀察到顏色變化。

（二）簡易温度貼片的製備

1.        以竹筷取少量自行製備的液晶，塗抹在透明塑膠片上，在材料上覆蓋一塊約2.5公分大小的黑色塑膠，四周用透明膠帶貼好、固定，做成感温貼片（見圖五）。

註：不要塗抹太多的液晶材料，以免材料因擠壓而流出。

   

圖五：簡易感温貼片製備流程

2.        將感温貼片放在手臂上，觀察並記錄感温貼片的變化。

n  教學小撇步

膽固醇液晶的製備是會讓學生眼睛為之一亮的實驗，除亮麗的色澤變化讓人驚豔外，高成功機率增加學生的成就感，但學生在讚嘆之餘因缺乏實作經驗，顏色變換的速度又很快，往往忽略了出現的順序，因此需明確地告訴學生找出隨温度的上升或下降，顏色出現的順序。這個實驗適用於不同年級的學生，表二列出不同年齡層學生的操作方式、實驗目標、及學習重點，提供給大家参考。

表二：各年齡層學生對膽固醇液晶的學習目標及其學習重點

n  参考資料

1.        G. H. Brown and J. J. Wolken, Liquid Crystals and Biological Systems, Academic Press, NY, 1979, pp 165-167.

2.        Elser, W. and Ennulat , R. D. Selective Reflection of Cholesteric Liquid Crystals. Advances in Liquid Crystals,1976, 2, pp 73-172.

3.        Cholesteryl Ester Liquid Crystals Preparation, and Cholesteryl Ester Liquid Crystal Thermometer Preparation. https://education.mrsec.wisc.edu/video-lab-manual/.

4.        Preparation of Cholesteryl Ester Liquid Crystals. http://goo.gl/M1EvkS.

5.        Lisensky, G. and Boatman, E. Colors in Liquid Crystals, Journal of Chemical Education, 2005, 82, 9, 1360A-1360B.

 

化學教室活動：庶民的分子廚藝教室

郭益銘^1, *、鄭惠華²

¹中華醫事科技大學環境與安全衛生工程系
²巧比諾有限公司
*[email protected]

n  前言

一、分子廚藝讓廚房變實驗室

1985年，法國科學家Herve This與物理學家Nicolas Kurti，正式為共同研究的「分子廚藝」（molecular gastronomy）定名，位於西班牙的El Bulli餐廳是「分子廚藝」的創始店，主廚安德里亞（Ferran Adria）顛覆傳統廚藝，「眼見為憑」已非真理，每一口都是驚喜，還被英國權威雜誌「餐館」（Restaurant）二度評選為全球最佳餐廳。分子美食就是廚師利用各種奇異工具，通過物理或化學的變化，把食材的味道、口感、質地、樣貌完全打散，讓後再重新「組合」成一道新菜，讓傳統的菜肴變得充滿新鮮感，給我們不斷帶來驚喜。

二、熟悉知識卻不曾體驗的學生

現今的課程編排，一個國小學生要學習的科目和細項相當多，因此教育現場實際操作實驗的時間和內容均受到侷限，教師在備課上，除採購物料與準備教材，甚至於在安全考量上，都必須花費比較多的時間。而當今孩子因為科技的進步與家庭的保護下，很多孩子在實作的基本能力上也缺乏實際體驗。更報導指出學童的食育力下降【中華日報新聞網，2018】（見圖1），只會吃「白香蕉」的窘境，一時間發現，熟讀澱粉糊化理論的學生，居然連煮飯要放水這件事情都感到猶豫。

圖1：董氏基金會調查成果發表狀況

（圖片來源：中華日報新聞網，http://goo.gl/TkYLhA）

三、關懷偏鄉縮小落差

2013年起我們在一般地區以及偏鄉和弱勢地區推動「科學小食神」及「點心吃什麼」等科普專案，我們普遍發現學生在生活能力與科學理論的結合上是脫節的。優勢家庭的孩子即使成績優異，能侃侃而談澱粉糊化、蛋白質變性等化學理論，但是在家政領域裡，煮飯不放水、喝鹹豆漿堅持不想放醋，都讓我們感受到實作的需求。而偏鄉弱勢地區由於家長的教育陪伴力量薄弱，閱讀及學習興趣低落，孩子不認識食品添加物，也無人引導觀察生活中食物的化學變化，生活的應變能力與科學的學習無法同時提升。

n  材料與工具

本次實驗所需的材料與工具如下：市售鬆餅粉（通常內含泡打粉與中筋麵粉）、葡萄汁（自製或市售均可）、檸檬汁（自製或市售均可）、電熱烤板或烤箱、叉子、量匙、容器、攪拌棒、盤子。

n  實驗流程、問題提問與觀察引導

1.        酌量取出鬆餅粉，不添加水逕行放在烤板上或烤箱內加溫1-2分鐘，此時詢問同學，鬆餅粉是否會變成鬆餅？

教師角色：引導學生觀察鬆餅粉，確認並未變成鬆餅（見圖2），在進入下一階段觀察。

圖2：未加水鬆餅粉加熱後狀況

2.        鬆餅粉加到水裡，不加熱，是否會變成鬆餅？

教師角色：引導學生觀察鬆餅粉與水混合後，是否有糊化現象，抑或僅為單獨澱粉略為膨脹顆粒懸浮於水中，並確認其並不會變為鬆餅（見圖3）。

圖3：加水鬆餅粉未加熱後狀況

3.        鬆餅粉加到水裡混合攪拌後，並加熱，觀察其是否變為鬆餅。

教師角色：引導學生觀察鬆餅粉與水攪拌均勻後，在加熱過程中，其漸漸糊化的現象，在水分漸漸蒸發後將轉變成可口的鬆餅，且鬆餅上有許多小孔洞（見圖4），可詢問其原因，並引導入小蘇打粉與酸性物質反應後產生二氧化碳的反應。

 

