第 46 頁 – 臺灣化學教育

化學教室活動：自製光譜儀偵測臭氧吸收光譜／陳秀荷、劉奇愛、楊水平

星期一 , 7, 5 月 2018 編輯助理本期專題, 第25期/2018年5月留言功能已關閉

化學教室活動：
自製光譜儀偵測臭氧吸收光譜

陳秀荷¹、劉奇愛¹、楊水平^2,*

¹國立彰化師範大學科學教育研究所
²國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

n 前言

光，是以波的形式傳遞。不論是從自然界中的太陽來的，還是人工製造的燈泡來的，一道光裡含有不同的波長。有些波長的光能使我們看見顏色，稱為可見光，不同顏色的光具有不同的波長，紅光的波長比藍光的還要長，而我們肉眼所見的日光，就是由許多不同的波長、不同顏色的光彼此混合所產生的。但這些混合在一起的各種波長，是否隱藏一些細微的秘密在其中呢？

在19世紀初期，夫朗和斐（Joseph von Fraunhofer, 1787 – 1826）因著精湛的透鏡研磨工藝，開啟人們對太陽觀測的序幕，他整合當時的觀測，從太陽儀中記錄當時的光譜，細心地記錄光譜中的暗線，共畫出了五百七十多條的暗線。但在當時卻無法對這些暗線提出合理的解釋，直到1859年克希荷夫（Gustav R. Kirchhoff, 1824 – 1887）與本生（Robert Bunsen, 1811 – 1899）合作，使得這些暗線的秘密從彩色的光譜中被揭發出來。^[1]

克希荷夫原先是物理學家，僅在研究之餘，與本生一起研究化學元素的光譜。當時是以純物質的在加熱下所發出的光進行紀錄並且觀察，這些純物質加熱的光譜，並非連續的，即使通過稜鏡也只會得到亮線，而非連續的光帶。而在一次對火災的研究中，引發他們對由光源推測元素的想法。克希荷夫與本生找出夫朗和斐的觀測紀錄，與他們已知的化學元素光比對，有了驚人的發現！他們發現「暗線的位置」竟然可以對應上「已知元素光譜」的亮線位置，包括氫、鈉、鎳、鈣及鐵。因此，克希荷夫就藉此推論，太陽上存在的元素，就是吸收太陽光的這些波段的能量，生成了這些肉眼可見的暗線。後世就把這光譜上五百七十條的暗線，稱為夫朗和斐線（Fraunhofer lines）^[2]，如圖一所示，圖一並未完整展現所有的夫朗和斐線。

圖一：太陽光譜與夫朗和斐線一樣，可以肉眼觀測到。

（圖片來源：Fraunhofer lines, https://en.wikipedia.org/wiki/Fraunhofer_lines.）

太陽光譜中的黑線是由於太陽表面上或更上面的氣體所引起的，它們吸收一些發出的光。每種氣體（如氦氣，氫氣，氧氣等）都有一組非常特定的波長，可以吸收太陽光。若照射一些光線通過一些冷氣體（cold gas）和棱鏡，並記錄吸收光譜（absorption spectrum），則可以肯定地說出這氣體是什麼（見圖二），這在化學上被稱為吸收光譜學（absorption spectroscopy）。美國宇航局（NASA）的好奇號（Curiosity）探測器使用光譜儀來確定火星上存在什麼氣體和化合物。^[3]

圖二：照射光線通過冷氣體和棱鏡可觀察到吸收光譜

（圖片來源：Spektrum Slunce, https://goo.gl/aGqu4d.）

n 大氣層中的臭氧

地球表面的大氣層以垂直高度分為四層，由地表向外，分別是對流層（地表以上約12公里）、平流層（約從對流層頂向上至55公里）、中氣層（55-85公里）以及增溫層（100公里以上）。我們生活在對流層的底部，雲、雨、霧等常見的天氣現象發生在此層。空氣不穩定，常隨人類活動而有所變化，如霧霾、沙塵暴……。而我們所熟悉的臭氧，是在平流層「保護」我們免於紫外光的傷害。然而，臭氧實際上並不永遠像保護的天使，關鍵取決臭氧所在的「高度」。當臭氧靠近我們時，保護的功能反倒對我們成了「傷害」。當臭氧出現在靠近我們的對流層的底部，會刺激人體的呼吸道，並引起皮膚過敏。

「對流層臭氧」和「平流層臭氧」來源並不相同。對流層中的臭氧如同惡魔般傷害人類的身體，在陽光的照射下，來自汽車或工業排放的氮氧化物（NO_x）汙染物發生光化學反應而產生臭氧（O₃），還有其他有機化合物，如揮發性有機物（volatile organic compounds, VOC）和非甲烷總烴（non-Methane Hydrocarbon, NMHC），也可以參與這反應鏈，在有羰基物質或酮類時進一步形成臭氧（見圖三）。^[4]隨著太陽光照的強度越強，對流層中的氮氧化物汙染物的光化學反應越充分，在地表量到的臭氧濃度就會越高，由清晨靠近中午時漸漸攀升，在中午時達到一天的高峰。^[5]不僅如此，在對流層頂部臭氧是溫室氣體中的一種，將地表要放出至太空的熱量吸收下來，加劇全球暖化。以上的證據都顯出對流層的臭氧對人類健康與環境的不友善。^[6]

圖三：對流層臭氧的形成途徑

（圖片來源：Tropospheric ozone, http://goo.gl/GnbaPJ.）

然而，在平流層中的臭氧卻扮演天使的角色，吸收太陽光中大部分的UV光（紫外光），保護人類和其他生物免受高能量UV光的影響，如皮膚癌、白內障及農作物的傷害等問題。平流層的臭氧是來自O₂接受UV光產生自由基連鎖反應而生。形成臭氧後，又可以再次吸收UV光分解成O₂。這樣的連鎖反應不斷吸收紫外光，減少紫外光到達地球表面的量，使地球上的人類免受紫外光的危害，像天使一樣在天空上保護著人類。而這層有效的保護層，也就是臭氧層。

n 空氣品質指標與臭氧吸收光譜

一、空氣品質指標

近幾年來，空氣汙染是流行議題之一。對流層中的臭氧對人類有危害，此高度的臭氧算空氣汙染的加害者嗎？為協助一般民眾對空氣品質的瞭解，監控我們自身的健康和安排日常活動，行政院環境保護署建置空氣品質監測網，瞭解空氣中有哪些主要汙染物以和汙染物的濃度有多少，這些關鍵空氣污染物的濃度經過分級，轉換成「空氣品質指標」（air quality index, AQI）。監測的汙染物有六項：細懸浮微粒（PM_2.5）、懸浮微粒（PM₁₀）、臭氧（O₃）、二氧化硫（SO₂）、二氧化氮（NO₂）以及一氧化碳（CO）。^[7]沒錯，臭氧也被列為其中一項空氣汙染指標之一。於是，有一件事值得思考，亦即是否有甚麼方式可以觀察對流層中的臭氧呢？我們嘗試利用自製光譜儀，以物質吸收光的原理進行臭氧的觀察。

二、臭氧吸收光譜

既然臭氧在平流層可以吸收紫外光，在地表對流層的臭氧是否也可以吸收太陽光的可見光譜，如同夫朗和斐線所觀測的，被我們觀測到吸收光譜暗線呢？大氣中物質能吸收太陽輻射的有水氣（吸收波長為10-200 nm）、二氧化碳（100-200 nm）、臭氧、二氧化氮、懸浮微粒。^[8] 資料顯示，四月初，接近地表的臭氧濃度明顯大，且臭氧的吸收光譜除了紫外光（220-345 nm）的範圍外，也可吸收可見光，其吸收的波長範圍約在400~700 nm，而575 nm和603 nm為吸收高峰。^[9] 我們設計實驗，利用自製光譜儀觀看夫朗和斐線和臭氧的吸收光譜暗線。

n 實驗方法和過程

本實驗的過程分三階段：(1)自製光譜儀、(2)進行吸收光譜拍攝、以及(3)使用Image J軟體。自製光譜儀和使用Image J軟體在教室進行，後者需要學生攜帶筆記型電腦到教室或在電腦教室進行；而進行吸收光譜拍攝在戶外進行。

一、自製光譜儀

(一)材料

霧面的黑色卡紙A4 兩張、雙面膠或膠水、電工膠帶、DVD 1片、刮鬍刀片 1片、半透明片 2-3片。

(二)製作過程

在網路上，有圖文並茂的介紹如何自製光譜儀 ^[10-13]，此處僅簡單地描述製作過程。

1. 在A4紙卡上，先沿著圖面（Layout）把光譜儀剪下。^[13]

2. 割出「入射光的縫隙」（lens window）以及「觀測窗」（View window）。

3. 黏接各個部分，並且檢查可能有接縫的部分，用黑色膠帶包覆，使光譜儀內腔的遮光更完全。

4. 置入DVD光碟片，即可以完成，如圖四左所示。

注意：不宜選擇厚度過厚的紙材，會使得整體摺立時，因紙材本身的厚度造成黏合不完全。

5. 準備2-3片半透明片，放置在狹縫前面用於遮光，使暗線更明顯，如圖四右所示。

圖四：自製光譜儀的成品（左）；半透明片放置在狹縫前面用於遮光（右）

二、進行吸收光譜拍攝

1. 首先，到室外尋找空曠無建築遮蔽的觀測點，使光線可以直接進入光譜儀的「狹縫」，如圖五左所示。

2. 然後，手機的鏡頭對齊自製光譜儀的「觀測窗」，如圖五右所示。

圖五：光線可進入「狹縫」（左）；鏡頭對齊「觀測窗」（右）

3. 以一小時做為間距，觀測靠近中午時的變化（如9:30 ‒ 14:30）

注意：在一開始觀測時，容易因為製作光譜儀的手法不純熟，有時會觀測到反射光線（見圖六左），而非經過繞射出來的光譜，並且需要反覆檢察儀器是否漏光。光譜儀沒有漏光，拍攝的光譜圖有七彩的連續光譜（見圖六右）。

圖六：有時會觀測到反射光線（左）；非反射光線有七彩的連續光譜（右）

三、使用Image J軟體

Image J是一款免費的影像分析軟體，使用的步驟相當簡易，相當容易取得需要的功能。可以由Image J官方網站找到下載的頁面 ^[13]，即可安裝軟體。對於分析此次實驗的步驟，有以下三個部分：(1)形成圖表、(2)選取參考點與比對、(3)校正座標軸。以下對對每一個步驟中Image J 的使用進行說明：

步驟一：形成圖表

首先，開啟Image J，加入欲分析的照片來源，並且利用鼠標指定分析的區域；之後，點擊上方的「Analyze」的按鍵，從選單中選取「Plot Profile」，如圖七所示，視窗中彩色圖案是欲分析的照片。此時就會得到：縱軸為灰值（Gray value）；橫軸為影像位置的圖表。

圖七：Image J的使用視窗

步驟二：選取參考點和比對

先選出欲作為參考點的位置。一般來說會取兩點，以作為參考點的線性轉換；通常會取亮點或暗點出現的位置。因為在影像分析中，灰值越大代表越亮，灰值越小代表越暗，所以圖片上最亮點與最暗點的位置，可以從圖譜上取出極大值與極小值做為參考值比對的位置。操作上可以透過放大顯示的比例，取得參考點的座標位置，如圖八所示。

圖八：參考點線性轉換方程式

步驟三：校正座標軸

此步驟主要的目的是，把橫軸的位置數據，轉換成在光學上可對應的波長。Image J 內有一個小工具可以協助得到線性轉換的公式，操作如以下：Analyze >>> tool >>> curve fitting，可以在方框中輸入原橫座標值，以及欲轉換的座標值，完成後按下Fit按鈕，即可以得到轉換公式，如圖九所示：

圖九：波長橫座標的轉換

複製Image J 當中的數值，在Excel工作表中貼上。在另一直行中輸入線性轉換的公式，即可得到校正後的數值，並且利用Excel中製表，得到校正過的橫座標。

n 結果與討論

結果一：2018/4/14各時段的光譜結果

拍攝時段選擇臭氧濃度較高時，為上午九點半至下午兩點半，每個時段朝大氣拍攝光譜時進行三種處理：(1)狹縫前面未覆蓋半透明遮片，如圖十所示；(2)狹縫前面覆蓋半透明遮片1片，如圖十一所示；(3)狹縫前面覆蓋半透明遮片2片，如圖十二所示。


9:30	10:30	11:30

12:30	13:30	14:30

圖十：狹縫前面未覆蓋半透明遮片


9:30	10:30	11:30

12:30	13:30	14:30

圖十一：狹縫前面覆蓋半透明遮片1片


9:30	10:30	11:30

12:30	13:30	14:30

圖十二：狹縫前面覆蓋半透明遮片2片

從拍攝的照片得知，每張照片幾乎都可觀看到光譜黑線，特別是狹縫前面覆蓋半透明遮片2片最為明顯。這些所有的黑線無法明確知道是否為夫朗和斐線，不過可確定知道大氣之中有吸收光線的物質。

結果二：分析大氣的光譜

從結果一中挑選影像清晰，具有可觀察的要素作為分析物，例如：綠色與橘色具有明顯交界或者在其附近的波長具有明顯暗線者。最後選出覆蓋半透明遮片1片，拍攝時間為12:30的作為分析。圖十三中黃色框為分析物採樣取用的範圍。同樣地，光源校正光譜以相同方式採樣並畫圖。

