觸媒對過氧化氫分解反應之影響

趙益祥、佘瑞琳*

國立臺灣大學化學系
*[email protected]

n  前言

觸媒（Catalyst）又稱為催化劑，是一種加到反應系統中，可以參與反應以加快反應速率，而本身不被消耗或轉化的物質。觸媒的加入，降低反應的活化能，讓反應在較低的溫度下可快速反應，達到節能的目的，因此在工業製程上有許多的應用，如食用油氫化和重要化工藥品氨的製程等，均需要借助觸媒。觸媒一般分為均相觸媒、異相觸媒及生物觸媒（酶或酵素）三大類，各有作用機制。其中酵素，在生物體內扮演重要角色，所有的生長代謝過程，如醣類代謝、蛋白質合成和分解、遺傳訊息傳遞等，都需要酵素的參與。酵素的催化反應具有高的專一性且好的催化效率，但因酵素一般是由具有特殊立體結構的蛋白質組成，因此受環境酸鹼度和溫度等影響很大¹。

本研究利用高中化學和日常生活中常見的雙氧水分解反應，設計一項綜合實驗，讓學生觀察三類觸媒的催化效應與特性並測定分解速率。教師可以依此實驗為藍本，設計科學探究實驗。

n  原理與概念

日常生活中用以消毒傷口的雙氧水，是含有3％H₂O₂的過氧化氫水溶液。在室溫下久置，過氧化氫會自然分解成水和氧氣，而失去效力，其分解反應如式[1]所示。

    [1]

我們可以使用均相觸媒KI水溶液、異相觸媒MnO₂固體及生物觸媒催化此分解反應。均相觸媒KI參與分解反應的機制如式[2]和式[3]所示²。異相觸媒MnO₂則是讓反應物吸附在接觸面的活性位置，使反應活化能降低，而加快反應。

    [2]

    [3]

生化反應中的觸媒稱為酶或酵素，多由蛋白質和輔酶所組成，具有特殊的立體結構，對反應受質具有高的專一性，在一般體溫的溫度下就有很好的催化效率。酵素的催化機制，一般以鎖鑰模式來說明，如式[4]所示：酵素（E）的活化中心先與受質（S）結合，形成位能較低的活化複合體（ES），再將受質快速轉變成為產物（P）而脫離酵素。因此當環境的酸鹼度或溫度改變，酵素的立體結構發生變化時，它的催化效率會有極大的變化。

酵素（E）+ 受質（S）® 酵素–受質（ES）® 酵素（E）+ 產物（P）    [4]

本實驗使用過氧化氫水溶液的分解反應，來觀察比較不同相態觸媒的催化效果，並探討影響酵素活性的因素。由於分解反應所產生的氧氣不易透過肉眼觀察，因此在過氧化氫溶液中加入洗碗精以包覆所產生的氧氣，並將反應系統置於量筒中，隨著定量催化劑催化分解反應的進行，量筒中的清潔劑泡沫面也隨的升高，記錄泡沫面高度隨時間的變化，可定量分解反應速率³。

n  藥品、器材與材料

一、藥品

每組用量：二氧化錳0.1~0.3 g、3%過氧化氫35 mL、2.0 M碘化鉀溶液1~3 mL、50%洗碗精2 mL、液態氮5 mL

二、器材與材料

每組用量：線香數支、豬肝1小片、剪刀1支、鑷子1支、錶玻璃1個、蒸發皿1個、燒杯（100 mL）1個、量筒（50 mL）3個、塑膠滴管2支、麻布手套1雙、塑膠盆1個、計時器1個，如相片一所示。

 

相片一：剪刀和豬肝（上左）、量筒和塑膠盆（上右）、蒸發皿和錶玻璃（下左）、麻布手套和塑膠滴管（下右）

三、藥品配製

l  3%過氧化氫溶液：量取100 mL的30％H₂O₂加水稀釋到1 L。

l  2.0 M碘化鉀KI：秤33.2 g碘化鉀（KI）溶解稀釋至100 mL。

l  50%洗碗精：量取50 mL的洗碗精加水稀釋到100 mL。

n  實驗步驟

一、過氧化氫分解反應—異相與均相觸媒

1.        秤量約0.1 g的MnO₂，加至50 mL量筒中。再加入3滴洗碗精，並放置量筒於塑膠盛接盆，如相片二所示。

相片二：量筒中加入0.1 g的MnO₂和3滴的洗碗精

2.        於量筒中加入5 mL的3％過氧化氫溶液，迅速搖動量筒以混合溶液，計時並每隔5或10秒觀察記錄所產生清潔劑泡沫的體積，以測定H₂O₂的平均分解速率（mL/s），如相片三所示。

相片三：觀察記錄所產生清潔劑泡沫的體積

3.        待反應完全、清潔劑泡沫較為消泡後，以點著的線香，快速地垂直插入量筒中的氣泡內，觀察記錄線香燃燒情形，並判斷分解反應所產生氣體的性質，如相片四所示。

相片四：線香垂直插入量筒泡沫內

4.        以毛刷刷洗量筒，改為加入1 mL的2.0 M碘化鉀，並重新取3滴洗碗精，再加入5 mL過氧化氫溶液後，迅速搖動量筒以混合，計時並觀察記錄H₂O₂分解速率，如相片五所示。待泡沫鬆散時再插入線香，觀察記錄線香燃燒情形。

相片五：1 mL的KI催化過氧化氫分解

5.        刷洗量筒，改變觸媒用量（如改用2 mL的KI或0.2 g的MnO₂），比較H₂O₂分解速率。

二、過氧化氫分解反應—生物觸媒

1.        以剪刀，剪裁豬肝為大小面積約相等的三小片，如相片六所示。於50 mL量筒中加入一小薄片新鮮豬肝，再依序加入3滴洗碗精和5 mL過氧化氫溶液。觀察記錄H₂O₂分解使清潔劑泡沫產生的速率。

相片六：新鮮豬肝裁剪為大小面積約相等的三小片

2.        於蒸發皿中倒入適量液態氮，再取一小薄片新鮮豬肝置於其中，讓豬肝急速冷凍，如相片七所示。以鑷子夾取豬肝置於50 mL量筒中，再依序加入3滴洗碗精和5 mL過氧化氫溶液，觀察記錄H₂O₂分解速率。

相片七：液態氮急速冷凍新鮮豬肝

3.        取一小薄片豬肝，放置於100 mL燒杯的沸水中，加熱至豬肝變色完全煮熟，如相片八所示。以鑷子夾取豬肝，放置於50 mL量筒中，再依序加入3滴洗碗精和5 mL過氧化氫溶液，觀察記錄H₂O₂分解速率。

相片八：沸水加熱煮熟新鮮豬肝

4.        於50 mL量筒中加入2滴自豬肝流出的血水，再依序加入3滴洗碗精和5 mL過氧化氫溶液，觀察記錄H₂O₂分解速率。比較豬血水與豬肝的催化效應，如相片九所示。