圖4：加水鬆餅粉加熱後：成型狀況（左）；學生操作情形（右）。

4.        加入葡萄汁並已經烤好的鬆餅，觀察其顏色，另外在加入檸檬汁後，再觀察其顏色的變化。

教師角色：引導學生觀察鬆餅的顏色，詢問學生鬆餅粉為淡黃色，葡萄汁為紫色，紫色加黃色後應該呈現紫黃色，為何混合後會變成綠色？另外，添加檸檬汁後為何又變成粉紅色？藉此問題詢問再導入花青素於酸鹼中，顏色會變化的概念，並聯想至酸鹼中和所使用的石蕊試紙，以作為課程的延伸。

  

圖5：加水鬆餅粉在加熱後的外觀：加入葡萄汁和牛奶的鬆餅漿（左上）；沾上檸檬水的鬆餅漿烘烤（右上）；原味與葡萄口味鬆餅漿烘烤成型外觀，加上檸檬水的葡萄鬆餅漿偏粉紅色，未加上檸檬水的葡萄鬆餅漿烤過後偏綠色（下）。

n  問題引導與答案說明

1.        鬆餅粉為何會變成鬆餅？

本次實驗時，先讓學生放置鬆餅粉於烤盤上，發現鬆餅粉即使經過高溫亦不會變成鬆餅，此係因澱粉糊化作用。澱粉分子為長鏈的葡萄糖分子的聚合物，澱粉分子之間以氫鍵方式交聯在一起。澱粉分子於常溫下不溶於水，僅能可逆地吸收水和輕微地溶解脹大，但隨溫度漸增，澱粉分子振動劇烈，造成澱粉分子之間的氫鍵斷裂，進而澱粉分子與較多的水分子結合。由於水分子的進入造成長鏈的澱粉分子的分離，增加澱粉分子結構的無序性、減少結晶區域，溶解脹大並分裂形成均勻糊狀溶液的特性，稱為澱粉的糊化（gelatinization）。

2.        烤鬆餅時孔隙從何而來？

鬆餅成品有大量細微孔洞，顯示烘烤過程當中產生氣體，本次實驗所使用的鬆餅粉主要成份含中筋麵粉與泡打粉，中筋麵粉與水混拌加熱後會產生糊化現象，並凝結成鬆餅，而泡打粉主成分為小蘇打粉（Sodium bicarbonate, NaHCO₃）、弱酸性物質如塔塔粉（cream of tartar）、磷酸二氫鈣（Monocalcium phosphate, Ca(H₂PO₄)₂）或硫酸鋁鈉（Sodium aluminum sulfate, AlNa(SO₄)₂）等，再加上乾性介質如玉米粉等，因此其在高溫環境下產生CO₂，導致鬆餅中孔隙的產生，發生的化學反應如式[1]所示。

NaHCO₃(aq) + H⁺(aq) → CO₂(g) + Na⁺(aq) +H₂O(g)    [1]

3.        加入葡萄汁的鬆餅，再加入或檸檬汁後，為何鬆餅顏色產生變化？

當鬆餅粉加入葡萄汁考完後，其顏色呈現綠色，但在加入檸檬汁後，卻呈現粉紅色，其關鍵在於葡萄汁中所含的花青素（anthocyanidins），其結構式如圖6所示，係屬水溶性的植物色素，存在於液泡內的細胞液中。其與醣類物質以醣苷鍵結合的後即為花色素苷（或稱花色苷）（anthocyanins），與花的顏色、葉變紅等有關，屬天然的抗氧化劑。花色素苷的顏色會隨著環境的pH值而有所變化，可用於試紙測試酸鹼性。以紫色葡萄汁為例，其花色素苷變色範圍之pH = 4.3 ‒ 6.4，當pH < 4.3時呈現紅色，當pH > 6.4時呈現綠色。由於鬆餅本身近中性或弱鹼性，因此加葡萄汁烤乾的鬆餅呈現綠色。在添加檸檬後，鬆餅的pH < 4.3，且鬆餅本身為淡黃色，因此紅色和淡黃色混合而呈現淡紅色。

圖6：花青素的化學結構圖（R¹-R⁷為取代基，為−H、−OH或−OCH₃）

（圖片來源：Anthocyanins, https://en.wikipedia.org/wiki/Anthocyanin）

n  教學反思與回饋應用

1.        廚房或教室可以變成實驗室，庶民也是生活的科學家

教師透過教材的設計和教學教法，可將廚房活動與教學演示融合為一。透過廚房將食品以物理化學的方式組合成一道新菜的過程，能讓學生在活動當中體驗科學的奧妙，這類型實作型之課程延伸性最強，課程成果還能一口吃下，充分與生活結合的科學教育，最能引發學生的高度興趣。

2.        最貼近生活的科學理論

透過鬆餅粉加水烘烤成主食的烹調可讓學生看見：澱粉糊化、泡打粉產生氣體以及花青素隨pH變色等三種科學現象，實驗過程均為生活經常使用的食材，相關的概念也與化學理論緊緊相扣，讓我們談一場食指大動的化學教室課程吧！

3.        隨手可得的食品材料

在食品的科普課程中，課程所用的材料絕大部分可在廚櫃或冰箱裡找到，孩子在教室裡實際體驗過後，回到家裡看見熟悉的素材，還能拿起來再次演練，超市裡便可採買，家長樂在其中無負擔，偶而加入孩子的討論與操作，還能分享激盪出不一樣的火花。

4.        不斷改良的烹煮用具

實驗裡的燒杯、培養皿或酒精燈，學生在使用時，教師總是必須擔心受怕學生受傷，近年來廠商於廚具市場中，推陳出新許多烹煮或切割的器具，操作簡易且安全，適度使用可避免國小低年級同學於明火的操作中，有引燃及燙傷的危險，電鍋、鬆餅烤盤等均為加熱實驗的好幫手，食物剪刀與切菜神器更可讓同學們能安全地使用刀具切割。