圖十三：光源校正光譜圖（左）；分析物光譜圖（右）

先將光源選定校正波長，利用此一般光源產品設計的資料得知，藍色區中的亮線為440 nm，綠色區中的亮線為547 nm，其中明顯的亮黃色區段則參考具有明顯黃光的半導體IC燈管光譜定為570 nm，如圖十四所示。將Distance數值經線性轉換調整為波長（27，440）、（122，547）、（152，570），重新進行曲線模擬，取得對應公式。

圖十四：光源光譜圖：一般燈管D色（右）；一般燈管CW色（中）；半導體IC燈管（左）

再從校正的波長中，找出與分析物相同處進行分析物的波長設定。在此選定綠色與橘色交界處訂為570 nm（見圖十五上），而紅色區中灰值最低者訂為相同波長637.4626 nm（見圖十五下）。將分析物光譜的Distance數值經線性轉換調整為波長，（443, 570）、（598，637.4626），進行曲線模擬，取得校正座標軸的數值a = 377.18754、b = 0.43524（見圖十五下）後，將數據置於Excel中重新繪製大氣吸收光譜圖。發現在橘色波段的一條暗線，波長為580 nm，非常靠近臭氧的其一理論吸收峰575 nm。

圖十五：光源設定波長與模擬曲線數值（上）；分析物設定波長與模擬曲線數值（下）

太陽輻射至地球後，大氣分子吸收可見光波的範圍者少。大氣含量最多的氮氣和氧氣的吸收波段皆不在可見光範圍，而大氣汙染物AQI指標中的物質，一氧化碳吸收波長為4700 nm，二氧化硫吸收波長為200-240 nm，臭氧吸收波長則在575 nm和605 nm有明顯的吸收。從文獻資料和光譜結果檢視，光譜中的暗線有可能來自水氣、臭氧和金屬懸浮微粒。因此從自製光譜儀中進行觀測和實驗後，經分析結果推測其中一條暗線在580 nm極可能為臭氧的吸收光譜。

n 克服困難與待解問題

製作光譜儀的步驟簡單，材料容易取得，但實際在進行觀測與結果拍攝時，會遇到兩個主要的拍攝問題：(1)光譜儀在製作時，容易因紙板的接縫，以及手機在對上觀景窗中間的縫隙，造成腔體漏光（見圖十六）。若拍攝到的照片有亮紋或是漏光區，會造成光譜的顏色不均，也會影響影像分析的結果。(2)拍攝時，手機和光譜儀組合的角度很容易產生相對位移，造成光學角度上的偏差，使照片有梯形的問題。在這兩個問題上，主要的解決方式是利用，照片輸入電腦時，些微調整圖片角度，並且截取適當的分析區域，盡可能使光譜之正交處，可以貼齊兩軸，減少歪斜所造成分析誤差。

圖十六：造成腔體漏光的情形

除此之外，在分析上還會遇到校正精準度的問題。因為此次實驗中，觀測的是連續光譜，難以定義出一明確的校正點。所以在此實驗的分析中，轉而選取綠色光的邊界以及紅色暗區，作為校正的對象，使目標的分析區間（臭氧吸收的理論範圍）能夠落在線性回歸的範圍當中。但取綠色的邊界處和紅色暗區與理論值進行比對，會因為精準度難以界定，產生線性回歸上的誤差。

在這次的實驗中，可以在580 nm處觀測的到暗線，並且與理論值575 nm相當接近，但另一條605 nm的臭氧吸收光譜，卻落在紅色暗區，難以區辨觀測。另外一待釐清的部分，是灰值與臭氧濃度之間的關係，尚不能得到一個清楚的解釋。主要面臨的問題在於：手機攝影的內建原件多以自動對焦以及自動感光，因此拍攝出的照片難以控制所有的光學參數。得到的照片，不僅受到拍攝環境、拍攝時間，手機的感光也會影響照片的品質。因此在進行灰值的分析時，尚未能夠提出一個合適的解釋，來說明臭氧的濃度能否透過光譜儀來觀測，待後續的研究繼續努力。

n 結語

在108新課綱的推行下，課程設計以全人教育為理念基礎，而自製光譜儀偵測臭氧吸收光譜的活動滿足課程設計的目標。結合STEM（Science, Technology, Engineering and Mathematics）以陶養生活知能，例如：吸收光譜與光化學反應等科學概念（S）、應用軟體科技進行研究分析（T）、實際動手做與問題解決的工程能力（E），以及數值轉換與圖表識別的數學思考（M）。在觀察美麗光譜的喜悅下啟發生命潛能，以日常生活的科學研究激發終身學習的活力以促進生涯發展，最後談人類活動造成空氣汙染的主題切入公民責任。

此活動在空氣污染議題流行的社會環境中，像是從另一個角度進行空氣污染教育，從知識性的瞭解走入檢測的專業思考。雖然在實驗過程中因儀器操作等等不順利的原因，產生許多的懷疑和放棄的想法，但是隨著夥伴與老師彼此間的討論、鼓勵和幫助，一步步嘗試去解決問題，漸漸明朗的結果，構想有了成功的曙光。化學活動可以不只是食譜式或實驗室的實驗，也能不溼答答地在教室對科學進行問題解決。

n 參考資料

1. Robert Bunsen and Gustav Kirchhoff, https://goo.gl/Dpoq78.

2. Fraunhofer lines, https://en.wikipedia.org/wiki/Fraunhofer_lines.

3. Every color of the Sun’s rainbow: Why are there so many missing? https://goo.gl/WwuWun.

4. Tropospheric ozone, http://goo.gl/GnbaPJ.

5. 羅惠芬、陳鴻烈（2009）。空氣污染物及其光化反應生成臭氧濃度之日變化分析。水土保持學報，41(1)，1-16。

6. Shindell, D., Faluvegi, G., Lacis, A., Hansen, J., Ruedy, R., & Aguilar, E. (2006). Role of tropospheric ozone increases in 20th‐century climate change. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 111(D8). doi:10.1029/2005JD006348.

7. 空氣品質指標的定義，https://taqm.epa.gov.tw/taqm/tw/b0201.aspx.

8. 徐辛欽、周淑美（1995）。臺灣臭氧量與紫外線（UVB）之分析研究。氣象學報，41(2)，106-122。

9. Jodpimai, S., Boonduang, S., & Limsuwan, P. (2016). Inline ozone concentration measurement by a visible absorption method at wavelength 605nm. Sensors and Actuators B: Chemical, 222, 8-14. doi: https://doi.org/10.1016/j.snb.2015.08.028.

10. 自製光譜儀，http://a-chien.blogspot.tw/2014/04/blog-post_29.html。

11. Making a spectrometer, http://goo.gl/kAy6DQ.

12. How to make austerity lab equipment, http://goo.gl/3khA4v.

13. Evil-doer or do-gooder: Getting the goods on ozone, https://goo.gl/gQj6NH.

14. Imagej, https://imagej.nih.gov/ij/index.html.

化學教室活動：發現查理定律和絕對零度／李錡峰、張鈞皓、郭峯廷、楊水平

星期日 , 6, 5 月 2018 yangsp 未分類留言功能已關閉

化學教室活動：發現查理定律和絕對零度

李錡峰¹、張鈞皓²、郭峯廷²、楊水平^2,*

¹國立南科國際實驗高級中學
²國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

n 簡介

在99課綱中，查理定律（Charles’s law）和絕對零度（absolute zero）被編於高中基礎化學（三）的氣體定律之列。可惜的是，查理定律和絕對零度並沒有被編為實驗的項目。在108新課綱的自然領域化學科中，並未提到查理定律和絕對零度，只提到理想氣體定律。

針對查理定律的實驗，傳統的定性實驗使用較大的器材，具有容易觀察的特色，常用於示範教學；而傳統的定量實驗鮮少為學生實驗的教材。通常絕對零度的實驗與查理定律在同一個實驗並行而獲得，這類的實驗設計需要特殊的裝置。本文嘗試設計簡易的且方便的實驗裝置提供給高中化學教師教學和學生實驗的參考。

本實驗的學習方法採用發現學習（discovery learning），學生在探索之前不知道氣體的溫度與體積之間的關係，他們在教材的指引下有機會去發現查理定律和絕對零度，其過程需要進行實驗、收集資料及處理資料，並進一步發現規律性。本實驗的設計係利用植物油來封住一支一端封口的毛細管柱內的空氣，形成在一個微小密閉系統的空氣柱。藉由水浴方式加熱或冷卻這支毛細管，測量在不同溫度下在管柱內的空氣膨脹或縮收的體積。然後，收集的數據進行毛細管柱內飽和水蒸氣壓的校正等數據的處理，而且需要排除在高溫下呈現高偏差的數據點，找到極佳的溫度與體積之間的關係和發現絕對零度。

n 實驗器材

每組用量：毛細管（單端開口，用於熔點測定，長10 cm，內徑0.60 mm） 1支、廚房用數位溫度計 1支、透明保特瓶（用剪刀裁剪成杯狀）或透明塑膠杯（需耐熱至80℃） 1個、注射針筒附針頭（10 mL） 1支、植物油（如沙拉油，裝在塑膠杯內）、塑膠杯 1個、橡皮筋 2條、金屬尺（15 cm長） 1支、透明膠帶 1捲、熱水（用保溫瓶裝） 1瓶、室溫水（用保特瓶裝） 1瓶、冰水（用保特瓶或保溫瓶裝） 1瓶、PE滴管（3 mL） 2支。圖一左為本實驗需用的器材和材料，圖一右為實驗用器材和材料裝在一個置物盒中。

圖一：實驗需用的器材和材料（左），器材和材料裝在一個置物盒中（右）

n 實驗步驟

1. 準備一支10 mL的注射針筒（附針頭），如圖二左所示。針頭的尖端應事先用砂紙磨平或使用剪刀剪斷，避免螫傷，如圖二右所示。

圖二：注射針筒附針頭（左），被磨平的針尖（右）

2. 取一支毛細管（單端開口），用兩條橡皮筋固定這毛細管在一支金剛尺上，毛細管的封口端的內徑底部與金剛尺的零刻度對齊，如圖三所示。

〚注意〛：若使用塑膠尺，在高溫時可能會造成塑膠軟化而彎曲的現象。

圖三：用兩條橡皮筋固定毛細管在金剛尺上

3. 放入金剛尺和毛細管到塑膠杯中，並利用膠帶支撐金剛尺和溫度計，如圖四所示。

圖四：利用膠帶支撐金剛尺和溫度計

4. 在塑膠杯中，加入一些熱水，使毛細管內的空氣溫度上升。此實驗操作的溫度是由高溫往低溫。在高溫（60-70℃）時，使用注射針筒吸取少許的植物油（如沙拉油），注入植物油的位置在距離毛細管開口處2~3公分處，植物油在毛細管內的高度約2~3 mm即可，如圖五所示。

〚注意〛：加入熱水到塑膠杯中，水面的高度務必不可淹過毛細管的開口，以免堵塞而影響氣體的膨脹或壓縮。

圖五：使用注射針筒吸取植物油（左），注入植物油在毛細管內（右）

5. 在注入植物油後，利用滴管進行加冷水或熱水到塑膠杯中，調整水溫在60-75℃之間，如圖六所示。之後，每下降5℃的測量一次溫度並記錄於表一中。在測量溫度時，必須隨時攪拌塑膠杯中的水，使水的溫度與毛細管本身的溫度達到熱平衡，待溫度變化較穩定時，才讀取溫度和空氣柱的高度，如圖六所示。

圖六：正式測量前，先調整水溫在60-75℃之間

6. 測量在不同溫度時，毛細管內空氣柱的高度。

7. 計算毛細管內空氣柱的體積，毛細管的內徑在包裝盒上有標示。

8. 透過網站，查詢水在不同溫度的飽和蒸氣壓。

9. 在定壓下，空氣柱體積（V）對溫度（t）作圖，發現其規律性；並使用趨勢線的方程式，在空氣柱體積為零之下，計算溫度軸上的溫度，發現絕對零度。

10. 校正空氣柱內的水蒸氣，使空氣柱的氣體為乾燥空氣。在空氣柱內的飽和水蒸氣被扣除後，在定壓下，乾燥空氣柱體積（V）對溫度（t）作圖，找出兩者的關係。溫度軸設定在0-80℃之間，檢查是否有大偏差的數據點。

11. 校正空氣柱的水蒸氣，使空氣柱的氣體為乾燥空氣。在空氣柱內的飽和水蒸氣被扣除後，在定壓下，乾燥空氣體積（V_c）對溫度（t）作圖，找出兩者的關係；並使用趨勢線的方程式，在空氣柱體積為零之下，計算溫度軸上的溫度，發現絕對零度。