相片九：比較豬血水與豬肝的催化效應

n  結果與討論

雙氧水的催化分解反應是一般化學教師會運用以進行「大象牙膏示範實驗」的化學反應，所使用的雙氧水濃度高，催化分解速率快，以達到吸引學生注意的效果。於本研究中，我們調降雙氧水的濃度與用量，稀釋洗碗精的濃度，再選擇適合的觸媒，在量筒中進行催化分解反應，讓學生使用簡單的量測清潔劑泡沫產生的體積，以測定分解反應速率。實驗過程中，以線香燃燒測試產物氧氣的性質，增加實驗的趣味性。

本實驗曾經於臺灣大學普通化學實驗由大一學生實作，蒐集25組學生實驗結果，以0~30秒間所產生清潔劑泡沫的體積計算過氧化氫分解反應的平均速率，如表一所示。學生測量所得的平均速率會隨「是否持續混合量筒中溶液的方式」及「計算平均速率的時間」而略有差異。然而整體實驗數據均顯示，以均相觸媒（KI）催化效果較異相觸媒（MnO₂）為佳；觸媒用量增加，則催化效率提升。

表一：過氧化氫分解反應—異相與均相觸媒催化速率

本實驗另以購自市場的生鮮豬肝作為生物觸媒來源，催化過氧化氫分解反應。實驗中比較新鮮豬肝、煮熟的豬肝及流自豬肝的血水的催化效應。學生所測得0～30秒間的平均速率結果如表二所示。發現以2滴豬肝血水催化分解的速率最快，其後依序為新鮮豬肝和冷凍豬肝。由於豬肝血水可與溶液充分混合，因此催化效果佳；由於新鮮豬肝只有表層與反應液接觸，因此催化效果次之。冷凍豬肝在液態氮（-195^oC以下）的極低溫度下，催化活性降低許多，但一旦回復至室溫後，活性即可恢復，繼續催化過氧化氫分解。煮熟豬肝則由於高溫破壞過氧化氫分解酵素的結構，使其失去催化活性，縱使回復到室溫，依然無法催化過氧化氫的分解。在學生的實驗數據中，煮熟豬肝仍有少許活性（0.04 mL/s），主要是因煮熟豬肝沾到少許豬血水而催化分解反應，或沒有完全煮熟所致。

表二：過氧化氫分解反應—生物觸媒催化速率

在學生的實驗過程中，我們亦發現觸媒的加入順序對實驗結果影響甚大，例如：先加入洗碗精和5 mL過氧化氫溶液，最後加入觸媒時，MnO₂和豬肝皆易浮於清潔劑泡沫面上，甚至被泡沫包覆，無法在溶液中發揮催化效果，因此改變加入順序為：先取觸媒與洗碗精，再加入過氧化氫溶液，混合可以較為均勻，反應較為完全。

以燃燒線香測試清潔劑泡沫中的氧氣時，可觀察到線香遇到清潔劑泡沫中的氧氣而燃燒更旺。但線香極易因觸碰到清潔劑泡沫而熄滅，若能等反應完全後，清潔劑泡沫稍微消泡後，線香較不易熄滅，且當線香往量筒下方移動時，可觀察到線香持續燃燒的更旺盛，如相片十所示。

相片十：以線香測試包覆於清潔劑泡沫中的氧氣燃燒

n  注意事項

l  為避免照光分解，2.0 M KI必須存放於茶色瓶或於瓶身包覆鋁箔紙。

l  3%過氧化氫溶液必須新鮮配製，使用後冷藏，以避免自然分解而降低濃度，造成分解反應效果不佳。

l  各相態觸媒盡量保持垂直加入，避免碰觸量筒壁而導致未與反應物反應。

l  加入洗碗精後過氧化氫水溶液後，應盡快水平旋轉搖動量筒以均勻混合溶液。

l  線香插入量筒測試氣體性質的最佳時機是，等待過氧化氫分解反應完且等到清潔劑泡沫鬆散時，再垂直插入到清潔劑泡沫約1/3位置；避免插入太深或觸碰到液體導致線香熄滅。

l  線香點燃的時機是在要用時才點燃，避免空燒而使實驗室蓄積煙霧。

l  實驗過程中豬肝和豬血水宜放置於冰浴中冷藏，避免天熱時發臭變質。

l  新鮮猪肝和豬肝血水加入後反應極快，應盡快觀察，否則易錯過體積記錄時間。

l  實驗使用過的豬肝應煮熟與其他相關耗材（如夾鏈袋）等盡速集中處理，避免棄置在實驗室中而發生惡臭。

l  液態氮溫度極低，操作時應穿戴麻布手套以避免凍傷。

n  教學指引

l  本實驗可搭配高中基礎化學（三）的「化學反應速率」或大學普通化學的「化學動力學」課程內容，進行實驗印證。

l   在實驗操作之前，教師可先簡述各相態觸媒的分類、酵素的本質及其催化活性受酸鹼度與溫度等環境因素的影響，再說明實驗操作流程與注意事項（參考臺灣大學化學系普通化學實驗「觸媒與催化效應」實驗簡報：http://goo.gl/HmjPH9），之後讓學生進行分組操作，實驗約可於1小時內完成。

l  教師可隨實驗時間僅安排進行部分實驗，或者讓學生閱讀化學動力學與酵素動力學相關資料，思考其他可能影響酵素活性的因素，設計探究與實作的延伸實驗，例如：測試MnO₂用量、KI濃度或用量或者測試其他動植物組織的催化活性的研究。

n  結語

觸媒與催化作用是高中化學、大學普通化學及生物化學的重要課題。其中酵素在生物體中是維持生命的重要推手，由於其所涉及的化學試劑和器材價格不菲，以致學生對觸媒的認識僅限於知識面的理解而缺乏實作的認識。於本實驗，學生使用簡單易取得的生活化物品，如豬肝、洗碗精及消毒用雙氧水等，可回收重複使用的器材進行實驗，反應過程不會產生大量的廢棄物，是一個對環境友善的實驗。學生經由動手做並實際觀察測量，學習測試氧氣的助燃特性，定量比較不同相態觸媒的催化效率，更因生活化的豬肝與豬肝血水的加入，提高學生體驗實作的樂趣，並增強對實驗原理的理解。

n  參考資料

1.        酵素化學實驗，http://juang.bst.ntu.edu.tw/BCbasics/Enzyme12.htm。

2.        Chang, R. & Kenneth, K. A., Chemistry; 11^th ed., McGraw Hill Co, New York, (2013), pp. 598.

3.        臺灣大學化學系，《普通化學實驗》初版，民國104年9月，臺大出版中心：臺北。

n  謝誌

本實驗為臺灣大學化學系的暑期化學營實作實驗而開發，於本系普通化學教學組歷任教師和助教協助下進行編修與改進，而有各項多媒體教材，例如：中文和英文教學簡報和教材的教學資源，可參考臺灣大學化學系的網頁：http://www.ch.ntu.edu.tw/~genchem99/index.htm。

n  學生實驗手冊

下載本實驗的學生實驗手冊—「觸媒對過氧化氫分解反應之影響」。

 