5.        安全易懂的微實驗

食品科學實驗中的酸鹼藥劑使用量不多及其強度也不高，學生們不慎接觸時，以清水即不至於造成危害。透過酸鹼中和的實驗中，小蘇打、食用醋、檸檬汁等素材，均可提供孩子在中和過程中，觀察到氣體與顏色的轉變等。

6.        免費即時的延伸助教

學校教室的實驗課程，一位教師須帶領二十多位學生，學生輪流操作，而教師須在掌控其動作，對於教師而言是甚大的挑戰。廚房的化學教室中，家長都可成為助教，沒有學歷限制，均可為這場學習做免費而即時的延伸教學。每當孩子上課時，眉飛色舞地描述回家後，媽媽如何更厲害的做出成品，祖父母分享早年他們是如何在拮据的環境下做出一樣的東西，這項課程就得到最大的回饋，來自學生的體驗，也來自家庭的支持。

7.        科學實驗無所不在

讓大家把實驗白袍換成廚房圍裙，把燒杯換成鍋子，把攪拌棒換成湯匙。讓親子走進生活的實驗室，讓科學變成生活日記，一起動手做科學遊戲吧！

n  結語

庶民的分子廚藝教室教案嘗試將冰冷的試管與燒杯，換成同學們都熟悉的餐具與美食，引導父母親與孩子們走進生活化的科學教室，將艱深的化學原理，以遊戲方式呈現在學生面前，讓學生都能以愉快地學習科學知識，並將這些知識以圖像實踐的方式牢記在腦海裡，相信透過這樣的學習，能夠讓同學們達到寓教於樂的效果。

 

化學教室活動：
創客設計Arduino pH計應用在酸鹼課程

馮松林^1,2,*、陳映辛^1,2

¹國立竹山高級中學
²教育部高中化學學科中心
^*[email protected]

n  前言

目前很流行〝Maker〞一詞，強調實作的〝創客〞，被視為翻轉傳統觀念，讓大家從「想像」的大腦運作，具像到「動手做」，已成為影響未來競爭力的關鍵。Arduino板即是創客應用很廣的套件，在生活中有很多令人驚奇的應用實例，而化學本來就是動手做的科學，如果能在課堂上結合兩者，教導學生化學相關的創客基礎量測套件，讓學生自己動手設計，化學實驗就可能變成跨領域STEM（Science, Technology, Engineering, and Mathematics；科學、技術、工程及數學）實作的課程。

在化學教學中，酸鹼是非常基礎的化學概念，實驗室中應用pH計去檢測酸鹼的強度，是酸鹼概念具像化的操作，對學生學習酸鹼概念非常重要。本文將引導教師應用新的科技教學，介紹如何在課堂上結合Arduino UNO和pH計，融入創客精神在化學實驗中，讓學生學習結合Arduino UNO和pH計，應用行動套件去量測溶液的pH值。

n  教學準備

要以Arduino教學，自然在教學前要先懂得Arduino怎麼操作，很多教師可能會擔心不會操作，更不用談教學生了。事實上，Arduino原本就是設計給非電子專業的人使用，不到2小時的基本課程，教師就可上手，尤其在Scratch圖像式操作環境下。只要懂得輸入及輸出的操作，加上基礎電學的概念，就可以自由應用了。在網路上有許多教學資料可參考，不妨請學校中的高手支援，即可上場教學。

教師可選用應用最廣最便宜的Arduino UNO板（見圖一左），價格在200元左右，如加購完整學習套件整組大約1000元，上課時最好每位學生一組。至於pH計套件（見圖一右），價格在1200元左右，則可視經費之多寡購買，至少2人共用一個pH計。

 

圖一：Arduino UNO板（左），Arduino pH檢測計（右）

由於Arduino運作初期要連接電腦，因此上課地點要有電腦或筆電，並且在電腦中要先下載安裝具Scratch操作界面的mBlock程式^[1]和Arduino IDE程式^[2]等免費程式。

n  教學設計內容

應用Arduino量測套件融入酸鹼化學的教學，可以從引導學生認識及操控Arduino套件開始，再配合化學實驗技能的培養，教導學生應用Arduino套件做化學實作。教學時可視學生資訊能力，彈性應用以下五個歷程進行教學：

l  創客技能：教導學生對Arduino操作有基礎認識。

l  化學創客：安裝pH計的趨動程式，連結Arduino與pH計，練習用pH計檢測酸鹼溶液。

l  實驗技能：讓學生學習配製酸鹼溶液，調配不同pH值的酸鹼溶液。

l  實驗實作：利用pH計，檢測酸鹼溶液的pH值。

l  綜合調查：讓學生比賽判斷日常生活物質的pH值。

一、  創客技能

Arduino板本來就是為非資訊專業人員所設計的控制板，易教易學，教學時不用教太多套件，從基礎概論開始，主要著重在學習程式界面的操作、如何輸出訊號做控制以及如何讀取套件獲得外部訊息等。建議的課程教學可按以下順序進行：

1.    Arduino的創意世界

以Arduino做自動控制，可以發揮很多創意，在YouTube上可以找到很多精彩實例，比如音樂樓梯^[3]、水果鋼琴^[4]等，藉此引發學生的創意及巧思。

2.    認識Arduino UNO

Arduino UNO能夠做數位控制，主要是提供連結的數位腳位和類比腳位，要用Arduino操作就要認識所有腳位的位置和意義，每位學生最好都要有一片Arduino UNO，再逐一介紹認識板子上各種腳位及構造。

3.    Arduino IDE控制程式介紹

Arduino板要運作需要撰寫程式來控制，Arduino原廠提供一個控制程式，這個程式叫Arduino IDE （見圖二），雖然撰寫控制程式的語法類似C/C++語言，我們只要介紹如何連結Arduino板、程式撰寫區塊位置，以及如何上傳程式即可。不必花時間介紹語法結構，未來在連結pH計時，才會用Arduino IDE來上傳pH計控制程式。