12. 使用校正前空氣柱體積（V）與校正後乾燥空氣體積（V_c），進行校正前後的「V/T對V」和「V_c/T對V_c」比較。(1)在定壓下，校正前空氣柱體積比絕對溫度（V/T）對空氣柱體積（V）作圖，找出V/T是否隨V而變；(2)在定壓下，乾燥空氣體積（V_c）對絕對溫度（T）作圖，找出V_c/T是否隨V而變。此處絕對溫度（T）為攝氏溫度（t）減掉絕對零度時的攝氏溫度。

n 安全注意事項和廢棄物處理

l 注射針筒的針頭尖端應事先用砂紙磨平，避免螫傷。

l 使用過後的注射針筒可以重複使用，不可丟棄，由教師集中保管。

l 使用後的實驗裝置可以重複使用，不可丟棄。

l 本實驗使用藥品僅有植物油，其量極少且無毒。

l 本實驗務必小心使用熱水，避免燙傷。

n 結果與討論

一、 基本數據

大氣壓力（P_atm）： 757.19 （mmHg），毛細管的內徑（2r）： 0.12 cm。

二、 測量溫度與空氣柱高度的照片

不同溫度與空氣柱高度的三張照片，如圖七所示：

圖七：不同溫度對應到空氣柱高度的照片

三、 數據表

查理定律和絕對零度的定量實驗之原始數據和數據處理表，如表一所示。

表一：查理定律和絕對零度的定量實驗原始數據和數據處理

溫度t（℃）	68.7	63.9	60.5	55.0	50.2	45.8	40.3
絕對溫度T（K）*	345.4	340.6	337.2	331.7	326.9	322.5	317.0
空氣柱高度h（cm）	9.11	8.75	8.52	8.05	7.66	7.38	7.08
空氣柱體積V（mL）	0.103	0.0990	0.0964	0.0910	0.0866	0.0835	0.0801
未校正V/T（mL/K）	0.000301	0.000294	0.000289	0.000277	0.000268	0.000262	0.000255
飽和水蒸汽壓（mmHg）**	220.38	178.11	152.53	117.78	93.23	74.71	56.09
乾燥空氣比例（%）	70.90	76.48	79.86	84.44	87.69	90.13	92.59
乾燥空氣體積V_c（mL）	0.0730	0.0757	0.0769	0.0769	0.0760	0.0752	0.0741
校正後V_c/T（mL/K）	0.000214	0.000225	0.000231	0.000234	0.000235	0.000236	0.000236

溫度t（℃）	35.5	31.0	25.4	20.8	14.9	10.0	—
絕對溫度T（K）*	312.2	307.7	302.1	297.5	291.6	286.7	—
空氣柱高度h（cm）	6.83	6.66	6.45	6.3	6.08	5.95	—
空氣柱體積V（mL）	0.0772	0.0753	0.0729	0.0713	0.0688	0.0673	—
未校正V/T（mL/K）	0.000250	0.000248	0.000244	0.000242	0.000239	0.000238	—
飽和水蒸汽壓（mmHg）**	43.25	33.61	24.26	18.36	12.65	9.16	—
乾燥空氣比例（%）	94.29	95.56	96.80	97.58	98.33	98.79	—
乾燥空氣體積V_c（mL）	0.0728	0.0720	0.0706	0.0695	0.0676	0.0665	—
校正後V_c/T（mL/K）	0.000236	0.000237	0.000237	0.000237	0.000235	0.000235	—

*此處絕對溫度T（K）之值為攝氏溫度t（℃）減掉實驗得到絕對零度時的攝氏溫度。

**不同溫度下的飽和水蒸汽壓，可用線上水蒸汽壓計算器，快速查詢得到，例如：Vapor Pressure of Water Calculator, http://goo.gl/ivmBzA或Saturated Vapor Pressure, http://goo.gl/1pDYmP.

四、 關係圖

1. 在定壓下，空氣柱體積（V）對溫度（t）作圖，發現其規律性；並使用趨勢線的方程式，在空氣柱體積為零之下，計算溫度軸上的溫度，發現絕對零度。

在定壓下，空氣柱體積對溫度的關係，如圖八所示：

圖八：空氣柱體積對溫度作圖

由上圖得知，溫度與空氣柱體積呈現接近直線的線性關係，稍微呈現彎月型；當溫度越高時，空氣柱體積的體積增加的幅度越大。利用趨勢線的方程式，回推當空氣柱體積為零時的溫度之值。趨勢線：y = 0.000612 x + 0.057921，設體積y = 0，求溫度x之值，x = ‒94.6℃，此溫度與理論的絕對溫度（‒273.15℃）相差甚多，相差高達‒176.8℃，誤差百分比為‒65.4%。推論其誤差的來源可能為空氣柱內的氣體含有水的飽和蒸氣壓，且氣柱內的氣體並非理想氣體，與理想氣體求得的絕對溫度之間的數據存在顯著的差異。

2. 校正空氣柱內的水蒸氣，使空氣柱的氣體為乾燥空氣。在空氣柱內的飽和水蒸氣被扣除後，在定壓下，乾燥空氣柱體積（V）對溫度（t）作圖，找出兩者的關係。溫度軸設定在0-80℃之間，檢查是否有大偏差的數據點。

在定壓下，乾燥空氣柱體積對溫度的關係，如圖九所示：

圖九：乾燥空氣體積對溫度作圖

在空氣柱內的飽和水蒸氣被扣除後，使空氣柱的氣體為乾燥空氣。由上圖得知，在60℃以上的溫度出現與在60℃以下有相當大的偏差，這些數據點應該被刪除。推論出現大偏差的原因可能是水在高溫的蒸氣壓明顯上升，而且植物油在高溫時也有些許的飽和蒸氣壓，水和植物油在溫度越高時，其飽和蒸氣壓越大，造成的偏差就越大。

3. 校正空氣柱的水蒸氣，使空氣柱的氣體為乾燥空氣。在空氣柱內的飽和水蒸氣被扣除後，在定壓下，乾燥空氣體積（V_c）對溫度（t）作圖，找出兩者的關係；並使用趨勢線的方程式，在空氣柱體積為零之下，計算溫度軸上的溫度，發現絕對零度。

在定壓下，乾燥空氣體積對溫度作圖，如圖十所示：

圖十：乾燥空氣體積對溫度作圖

在定壓下，乾燥空氣體積（V_c）對溫度（t）作圖，由上圖得知，溫度越高，乾燥空氣體積越大，且溫度與乾燥空氣體積呈直線的線性關係。利用趨勢線，回推當氣體的體積為零時的溫度。利用趨勢線：y = 0.000233 x + 0.064469，設體積y = 0，求溫度x之值，x = ‒276.7℃，此溫度與理論的絕對溫度（‒273.15℃）相差甚小，只有‒3.6℃，誤差百分比為‒1.3%。

4. 使用校正前空氣柱體積（V）與校正後乾燥空氣體積（V_c），進行校正前後的「V/T對V」和「V_c/T對V_c」比較。(1)在定壓下，校正前空氣柱體積比絕對溫度（V/T）對空氣柱體積（V）作圖，找出V/T是否隨V而變；(2)在定壓下，乾燥空氣體積（V_c）對絕對溫度（T）作圖，找出V_c/T是否隨V而變。此處絕對溫度（T）為攝氏溫度（t）減掉絕對零度時的攝氏溫度。

進行校正前的「V/T對V」和校正後「V_c/T對V_c」之比較圖，如圖十一所示：

圖十一：校正前的「V/T對V」（藍色）和校正後「V_c/T對V_c」（紅色）比較圖（上圖的絕對溫度T用攝氏溫度加上實驗值276.7，而下圖的絕對溫度T用攝氏溫度加上理論值273.15。）

由上面兩圖得知，校正前的「V/T對V」（藍色）趨勢線的斜率為正值的直線，顯示V/T之值隨著V而變。而校正後「V_c/T對V_c」（紅色）趨勢線的斜率幾乎為零的直線，V_c/T之值不隨著V_c而變。

n 科學原理和概念

一、 查理定律

查理定律（Charles’s law）是一種實驗的氣體定律，描述氣體在加熱時如何膨脹。查理定律的實驗裝置圖，如圖十二所示。查理定律的現代描述是：當乾燥氣體的壓力保持不變時，絕對溫度（T）與體積（V）成正比關係，如式[1]或式[2]所示。

圖十二：查理實驗裝置圖

這定律描述隨著溫度升高氣體如何膨脹；相反地，溫度降低會導致體積減小。為了比較兩種不同條件下的相同物質，此定律可寫為：隨著絕對溫度的升高，氣體的體積也按比例增加。^[1]

根據其實驗結果，可以函數圖表示，如圖十三所示：

圖十三：查理定律可以用不同的函數圖表示

根據實驗結論，若t 體積為V_t，則存在其關係，如式[3]所示：

此處V_t = 氣體於t 時的體積，V₀= 氣體於0 時的體積，V = 氣體體積，V₀= 氣體於0 時之體積。

查理定律的說明理論基礎是什麼呢？氣體動力論（Kinetic theory of gases）聯繫氣體的宏觀特性（如壓力和體積）與構成氣體的分子的微觀特性（特別是分子的質量和速度）起來。為了從動力學理論推導查理定律，溫度的微觀定義是必要的：溫度可以當作與氣體分子的平均動能成比例，亦即T ∝ E_ķ；再者，理想氣體定律（ideal gas law）的動力學理論相當於PV與平均動能的關係：PV = 2/3 N E_ķ，N是氣體分子數。兩者關聯在一起，得到PV = 2/3 N E_ķ∝ T，亦即PV ∝ T。這就是查理定律的理論基礎。^[1]

物理學家James Clerk Maxwell提供一個查理定律的定性說明。他宣稱，氣體佔據的空間量完全取決於其氣體粒子的運動。氣體粒子不斷地與容納它們的容器一直碰撞。無數氣體粒子快速襲擊，以致對容器的表面施加一個力量，這種力量轉化為一定的壓力。這種碰撞的一次衝擊力是無關緊要的，但以總體而言，碰撞會對容器表面施加相當大的壓力。例如，在氦氣球內每秒鐘大約有10²⁴次的氦原子撞擊每平方厘米的橡膠，速率約為每秒1英里！這壓力被稱為氣體壓力。氣體壓力與碰撞的大小和它們在特定區域上的力量成正比。因此，碰撞越多，壓力越高。一個重要的發現是氣體粒子的運動及其碰撞的頻率取決於氣體的溫度，這意味著更熱的氣體壓在牆壁上並產生更高的壓力。這就是給呂薩克定律（Gay-Lussac Law）。若體積沒有固體的限制，當加熱氣體時，其體積會增加，導致氣球隨之膨脹，這就是查理定律。^[2]

關於內燃機，查理定律著重於火花點火（汽油）和壓縮點火（柴油）的動力衝程。火花點火是指燃燒過程中的氣體暴露在非常高的溫度下，導致氣體的體積增加並且膨脹。隨著這個過程繼續增加，增加對氣缸體和活塞的作用力。然後推動活塞向下運動並通過連桿傳遞力，進而導致曲軸旋轉。^[3]應用查理定律在現實生活的實例有很多，例如：(1)用瓦斯火加熱到熱氣球內部的空氣，空氣分子在其空間內移動更快並且分散。熱氣球內的氣體佔據更多的空間，變得比周圍的空氣密度小。因此，熱氣球內部的熱空氣因其密度降低而升高，並導致熱氣球漂浮。(2)如果你打乒乓球，偶爾會碰到球凹痕的機會。放入乒乓球在溫熱水中，其內部的空氣會隨著溫度升高而膨脹而推出凹痕，恢復球體的圓形。(3)開車時會加熱輪胎，導致其內部的空氣壓力變大。若在輪胎是熱時測量壓力，則胎壓會更高。因此，汽車的胎壓必須在汽車輪胎冷卻時才測量。

二、 絕對零度

絕對零度（Absolute zero）是熱力學溫標的下限，即冷卻理想氣體的焓和熵達到其最小值的狀態，絕對零度是自然界的基本粒子具有最小振動運動的點，只保留量子力學在零點的能量誘導的粒子運動。這理論溫度是透過外推查理定律來確定。根據國際協議，攝氏溫標的絕對零度為‒273.15℃。根據定義，對應到Kelvin和Rankine的溫標，它們的零度設定為絕對零度。馬克斯·普朗克強（Max Planck）的第三熱力學定律指出完美晶體的熵在絕對零度會消失。^[4]

n 教材教法設計—發現學習

發現學習（Discovery learning）是一種探究為基礎的教學方法，被認為是一種建構論為基礎的教育方法。發現學習是學習者利用自己的過去經驗和現有的知識來發現事實和關係以及學習新的知識。^[5-6]發現學習鼓勵學生提出問題並找到他們自己的試探性答案，並從實際的案例或經驗中推導出一般性的原則，學習的主要內容知識沒有事先給學生，必須由學生自己去發現。^[7]

在發現學習中，教師可以提供回饋，以回應學生的努力，但在學生努力之前或期間教師很少提供或不提供過程和方向。教師缺乏提供的教材和教法的結構和指導，因此學生需要的反覆試驗是發現學習相對於其他方法的關鍵性特徵。^[8] 發現學習的方法如同探究，是一種歸納法（inductive approach），發現學習法又稱為引導探究學習法（guided inquiry learning approach）。透過研究一個現象的具體例子，學生能夠對基本原理有一個總體的理解。歸納學習的倡導者強調透過直接經驗學習的價值和〝為自己找出自我”的動機價值。^[9-10]發現學習理論假設學生最好的學習是透過實驗去發現事實和關係。學生不要被要求記住事實或聆聽學習，而是要求學生操縱材料和試驗，做出假設並自行發現知識。發現學習是一種歸納學習，學習者透過觀察或測量去發現規則的過程。這與演繹學習不同。在演繹學習中，學生事先學會他們需要應用的規則。^[11-12]