國內外化學教育交流（第二十三期）

林靜雯

國立東華大學教育與潛能開發學系

[email protected]

n  一月內容摘要搶先看

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)

 

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：澳洲雪梨雪梨大學(The University of Sydney, Sydney, Australia) 

日期：2018年7月10-14日

相關網址：http://www.icce2018.org/

 

 

2018年國際化學教育研討會(ICCE2018)是由雪梨大學化學教育小組及澳洲皇家化學學院(Royal Australian Chemical Institute) 聯合舉辦。大會的宗旨是 “Bridging the Gap”，因此研討會將不受限於主題，提供所有參與者發言的機會一同來改善化學教育，進而深刻地理解化學在我們的世界中所所扮演的角色，並為未來化學教育的推動提供重要基石。大會希望藉由各國的化學教育工作者相互的交流，激盪出新的想法、新的教學方法及教學上的實踐，提供給學生更豐富的學習經驗。

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。

 

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

l   研討會摘要場次報名：已開放，截止日到2018年2月19日

l   報名早鳥優惠日期：已開放，截止日到2018年3月26日

l   報名日期：開放日2018年3月27日，截止日到2018年7月7日

 

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/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    2018年所舉辦的第二十五屆美國化學教育雙年會，將會提供機會給每位參與的人員和所有的化學研究教育者相互交流。該會將會有講座、工作坊、化學演示、展覽…等活動，給予所有參與人員一趟充實的化學研究之旅。

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你的課程及教學現場。

l   與來自全世界的化學教育領域工作者建立連結，為化學教育共創更好的未來。

 

本次大會的重要日程如下：

l   報名早鳥優惠日期：開放日2018年2月16日，截止日到2018年6月1日

l   報名標準日期：開放日2018年6月2日，截止日到2018年7月23日

l   研討會議程線上發佈日：2018年5月4日

 

第二十二期 主編的話

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所教授
美國國家科學教學研究學會（NARST）甫卸任理事長（Immediate Past President）
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]

1867年（距今150年前）的11月7日居禮夫人誕生於波蘭華沙，父親是中學數學和物理教師，母親是音樂教師。居里夫人在索邦大學（Sorbone，即後來的巴黎大學）求學時，獲得雙碩士學位，分別是數學和物理。她曾對友人說：第一次在實驗室工作，就讓我確信我對實驗的興趣。她在66年的歲月中，為科學界留下許多的典範，尤其是她所創造的事蹟都成為後世爭相傳誦的傳奇故事，並成為後來許多女性科學家的楷模。不僅如此，男性科學家雖然在那時代對女性地位的不重視，但她也獲得了許多科學家的肯定與敬重，愛因斯坦就曾說：她是名流中唯一不被盛名腐蝕的人。這一條科學之路走來並不容易。圖一為居禮研究所中的居里夫人辦公室和玫瑰園中的居禮夫婦銅像。

圖一：居里夫人辦公室（左）和居禮夫婦銅像（右）（作者攝於2017.05.31）

為紀念居理夫人的貢獻，今年十一月在全球各地都有些慶祝活動，尤其是歐洲。談到居禮夫人，無可避免地一定都會談到她在1903年同時獲得博士學位和諾貝爾物理獎（Becquerel和居禮夫婦共同獲獎），八年後於1911年居禮夫人獨得諾貝爾化學獎，更加肯定她在科學界的貢獻與地位。在2011年聯合國宣稱該年為國際化學年，以茲紀念居禮夫人獲得諾貝爾化學獎100年及其在化學上的輝煌成就與對人類的貢獻。居里夫人（是當時少數擁有駕駛執照的女性）在第一次世界大戰期間開了一部暱稱為迷你居禮的小型X光行動車（見圖二）穿梭於戰場間，協助治療戰場中受傷的士兵，戰後還培育150名護理人員使用放射性儀器療病，但她直到1929年才開始進行專業性地放射性治療，因長期暴露在放射線物質的環境中，數年後（1934）居禮夫人即死於惡性的白血球缺乏性白血病（aleukemic leukaemia）。次年（1935年）居里夫人的女兒艾蓮·居禮（Irene Joliot Curie）即獲得諾貝爾物理獎，成為居禮家族第三位獲得諾貝爾獎的人（居禮家族共獲得五座諾貝爾獎），可惜她的母親卻未能親見其獲獎一幕。

圖二：迷你居禮的小型X光行動車

倒是有幾件鮮為人知的事可以在此提一提，首先是居禮夫人雖然在索邦大學（Collège de Sorbonne）進行她的研究，但她從未忘記她的祖國波瀾，幾乎所有發表的研究成果，必定兼顧以法文和波蘭語發表；其次，當諾貝爾家族在1990年代中期想要將她的期刊和手稿捐給國家圖書館時才發現這些書籍或文稿的放射性已超標，必須再隔兩年當輻射量減少時才能送到國家博物館供人們參閱。這樣的研究環境並未阻礙她研究的熱誠與使命感；其三，居里夫人與幾位同校的科學家一起為他們自己的孩子開班授課（即今日的合作教學，居里夫人可算是實施此法的前輩了。），大家將實驗室的器材拿出來帶領孩子們認識科學家的活動，也讓孩子們親自透過實驗來認識科學。居里夫人是個喜歡發問的教師，她會不斷問：為什麼？你怎麼知道？發生了什麼反應？那你認為呢？又如水是如何到達水龍頭的？怎樣使船浮起來？如何秤重呢？等等生活實例。這些種種事蹟，讓我們除了認識到她的偉大研究成就外，對她堅持孩童身體力行動手做實驗的科學活動的重視有所體會，在在也都讓人見識到其對科學的執著、高尚的人格與屹立不搖的堅毅態度，這些亦是受人景仰與愛戴的原因之一。

因為女性之故，她在1910年時被法國科學會拒絕成為會員之一，這種性別的刻板印象，雖已事隔多年，但至今依然存在。也就在同一時間，今年11月7-8日，臺灣師範大學科學教育所舉辦為期兩天的性別差異工作坊，該計畫是由十一個國際科學組織（含IMU, IUPAC, IUPAP, IAU, ICIAM, IHUPST, UNESCO, IUBS, GenderInSite, OWSD, and ACM）向國際科學會（International Council for Science, ICSU）申請到的三年計畫，預計2018年調查全球女性科學家和女學生在科學就業與求學的經歷與觀點。性別差異的議題從未終止過，現實社會中如何以制度去支持女性以科學為志業、如何建立良好方案協助女性發展其在科學研究的潛力，以減少兩性之間的差異性，尤其是開發中國家女性成為重要的人力資源，實為持續性值得關注的議題。就近日所見所聞與大家分享。