圖二：Arduino IDE界面

4.    mBlock控制程式介紹

用Scratch積木式的語言去控制Arduino板，是初學Arduino很不錯的方式，mBlock程式提供了Scratch簡捷的操作環境（見圖三），宜蘭竹林國小就提供很多很棒的mBlock教學課程^[5]，上課時可參考選用網站中適合的課程讓學生做練習。

 

圖三：mBlock程式界面

 

5.    基本電路概念

Arduino板連結控制套件，就像一般簡單電路的串接一樣，因Arduino板可供電，套件的「＋極」要接在Arduino板有編號的腳位插孔上，「‒極」則要接在GND（接地）插孔上（見圖四），形成完整迴路，安裝完成即可寫程式控制套件。

圖四：Arduino板與套件連結方式

至於套件與電線間的連結，一般的作法是將套件插在麵包板上（見圖五），用杜邦線連結，這樣可方便改變套件的線路設計，操作前要知道，麵包板上的排孔有固定的導電方向，圖五麵包板的最上方和最下方各有二排水平方向的排孔，水平排孔間可彼此相連導電，中間排孔則是垂直方向相連導電。組裝時要提醒學生麵包板的排孔很小，不要插錯位置，更不要把套件的金屬線頭插變形了。

圖五：麵包板

6.    套件控制實作

要學會控制套件，基本上就是要弄懂如何輸出訊號來控制套件，和如何接收套件在偵測時發出的訊號。

Arduino的套件有很多種（見圖六），要練習輸出訊號控制套件，最基本的方式是讓學生練習控制LED的亮暗，練習時可從控制單顆LED到多顆LED，並加入各種明暗順序。

圖六：Arduino套件

至於要接收套件發出的訊號，則可用光敏電阻感應不同的亮度傳回的數值訊號，用程式判斷調整LED亮度。

以Arduino IDE撰寫程式做控制並不簡單，但在mBlock環境下用Scratch語言撰寫（見圖七），就像是堆積木一樣，撰寫前要配合程式組裝套件，依程式將LED燈的「＋極」接在第13腳位，「‒極」接在GND接地，圖七程式執行時，藍色積木指定讓第13腳位為高電位，就是讓電路供電，點亮LED燈，中間等待1秒，接下來讓第13腳位為低電位就是斷電，LED燈即熄滅。再用一個不停重複的積木包住這三個程序，將此程式傳送到Arduino板後，LED燈就會一亮一暗的運作。

圖七：讓LED閃爍程式

本課程只是要讓學生了解控制套件的運作原理，不必教太多套件影響進度，實際教學應用可參考前述竹林國小課程或其它網站資料。

二、  化學創客

對操控Arduino板有基礎認識後，接下來要應用與化學相關Arduino套件做化學創客，目前市面上可應用的套件有pH計、溫度、濁度、VOC、二氧化碳及PM2.5等偵測套件，其中pH檢測計可應用於酸鹼實驗課程，而且學生經過前面創客技能的練習，對於pH套件的操作就比較沒問題。

pH套件（見圖八左）的組裝要注意連接Arduino板的方式，其中圖八右標A的接腳要接5V電源，標「＋極」要接A2腳位，標「‒極」則要接GND，至於pH計的程式可向購買的廠商要求附上，目前市面上pH計型號大致是V1.1版，可在網路上下載到公用程式。

 

圖八：pH套件（左），電路板連結位置（右）

pH計程式是以Arduino IDE格式撰寫，並非用Scratch格式，所以在上傳程式時，要用Arduino IDE程式上傳。若將網路上的程式複製再貼到Arduino IDE界面，要注意原本Arduino IDE程式上有原先預留的起始程式碼要先消除，再貼上程式，不然執行時會顯示程式錯誤。

學生組裝完成後，要先做pH校正練習（見圖九左），教師要提供校正用的酸鹼液，讓學生校正套件的誤差，螢幕視窗會顯示測量得到的pH值（見圖九右）。校正測量誤差的方法是，比方標準液pH值為4.0，實際測得4.5，表示測量會有0.5的誤差，因此要將程式中offset數值改為‒0.5，這樣就完成校正的操作。若有時間可讓學生測蒸餾水或逆滲逆水之pH值，增加學生的操作熟練度。

 

圖九：用pH計測量校正液（左），pH值顯示視窗（右）

三、  實驗技能

配製溶液是很重要的實驗技能，教師可以讓學生配製一系列不同pH溶液（見圖十）做練習，配溶液的過程學生除了要做溶液稀釋的計算，規劃溶液的配製方式，重要的是能學習取用藥品、燒杯、量筒、滴管、量瓶等器材的操作技能。

圖十：各種pH溶液

實驗前每位學生取回各100 mL的0.1 M HCl和0.1 M NaOH，並請各組同學上台發表所規劃配製一系列不同pH溶液的方式，教師就此可檢驗同學對稀釋計算的理解。溶液配製時要求同學帶上手套稀釋強酸強鹼，並注意實驗安全，最後滴入廣用指示劑到各杯的溶液，即可觀察到一系列顏色的變化。

四、  實驗實作

配製好各pH值溶液後，學生先啟動Arduino pH套件，上傳pH計趨動程式，並取得pH meter的緩衝溶液來校正，調整offset值（見圖十一左）。接下來，檢測各溶液的pH值，檢測時注意提醒學生，每測一次要清洗一次pH計再重覆施測（見圖十一右），避免因檢測溶液殘留而影響實驗結果。

 

圖十一：學生啟動pH計檢測（左），檢驗不同溶液pH值（右）

學生記錄各杯的pH值，比較檢測結果和理論計算值的差異，各組討論檢測結果及其差異，並將結果登錄在黑板，讓學生上台發表討論結果。

五、  綜合調查

日常生活中有眾多不同酸鹼之物質，其實學生並不太知道這些物質的pH值大小，在課程的最後透過準備好的可樂、汽水、果汁、蘇打水、食用醋及礦泉水等，讓學生分組比賽，預測各種物質pH值是多少？比比看量測結果，與那一組同學猜的數值最接近，透過競賽方式結合pH值的概念到日常生活中，不僅活化課程，亦可增加學生對酸鹼的認識。