發現學習的潛在的優勢：支持學生積極參與學習過程、培養好奇心、促進終身學習技能的發展、個性化學習體驗、提供高度的動力、學生有機會進行實驗、建立在學生以前的知識和理解基礎上。潛在的缺點：沒有初始框架可用而讓學生感到困惑、效率低下且耗時、導致學生沮喪。^[13] 為了克服潛在的缺點，本次〈發現查理定律和絕對零度〉的設計以局部的框架為構想，提供部分或概括的探索步驟，以提高學生的學習效率。

n 教學提示

l 上課時間：教師實驗解說：約5分鐘，學生組裝實驗裝置、操作實驗並紀錄結果：約20分鐘，數據處理與討論：25分鐘。數據處理以使用Excel處理為佳，可在電腦教室進行或各組一部筆記型電腦或平版電腦在教室中進行。

l 本實驗有大量的數據，建議：以Excel處理數據和製作圖表為佳，不宜以手工繪製圖表。透過Excel的精熟技術學習，學生可以輕而易舉地應付未來在大學端自然科學實驗和技術工程實驗的大量數據處理。

l 本實驗結合波以耳定律和亞佛加厥定律（可用《臺灣化學教育》第14期的文章稍加修改）構成氣體三大定律，設計成發現學習的教材，適用於9課綱基礎化學（三）氣體定律單元和108課綱的選修課程或自然科學探究與實作的課程。

n 參考資料

1. Charles’s law, https://en.wikipedia.org/wiki/Charles’s law.

2. What Is Charles’s Law? https://goo.gl/iP2Hgf.

3. Boyle’s & Charles Law in relation to Automotive Engines. http://goo.gl/WhU4sJ.

4. Absolute zero, https://en.wikipedia.org/wiki/Absolute_zero.

5. Discovery Learning (Bruner), https://goo.gl/cUkxBL.

6. Discovery Learning, https://en.wikipedia.org/wiki/Discovery_learning.

7. Discovery Learning Theory: A Primer for Discussion, http://goo.gl/VhrLon.

8. The Many Faces of Inductive Teaching and Learning, http://goo.gl/WV4XN3.

9. Domin, D. S. A Review of Laboratory Instruction Styles, Journal of Chemical Education, 1999, 76 (4), p 543-547.

10. Hodson, D. Journal of Curriculum Studies. 1996, 28, 115–135.

11. What is Discovery Learning? https://goo.gl/uAxmra.

12. What is inductive learning? https://goo.gl/zqt6Cq.

13. Discovery Learning Theory: A Primer for Discussion, http://goo.gl/eRCxGT http://goo.gl/eRCxGT.

n 學生活動手冊

下載本化學教室活動的學生活動手冊—「發現查理定律和絕對零度」。

疑難問題集錦之三／施建輝

星期六 , 5, 5 月 2018 編輯助理第25期/2018年5月, 高中化學教學疑難問題與解題留言功能已關閉

疑難問題集錦之三

1. 為何四氨銅離子的混成軌域是dsp²而不是sp³？

2. 碘溶於正己烷或酒精中為何顏色會不一樣？

施建輝

國立新竹科學園區實驗高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]

n 疑難問題一：四氨銅離子的化學式為[Cu(NH₃)₄]²⁺，即以Cu²⁺為中心，以四個NH₃為配基（ligand），形成四配位的錯離子。其幾何形狀應該是四面體還是平面方形？為什麼？

1. 前言：以混成軌域（hybrid orbital）判斷四氨銅離子的幾何形狀時，到底應該是以sp³混成軌域鍵結，幾何形狀為四面體；還是以dsp²混成軌域鍵結，幾何形狀為平面方形？

2. 下文將說明此一疑難問題的緣起，並經由資料的蒐集，整理出解說此一問題的方式。

(1) 中性銅原子價軌域的電子組態為3d¹⁰4s¹，見圖1-(A)；當銅失去兩個電子形成銅離子，則銅離子價軌域的電子組態為3d⁹，見圖1-(B)。從圖1-(B)的電子組態，若要與四個氨分子形成四氨銅離子，自然而然會認為銅離子應該以1個4s軌域與3個p軌域等四個空軌域形成sp³混成軌域，再與四個氨分子以配位共價鍵鍵結，見圖1-(C)，若這個說法正確，則四氨銅離子的幾何形狀應當是四面體，見圖1-(D)。

(D)

圖1 銅原子與銅離子的價軌域電子組態、混成軌域與與四氨銅離子的幾何形狀(假設)

(2) 但是書上明明白白的寫著：四氨銅離子的幾何形狀為平面方形，不是四面體！所以出現一個說法：
「銅離子形成混成軌域時，3d的1個電子提升到4p軌域，以1個3d軌域、1個4s軌域與2個p軌域等四個空軌域形成dsp²混成軌域，再與四個氨分子以配位共價鍵鍵結，見圖2-(A)，所以四氨銅離子的幾何形狀為平面方形，見圖2-(B)。」

(A)

(B)

圖2 四氨銅離子的混成軌域與幾何形狀

(3) 在我教學的歷程中，學生們對此說法大多是不滿意的。那該怎麼解釋呢？這個問題其實也困擾我多年。

(4) 在近期閱讀的一本無機化學原文書^*對此問題有合理的說明，本人將該書的論點消化後，擷取與此問題相關的部分，如下：

(a) 四氨銅離子其實是六配位而非四配位，正確的表示法是[Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺，幾何形狀為八面體。四個氨分子以較強的鍵結、較短的鍵長位於赤道面（equatorial position），兩個水分子以較弱的鍵結、較長的鍵長位於軸上（axial position），見圖3-(A)。以價鍵理論而言，六配位的混成軌域應該是d²sp³（內錯合物，inner orbital complexes）或sp³d²（外錯合物，outer orbital complexes），若以圖1-(B)中銅離子價軌域的電子組態來看，[Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺應屬於外錯離子，見圖3-(B)。

(A)

(B)

圖3 四氨銅離子六配位的幾何形狀與混成軌域

(b) 老師們可能會質疑(a)中的內容：若銅離子是六配位，為何不是與六個氨分子鍵結，以六氨銅離子[Cu(NH₃)₆]²⁺的方式存在，而是[Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺？關於這部份，書上列出水溶液中的銅離子在滴入氨水時與氨鍵結的逐步形成常數（cumulative formation constant）：

[Cu(H₂O)₆]²⁺ + NH₃ ⇌ [Cu(NH₃)(H₂O)₅]²⁺ + H₂O K₁ = 2×10⁴ [1]

[Cu(NH₃)(H₂O)₅]²⁺ + NH₃ ⇌ [Cu(NH₃)₂(H₂O)₄]²⁺ + H₂O K₂ = 4×10³ [2]

[Cu(NH₃)₂(H₂O)₄]²⁺ + NH₃ ⇌ [Cu(NH₃)₃(H₂O)₃]²⁺ + H₂O K₃ = 1×10³ [3]

[Cu(NH₃)₃(H₂O)₃]²⁺ + NH₃ ⇌ [Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺ + H₂O K₄ = 2×10² [4]

[Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺ + NH₃ ⇌ [Cu(NH₃)₅(H₂O)]²⁺ + H₂O K₅ = 3×10⁻¹ [5]

[Cu(NH₃)₅(H₂O)]²⁺ + NH₃ ⇌ [Cu(NH₃)₆]²⁺ + H₂O K₆ = very small [6]

從K₁、K₂、K₃、K₄四個逐步形成常數可看出[1]、[2]、[3]、[4]等反應向右的傾向極大，K₅不大、K₆甚小，表示[5]、[6]這兩個反應向右的傾向不大或極小。若將[1]、[2]、[3]、[4]四個合併反應，則其反應式與形成常數如下：

[Cu(H₂O)₆]²⁺ + 4NH₃ ⇌ [Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺ + 4H₂O [7]

K = K₁×K₂×K₃×K₄ = 1.6×10¹³，此一形成常數甚大，可看出水溶液中的主要產物是[Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺，不是[Cu(NH₃)₆]²⁺。

(c) 一般在以水為溶劑的溶液中，若配基是水分子，通常省略不寫，以Co²⁺為例，其實應表為[Co(H₂O)₆]²⁺；在測定平衡常數這個實驗中，用以比色的試劑FeSCN²⁺，其實應表為[Fe(SCN)(H₂O)₅]²⁺。所以[Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺也常以省略水分子的方式表為[Cu(NH₃)₄]²⁺。

(d) 結論1：銅氨錯離子的完整表示法是[Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺，以sp³d²混成軌域鍵結，幾何形狀為八面體。

(e) 結論2：配基中的水分子H₂O位於軸上，鍵結較弱，經常被省略不寫，而僅呈現鍵結較強、位於赤道面的四個氨分子，表為[Cu(NH₃)₄]²⁺。刪去位於軸上的p_z與d_z2，則其混成軌域為dsp²，所以幾何形狀為平面方形。

3. 延伸內容：「錯離子」（complex ion）、「錯合物」（complex compound）或「配位化合物」（coordination compound）是高中化學於過渡元素這個章節首度出現的名稱，為了讓初學者了解這些名稱的由來，我在教學上會進行一個演示實驗，讓學生先從這項演示實驗感受化學反應的神奇，隨後才帶入教學內容，教學效果甚佳，在此提供給老師們做為教學的參考。以下是這項演示實驗進行的方式與教學參考資料。

(1) 準備一支大試管（規格：25×150，即口徑25mm，長150mm）與一個7號橡皮塞，在試管內加入0.05M的硫酸銅溶液30mL，蓋上橡皮塞，此時溶液呈淡藍色，見圖4-(A)。

(2) 打開橡皮塞，以裝有濃氨水的點滴瓶滴入2滴濃氨水於試管，蓋上橡皮塞，搖盪，則見試管內出現藍白色的沉澱，見圖4-(B)。

(3) 打開橡皮塞，繼續滴入氨水，邊滴邊搖，直到溶液中的沉澱消失，蓋上橡皮塞，此時試管內的溶液由混濁變成透光且呈深藍色，見圖4-(C)。

圖4 銅氨錯離子的演示實驗

(4) 以下是此一演示實驗的化學反應式：

(a) 氨水與硫酸銅溶液反應生成藍白色的沉澱。

NH₃(g) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq) [8]

Cu²⁺(aq) + 2OH⁻(aq) ⇌ Cu(OH)₂(s) [9]

(b) 藍白色的氫氧化銅沉澱與過量的氨水反應，沉澱消失且呈透光的深藍色溶液。

Cu(OH)₂(s) + 4NH₃(aq) ⇌ [Cu(NH₃)₄]²⁺(aq) + 2OH⁻(aq) [10]

(5) 這個離子的化學式是[Cu(NH₃)₄]²⁺，比常見的銅離子（Cu²⁺），其表示法顯然較為「複雜」。中文有錯綜複雜一詞，所以可使用「錯」這個字來表示「複雜」，「複雜」的英文即complex，離子的英文即ion，所以[Cu(NH₃)₄]²⁺這個組成複雜的離子稱為「錯離子」（complex ion）；與其相關的化合物，例如硫酸四氨銅[Cu(NH₃)₄]SO₄，則稱「錯合物」（complex compound）；由於錯合物大多以配位共價鍵鍵結，所以又稱「配位化合物」（coordination compound）。

* Gary L. Miessler, Donald A. Tarr, Inorganic Chemistry.

n 疑難問題二：碘在不同溶劑中為何顏色會不一樣？

1. 前言：圖5由左至右分別為(A)紫黑色的碘晶體，(B)紫紅色的碘蒸氣，(C)紫紅色的碘的正己烷溶液，(D)深棕色的碘的酒精溶液。為何碘在不同狀態與不同溶劑中，會呈現不同顏色？

圖5 碘在不同狀態與不同溶劑下的顏色

2. 圖6由左至右分別為碘分子（I₂）、與碘分子結合的形成的結合物（Adduct）以及提供孤對電子的Donor等能量較高部分的分子軌域，以下將使用這部份的分子軌域來說明碘分子為何在不同狀態或不同溶劑下為何會呈現不同的顏色。

圖6 碘分子、與碘結合的結合物以及提供孤電子對的Donor之分子軌域

(1) 從碘分子（I₂）的分子軌域可知，其9σ_u^*的空軌域可與孤對電子鍵結，所以碘分子扮演路易斯酸的角色；Donor具有一個孤對電子，扮演路易斯鹼（Lewis base）的角色；中間則是上述路易斯酸與路易斯鹼形成的結合物。

(2) 碘在氣態時，碘分子會吸收500nm附近的可見光，使4π_g^*的電子躍遷至9σ_u^*，見圖中箭頭(1)。吸收這部份的光後，移去可見光中的黃光、綠光與藍光，留下紅光與紫光，所以碘蒸氣呈紫紅色，如圖5-(B)。當碘蒸氣凝華成碘晶體時，一般教科書描述其顏色為紫黑色，但以肉眼看起來顏色是黑色，如圖5-(A)，這是因為甚多的碘分子聚在一起形成碘晶體，太濃的紫讓肉眼看不到其「紫」的部分。我通常用「紅得發紫、紫得發黑」來描述這個肉眼所見的顏色。