此次本期專題就以〈當藝術遇見化學〉為題，希望透過不同的視角讓學生認識化學、欣賞化學、拓展對化學的認知、進而沉浸在學習化學的樂趣之中，以充分享受化學與美學所交織成的藝術品！楊水平教授受邀擔任此次專題的特約主編，在楊教授的力邀之下，此次共有11篇化學與藝術的文章，其中不乏以實驗展現繽紛色彩的化學變化（含陳映辛和馮松林的〈玩樂皂化之美〉、周芳妃等人的〈結合七彩焰色實驗於藝術與文學的教學中〉、〈王琪羿和高貫洲的〈藍染魔法與化學神功的融合交會〉、廖旭茂的〈用化學蝕刻製作銅板作品〉、張明娟和許文英的〈鑲嵌玻璃與化學的激盪〉）；串珠作品展現化學結構之美（范原嘉、金必耀、左家靜的〈第一型晶籠水合物的串珠模型之結構與製作〉）；精密儀器呈現微觀之美（如曾曉凡和陳俊太的〈科學顯微影像與藝術創作〉）；以及藝術品的保存與修復（如胡景瀚的〈化學在藝術品和文化遺產保護的應用〉、邱美虹和曾茂仁的〈新型凝膠修復西畫〉、林佳穎的〈西畫除黴的跨科教學活動設計〉）。篇篇精彩，帶讀者進入美的世界。而常態性文章則為兩篇以國小化學實驗活動為主，分別是葉雅婷的〈國小自然教室裡的化學探究與實作─以製作天氣瓶為例〉和李萍的〈國小學生製作薑黃試紙進行「無字天書」活動〉。

 

當藝術遇見化學

楊水平

國立彰化師範大學化學系
[email protected]

 

化學學科與藝術領域是平行不交集？還是有交會之處？本文試圖從化學與藝術的分歧談起，接著探討化學與藝術交會的可能性，然後簡介化學與藝術的推廣和研究，並且提供化學與藝術的教材舉隅，最後簡要地提到這一期11篇專題文章的導讀。

n  化學與藝術的分歧

一、  化學是科學的中心

科學（Science）是建立並組織有關宇宙有系統且可檢驗、解釋及預測的知識。現代科學通常分為自然科學、社會科學及形式科學像數學，自然科學研究物質世界，而社會科學研究人與社會。實驗科學的學科如工程學和醫學也被認為是應用科學。從古代到19世紀，知識的科學與現在的哲學有著緊密的關連。事實上，自然哲學包含現今與科學有關的學習領域，例如：物理學、天文學、化學、生物學、地球科學及醫學等。在現代科學中，以客觀性和重複性等原則為目標。^[1]

化學（Chemistry）是研究物質的性質以及如何和為何組合或分離而形成其他的物質，並且探討物質如何與能量相互作用。涵蓋物質的組成、結構、性質、行為，以及它們在與其他化合物反應過程中所經歷的變化。在科學的層次上，化學處在物理學和生物學之間的中間位置。化學有時被稱為中心科學（central science），因為化學為理解基礎學科和應用科學奠定基礎。^[2] 化學主要有五個分支，每一分支都有很多研究領域。這些分支有：物理化學結合化學和物理學。有機化學專門研究含有元素碳的化合物。無機化學研究的材料，如金屬和氣體，非碳作為其結構的一部分。生物化學是生物體內發生的化學過程的研究。^[3] 圖一是化學又稱為中心科學，化學是科學的中心，它與科學各領域有著密切的關係，舉凡生物化學、材料科學及環境工程，甚至藥理學、法庭醫學和古畫鑑定皆是。

圖一：化學又稱為中心科學（楊水平製）

二、  藝術領域涵蓋廣泛

藝術（Arts）是指在人類社會和文化中發現有創造力的理論和表現。藝術的主要成分涵蓋：文學（literature）包括詩歌、散文及戲曲；表演藝術（performing arts）包括音樂、舞蹈及戲劇；而視覺藝術（visual arts）包括圖畫、繪畫、攝影、陶瓷、雕刻及建築。一些藝術的形式會與視覺元素與表演（如電影）或藝術品與書面文字（如漫畫）結合在一起。從史前石窟繪畫到現代電影，藝術作為敘事的載體，傳達人類與環境的關係。^[4] 美國國會在國家基金會裡的藝術與人文法案中，藝術被定義為包含不限於音樂（器樂和聲樂）、舞蹈、戲劇、民間藝術、創意寫作、建築及其相關領域、繪畫、雕塑、攝影、平面和工藝、工業設計、服裝和時裝設計、電影、電視、廣播、電影、錄影、錄音，以及這些主要藝術形式的演示、表演、執行及展覽有關的藝術。^[5] 圖二展現平面攝影也是藝術表示的形式之一。

圖二：透過樹的造型拍攝的抽象藝術照片

（圖片來源：Bo Insogna, MrBO.com, https://goo.gl/pUWkuE）

藝術是創造視覺、聽覺或表演藝術品的人類活動，表達作者的想像力或技術和技能，以其美感或情感的力量為鑑賞。這些活動最普遍的形式包括藝術作品的製作、藝術的批評、藝術史的研究、以及藝術的審美傳播。^[6] 藝術與美術常常劃上等號，在臺灣教育界常常出現爭議，而造成學生對相關藝術類目的困惑。一般說來，藝術有廣義和廣泛的概念，美術是狹義的，僅是藝術的表達形式之一。繪畫、雕塑、建築、文學、音樂、戲劇、舞蹈、電影等都為藝術分類範疇。所謂的美術是指以繪畫、雕塑為核心的視覺藝術。^[7]

從上述〝化學是科學的中心〞和〝藝術領域涵蓋廣泛〞觀之，兩者實在南轅北徹且互不相干，更互不包容。然而，在實際的創作和教育方面，無可否認地化學與藝術還是有交會之處，接著探討化學與藝術交會的可能性。

n  化學與藝術的交會

自從洞穴居民用礦物顏料塗抹在岩壁上後，藝術與化學就產生相互的關聯。現今的化學家製造顏料和染料並保持顏色數十年不變；1萬年前的洞穴繪畫到從20世紀50年代的藝術，化學家認證、保存及恢復藝術文物；化學家還開發戲劇和電影作品的化妝和特效。這些在在顯示藝術與化學關聯密不可分。^[8] 已知最早的動物洞穴畫/動物圖畫至少有35000年的歷史，位於印度尼西亞南蘇拉威西省Bantimurung的Maros地區的洞穴中，如圖三左所示。^[9] 以前認為，最早的繪畫作品在歐洲，可追溯到大約30000-32000年前的奧里尼亞克（Aurignacian）時期，在法國的查韋特山洞（Chauvet Cave）和羅馬尼亞的科里波亞山洞（Coliboaia Cave）找到，如圖三左所示。^[9]

  

圖三：在印度尼西亞南蘇拉威西省的洞穴中找到約38000年前的壁畫（左），在法國的洞穴發現約30000前的洞穴鬣狗繪畫（右）

（圖片來源：Cave paintings, https://en.wikipedia.org/wiki/Cave_painting）

科學的進步是透過知識分子之間達成共識，科學重視客觀性和重複性。而藝術通常在情感層面進行溝通個人的概念和觀點，以主觀性重視個人的表達和對情緒的影響。若教師呈現科學以藝術和想像以及客觀和準確，學生對科學和科學家所關心的問題會有更全面的了解。^[10] 在藝術保護方面的職業生涯裡，需要具有碩士學位的保護或密切相關的領域和豐富的工作經驗。在美國修習化學與藝術課程的研究生是非常有競爭力的，他們需要有化學、考古、工作室藝術、藝術史和可能一種或多種外語的先期工作經驗（或實習或學徒）和學術背景。^[11]