另外一個活動，則是準備一杯酸性溶液，讓兩組同學輪流加任意量的鹼到酸液中，或者是準備鹼性溶液讓同學加酸性溶液，比比看那一組使溶液的pH值停在7.0。這個活動可看到酸鹼中和時pH值的變化，非常緊張刺激，同學都能玩化學玩得很開心。

n  結語

Arduino的操作環境很友善，本課程設計在簡單的操作過程中，讓學生學得帶得走的技能，期待學生結合創客套件讓化學實驗走出教室，在實驗室外需要量測化學數值的環境，自己動手做各種探究。

n  參考資料和附註

1.        mBlock，http://www.mblock.cc/zh-home/download/?noredirect=zh_CN。

2.        Arduino IDE， https://www.arduino.cc/en/Main/Software。

3.        The Fun Theory 1 – an initiative of Volkswagen: Piano Staircase , https://youtu.be/SByymar3bds。

4.        Arduino + Makey Makey + Scratch = 簡單的水果鋼琴（柚子皮），https://youtu.be/nAYMK-Kpaxc。

5.        竹林資訊站，http://blog.ilc.edu.tw/blog/blog/868/catid=103154。

 

化學教室活動：
透過微量實驗實作學生發現溶解度法則

許之音

臺北市立中正高級中學
[email protected]

n  實驗簡介和單元目標

一、  沉澱表或溶解度表的歷史

德國化學家克里斯托夫·海因里希·蒲法夫（Christian Heinrich Pfaff，1773-1852）認為取得的溶液先用幾個基本試劑加以初步檢驗，藉此觀察某些離子肯定存在的啟示，也可否定某些離子存在的可能性，並藉由檢驗的任務簡化，可降低盲目性。科學家整理一些特定離子遇到其它離子發生沉澱或溶解的檢驗結果加以成表格形式，稱為沉澱表（precipitation table）或溶解度表（solubility chart），例如：鈉離子與所有陰離子混合均不會產生沉澱，而硝酸根離子可溶解所有陽離子。硫酸根離子與鋇離子則會產生難溶的沉澱物。

溶解程度的定義：可溶（soluble）為溶於水的濃度大於0.10 M之化合物；微溶（slightly soluble）為溶於水的濃度在0.00010~0.10 M之化合物；難溶（insoluble，或稱為沉澱precipitation）為溶於水的濃度小於0.00010 M之化合物。可藉由各物種的溶度積平衡常數而算出溶解度，判斷各化合物的溶解性。

二、  高中化學課程提到沉澱表方面

1.        在硬水軟化方面，可藉由在硬水中（含鈣離子或鎂離子）加入碳酸鈉產生碳酸鈣或碳酸鎂沉澱，而去除鈣離子或鎂離子。

2.        在水的純化方面，也可藉由加入強鹼 ，而使大過數重金屬離子形成沉澱。

3.        在鉛蓄電池方面，電解液硫酸水溶液中的硫酸根可與鉛離子形成硫酸鉛沉澱附著在電極板上，因此充電過程中可將沉澱恢復原狀。

4.        肥皂在硬水中因為其親水端和鈣離子形成沉澱而失去洗滌效果。

5.        檢驗醛基的多侖試劑主要是銀離子先與少量鹼反應而形成氧化銀沉澱，再與過量氨水形成二氨銀錯離子。

6.        另一種檢驗醛基的斐林試劑為含有硫酸銅和酒石酸鉀鈉的氫氧化鈉溶液，原本氫氧化鈉與硫酸銅會反應而形成氫氧化銅沉澱，藉由酒石酸保護銅離子，使其不產生沉澱。

7.        在電池電位的探討方面，若另外加入的離子會與生成物的離子產生沉澱，因為勒沙特列原理，平衡傾向向右，則電位會上升。反之，若另外加入的離子會與反應物的離子產生沉澱，因為勒沙特列原理，平衡傾向向左，則電位會下降。

8.        有些沉澱可溶於強酸而溶解，這些沉澱大多帶有弱鹼性或產生其它反應。例如：碳酸鹽、亞硫酸鹽本身為弱鹼性，因此可溶於強酸，且會產生二氧化碳、二氧化硫等氣泡。鉻酸鹽則會與強酸生成二鉻酸鹽，因此可使沉澱溶解。

9.        有些沉澱本身為中性，加入強酸或強鹼均不會溶解，例如：硫酸鋇。

10.    郝耳法製鋁是利用鋁礬土加入過量的強鹼（氫氧化鈉），其中鋁離子一開始形成氫氧化鋁，但遇到過量強鹼會再溶解，而其它離子則是形成氫氧化物沉澱，而達到分離的效果，可以收集到較純的鋁離子。

三、  本次實驗主要目標

1.        藉由某一陰離子和某一陽離子的混合，判斷其為溶解或沉澱，並拍照記錄，以作為後續的討論，完成學習單，發現沉澱表或溶解度表。

2.        加入強酸到有沉澱物，判斷哪些沉澱會溶解，以作為後續的討論，並完成學習單。

3.        思考實驗相關的原理以及相關生活運用和課堂回饋。

n  藥品和器材

一、  各組藥品

1.        陰離子：每一項藥品以塑膠滴瓶裝（見圖一左），濃度均為0.10 M且體積均為10毫升，所有的塑膠滴放在塑膠盆內（見圖一右）。

【學習單一】的藥品：氯化鈉、溴化鈉、碘化鈉。

【學習單二】的藥品：硝酸鈉、硫酸鈉、磷酸鈉。

【學習單三】的藥品：碳酸鈉、鉻酸鈉。

【學習單四】的藥品：氫氧化鈉、硫化鈉。

2.        陽離子：每一項藥品以塑膠滴瓶裝（見圖一左），濃度均為0.10 M且體積均為10毫升，所有的塑膠滴放在塑膠盆內（見圖一右）。

含一價金屬離子的化合物：硝酸鉀、硝酸銨。

含二價金屬離子的化合物：硝酸鋇、硝酸鎂、硝酸鈣。

含三價金屬離子的化合物：硝酸鋁。

含過渡金屬離子的化合物：硝酸銀、硝酸鎳、硝酸銅、硝酸鋅、硝酸鐵。

 