(3) 將碘晶體溶於正己烷中，由於正己烷沒有孤電子對，所以碘分子與正己烷無法生成結合物，故溶液仍呈現與碘蒸氣相同的紫紅色，如圖5-(C)。

(4) 若將碘晶體溶於具有孤電子對的溶劑（Donor）中，兩者會成為結合物（Adduct），而I₂的9σ_u^*與此孤電子對的軌域在交互作用下，形成能量更低、填滿電子的鍵結軌域 σ_u（bonding orbital）與能量更高、空的反鍵結軌域 σ_u^*（antibonding orbital）。此時電子是由未鍵結軌域4π_g^*躍遷至σ_u^*，見圖中箭頭(2)，其能量比箭頭(1)大，所吸收可見光的移往藍光，使溶液呈現結合紅色、黃色與綠色的混合色，即棕色。酒精就是優良的Donor，這就是為什麼將碘晶體溶於酒精中製成的碘酒顏色會呈棕色的原因，如圖5-(D)。

3. 延伸內容：利用碘難溶於水而易溶於正己烷的特性，來進行「碘的萃取」的演示實驗。萃取是分離混合物的一項重要實驗技能，但是一般課堂上老師大多以文字敘述：「利用某物質對於兩種不互溶的溶劑之溶解度差異，而將此物質由溶解度較小的溶劑中，移至溶解度較大的溶劑中，此方法稱為萃取。」來進行萃取的教學，學生們難以從文字敘述理解萃取的實際意義。我在課堂上設計一個簡易的演示實驗，讓學生看到萃取的實際過程，再以所看到的實驗結果進行教學，學生們的反應甚佳。以下是演示實驗的過程。

(1) 在一個空試劑瓶中加入一小粒碘晶體，加入水，蓋上瓶蓋，搖盪，展示給學生看，黑色顆粒仍在，表示碘難溶於水，如圖7-(A)。
註：若實驗室沒有碘晶體，可用以下藥品製備碘：

(a) 在一個空試劑瓶中加入0.1M的碘化鉀（KI）溶液5mL與數滴3M硫酸，

(b) 滴入數滴35%的雙氧水，則見碘化鉀溶液由透明無色變成棕色，又從棕色溶液逐漸褪色，試劑瓶底部出現黑色的固體顆粒，即小顆粒的碘。

(2) 打開瓶蓋，加入一小匙碘化鉀粉末，蓋上瓶蓋，搖盪，則見此試劑瓶內固體顆粒消失且溶液顏色呈棕色，如圖7-(B)。

(3) 再取一個空試劑瓶，將步驟(2)之溶液倒一半至此空試劑瓶，如圖7-(C)。在其中一個試劑瓶加入與原有溶液約等量的正己烷，蓋上瓶蓋，搖盪，則見此試劑瓶內溶液分成兩層，上層呈紫紅色，下層溶液的顏色則變成淡棕色，如圖7-(D)。

(4) 演示實驗完成後，在所有含有碘分子（I₂）的試劑瓶內加入數粒硫代硫酸鈉晶體，蓋上瓶蓋，搖盪，使紫紅色或棕色褪去。

圖7 演示實驗：「碘的萃取」

(5) 進行教學：

(a) 步驟(1)製備碘是KI在酸性溶液中被雙氧水氧化為黑色的碘（I₂），見式[11]，I₂再與溶液中的碘離子（I⁻）結合，生成深棕色的三碘離子（I₃⁻），見式[12]，但加入的雙氧水繼續氧化水中的碘離子（I⁻），使試管中的I₃⁻ 濃度變低而褪色，底部則出現難溶於水、黑色的固體顆粒，這就是實驗所需的碘。

2I⁻(aq) + 2H⁺(aq) + H₂O₂(l) → I₂(aq) + 2H₂O(l) [11]

I₂(aq) + I⁻(aq) ⇌ I₃⁻(aq) [12]

(b) 碘分子（I₂）再加入碘化鉀粉末以配製成碘溶液。

(c) 加入正己烷後，因為正己烷與水不互溶而分成上下兩層，搖盪試劑瓶使上下兩溶液混合，下層水溶液中非極性的I₂將溶於上層正己烷此一非極性溶劑中，見式[13]。靜置後，恢復為上下兩層，上層正己烷因為溶有I₂而呈紫紅色，下層水溶液則因式[12]的可逆反應向左移動，I₃⁻濃度降低而顏色變淡。

(d) 演示實驗完成後需進行藥品處理。加入硫代硫酸鈉可使具有毒性的I₂變成無害的I⁻，見式[14]，所有溶液依廢液處理規定處理。

I₂(aq) + 2S₂O₃²⁻(aq) → 2I⁻(aq) + S₄O₆²⁻(aq) [14]

(e) 結論：在這個簡易、清晰的演示實驗中，學生可親眼看到兩種不互溶的溶劑會分成兩層，也看到非極性的碘分子在加入同為非極性的正己烷後，大量的碘分子從下面的水層溶入上面的正己烷中而使溶液呈紫紅色，清清楚楚的看到萃取的整個過程，對於萃取的定義：「利用某物質對於兩種不互溶的溶劑之溶解度差異，而將此物質由溶解度較小的溶劑中，移至溶解度較大的溶劑中，此方法稱為萃取。」這句話，就不再覺得陌生而排拒。在適當的教學單元進行演示實驗，雖然比較費事，但對學生學習的助益是很大的，提供給同為任教高中化學課程的老師們參考。

n 參考資料

1. Gary L. Miessler, Donald A. Tarr, Inorganic Chemistry, 3^rd Edition, Pearson Prentice Hall, 2004.

2. 劉新錦、朱亞先、高飛編著，無機元素化學（第二版，2010），科學出版社。

歡迎來到鏡中世界／溫方旎、李啟讓、洪振方

星期五 , 4, 5 月 2018 編輯助理化學小故事, 第25期/2018年5月留言功能已關閉

歡迎來到鏡中世界

溫方旎¹^、李啟讓²^、洪振方³

¹國立屏東女中

²³國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所

^{²[email protected]}

n 前言

“ 鏡子國的眾生都來啊，同紅皇后丶白皇后與我共餐!-卡羅(Lewis Carroll)，《愛麗絲鏡中奇遇》(李祐慈, 2017)”

愛麗絲鏡中奇遇世界猶如鏡子，不管土地丶生物身上的構造或眾多分子都是左右對稱的，也就是我們俗稱的「掌性」。其實在真實世界中許多東西都有掌性，就像一個人的左右手，相似又相反，就是其中的代表。如何分辨分子是掌性(chiral)或非掌性 (achiral)？我們可以透過分子和鏡像中的分子判定。若分子與鏡像中的分子不可重疊，表示分子有鏡像異構物的存在，就稱為掌性分子如示意圖1(a)。若分子與鏡像中的分子可重疊，則稱為非掌性分子如示意圖1(b)。

圖1(a) (修改自蔡蘊明, 2004) 圖1(b) (修改自蔡蘊明, 2004)

科學家常利用偏振現象來研究掌性，也利用此偏振的特徵來驗證答案。在圖2裝置中可以看到偏振現象，從白熾燈”1”發射出的非偏振光”2”，入射於傳輸軸為垂直方向的偏振板”3”，透射出來的是垂直平面偏振光”4”。

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圖2 偏振現象 (圖片來自:https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw/偏振)

n 鏡像對稱

世界有兩端會有兩塊土地差不多尺寸，也多像騎兵靴子，很難說是巧合。不過差別在紐西蘭和義大利左右相反，這種關係成「掌性」，而我們都以「對稱」來指「鏡像對稱」，見圖3。平面的物體不具有掌性，因為只要翻轉就能互相重疊，但是有三維空間如圖3中紐西蘭和義大利、圖4中香芹酮就具有掌性。

圖3把義大利以紐西蘭取代南歐地圖，可以看出兩國互為鏡像對稱(李祐慈, 2017)

圖4香芹酮(Carvone)

(圖片來自:http://www.nsf.gov/news/news_images.jsp?cntn_id=118468&org=NSF)

n 掌性的研究

必歐(Jean-Baptiste Biot)是第一位研究掌性的人生於1774年，是一位晶體學家，見圖5。他一開始發現無機晶體存在掌性(ex.石英)，不過組成石英(二氧化矽)單體單元，因本身對稱，單體單元和單體單元的鏡像是相同的，所以不具掌性；但堆積成石英晶體結構就具有掌性，見圖6。

圖5第一位研究分子掌性的科學家必歐

(圖片來自: https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%AF%95%E5%A5%A5-%E8%90%A8%E4%BC%90%E5%B0%94%E5%AE%9A%E5%BE%8B)

圖6 SiO₂晶體

(圖片來自: https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw/二氧化矽)

n 以兩副太陽眼鏡驗證必歐的實驗

研究掌性最簡單的方法是讓一束偏振光通過樣品，然後觀察這束光的偏振方向及旋轉角度。我們用以下三個實驗來驗證，實驗1：當兩副眼鏡的鏡片方向平行，所有的光都可穿過鏡片如圖7(a)。實驗2：若兩副眼鏡的鏡片偏振方向互相垂直，所有的光都被濾掉無法穿透如圖7(b)。實驗3：若在圖7(b)兩副眼鏡之間插入光學活性物質，光又可穿過鏡片如圖7(c)。

圖7(a)

圖7(b)

圖7(c)

圖7兩副太陽眼鏡的實驗(李祐慈, 2017)

n 有機物質也有偏光能力

必歐發現經過石英晶體的光束偏振方向會旋轉，但石英晶體溶化後呈現光學活性消失現象。三年後，必歐發現有機物也會旋轉偏振光方向，但和石英不太相同，石英溶解因結構破壞就沒有偏光能力，但是有機物溶解，因分子本身就具有掌性，依舊具有偏光能力。

n 光學偏振計

光學偏振計是實驗室用來測量掌性物質偏光方向的設備。一個典型的光學偏振計基本構造包含一個光源、偏振板、掌性樣品試管和檢偏板等裝置。我們可以從檢偏板的旋轉方向及旋轉角度(β)，來判斷掌性物質的偏光方向為左旋還是右旋，見圖8.

圖8偏振計基本構造示意圖

(修改自圖片來源:https://ir.nctu.edu.tw/bitstream/11536/78369/8/480708.pdf)

n 乳酸鏡像異構物

貝吉里斯用偏振計檢查發現，肌肉的乳酸有偏光性，是乳酸鏡像分子中的右旋乳酸。之後，貝吉里斯用偏振計檢查謝勒的酸奶發現，酸奶是由等比例的右旋乳酸和左旋乳酸組成的外消旋混合物，偏光方向正好互相抵銷，造成混合物沒有偏光性，如圖9所示。這表示相同化學物質，有不同的結構，就像乳酸分子一樣，具有不同的結構鏡像異構物。

͒͒

S-(+)-乳酸 R-(-)-乳酸

圖9 乳酸鏡像異構物

(圖片來源: https://scitechvista.nat.gov.tw/c/s9lI.htm)

n 結語

我們發現每個研究，都是從一開始的發現問題，然後才開始做研究、驗證等……。不過不是找到或發現了，就能確定找到或發現那個物質就是正確的，像「有機物也有偏光能力」，科學史記載原本法國的科學家不斷詆毀謝勒，認為謝勒發現的是醋酸而不是乳酸，但貝吉里斯卻證實了謝勒發現的是不同結構的乳酸!也因此讓這個歷史真相大白。「意大利和紐西蘭互為鏡像」”我們發現大自然有掌性的結構，我們也發現了平面的物體不具有掌性，但是三維空間就具有掌性，這讓我想到生活上，不僅皮手套具有掌性，像鞋子丶左右手……等。從「如何研究掌性」，我們很佩服那些科學家，竟然可以想到利用”光”來驗證物體是否有掌性，還利用光的一些性質來測試物質的旋光性。20世紀爆發沙利竇邁藥物事件，使掌性的重要性受到重視，根據研究發現沙利竇邁鏡像異構物，其中一種分子具有藥理活性，另一種分子卻會造成畸胎的風險。隨著我們對物質掌性的認識增加，對物質掌性的性質的檢驗更加重要。

最後我覺得每個研究都是一門學問，不管結果如何，總是在一次又一次的被驗證或被推翻中，又被找到新的物質，發現新的方法來驗證。從歡迎來到鏡中世界我得到一個結論是，它讓我們更進一步的瞭解分子世界的奧妙，也對化學更有好奇心。

n 參考資料

1.李祐慈(2017)。超乎想像的化學課。台北：天下文化。

2.蔡蘊明(2004)。化學分子的掌性與不對稱合成簡介。http://www.ch.ntu.edu.tw/~camp/camp93/handout930707/SummerCamp04.ppt。

3.偏振現象:https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw/偏振。

4.香芹酮(Carvone)：http://www.nsf.gov/news/news_images.jsp?cntn_id=118468&org=NSF

5.光學偏振計基本構造示意圖：https://ir.nctu.edu.tw/bitstream/11536/78369/8/480708.pdf。

6. 必歐：https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%AF%95%E5%A5%A5-%E8%90%A8%E4%BC%90%E5%B0%94%E5%AE%9A%E5%BE%8B。

7.SiO₂晶體：https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw/二氧化矽。

8.乳酸鏡像異構物: https://scitechvista.nat.gov.tw/c/s9lI.htm。

應用微型實驗在國中小二氧化碳製備之比較／葉瀚陽、張自立、辛懷梓

星期四 , 3, 5 月 2018 編輯助理微型化學實驗, 第25期/2018年5月留言功能已關閉

應用微型實驗在國中小二氧化碳製備之比較

葉瀚陽¹、張自立²、辛懷梓²

¹國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士班

²國立臺北教育大學自然科學教育學系

¹[email protected]