文化遺產（Cultural heritage）是具有歷史、技術、文化及藝術價值的古蹟和文物之複合體。文化物品主要透過化學變化而遭受退化。化學的角色是理解、預防、控制及修復這種轉變。因此，化學及其技術深深涉及文化遺產。化學家預防或減緩這種變化是一個巨大的挑戰。保護技術包括排除與空氣的接觸、溫度和濕度的控制、清除髒物層等。保護文化遺產如同所有物品一樣，文化物品具有確定的化學成分和化學反應。保護文物和減輕這些因素的負面影響是化學的關鍵任務。^[12]

還有，STEM教育不僅是科學（science）、技術（technology）、工程（engineering）及數學（mathematics），而且它也被認為是一門獨立的科目。STEM是對設定主題的應用綜合方法。這是關於使用數學和科學來解決現實世界的挑戰和問題。這種以計畫為基礎的教與學的方式，使學生能夠理解並欣賞其工作與周圍世界的相關性。STEM教育是美國今天最受關注的課題之一，STEM教育是提高教育績效並解決困擾著美國勞動力持續發展問題的關鍵解決方案。越來越多的倡導者認為STEM缺少一個關鍵的組成部分，這個部分是藝術（art），即STEM成為STEAM。此外，STREAM或STEMM是融入閱讀（reading）或音樂（music）在STEM中，增強這些領域教學和學習的相關性。這些是基於培養學生的好奇心、幫助他們發展創造力、解決問題和批判性思維能力而發展出來。^[13] 圖四展現STEM整合藝術到教育，很多學者主張融入藝術到K-20教育中。

圖四：STEM整合藝術到教育成為STEAM

（圖片來源：STEM TO STEAM, http://www.get-to-know.org/steam/）

在2002年的TED上，一位醫生兼舞蹈演員且是第一位非裔美籍太空婦女Mae Jemison說：「科學與藝術的區別並不在於它們是同一枚硬幣的不同側面……甚至是同一個硬幣的不同部分，而是相同事物的表現形式，藝術和科學是人類創造力的化身。」^[14]

由上述的文獻資料探討之，化學與藝術關係密切，尤其是在教育上STEM和STEAM是現今教育界對培育未來主人翁的跨領域核心所在。

n  化學與藝術的推廣和研究

Duncan等（2010）提到奈米科學與工程（Nanoscale science and engineering, NSE）和奈米技術是新興領域，引起科學家、工程師及主流媒體的關注。然而，公眾對NSE的認知還不是很清楚，學校（包括K-12和大學院校）很少把奈米技術作為課程的一部分。為了彌補公眾和學生的理解空白，並吸引廣泛的學習者，作者發展出一套連結奈米技術與鑲嵌玻璃藝術的跨學科活動。這一系列活動已經成功地適用於各種不同的人們（如兒童、高中生、民眾），並在廣泛的教育環境（如博物館、K-12課堂、外展活動）中實施。^[15]

Bopegedera（2005）提到作者本人與一位視覺藝術家合作，設計並教授一門名為〝光〞（Light）的跨學科課程的經驗。課程規劃的目標是使用的文本、實驗室工作、藝術工作室的工作及其它課程活動，課程的重點是如何以〝光〞作為一個主題，使科學（特別是化學）和藝術之間發生關聯。作者也描述使用視覺方法來幫助藝術傾向的學生學習科學概念。^[16]

Gaquere-Parker等（2014）提到美國為提高大學生的科學素養，特別是非科學主修學生的科學素養是非常必要的。該文章提供的數據顯示，使用簡單的藝術概念可以幫助這些學生更好地理解有關化學的科學事實。再者，讓這些學生參與合作性、主動性及探究性的學習是必不可少的，透過課程可以增強他們的科學素養，提高他們學習科學事實的自信心。學生最喜歡的教學方法是教師講授與動手實驗的結合。^[17]

Gaquere-Parker等（2014）描述一種易於推廣的化學活動，介紹銅基顏料（孔雀石）使用三種塗料粘合劑的合成、分離及使用。這項活動是從一個傳統的化學實驗室的實驗改編而成，可以在15分鐘之內使用塑膠刀叉在一個夾鏈袋中進行。每組學生人數以五名為最大值，他們可以在3小時的推廣活動中進行大量的互動。這種結合化學與藝術的STEAM的實驗具有透過觀察沉澱和產生氣體來演示化學反應的優點，大多數的學生認為討論化學反應並觀察物理變化和化學反應是非常有趣的。^[18]

Wells等（2013）提到美國伊薩卡學院（Ithaca College）提供由化學家和藝術史學家組成的化學與藝術課程，強調兩門學科的互補性。這課程主要由非科學主修學生組成，強調使用歷史知識和實驗測量來處理有關藝術作品特定問題的重要性。該課程最後完成一個學生合作的研究計畫，學生必須選擇一個非獲得的藝術品，產生一系列有關的問題，然後使用現有的科學工具來解決這些問題。學生會接觸到各種分析藝術品的技術，包括可見光和紅外光譜、氣相色譜和質譜、X射線、螢光光譜和顯微鏡。評量顯示，參與這課程的學生相當積極，100％的學生同意或強烈同意他們在課堂上學到很多事物。學生似乎很欣賞化學課題與相關藝術史料的整合。學生有機會透過化學和藝術史的角度應用創造性思維於現實世界，學生很高興有機會運用他們在整個學期學到的概念和技巧。但是，有部分學生對計畫的開放性感到不滿意，對於提供的一些問題沒有找到更具體的答案而感到失望。^[19]

Danipog等（2011）提到他的研究旨在確定藝術為本的化學活動對高中生化學概念理解的影響。該研究使用前後測和準實驗設計，來自兩個不同化學班的64名高中三年級學生參加這項研究。一班接觸到藝術為本的化學活動（ABCA組），另一班則進行非藝術活動（NABA組）教學。該研究的數據是透過化學概念理解測驗（chemistry concept understanding test, CCUT）收集而得，此測驗是專門為這項研究而開發。結果顯示：兩組CCUT的平均後測分數差異是顯著的，ABCA組的平均後測分數高於NABA組。此外，ABCA組學生對CCUT中63％的修正過多選項選擇題的概念有極佳的理解。ABCA組透過創造化學藝術作品來傳達他們的化學知識的機會並促成他們對化學概念的理解。^[20]