圖一：塑膠滴瓶（左），塑膠滴瓶放在塑膠盆內、透明投影片（右）

3.        強酸：3.0 M 10 mL的鹽酸，用塑膠滴瓶裝

二、  各組器材和學習單

透明投影片（A4大小）5~6片、學習單（A4大小）七頁（學習單一～六每組一張，學習單七每人一張）、濕抹布兩條、玻璃棒4-5支、衛生紙，如圖二所示。

  

圖二：縮小的學習單（以【學習單一】為例）、調色盤（備用）

n  實驗步驟

在這次實驗中，由於鈉離子和硝酸根離子不會與陽離子產生沉澱，因此溶解或沈澱的主要觀察是除了這兩陰離子以外的陰離子與陽離子之間的作用或反應。這次實驗有七份學習單，如下描述：

1.        【學習單一：氯離子、溴離子、碘離子與陽離子反應】：放置一張A4投影片到【學習單一】的正上方，分別檢驗氯化鈉、溴化鈉、碘化鈉與陽離子之溶解與沉澱的現象。以塑膠滴瓶的試劑，先在表格中「氯化鈉」同一欄位每一格都滴加1滴氯化鈉溶液，再依照表格中列出的陽離子，在每格滴加1滴不同的陽離子。相同地，在表格中「溴化鈉」和「碘化鈉」，進行相同的步驟。觀察每一格混合後發生可溶或難溶，拍照記錄結果，圖三所示。

圖三：滴加試劑後的學習單和投影片

2.        【學習單二：硝酸根離子、硫酸根離子、磷酸根離子與陽離子反應】：放置一張A4投影片到【學習單二】的正上方，分別檢驗硝酸鈉、硫酸鈉、磷酸鈉與陽離子之溶解與沉澱的現象。以塑膠滴瓶的試劑，先在表格中「硝酸鈉」同一欄位每一格都滴加1滴硝酸鈉溶液，再依照表格中列出的陽離子，在每格滴加1滴不同的陽離子。相同地，在表格中「硫酸鈉」和「磷酸鈉」，進行相同的步驟。觀察每一格混合後發生可溶或難溶，拍照記錄結果。

3.        【學習單三：碳酸根離子、鉻酸根離子與陽離子反應】：放置一張A4投影片到【學習單三】的正上方，分別檢驗碳酸鈉、鉻酸鈉與陽離子之溶解與沉澱的現象。以塑膠滴瓶的試劑，先在表格中「碳酸鈉」同一欄位每一格都滴加1滴碳酸鈉溶液，再依照表格中列出的陽離子，在每格滴加1滴不同的陽離子。相同地，在表格中「鉻酸鈉」，進行相同的步驟。觀察每一格混合後發生可溶或難溶，拍照記錄結果。

4.        【學習單四：氫氧根離子、硫離子與陽離子反應】：放置一張A4投影片到【學習單三】的正上方，分別檢驗氫氧化鈉、硫化鈉與陽離子之溶解與沉澱的現象。以塑膠滴瓶的試劑，先在表格中「氫氧化鈉」同一欄位每一格都滴加1滴氫氧化鈉溶液，再依照表格中列出的陽離子，在每格滴加1滴不同的陽離子。相同地，在表格中「硫化鈉」，進行相同的步驟。觀察每一格混合後發生可溶或難溶，拍照記錄結果。

5.        【學習單五：整理陰離子和陽離子反應的產物是否有沈澱並討論之】：整理每個化合物中的陰離子和哪些陽離子是可溶或難溶之實驗結果在【學習單五】中，並記錄沉澱物的顏色。討論哪些陰離子遇到大多數的陽離子會溶解、哪些哪些陰離子遇到大多數陽離子會沉澱。

6.        【學習單六：沉澱物與鹽酸的反應】：在學習單一～四中有產生沉澱者，滴加1滴3 M鹽酸，判斷是否沉澱有溶解，拍照記錄結果，記錄在【學習單六】。歸類哪些類別的化合物會因加入強酸而溶解，並討論可能的原因。有部分的沉澱物加入酸會產生氣泡，討論氣泡可能的成分。若是觀察不清楚，可改以調色盤來取代投影片進行實驗，如圖四所示。

圖四：使用調色盤（備用）

7.        【學習單七：有關沈澱的問題和討論】：小組討論完畢【學習單一】到【學習單六】後，每個人完成【學習單七】，寫下實驗過程的觀察和學習，思考相關課程運用並撰寫課程回饋。

8.        以濕抹布擦乾投影片並放回塑膠盆中，並依照原來陽離子和陰離子的藥品分類放回原來的兩個塑膠盆中，最後將小組學習單和個人學習單繳交給小老師，小老師統一收齊後交給任課老師。

n  觀察紀錄

圖五：學習單一～七的縮小版（由左而右，由上而下，原為A4大小）

n  安全與注意

1.        本實驗應該戴乳膠手套。本實驗用到強酸和強鹼，若實驗過程中手有出現刺痛或癢，請至洗手台沖水至不再刺痛。

2.        硝酸銀溶液以褐色瓶裝，以防變質。

n  廢棄物處理

1.        由於實驗需要有用到鉻酸鹽，因此使用後的抹布建議還是統一水洗，將洗液倒入廢液桶。

2.        投影片用濕抹布擦乾即可，之後再統一水洗濕抹布，可再次使用。

n  教學提示

1.        在溶解度定義方面，教師可示範讓學生觀察兩溶液混合產生不同效果，使學生分辨可溶和難溶的差異，以使學生能更正確進行後續實驗。教師也需帶學生分辨有顏色澄清的溶液和有顏色產生沉澱的溶液的差別，讓學生能清楚辨認實驗結果。