■前言

在現行國中小自然與生活科技領域課程中，皆有二氧化碳氣體的製備實驗，國小實驗方式主要是用燃燒蠟燭產生二氧化碳，或在塑膠袋中加入小蘇打加醋收集氣體。但上述方式卻有收集氣體的純度不足或實驗操作不易之處。

國中課程則改用排水集氣法來收集二氧化碳，其優點是可以大量收集二氧化碳，且收集過程中即驗證二氧化碳難溶於水的特性，對於定性的驗證較為方便。但在「產量」的控制上，排水集氣法無法精準觀察產量變化。本篇旨在以微型實驗「針筒集氣法」比較蠟燭產氣法、塑膠袋集氣法以及排水集氣法等實驗方式之不同處，保留優點並修正不足之處。

■微型實驗的目標及應用

微型實驗發展已有一段時間，最主要訴求是希望比起一般實驗操作，可以達到更環保、簡便及安全的目的，力求簡化實驗的複雜度，並對環境造成最小汙染（方金祥，2014a）。

本篇針筒集氣法即微型實驗的一種應用，以學生易於取得的器材，簡化實驗的器材裝設與操作步驟，且反應後產生的廢棄物及汙染也極少，相當符合微型實驗的精神。文獻指出，方金祥（2014b）曾利用針筒進行氯氣製備實驗的相關研究，本篇參考其裝置設計，將其應用於其他氣體的製備實驗，再與傳統排水集氣法進行教學比較。

民國106年的新北市國小組科學展覽會中，即有一篇是以「針筒集氣法」來收集氣體，解決傳統「排水集氣法」無法量化紀錄缺點，並以針筒集氣法測定不同反應物的重量、濃度與溶液種類的氣體生成實驗比較。然在此篇科展的結論中，僅說明針筒集氣法之優點，未詳細與蠟燭集氣法、塑膠袋集氣法與排水集氣法進行優缺比較，也未在教材的延續上做說明。本篇將詳細比較上述各種實驗方法之器材與反應物的準備、操作步驟以及反應後剩餘物的差異，以作為國中、小教師未來在進行氣體製備單元教學時的參考。

■二氧化碳製備實驗的重要性與教學目標

國小階段的二氧化碳製備主要是定性實驗，教學目標主要為帶領學生學會設計實驗流程、決定控制與操作變因以及認識二氧化碳的基本特性，例如助燃性或比空氣重等等。

國中則包含定性與定量，除了再次驗證二氧化碳的基本性質外，主要的教學目標是要讓學生了解二氧化碳製備背後的化學反應，包括化學式的認識以及反應物與生成物的劑量計算。可惜的是現行國中課程雖有化學計量的課程編排，卻因定量實驗的精準度要求高、操作工具繁雜及實驗討論困難，導致多有忽略。

十二年國教強調「探究與實作」，旨在培養學生的操作與辯證、處理數據、資料合理度判斷與檢核等能力。因此本篇研究希望對學生自然領域的核心素養培養、國中小自然領域課程設計、教師教學操作與實務討論等面向皆能有所貢獻。

■傳統製備二氧化碳之實驗討論

一、國小：

(一) 方法：蠟燭集氣法、塑膠袋集氣法。

(二) 討論：

1. 上述的兩個實驗主要說明物體燃燒及小蘇打加醋皆可以產生二氧化碳；接著透過加入澄清石灰水產生白色沉澱，檢驗燃燒後產生的無色、無味氣體為二氧化碳。

2. 蠟燭集氣法的耗時取決於廣口瓶的大小，小容量廣口瓶不方便學生操作，選擇大容量卻又可能導致時間不易掌握。

3. 實驗後廣口瓶及塑膠袋內不僅有二氧化碳，因此無完整驗證是否為二氧化碳造成澄清石灰水產生沉澱。

二、國中：

(一) 方法：排水集氣法。

(二) 討論：

1. 此實驗相較國小的方法可以收集到較純的二氧化碳，且同時也在實驗過程中證明了二氧化碳難溶於水。

2. 但實驗流程中對「中段氣體」的說明卻不精準，學生不知何時該開始收集。以及此反應容易準備過多反應物，導致實驗後的殘餘反應物較多。

3. 本實驗可精準測量反應物的量，但對氣體生成量的計算，因收集氣體的操作流程中會釋放些許氣體而顯得困難。

■微型實驗「針筒集氣法」製備二氧化碳實驗的器材、流程與比較

一、實驗器材（以小蘇打加醋為例）：

塑膠針筒、玻璃針筒、三轉活塞、小蘇打水溶液、醋、澄清石灰水。

二、器材組裝：

本裝置參考方金祥（2014b）氯氣製備之微型實驗中的設計，將兩根塑膠針筒以三轉活塞相連接，再透過三轉活塞的旋鈕控制反應的進行。

如下圖1及圖2。


圖1 三轉活塞	圖2 連接針筒後的實驗裝置

三、實驗流程（以小蘇打水加醋為例）：

1.將醋及小蘇打水溶液分別裝入針筒（圖3），將醋打入裝有小蘇打水溶液的針筒中觀察氣體產生（圖4）。

2.調整三轉活塞，再接上裝有澄清石灰水的針筒（圖5），把收集到的氣體打入澄清石灰水中觀察沉澱情形，驗證該氣體為二氧化碳（圖6）。

3.若需紀錄反應時間或計算反應速率則可以玻璃針筒來代替塑膠針筒，解決塑膠針筒因摩擦力過大而產生的誤差（圖7）。


圖3將小蘇打水及醋接上三轉接頭	圖4 將小蘇打水打入醋中

圖5將二氧化碳打入澄清石灰水	圖6 澄清石灰水產生沉澱

圖7 玻璃針筒取代塑膠針筒

四、針筒及氣法之分析與比較：

1. 本研究觀察最佳的反應物使用量：小蘇打水15毫升、醋酸10毫升，在塑膠針筒中產生之二氧化碳約為20毫升。

2. 國小階段，針筒集氣法可讓學生以較少的反應物進行實驗，減少塑膠袋或蠟燭集氣法實驗時氣體逸散的機會，建立學生做實驗也不應浪費的觀念。

3. 以針筒集氣法操作實驗達到縱向的課程延續。學生在國小三年級利用針筒觀察氣體，但後續課程卻鮮少再使用針筒。針筒集氣法更符合器材多用性、課程延續性的精神。

4. 針筒集氣法可讓每位學生都獨立操作針筒實驗並觀察與紀錄過程，學習對自己的實驗結果負責，引導學生在小組活動中，也能依據自己的學習步調參與實驗課程。

5. 以玻璃針筒進行針筒集氣法，能在相同的實驗流程下完成定量實驗（圖5）。利用玻璃針筒克服塑膠針筒的摩擦力及反應過程的壓力問題，準確測量二氧化碳生成的體積以及時間，讓學生學習化學反應的量化計算。並將氣體特性及反應速率的課程內容融入實驗，統整知識概念的課程目標。

6. 強化探究能力的培養。在國中階段可同時讓學生操作排水集氣法及針筒集氣法，接著從器材準備、操作流程、實驗精準度以及對環境的影響等面向，引導學生進行探討，達到十二年國教課綱中「探究能力」的培養，其比較學習單可參考附件一。

五、延伸應用：

下列幾項為針筒集氣法的延伸應用舉例，包括不同反應物製備二氧化碳、科學遊戲及其他實驗應用等，以作為教師未來教學時的參考。

（一）不同反應物對二氧化碳產生效率的比較：

同樣加入5ml小蘇打水，比較酸性溶液中醋酸、稀鹽酸及檸檬酸生成二氧化碳之速率。經過實驗測試後發現檸檬酸的氣體產生速率最快（圖8、圖9、圖10）。在國小階段可將重點放在建立學生的知識廣度，引導學生討論有多種方式能進行二氧化碳製備。而國中則可以比較不同反應物的氣體產生快慢，培養學生比較及歸納之能力。


圖8 檸檬酸	圖9 醋酸	圖10 稀鹽酸

（二）遊戲–隔空滅火：

將收集到二氧化碳的針筒打開後傾倒，可以使桌上的原本燃燒的蠟燭熄滅，證明二氧化碳比空氣重，因此會向下沉（圖11、圖12）。此遊戲可以展示為何在以傳統方式實驗完後，廣口瓶需開口朝上放置原因。讓學生能觀察並驗證二氧化碳的特性。

圖11 收集好的二氧化碳（開口朝上）

圖12 倒向蠟燭上頭的火焰

（三）氧氣的備置實驗：

兩支針筒放入的反應物可改為雙氧水及二氧化錳，操作步驟則與製備二氧化碳相同，將雙氧水推入二氧化錳的針筒中，等待氣體產生。檢驗方式則可與延伸應用二（隔空滅火）相同，以傾倒出氣體的方式觀察火焰的然生變旺盛，證明其助燃及比空氣重的性質（圖13、圖14）。


圖13 雙氧水及二氧化錳	圖14 針筒集氣法器材組裝

■總結：

以針筒集氣法進行實驗可以保留傳統實驗方式易於觀察的優點，解決不易量化的問題；在課程上也能符合連續性與統整性，使教師可以更系統的進行教學。器材易於準備，可以讓每位學生都進行實驗，且材料用量精簡至最小化，達到最好的學習效益，亦能達到環保之目的。

■參考資料：

方金祥（2014a）。微型實驗簡介（上）。臺灣化學教育，第2期（2014年7月）。

方金祥（2014b）。創意微型實驗—微型氯氣製備裝置及在化學教學上之應用。臺灣化學教育，第4期（2014年11月）。

王琮賢、陳羿廷（2017）。「針」氣十足─ 氣體收集的實驗簡化。新北市105學年度中小學科學展覽會，國小組化學科。未出版。

■附件

附件一：排水集氣法與針筒集其法之比較學習單（含參考作答）

實驗比一比

班級： 座號： 姓名：

排水集氣法

針筒集氣法

器材準備

錐形瓶、薊頭漏斗、
軟木塞、橡皮軟管、
廣口瓶、水箱

→器材較多

三轉活栓、塑膠針筒、
玻璃針筒

→器材較少

實驗材料準備

稀鹽酸、小蘇打粉、
澄清石灰水

→準備量較多

同左

→準備量較少

剩餘材料的量

→廢棄物較多

→廢棄物較少

實驗精確性

實驗結束時間必須取決於廣口瓶容積

→無法精準量化

可讀取玻璃針筒刻度得知氣體體積，計算反應速率，並隨時停止

→可精準量化

操作方便性

需將廣口瓶壓入水中收集氣體

→易失誤而需重做實驗

僅需透過活栓與壓縮即可完成實驗

→不易失敗

雞蛋的美麗與哀愁：奈米雞蛋與滲透雞蛋／張函郁、黎渝秀

星期三 , 2, 5 月 2018 編輯助理化學實驗室, 第25期/2018年5月留言功能已關閉

雞蛋的美麗與哀愁：奈米雞蛋與滲透雞蛋

張函郁¹、黎渝秀²

國立中央大學附屬中壢高級中學
¹[email protected]

²[email protected]

n 前言

自108課綱籌備以來，「自然科學探究與實作」和「多元彈性選修」一直是新課綱的核心精神^[1]。民國九十六學年起，國立中央大學附屬中壢高級中學優質化校務經營計畫「從A至A⁺全面優質」願景下，設置課程多元創新的學園 — 在高一課程開設二節「彈性選修」，提供學生在高二選組前各式各樣不同課程的學習和體驗；目前，更是在高二和高三各開設一節「彈性選修」，讓學生在多元課程薰陶下，找出自己的方向，其中課程「趣味化學」即是期望學生透過親自動手實驗中，觀察現象，發現問題，解決問題，進而提出自己的想法，提供對化學領域有興趣且願意實地操作的學子們契機，探索這未知又令人著迷的化學世界。

n 雞蛋實驗設計圖

【實驗一】：奈米雞蛋

n 實驗器材

以每3人組成一小組：雞蛋（2顆，白殼）、鐵夾（試管夾）1支、蠟燭1根、火柴1盒（或打火機1個）、去離子水（100 mL）、燒杯（200 mL）1個、塑膠滴管（3 mL）1支。

n 操作步驟

1、先點燃蠟燭，滴些許蠟油在桌面上，使蠟燭可以站立在桌面。

2、再以鐵夾夾住雞蛋，放置雞蛋於蠟燭火焰之中，不可以高於火焰（見圖一左），如此才容易附著上不完全燃燒的碳微粒，使蠟燭燃燒完後的碳微粒可以均勻附著於雞蛋上。

注意：勿在雞蛋上同一點燻過久，均勻地燻黑雞蛋，以免受熱不均造成蛋殼破裂（見圖一右）。

圖一：雞蛋不可以高於火焰（左）；均勻地燻黑雞蛋（右）

3、〚活動一〛：在步驟2中完成燻黑的雞蛋，並取另取一顆未燻黑的白殼雞蛋，分別以塑膠滴管吸取1 mL去離子水，滴加水到這兩顆雞蛋殼的表面（見圖二左），觀察其現象並比較其差異。