Eisenkraft等（2006）提到所有藝術家都是化學家。藝術家理解和研究特定材料的特性，並找到探索這些特性的方法來表達自己和周圍的世界。在他們開發的課程中，化學的學生創作一個原創的藝術作品，描述他們創作中涉及的化學原理。在開始挑戰前，學生透過一系列的八項活動來學習化學概念和相關的藝術技巧。為期五週的化學課程以藝術家當作化學家為中心，並採用問題為本的學習模式。該課程為美國國家科學基金會（National Science Foundation, NSF）支持的課程計畫之一，此計畫根據美國國家科學教育標準、認知科學的研究成果、及評量的理論，並且使用新穎的課程設計策略的內容結構。在教學方法與策略方面，採用7E模式（7E model）。學生透過一系列的八項活動單元來學習化學。藝術家當作化學家的哲學要求在所有的活動中遵循一個學習結構來強化探究。這結構就是7E模式（即5E學習環的增強），包括Elicit—引出事先的理解、Engage—吸引學生參與、Explore—透過活動探索概念、Explain—學生和教師的說明、Elaborate—內容的精緻、Extend—擴展概念、以及Evaluate—在整個課程的各個方面進行評量。^[21] 圖五為5E學習環和7E學習環以及兩者的比較。

      

圖五：5E學習環（左）、7E學習環（中）及兩者的比較（右）

（圖片來源：https://assetinc.org/blog/531和https://goo.gl/59ZFek）

n  化學與藝術的教材舉隅

2001年美國化學學會（American Chemical Society, ACS）主辦年度活動—國家化學週（National Chemistry Week）的主題是〝慶祝化學與藝術〞（Celebrating Chemistry and Art）。美國各地的人們從這主題去發現化學與藝術之間的關聯。化學在所有的藝術中有著重要的角色，例如：在劇院裡，化學家幫助製作出更好的化妝來創造令人興奮的電影特效。化學家透過改進樂器的材料來影響其聲音的品質。芭蕾舞者現在擁有更強大且更持久的足尖鞋，因為化學家創造新的材料和膠物。這一屆推廣的活動是視覺藝術活動，當實作這些活動的時候，不僅成為藝術家，還會成為化學家！。2001年美國國家化學週提供的活動教材有很多單元：馬克筆蝴蝶、廣用指示劑彩虹鱒魚、報紙拼貼畫、化學把我們放在聚光燈下、化學家製造好音樂、水晶鋼板星星、你可以在運動鞋中找到多少材料？、綠草、青豆、綠拇指、但這是綠色化學嗎？^[22] 這一年慶祝國家化學週，透過化學家的眼睛探索藝術世界！鼓勵參與者擔任博物館館長，負責區分真實和複製的藝術作品以及其他文物。學生的學習是基於材料化學和科學實驗，以及瞭解藝術家使用的紙張、墨水、油漆、陶瓷、金屬、織物及其他媒介。^[23]

在美國化學會的Chemmatters雜誌中，有一篇文章提供一個化學與藝術的活動，此文描述化學是創造藝術的重要組成部分，且描述並討論兩種類型藝術的過程，製造樂陶涉及的氧化還原反應，以及製造鑲嵌玻璃涉及的化學反應。^[24]

在英國皇家化學會（Royal Society of Chemistry, RSC）的學習化學（Learn Chemistry）網站，提供一個化學與藝術的活動單元，描述到一幅龐大而富有戲劇性的繪畫展現早期的科學實驗正在進行中，這裡包含更多的是繪畫科學，而不是製作或保存繪畫的科學。此活動規劃的類型有小組工作和獨立工作，參加者有教師和學生，年齡範圍在14～16歲。^[25] 這網站也提供一個〝發現化學與藝術〞（Discover the chemistry in art）的主題，開頭提到：化學和藝術有數千年的共同的發明和創造的探索歷程，使用我們的化學與藝術網站來探索交織的歷史，找到科學中的藝術和藝術中的科學。在〝時間軸〞（Timeline）一節中，透過不同的歷史時期，從洞穴藝術到印象派，發現藝術與科學之間的關聯。這方面的關聯是隨著時代的發展而逐漸成長，因為在西歐藝術的每一個重要時期藝術作品一直增加之中。在〝主題〞（Topics）一節中，藝術與科學已經相互影響幾個世紀。在這網站中，展示藝術與各種科學學科之間的關聯。^[26] 圖六是〝空氣中的鳥的實驗〞是約瑟夫·賴特（Joseph Wright）在1768年的油畫作品，這是1560年代賴特繪製的許多燭光場景之一。

圖六：賴特繪製的空氣泵中鳥的一個實驗

（圖片來源：An Experiment on a Bird in the Air Pump, https://goo.gl/fgkeZ3）

在網際網路上，還有許多化學與藝術的活動或實驗單元，提供給孩童和國中小學生實作，例如：探索材料—鑲嵌玻璃窗（Exploring Materials‒Stained-Glass Windows）^[27]，藝術結合鑲嵌玻璃中奈米例子；孩童可以用彩色紙巾做出自己的藝術作品。五顏六色的泡沫印刷（Colorful Lather Printing）^[28]，結合刮鬍膏、食用色素及紙張，形成一個獨特的大理石藝術作品；蛋蛋彩畫（Egg Tempera）^[29]，蛋不僅僅是早餐，製造自己的塗料，蛋黃作為塗料的一個成分；製作蠟筆（Making Wax Crayons）^[30]，回頭看看你的童年時光，用這個熟悉的著色工具來做這個實驗。哪種配方最適合？

n  文章導讀

本刊第二十二期的專題以〈當藝術遇見化學〉為主題，除領頭文章外，還有11篇文章。這些文章的簡介如下：

1.    〈鑲嵌玻璃與化學的激盪〉一文由張明娟老師（國立武陵高級中學）和許文英老師（新北市立明志國民中學）主筆。本文提到：藉由鑲嵌玻璃的創作與文獻探討，讓我們對化學與工藝的結合有更進一步的了解與認識，同時讓我們知道原本生活中遇到的美麗藝術品的原理、方法與背後的演變歷程，並對自己所屬的生活世界有更新的體悟。

2.    〈藍染魔法與化學神功融合交會〉一文由王琪羿老師（臺北市立復興高級中學）和高貫洲老師（臺北市立中崙高級中學）主筆。本文提到：學生從學習調製藍染液，比較傳統建藍法與藍靛粉調製法之間的差異及其他注意事項。以分組進行的方式讓學生學習團隊合作，增進人際溝通、協調及互助的能力。教師介紹染色的過程中顯花的方式和示範絞染（綁染）、夾染、繪染與縫染……等基礎防染技法，能訓練學生的設計概念與美感能力。

3.    〈玩樂皂化之美〉一文由陳映辛老師老師（國立竹山高級中學）主筆。本文提到：帶學生做手工皂實驗，可以讓學生認識多采多姿的化學，使化學與生活作緊密的結合。學生可以針對自己的膚質、季節、用途，設計獨特的配方，加入不同植物粉和添加物，利用一些手法或技巧勾勒出動人的線條，呈現不同的變化與花樣，讓學生發揮自己的創意，做出專屬個人風格的手工皂。