2.        在高中課程相關沈澱方面，教師可讓學生自行閱讀再依照學生不同背景知識進行討論或是讓學生作為課後查詢資料。

3.        實驗前先分組，學生分成六小組，由兩位小老師將各組的塑膠盆放給各小組。建議：可請學生下課先排好各組桌椅(見圖六)，上課即可開始進行實驗。開始上課小老師先發給各組學生學習單，學習單一～六每組各一張，學習單七每人一張，請學生先按頁數排好。

圖六：教室內各小組座位安排

4.        教師先示範第一頁學習單的做法，放置投影片在A4紙的正上方，讓學生清楚知道如何進行。需提醒學生每次滴只能滴加1滴試劑，勿超過兩滴，以避免最後混合無法辨認。若發生滴加太大滴的情形，可請學生用衛生紙吸收多餘溶液。若混合過多，用濕抹布整個擦乾，重新滴加。

5.        分配好各組組員任務，例如各組的1號負責第一張學習單，各組2號負責第二張，依此類推。或是各組的1、2號負責第一張學習單，各組3、4號負責第二張，依此類推，完成的同學再進行其他學習單。

6.        實驗時間包含實驗講解時間，約需兩節課較充裕。

7.        實驗整個過程主要藉由觀察在投影片上兩溶液混合是否產生沉澱，沉澱物加酸是否溶解或反應。若在沉澱加酸時學生無法在投影片有充分空間使用，可用調色盤作為輔助工具，（見圖七）。

 

圖七：在調色盤大格進行鉻酸鹽實驗、在調色盤小格進行氫氧化物實驗

8.        授課教師在實驗過程中需在各組間觀察各組遇到的問題，例如：學生可能問：這樣算沉澱還是溶解？教師可以引導學生思考：如果溶解觀察到的現象又會是如何？讓學生思考比較以達到教學效果。

9.        實驗中沉澱加酸再溶解的實驗需配製濃度3.0 M以上。若用0.1M的鹽酸滴加到沉澱物上，溶解的效果會無法看到，因為釋出的氫離子太少，導致無法立刻看到效果。

10.    本次實驗主要以塑膠滴瓶進行微量實驗，每個實驗只滴1-2滴，符合環保概念，且使用後藥品密封保存，大多的藥品仍可繼續使用。每組用量各瓶小於5毫升，因此可以提供多個班級使用。

11.    由於有用到強酸和強鹼，濃度有1.0 M和3.0 M。雖然每次只滴加1滴，但是可在開始上課時先提醒學生，若手有出現刺痛或癢，請至洗手台沖水至不再刺痛。

12.    硝酸銀溶液以褐色瓶裝，以防變質。

13.    從學生的實驗結果可發現，學生滴加時有少許的液滴不在空格中，因未與另一空格混合的液滴而可清楚判定。

14.    教師也可以改變實驗方法讓學生以闖關方式完成實驗，實驗前須先提醒學生勿將藥品拿走或任意換位置。

15.    教師看完學習單後，可以再找時間跟學生討論學習單的答案，一方面肯定學生學習單完成的完整度和細緻度，例如：有些學生畫圖更具體呈現答案；另外也可提醒學生有部分需要更正的觀念，例如：有些學生以為是濃度影響速率的快慢，可以提醒學生每一瓶塑膠滴瓶上面都有註明濃度是0.1 M。

n  實驗前藥品配製

1.        配製0.10 M溶液：在實驗室中，先計算出每一個藥品0.010莫耳所需要的質量，再以電子天平取好，放入50 mL燒杯中，再加入適量蒸餾水，以玻璃棒攪拌溶解後，再倒入100.00 mL的容量瓶中，加蒸餾水至刻度線，然後混合均勻。

2.        配製3.0 M HCl：在實驗室中，取25.0 mL 的濃鹽酸（12 M HCl），倒入100.00 mL的容量瓶中，再加蒸餾水至刻度線，然後混合均勻。

n  實驗紀錄（學習單）樣本與討論

【學習單一：氯離子、溴離子、碘離子與陽離子反應】

學生【學習單一】的實驗紀錄樣本，如圖八所示。

 

圖八： 學生【學習單一】實驗結果

氯化鈉、溴化鈉及碘化鈉均為無色溶液，分別滴到不同陽離子後，觀察者可清楚看到是否發生混濁或看到固體顆粒，也可觀察到這些陰離子溶液加到銅離子，雖然使原來液滴呈現藍色，但是不會產生沉澱，而溴化物和碘化物加到陽離子的沉澱大多呈黃色。

【學習單二：硝酸根離子、硫酸根離子、磷酸根離子與陽離子反應】

兩組學生【學習單二】的實驗紀錄樣本，如圖九所示。

 

圖九：學生【學習單二】的實驗紀錄樣本

硝酸鈉、硫酸鈉及磷酸鈉均為無色溶液，分別滴到不同陽離子後，可清楚看到是否發生混濁或看到固體顆粒。實驗結果可觀察到硝酸鈉溶液滴到不同陽離子均會溶解，硫酸鈉溶液只會和鋇離子出現白色的混濁，磷酸鈉溶液則與大多數陽離子出現白色的混濁。

【學習單三：碳酸根離子、鉻酸根離子與陽離子反應】

兩組學生【學習單三】的實驗紀錄樣本，如圖十所示。

 