4、〚活動二〛：擦乾雞蛋表面的水，再重新燻成全黑，盡可能再讓整顆雞蛋的表面都燻成黑色，並壓入裝有100 mL去離子水的燒杯中（見圖二右），觀察其現象。

圖二：用水噴灑雞蛋殼的表面（左）；壓入燻黑的雞蛋到水中（右）

5、〚活動三〛：分別放入白殼雞蛋與燻黑雞蛋到1 M HCl中，以橡皮管引導至澄清石灰水溶液中，觀察這兩顆雞蛋與稀鹽酸反應產生的氣泡（見圖三左）。放置一天後，觀察並紀錄澄清石灰水溶液的變化（見圖三右）。

註：澄清石灰水端的軟木塞務必稍微鬆開，以免產生氣體過多而使試管爆開。

圖三：雞蛋放到稀鹽酸中：放入不久（左）：放置一天後（右）

n 實驗紀錄

1、經由〚活動一〛中，滴加水滴到燻黑蛋殼表面上，可觀察到不容易附著，甚至滾動，與荷葉上水滴一般。而未滴加水滴到燻黑蛋殼（白殼雞蛋）表面上，可觀察到水滴附著到蛋殼表面上。兩者差異非常明顯。

2、經由〚活動二〛中，可觀測到原本在空氣中為全黑的雞蛋，在壓入水中後變成透明並帶有一點銀白色，極像一顆銀雞蛋，非常美麗。

3、經由〚活動三〛中，可觀察到白殼雞蛋與鹽酸反應產生氣泡的速率較快，且氣泡量明顯較多，經由一天後，澄清石灰水明顯混濁。而燻黑雞蛋與鹽酸混合，四個小時後，表面的燻黑物逐漸脫落，部分未被燻黑物包覆的蛋殼與鹽酸接觸，才明顯產生氣泡，經由一天後，雖然澄清石灰水變成混濁，但是不如白殼雞蛋明顯。

n 實驗討論

l 蠟燭主要成分為烷類，燃燒的產物為後燃燒完全的二氧化碳和水氣以及燃燒不完全的殘餘碳粒。在〚活動一〛中，因燃燒不完全的碳微粒附著在蛋殼表面，水滴在燻黑的蛋殼上不容易附著，甚至滾動，如同蓮葉顯現出疏水性，因此燃燒不完全的碳微粒在蛋殼表面已形成奈米級的碳粒，因而有「蓮葉效應」（Lotus effect）的疏水性（hydrophobicity）顯現。

l 若以酒精燈替代蠟燭，由於酒精（乙醇）燃燒幾乎完全反應，因此無法在蛋殼上形成奈米碳（見圖四）。

圖四：酒精燃燒無法燻黑雞蛋外敤的表面

l 若將物質尺度縮小至奈米等級（10^‒9 m）以下，其物質表現的物理特性和化學活性與巨觀（肉眼可觀測）尺度極為不同。奈米的疏水性即是其物理表現之一，疏水的程度大小，則可用科學家楊格接觸角（contact angle, Ɵ）定義，接觸角指固體表面至液滴切線的夾角Ɵ，隨著接觸角Ɵ變大，其表面疏水特性越明顯（見圖五）。

圖五：水珠在親水性和疏水性的形狀差異

l 市售防汙防水塗料和噴霧具有奈米微粒，以穿隧式掃描顯微鏡放大觀測可發現噴出的奈米微粒所形成表面結構有類似鉚釘釘頭群聚，使水顆粒或者汙染微粒「高架」起來，避免這些顆粒汙染衣服或鞋子表面。

l 雖然防汙塗料和噴霧的確在生活中帶給民眾許多方便，但是其噴灑過程中微小的奈米粒子粒徑過小，極有可能穿過人類皮膚與呼吸道的防護黏膜，造成人體吸入造成呼吸道刺激與疾病問題。

l 由於〚活動一〛燻黑的蛋殼形成奈米級的碳粒，因此進行〚活動二〛繼續探討，壓入全黑的雞蛋水中變成銀白色，主要是奈米雞蛋的疏水表面與水形成一層很細微的空氣薄膜，當水中四面八方的光線入射到奈米雞蛋時，入射角較小的光線（見圖六的藍色箭頭）可以折射進入空氣層，再照射到黑色碳被吸收（黑色物體不反射光線）。入射角較大的光線（見紅色箭頭）則發生「全反射」（即沒有折射），反射至水面再折射進入空氣，因此在水面上方可以看到光線，看起來銀白色，看起來非常美麗。（註：水發生全反射的臨界角度是49度）^[2]。

圖六：入射角較小的光線（藍色箭頭）可發生折射，入射角較大的光線（紅色箭頭）則發生全反射

l 在〚活動三〛中，雞蛋殼主要成分為碳酸鈣（CaCO₃），與鹽酸反應產生二氧化碳（CO₂）氣體。白殼雞蛋的蛋殼在放入鹽酸後，立即反應產生二氧化碳氣泡，速率較快且氣泡量明顯較多；而在反應一天以上，產生氣體使澄清石灰水變混濁。燻黑的雞蛋殼表皆被奈米級碳粒附蓋，因此形成疏水性的保護膜，起初幾乎不反應，四個小時後，表面奈米碳粒脫落，部分蛋殼才有機會與鹽酸溶液開始反應，因此同一觀察時間下，燻黑的雞蛋使澄清石灰水變成混濁度不如白殼雞蛋。

【實驗二】：滲透雞蛋

n 實驗器材

每3人組成一小組：雞蛋1顆、大頭針1支、透明吸管1支、蠟燭1根、火柴1盒（或打火機1個）、燒杯（100 mL）1個。

n 實驗步驟

1. 取新鮮的雞蛋一個，觀察雞蛋的兩端，可以看出雞蛋的兩端並不相同。在桌面上輕敲鈍端（有氣室的一端），使蛋殼上有細小的裂縫，再以指甲剝去蛋的外殼，小心不要弄破外殼膜，直至有約一個一元硬幣的大小的面積。

2. 在蛋的另一端（尖端），用大頭針插穿蛋殼（外殼與內膜），得一小孔，以此孔為起點，揭開蛋殼成一小孔洞，孔洞的大小約為吸管的直徑。小心不要讓蛋白流出。

3. 蛋的尖端（小孔洞）朝上，放置雞蛋於燒杯內，取一支透明吸管，插入小孔洞中，深度約為雞蛋高度的2/3），以熔融的蠟固定，密封小隙縫，使之傾斜5～10度。

注意事項：(1)吸管插入時勿將鈍端蛋膜刺破；(2)若密封過程中蠟油不小心熔化吸管，請更換新的吸管以確保密封度。(3)插入透明吸管到小孔洞時，避免噴出蛋汁液回流而堵住吸管影響到現象的觀察。

n 實驗討論

1. 撥開雞蛋殼後可觀察在蛋殼與蛋白之間有兩層薄膜，內層為霧狀白色且無結構的外殼膜，主要功用是防止雞蛋內的水份蒸發。外層較靠近蛋白為內殼膜，此薄膜功能主要是讓空氣能自由通過，而雞蛋中常見的氣室是二層薄膜之間的空隙，主要儲存氧氣等空氣。若蛋內氣體遺失，氣室會不斷地增大，因此我們可以藉由觀察雞蛋氣室的大小粗略判斷雞蛋放置的時間與新鮮度^[5]。

2. 蛋殼內與之緊密貼附者有二層薄膜，此薄膜為半透膜（semipermeable membrane）的一種類型，對粒子具有選擇性，可讓某些特定分子或溶劑通過^[3]，例如：水。雞蛋內的蛋汁溶液濃度較高，溶劑水會藉由雞蛋薄膜從低濃度（燒杯中清水）向高濃度（蛋殼內）不斷滲透，直到內外滲透壓相同為止，溶劑自低濃度經過半透膜往高濃度移動現象稱之為滲透（osmosis）（見圖七）。

圖七：雞蛋的半透膜的滲透現象：剛開始實驗的吸管內蛋黃的高度約與雞蛋尖端等高（左）；3小時20分後蛋黃幾乎充滿整支吸管（右）

3. 滲透壓公式^[5]由荷蘭科學家凡特何夫（Van ‘t Hoff）於1884年提出。滲透壓相關公式：，其中：滲透壓、：凡特何夫因數、：體積莫耳濃度、R：理想氣體常數、T：絕對溫度。

4. 即使在稀薄溶液，溶液的滲透壓也是很大的。舉例來說，0.2 M的氯化鉀（KCl）水溶液在27℃時的滲透壓有9.84 atm。溶液中的粒子數與滲透壓的大小息息相關，若溶質為電解質形成溶液時粒子數增加，滲透壓亦為倍數成長。

5. 滲透壓的現象與理論也應用在食物的保存上。果醬和果凍中常加入大量的糖，這些糖不只是為了讓食物具有甜味，更是保持食品處於高滲透壓的狀態，使食物內的溶液比容器內的糖水濃度低，如此高張溶液將食物內大量水分滲透出來，降低食物內的水份含量。因此，即使有少許在高溫殺菌過程中殘留的細菌，這些細菌也會因處於高滲透壓的環境，生長受到抑制而保鮮。鹽醃漬的食品如火腿、培根等都是利用相同的原理^[3]。

■ 學生活動學習單

以下為兩位學生的學習報告。

圖八：兩位學生的學習報告

n 教學回饋

1. 在進行實驗之前，教師先說明本次實驗目的（奈米現象與滲透現象的觀察）及其需注意的事項，並要求學生在動手進行實驗前畫出實驗流程圖（類似預報的概念），確認學生清楚知道實驗流程，避免茫然未知而亂做實驗或發生危險舉動。

2. 在實驗中，若學生有問題，教師會給予提示與引導幫助學生思考。若有危險行為，則立即要求其停止實驗。

3. 在進行實驗後，發覺學生從不了解滲透現象及其意義到可以延伸推敲逆滲透濾水器原理以及在生活中應用滲透現象。

n 探究與實作設計

經由本次的課程設計，我們發現生活中常見的且平凡的一顆雞蛋居然能進行跨領域的教學，在生物方面可探討蛋殼孔隙通道的粒子選擇性、蛋殼對孵出小雞的關聯性；在化學方面可探討以化學方式造成蛋白質變性、溫度對蛋黃與蛋白的蛋白質的影響；以及在物理方面可探討利用鹽巴增加雞蛋與桌面的摩擦力實驗和蛋殼耐受力的測試，非常適合作為108新課綱「自然科學探究與實作」的能力培養。以下是雞蛋延伸跨領域探究與實作的相關題材。

圖十二：雞蛋延伸跨領域探究與實作相關題材

n 參考文獻

1. 十二年國民基本教育課程綱要總綱（教育部發佈版），https://www.naer.edu.tw/ezfiles/0/1000/attach/87/pta_5320_2729842_56626.pdf。

2. 奈米碳的奧秘，http://scigame.ntcu.edu.tw/chemistry/chemistry-018.html。

3. 科技大觀園，https://scitechvista.nat.gov.tw/c/nxWV.htm。

4. 滲透現象，龍騰文化事業股份有限公司，選修化學（上）。

5. 原子世界，http://www.hk-phy.org/atomic_world/lotus/lotus02_c.html。

6. 科學Online，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/？p=4474。

7. 蛋，https://zh.wikipedia.org/wiki/蛋。

8. 蛋殼何處易敲破，https://kknews.cc/zh-tw/news/p43kn2j.html。

9. 飲食文化與化學：蛋的化學（下），http://chemed.chemistry.org.tw/?p=15000。

10. 冷凍生雞vs. 白煮蛋之蛋白與蛋黃的差異，http://zfang.zipko.info/777.html。

11. 無蛋殼也能孵出小雞？！https://www.youtube.com/watch?v=3tZVKSoZNfs。

12. 微在蛋隙─探討蛋殼奈米孔隙的通透性質，https://goo.gl/M7wpsA。

n 學生實驗手冊

下載本化學教室活動的學生實驗手冊—「雞蛋的美麗與哀愁：奈米雞蛋與滲透雞蛋」。

國內外化學教育交流（第二十五期）／林靜雯

星期二 , 1, 5 月 2018 編輯助理國內外化學教育交流, 第25期/2018年5月留言功能已關閉

國內外化學教育交流（第二十五期）

林靜雯

國立東華大學教育與潛能開發學系

[email protected]

n 五月內容摘要搶先看

一、2018第二十五屆國際化學教育研討會 (ICCE 2018)

二、2018第二十五屆美國化學教育雙年會 (BCCE 2018)

三、2018東亞科學教育國際研討會 (EASE 2018) 與第34屆中華民國科學教育年會(ASET 2018)

四、2018第十五屆歐亞化學會議 (EuAsC2S-15)

n 詳細介紹

一、第二十五屆國際化學教育研討會

25th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2018)

地點：The University of Sydney 雪梨大學 (Sydney, Australia)

日期：2018年7月10-14日

相關網址：http://www.icce2018.org/

大會內容主旨如下：

l 透過提供多樣化的教學與學習空間及教育人員所扮演的角色，來應對不斷變化的學習環境。

l 綜合新的想法、新的教學法及實踐來提升更國際化的網絡及合作關係。

l 建立澳洲化學教育界及全球化學教育界之間的聯繫，共同為學生的化學教育創造更好的願景。

本次大會的重要日程報名已上線，網址為：http://www.icce2018.org/

l 報名日期：已開放，截止日到2018年7月7日

本次大會主題如下：

l 化學教育中的系統思維Systems thinking in chemistry education

l 連接上中學化學教育研究Linking to secondary chemistry education research

l 轉化評量進入下一個維度Translating assessment into the next dimension

l 加強高等化學教育的轉換Enhancing the transition to tertiary chemistry

l 重新思考化學課室典範Reimagining the chemistry classroom paradigm

l 建立研究和實踐之間的聯結Creating the nexus between research and practice

l 在實驗室學習中加入連結點Joining the dots in laboratory learning

l 建立更廣泛社群的連結Building connections with the wider community

本次大會主講人：

國際化學教育研討會議程如下：

二、第二十五屆美國化學教育雙年會

25th Biennial Conference on Chemical Education (BCCE 2018)

地點：美國印第安那州聖母大學(University of Notre Dame in South Bend, Indiana, U.S.)