4.    〈結合七彩焰色實驗於藝術與文學的教學中〉一文由周芳妃老師（臺北市立第一女子高級中學）主筆。本文提到：在忙碌的教學工作之餘，我們也不斷思考著化學、藝術、文化與哲學的關聯性，點燃彼此的創思課程設計，落實探究實作的學習策略。最後，希望我們幾位作者發揮創意的熱情以及拋磚引玉的動機，能與大家並肩迎向我國十二年國教新課綱的教育轉型契機。

5.    〈用化學蝕刻製作銅板作品〉一文由廖旭茂老師（臺中市立大甲高級中學）主筆。本文提到：嘗試利用化學方法進行蝕刻教學，並設計為化學與藝術結合的特色選修課程教學活動。本實驗利用兩種方法，進行化學蝕刻。第一種方法是氯化鐵的蝕刻、第二種方法是雙氧水加入EDTA-4Na的蝕刻。這兩種方法的原理和概念都有詳細的說明。

6.    〈陰翳裡的光芒—水拓與化學的結合〉一文由黃琡雅教授（國立東華大學藝術與設計學系）和楊悠娟教授（國立東華大學自然資源與環境學系）主筆。本文提到：本創作報告以「陰翳裡的光芒」為名，訴說著昏暗不明之美，模糊幽暗的情致曖昧之美，那在枝葉茂密的陰影中微露的光芒，微光的魅力並非全是來自懷舊，而是那種光色和潤澤安慰人心，那是在模糊空間里的調和美學。

7.    〈科學顯微影像與藝術創作〉一文由陳俊太教授（國立交通大學應用化學系）主筆。本文提到：科學研究不是缺少美感，只是缺少發現。利用科學影像所進行的藝術創作，不僅可以縮短一般大眾與科學研究的距離，也可鼓勵研究人員及學生們發揮想像力與創造力，進一步燃起對科學研究的熱情與興趣，對人類的科學進展有更大的貢獻。

8.    〈奈米世界的構築藝術：串珠模型構築奈米晶籠水合物的藝術〉一文由金必耀教授（國立臺灣大學化學系）主筆。本文提到：介紹串珠模型在第一型晶籠水合物的應用，這種晶籠水合物的結構是由氧的四配位結構連結而成的開放骨架結構，環繞在每一個氧有四個氫鍵為初級構造單元，以氫鍵橋連氧原子而形成兩種次級構造單元，再堆積成三度空間的骨架構築。透過串珠模型，微關的奈米晶籠水合物構築巨觀的藝術作品。

9.     〈化學在藝術品和文化遺產保護的應用〉一文由胡景瀚教授（國立彰化師範大學化學系）主筆。本文提到：清除藝術品或古蹟上的菌膜遭遇到的困難，我們不能用過度侵入性的方法，傷害文物。苯扎氯銨經常被用來消除藝術品和文物上的菌膜。

10. 〈新型凝膠修復西畫〉一文由邱美虹教授（國立臺灣師範大學科學教育研究所）主筆。本文提到：12年國民基礎教育自然科學領域重視「科學探究與實作」、「科學本質與科學態度」、及「核心概念」，同時也強調跨學科與跨領域的橫向連結，藉由橫向連結展示知識與技能的廣泛性和關聯性。藉由油畫修復說明藝術品的創作、製作、修復都會與科學相關。當我們欣賞一幅畫時，其實可以透過不同的視角去認識藝術品。

11.〈西畫除黴的跨科教學活動設計〉一文由林佳穎老師（臺北市立啟聰學校）主筆。本文提到：西畫除黴教學單元從藝術出發，結合臺灣濕熱氣候的特色，提出一個情境化有關除黴問題。此單元設計整合藝術、化學及生物等跨領域概念，讓學生不再只是學習片段的知識，而是能從多種面向思考問題並提出解決方案，透過此課程可以培養學生藝術欣賞、動手實作、批判思辨及科學探究等能力。

n  參考資料

1.        Science, https://en.wikipedia.org/wiki/Science.

2.        Chemistry, https://en.wikipedia.org/wiki/Chemistry.

3.        What Is Chemistry? https://goo.gl/Ncp7PY

4.        The arts, https://en.wikipedia.org/wiki/The_arts.

5.        Definition of “the Arts” by the United States Congress, http://goo.gl/ZYJeKK.

6.        Art, https://en.wikipedia.org/wiki/Art.

7.        藝術，https://zh.wikipedia.org/wiki/藝術。

8.        Chemistry in the Arts, https://goo.gl/h1xGZt.

9.        Cave paintings, https://en.wikipedia.org/wiki/Cave_painting.

10.    Moore, J. W. Science and Art Journal Chemical Education, 2001, 78 (10), p 1295.

11.    Chemistry in the Arts, https://goo.gl/f2r1ya.

12.    Chemistry and Art, http://goo.gl/XamdDu.

13.    STEM or STEAM? We’re Missing the Point, https://goo.gl/WrfUvT.

14.    From STEM to STEAM: Science and Art Go Hand-in-Hand, https://goo.gl/ZHHXSc.

15.    Duncan, K. A.; Johnson, C.; McElhinny, K.; Ng, S.; Cadwell, K. D.; Petersen, G. M. Z.; Johnson, A.; Horoszewski, D.; Gentry, K.; Lisensky G, Art as an Avenue to Science Literacy: Teaching Nanotechnology through Stained Glass Journal Chemical Education, 2010, 87 (10), pp 1031–1038.

16.    Bopegedera, A. M. R. P. The Art and Science of Light. An Interdisciplinary Teaching and Learning Experience Journal Chemical Education, 2005, 82 (1), p 55.

17.    Hemraj-Benny, T.; Beckford, I. Cooperative and Inquiry-Based Learning Utilizing Art-Related Topics: Teaching Chemistry to Community College Nonscience Majors Journal Chemical Education, 2014, 91 (10), pp 1618–1622.

18.    Gaquere-Parker, A. C. N.; Doles, A.; Parker, C. D. Chemistry and Art in a Bag: An Easy-To-Implement Outreach Activity Making and Painting with a Copper-Based Pigment Journal Chemical Education, 2016, 93 (1), pp 152–153.

19.    Wells, G.; Haaf, M.; Investigating Art Objects through Collaborative Student Research Projects in an Undergraduate Chemistry and Art Course Journal Chemical Education, 2013, 90 (12), pp 1616–1621.

20.    Danipog, D. L.; Ferido, M. B. Using Art-Based Chemistry Activities To Improve Students’ Conceptual Understanding in Chemistry Journal Chemical Education, 2011, 88 (12), pp 1610–1615.

21.    Arthur Eisenkraft, Carl Heltzel, Diane Johnson,and Brian Radcliffe, Artist as Chemist, 2006, http://goo.gl/EvQQP4.