圖十：學生【學習單三】的實驗紀錄樣本

碳酸鈉為無色溶液，分別滴到不同陽離子後，觀察者可清楚看到是否發生混濁或看到固體顆粒，與大多數的離子陽出現混濁現象。然而鉻酸鈉為深黃色溶液，學生開始操作時不太清楚如何判斷是否有沉澱。若學生提問可，教師試著引導學生再多滴1滴或是用其他工具（例如玻璃棒）觀察是否有明顯出現固體顆粒。

【學習單四：氫氧根離子、硫離子與陽離子反應】

學生【學習單四】的實驗紀錄樣本，如圖十一所示。

 

圖十一：學生【學習單四】的實驗紀錄樣本

氫氧化鈉和硫化鈉均為無色溶液，分別滴入不同的陽離子後，可清楚看到是否發生混濁或看到固體顆粒。氫氧化鈉溶液與大多數陽離子混合發生混濁現象，而沉澱物的顏色因不同離子而有不同變化。硫化鈉溶液則與大多數陽離子出現黑色混濁現象。

【學習單五：整理陰離子和陽離子反應的產物是否有沈澱並討論之】

在整理的過程中，學生可發現大部分的實驗結果與沉澱表相符合，但有少數不符合，因此進一步討論不符合的原因是必要的。學生推測是組員滴錯或滴的過程中產生汙染，因此大多想再做一次以驗證。

【學習單六：沉澱物與鹽酸的反應】

學生判斷鉻酸鹽的沈澱物加入鹽酸是否溶解部分，學生們常判斷錯誤，筆者推論原因可能是因為溶液原本有黃色，導致學生不易判斷加鹽酸是否溶解，因此這方面加酸的實驗後，或許較適合用調色盤來觀察實驗結果。

【學習單七：有關沈澱的問題和討論】

以下「藍字」為作者整理學生的學習單的填寫和回饋。

1.        如何判斷是否沉澱或溶解，外觀上有何差別？

這題學生整體回答滿清楚，大多能由混濁現象判斷出難溶，寫法多用混濁、霧霧的、粉末、飽滿來形容沉澱，少數同學會以圖畫顯現成果（見圖十二）。溶解則用透明、清澈、無固體來形容。

 

 

圖十二：【學習單七】第一題

2.        沉澱的速率快還是慢？滴入立刻產生沉澱嗎？有哪些會比較慢？

大多都是寫〝不一定〞，有些立即產生沉澱，有些則結合速度較慢，學生有提到像是鈣離子或鋇離子沉澱形成較慢（見圖十三）。學生推測許多原因，像是活性、解離度及鍵結，大部分學生的寫法是因物質性質而定，認為因有些陰陽離子本身特性而影響結合能力。由於學生來源目前有高一普通班、高一美術班、高二上社會組，因此未學習到反應速率和平衡常數。若以後進行此實驗的學生已經有學到相關部分，可跟學生提及溶度積平衡常數和反應速率能量障壁等相關概念。

圖十三：【學習單七】第二題

3.        有顏色的溶液，如何觀察出溶解與沉澱的差別？如何確定確實有沉澱？

學生認為：沉澱顏色比原來的澄清液為深、利用玻璃棒碰觸到明顯固體顆粒、與原來溶液顏色不同的固體沉澱、再多滴加1滴看是否出現較多固體或是與澄清液作比較（見圖十四）。

圖十四：【學習單七】第三題

4.        這個實驗的控制變因是什麼？未知的變因（應變變因）是什麼？

控制變因：濃度、滴固定滴數。未知的變因：是否沉澱、速率、加酸是否產生氣泡（見圖十五）。

圖十五：【學習單七】第四題

5.        你的實驗結果與你學過的哪些理論相關，是否符合理論？符合的有哪些？不符合的有哪些？是否可思考到其他原因造成的？

各組學生能據實地寫出實驗結果，對於不符合的部分大多認為是實驗誤差或認為同組的組員滴錯試劑。因此，學生大多認為或許可以找時間重做這部分實驗，以思考是否是濃度不夠或是反應速率太慢（見圖十六）。

圖十六：【學習單七】第五題

6.        你可以想到將這次的實驗運用在生活中的哪些層面嗎？舉出一些實例？

學生舉出的一些生活實例：硬水軟化、檢驗溶液、清潔劑檢驗、海水中提煉鎂的中間過程、魔術表演、去除熱水瓶水垢、鑑定物質、汙漬清理、分析水質等（見圖十七）。這方面學生大多能想到相關運用，有些學生有清楚寫出如何運用，大多數學生則只寫一句話，因此這部分之後可以請學生寫得更詳細清楚，確定學生有確實瞭解相關運用。

圖十七：【學習單七】第六題

7.        做完這次實驗，分享你的收穫、建議和心得。

學生認為：沉澱顏色與想像中不同；感受到自己像個魔法師；團隊合作很重要；藉由實驗加深印象；實驗操作容易理解；更瞭解上課的內容；選對適當的檢測液很重要；希望教師可示範兩次；雖然自己小組實驗操作有錯誤仍謝謝老師可以帶我們來做實驗將所學知識有更深入瞭解；希望能有更多時間完成學習單；做完實驗很有成就感（見圖十八）。

圖十八：【學習單七】第七題

從上段可以看到學生的回饋從不同面向分享，有些是就學習方面，有些則著重在團隊合作方面。而實驗中除個人的思考和學習之外，團隊合作也很重要，小組組員之間彼此互相討論學習，才能達到學習最大效益。從學生實驗操作照片也可以看到學生在實驗過程中不僅認真投入也充滿快樂，因此讓學生能從實驗中去發現沉澱表可以讓學生的學習更加投入與加深印象。

 

 

圖十九：學生實驗操作照片

n  參考資料和更多資訊

1.        趙匡華（1998），化學通史，凡異出版社。

2.        Jay McTighe & Grant Wiggins（原著），侯秋玲和吳敏而（翻譯），核心問題 開啟學生理解之門，心理出版社。

3.        John Suchocki（蘇卡奇原著），葉偉文（翻譯），觀念化學，遠見‧天下文化事業群。