日期：2018年7月29日 ~ 2018年8月2日

相關網址：http://bcce2018.org/

大會內容主旨如下：

l 透過化學的教與學來瞭解研究中的實踐。

l 尋找創新的活動或實驗來豐富課程及教學現場。

l 與來自全球的化學教育工作者連結，共創化學教育更好的未來。

本次大會的重要日程如下：

l 報名早鳥優惠日期：已開放，截止日到2018年6月1日

l 報名日期： 2018年6月2日到2018年7月23日

本次大會主講人如下：

美國化學教育雙年會議程如下：

三、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

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系科學教育研究所承辦，將於2018年11月29日(周四)至12月2日(周日)舉行。本次研討會主題為「在地與全球的對話」，期能透過專題演講、座談、論文發表、工作坊等方式，提供科學教育、數學教育、環境教育、科學傳播與大眾科學相關領域的學術研究者、教學實務者、推廣者、教材與教具研發者，相互分享與交流的機會。

本次大會的重要日程分成EASE英文部分及ASET中文部分。

EASE：

l 早鳥報名截止日期： 2018年9月1日

l 論文投稿日期：2018年3月1日到2018年5月1日

l 通知論文接受/拒絕日期：2018年7月1日

ASET：

l 早鳥報名截止日期：2018年10月31

l 論文投稿日期：開放日2018年3月1日，截止日到2018年8月15日

l 通知論文接受/拒絕日期：2018年10月15日

本次大會主講人如下：

May-Hung Cheng

鄭美紅 教授

服務單位：香港教育大學 (The Education University of Hong Kong)

職稱：協理副校長 (學術事務)、教務長及教師教育講座教授

Yoshisuke Kumano

服務單位：日本靜岡大學 (Shizuoka University)

職稱：教授 (Department of Information Science and Technology)

Jeonghee Nam

服務單位：韓國釜山大學 (Pusan National University)

職稱：教授 (Professor of Chemistry Education)

Mei-Hung Chiu

邱美虹 教授

服務單位：國立臺灣師範大學科學教育研究所

(National Taiwan Normal University)

職稱：特聘教授 (Distinguished Professor of Science Education)

Wei-ping Hu

胡衛平 教授

服務單位：陝西師範大學教師教育學院 (Shaanxi Normal University)

職稱：教授、陝西師範大學教師專業能力發展中心主任

科學教育國際研討會議程表(暫定)如下：

四、第十五屆歐亞化學會議 (EuAsC2S-15)

15th Eurasia Conference on Chemical Sciences (EuAsC2S-15)

地點：義大利羅馬大學 (Sapienza University, Rome, Italy)

日期：2018年9月5日 ~ 2018年9月8日

相關網址：http://www.eurasia2018.org/rome/

2018年第十五屆歐亞化學會議將在義大利羅馬大學(亦稱羅馬第一大學)舉辦，本次會議的主要目標是向全世界展示化學和相關科學的前沿領域，並彙集來自世界各地年輕與有經驗的科學家們，一同發展科學在地方區域和全球層面相互合作並具有意義的可能性。

除此之外，本次會議也會將「CHEMISTRY TEACHING FOR THE FUTURE」未來的化學教學，做為重要的主題之一。該次會議將彙整過去所討論到的化學教學新趨勢，將其轉化整合成為促進化學知識傳播所需的新教學方法。

本次大會的重要日程如下：(線上註冊網址www.eurasia15.info/2018/registration)

l 報名早鳥優惠日期：已開放，截止日到2018年6月20日

l 住宿預約日期：截止日到2018年6月20日

《臺灣化學教育》第二十四期目錄／ 2018年3月

星期日 , 11, 3 月 2018 編輯助理第24期/2018年3月留言功能已關閉

《臺灣化學教育》第二十四期（2018年3月）

目錄

n 主編的話

u 第二十四期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕

n 本期專題【專題編輯／周金城】

u 軟體與平台在中小學化學教學上的應用／周金城〔HTML｜PDF〕

u軟體與平台在中小學化學教學上的應用：質性與量化的視覺化建模工具－SageModeler簡介／鐘建坪〔HTML｜PDF〕

u軟體與平台在中小學化學教學上的應用：透過製作均一教育平台學習資源以提升國中生酸鹼反應概念／陳子聖〔HTML｜PDF〕

u軟體與平台在中小學化學教學上的應用：用Yenka軟體輔助教學及實作評量－以五年級上學期南一版第三單元空氣與燃燒為例／林禹伶〔HTML｜PDF〕

u軟體與平台在中小學化學教學上的應用：利用逗豆芽遊戲平台提高學生學習參與度－以自然與生活科技五年級下學期水溶液的性質單元為例／邱麗綺〔HTML｜PDF〕

u軟體與平台在中小學化學教學上的應用：Plickers即時反饋系統在國小臨床教學實務分享－以國小三年級自然與生活科技奇妙的水實驗活動為例／周金城〔HTML｜PDF〕

n 教學教法／高中化學教學疑難問題與解題【專欄編輯／施建輝】

u 非含氧酸的酸性強度判斷與酸與鹼教學上的問題研究／施建輝〔HTML｜PDF〕

n 化學實驗／家庭化學實驗【專欄編輯／劉曉倩】

u 植物染缸論化學／劉曉倩〔HTML｜PDF〕

n 課程教材／化學課程與教學【專欄編輯／周金城】

u 如何引導特教學童實作化學實驗–以變色的蝶豆花為例／劉佳綾〔HTML｜PDF〕

第二十四期主編的話／邱美虹

星期六 , 10, 3 月 2018 編輯助理主編的話, 第24期/2018年3月留言功能已關閉

第二十四期主編的話

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所教授

國際純粹化學與應用化學聯盟（IUPAC）執行委員會常務委員
中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員
[email protected]

今年二月有個機會隨教育部國際合作司到巴布亞新幾內亞去開亞洲–太平洋經濟合作會議(簡稱亞太經和會議: Asia-Pacific Economic Cooperation,縮寫為APEC)中人力資源發展工作小組暨教育發展分組年會(HRDWG-EDNET)。這是本人第一次參加這種屬於各(國)經濟體的組織高階會議，會議中各(國)經濟體對於人才培育、新興科技、STEM(Science, Technology, Engineering, Mathematics, 簡稱STEM)教育的關心與挹注都令人印象深刻。尤其是針對教育策略的工作有三大目標，分別為1.提升競爭力(Enhancing Competencies)、2.加速創新腳步(Accelerate Innovation)、3.增加就業(Increase Employability)，更是點出未來在國際間要能有一席地位，教育的重要性是不容小覷的。我不禁自問，我們的教育與行政體系是否做好這樣的準備呢?

隨著科技不斷的發展，學生在學校的學習內容也隨著新興科技的腳步而產生質與量的改變，同時也由於平台的開發，使得教師在教學資源上的使用更加便利與多元。本期專題為〈軟體與平台在中小學化學教學上的應用〉，由國立台北教育大學周金城教授擔任本期專題主編。周教授對於科技在科學教學上的運用相當的關注，也長期使用不同的軟體與平台進行化學教學與評量。此次在他的邀請下共有大中小學教師五篇論著，論述與分享在實際教學中運用軟體與平台進行教學與評量的經驗，同時也引介研究單位新研發的工具提供資料收集與分析之用，未來在12年國教中，將增加<多元選修課程>以及<科學探究與實作課程>，相信這些平台與軟體皆可以作為未來教學上很好的資源。

在常態性文章部分，有施建輝老師針對非含氧酸的物質其酸性強度判斷的教學做深入的探討，同時對教學提出具體建議。施老師從同一週期與同一族的非含氧酸中孤電子對所帶電荷以及離子半徑大小來判斷與氫離子結合能力的大小，進而判斷物質酸(鹼)性強度順序。劉曉倩老師則是以黑豆汁和薑黃染布談天然媒染劑在生活中的應用。最後是劉佳綾老師針對國小特殊障礙學生設計以蝶豆花進行溶液酸鹼度測試的安全實驗，發現有趣的科學實驗可以提升特殊障礙學生的學習專注度，國小特殊障礙學生的科學學習是較少人關注的，希望能藉此文引發大家思考。

軟體與平台在中小學化學教學上的應用／周金城

星期五 , 9, 3 月 2018 編輯助理本期專題, 第24期/2018年3月留言功能已關閉

軟體與平台在中小學化學教學上的應用

周金城

台北教育大學自然科學教育學系教授

[email protected]

數位科技的軟硬體發展越來越快，能夠應用在教學上的資源越來越多。學科專家結合軟體工程師，將許多有效的教學軟體與平台開發出來。幾年前聽一位設計課程地圖系統的教授演講提到，一個好的教學平台設計，是要將複雜的教學理論放進平台之中，讓一個不懂複雜教育理論的教師跟著平台的操作，也可以設計出符合複雜教育理論的教學。這句話一直在腦中迴盪至今，我們在使用各種便利的軟體時，不也就是軟體設計者將複雜的事務，透過軟體與平台設計將工作的步驟簡化了，讓我們可以輕鬆地完成符合規範的工作。以下我們介紹一系列可以將複雜的學習理論簡化的軟體與平台，讓教師可以達到事半功倍的教學效果。

n 本期專題文章介紹

本期的專題是《軟體與平台在化學教學上的應用》，共有五篇專文。以下將逐一介紹。

第一篇是鐘建坪老師的《質性與量化的視覺化建模工具—SageModeler簡介》，建模是近年來科學教育中很熱門的議題，但有具體與完整的建模工具並不多見，由美國密西根州立大學為主開發的SageModeler建模軟體，可以讓使用者利用來建質化與量化的操縱變因與應變變因之間的連結，是一個操作簡單且有用的軟體，而且由國立彰化師大科學教育研究所李文瑜教授團隊完成介面中文化，讓中小學生使用上更加的便利。文中還針對理想氣體方程式的學習舉例說明設計方式，讓讀者可以能具體的了解設計方法。

第二篇是陳子聖老師的《透過製作均一教育平台學習資源以提升國中生酸鹼反應概念》，陳老師長期投入於協助均一教育平台錄製線上學習課程，並說明如何透過翻轉學習與混成學習方式，如何讓教室來利用此平台的資源進行教學，亦讓學生利用此平台的資源進行學習。均一教育平台的網路資源，經由良好的教學模式搭配下，可以提升學生的學習成效。文中也針對均一教育平台學習資源如何幫助國中生學習酸鹼反應概念進行案例說明。

第三篇是林禹伶老師的《用Yenka軟體輔助教學及實作評量—以五年級上學期南一版第三單元空氣與燃燒為例》，林老師藉由Yenka軟體設計一系列國小空氣與燃燒單元的實驗活動，讓學生在沒有危險的虛擬實驗室進行實驗操作，並觀察反應現象。之後再藉由Yenka軟體，來設計實作評量試題。實際實驗搭配虛擬實驗室，有助學生提高對科學過程技能的瞭解。

第四篇是邱麗綺老師的《利用逗豆芽遊戲平台提高學生學習參與度—以自然與生活科技五年級下學期水溶液的性質單元為例》，邱老師利用台北教育大學自然科學教育學系盧玉玲教授所開發的逗豆芽平台，放入試題讓學生利用平板進行測驗遊戲。一般的紙筆測驗對學生而言都是有壓力的，但是透過遊戲式平台的設計，讓測驗變得有趣了。學生在遊戲的過程，為了得高分，認真作答記下試題答案，甚至不想下課了。遊戲的小道具增加了運氣的成分，讓成績表現不是很好的學生，也有贏的機會，也大大提升了參與補救教學學生的學習動機。

第五篇是由筆者所寫的《Plickers即時反饋系統在國小臨床教學實務分享–以國小三年級自然與生活科技奇妙的水實驗活動為例》，筆者由106學年度起執行教育部「106 學年度教學實務課程教師至高級中等以下學校進行教學或研究活動計畫」，到小學的教學現場進行臨床教學，將Plickers即時反饋系統融入國小的教學活動中，發現這個軟體在國小各年級使用上都沒有問題，而且學生大多數都喜歡使用這個軟體，但有些教學使用上的注意事項，在文中有特別說明。文中也有針對國小奇妙的水實驗活動，進行教學範例說明。

n 結語

不同於針對單一主題的教學設計軟體與平台，本專題是介紹通用性的軟體與平台，也就是教師可以利用這個平台工具來設計許多專屬於自己的教學材料。逗豆芽與Plickers是針對評量方面的軟體與平台結合的設計，均一教育平台是針對數位影音學習資源整合的平台設計，Yenka軟體是針對科學實驗設計出實驗現象觀察與數據整合的軟體，SageModeler平台是針對建立質化與量化模型的建模操作工具。每一個軟體與平台都會有其優點與限制，教師們可以嘗試多加利用後，針對自己有的手邊資源與教學上的學生需求，來設計出自己專屬的教學材料。

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