22.    Chemistry & Art—A Great Mix! https://goo.gl/y3dFjW.

23.    State of the Art Chemistry: A Hands-on Program – An Educational Demonstration Package, http://goo.gl/JPStex.

24.    Artistic Chemistry: A Beautiful Collaboration, Chemmatters, https://goo.gl/F3yfKm.

25.    Chemistry and Art: An Experiment on a Bird in the Air Pump, http://goo.gl/wt6gu8.

26.    Discover the chemistry in art, http://goo.gl/uDNQP3.

27.    Exploring Materials—Stained-Glass Windows, http://goo.gl/MWVm6z.

28.    Colorful Lather Printing, http://goo.gl/ne2RTv.

29.    Egg Tempera, https://goo.gl/nTLKTA.

30.    Making Wax Crayons, https://goo.gl/PhpNeZ.  

當藝術遇見化學：鑲嵌玻璃與化學的激盪

張明娟^1,2,*、許文英^3,4,*

¹國立武陵高級中學
²教育部高中化學學科中心
³新北市立明志國民中學
⁴臺灣工藝發展協會
¹[email protected]; ³[email protected]

n  鑲嵌玻璃

鑲嵌玻璃（Stained glass）是指以彩色玻璃作為材料或從事其創作的藝術¹，是從羅馬帝國時代就開始流傳的彩色鑲拼窗戶形式，特別是在早期歐洲的教堂容易看見。² 鑲嵌玻璃在製作的程序上，要先把各種顏色的玻璃依照設計圖樣切割好，再用鉛（熱膨脹係數³ α: 29.3，避免壓損玻璃）為主要材料做成H型的長條，彎成所需形狀拼接圖案。傳統上，製成平板並用作窗戶的玻璃面積大，承受的重量大，因此會使用 H型鉛條、U型鉛條或U型鋅框固定（鋅框較硬、價格高、大件作品較堅固）再點焊接縫處，例如日本神戶風見雞館窗戶，如圖一左所示；檯燈罩則因為面積小，組合的片數多，因此使用銅箔包覆緊密後，並在燈模上組合焊接，用錫焊接，焊接外面後脫模，再焊接裡面，修整後，才能完工。因此，鑲嵌玻璃的特色就在於每一塊彩色玻璃的周圍都有條紋勾邊的特殊效果。現代鑲嵌玻璃藝術家的創作也包括三維結構和雕塑，最著名的例子就是由路易斯·康福特·蒂芙尼所創作的〝威尼斯〞檯燈⁴，如圖一右所示。

  

圖一：日本神戶風見雞館窗戶（左），特威特蒂芬妮工作室〝威尼斯〞檯燈（右）

n  鑲嵌玻璃創作

鑲嵌玻璃製作的技術性難度很高，所使用的工具與材料也相對多，茲就製作〝小夜燈〞鑲嵌玻璃所需用到的工具與材料分述如下：

一、   選擇欲使用各種彩色玻璃的材料，如圖二所示。

圖二：彩色玻璃的材料

二、   玻璃切割工具：切割刀、速剪鉗、曲嘴剪鉗、馬賽克剪鉗、塑膠製速剪鉗、角尺壓尺、清潔刷、銅箔、銅箔壓磨棒、銅箔用紙樣剪刀、以及焊錫，如圖三、圖四所示。

圖三：玻璃切割工具

圖四：製作鑲嵌玻璃包覆玻璃的銅箔、銅箔壓磨棒、剪透明片用的銅箔用紙樣剪刀與焊接用的焊錫

三、   鑲嵌玻璃製作輔助用品和清潔用品：助焊劑、染黑劑、防汙油、除污去霉油、以及玻璃切割油，如圖五所示。

圖五：鑲嵌玻璃製作輔助的用品

四、   鑲嵌玻璃焊接工具和配備：烙鐵及烙鐵架、焊槍、鋼絲絨、電源控溫器、玻璃研磨機和清潔用品，如圖六所示。

圖六：鑲嵌玻璃焊接工具配備及清潔用品（左），玻璃研磨機（右）

n  鑲嵌玻璃製作流程

接著，以製作〝小夜燈〞鑲嵌玻璃為例，其製作流程如下所述：

1.        畫出設計圖：先用鉛筆在白紙上畫出設計圖，再用簽字筆勾繪出粗線條的圖形，如圖七所示。最好以彩色畫稿並依照欲製作的實體大小畫出設計圖，以利切割出實際大小的彩色玻璃片。

圖七：畫出設計圖

2.        放一張透明片在設計圖上，描繪出設計圖上的圖案，如圖八左所示。用銅箔用紙樣剪刀剪裁透明片的圖案，形成小片狀並編號，如圖八右所示。

圖八：在透明片上描繪設計圖（左），剪裁透明片的圖案（右）

3.        在原稿圖上編號碼，也將剪好的透明片寫上號碼，方便辨識位置的順序；並分別放在欲切割的彩色玻璃上，用簽字筆先描繪出圖案的形狀，再用玻璃切割刀切割玻璃，切割好的玻璃也要寫上編號，如圖九左所示。用玻璃研磨機，研磨各小塊的玻璃邊沿使之平滑，如圖九右所示。

圖九：切割玻璃成小塊狀（左），研磨各小塊的玻璃邊沿（右）

4.        排列各小塊研磨好的彩色玻璃，確認組合起來是否完整，如圖十所示。

圖十：組合各小塊研磨好的彩色玻璃

5.        用銅箔，包住各小塊的玻璃邊沿，並用銅箔壓磨棒壓磨銅箔的表面，使銅箔與玻璃緊密黏合平整，以利焊接，如圖十一所示。

圖十一：包銅箔

6.        先用膠帶略為固定組合好的玻璃片，用筆刷塗助焊劑，在沒有膠帶的位置，再將烙鐵和焊錫，用點焊的方式先固定位置，然後撕去膠帶，再仔細焊接各小塊玻璃。正反兩面都需要焊接，組合完成〝小夜燈〞鑲嵌玻璃的圖案，如圖十二左所示。在鑲嵌玻璃作品的背面，找到適合的位置並做記號，焊接燈座的夾鐵，如圖十二右所示。

 

圖十二：焊接組合鑲嵌玻璃的圖案（左），在背面焊接燈座的夾鐵（右）

7.        用牙刷、清潔劑和水，清洗作品後並擦拭乾淨，將燈座套上夾鐵，測試作品，如圖十三所示。

圖十三：清洗後的鑲嵌玻璃作品

8.        先取下燈座，用筆刷塗染黑劑，使焊接處變黑，待乾後，再用牙刷和清水洗淨玻璃上的染黑劑，並擦拭晾乾。如圖十四所示。

圖十四：用筆刷塗染黑劑，使焊接處變黑

9.        用棉花棒沾除污防霉油，擦拭染黑處及清潔玻璃上殘留的染黑劑，待乾後，用乾的海綿沾少許防污油擦拭染黑處及玻璃表面。即完成“小夜燈”鑲嵌玻璃的作品，如圖十五所示。

圖十五：塗抹除污去霉油和防污油後，即完成作品

n  作者的鑲嵌玻璃其他作品

第二位作者的鑲嵌玻璃創作作品，如圖十六所示。

 

 

圖十六：花開富貴鏡子（左上）、角落燈（右上）、花車（右下）、寶貝相框（左下）

n  鑲嵌玻璃涉及的化學原理

(一)     玻璃的理化性質與用途

從外觀上看玻璃是固體，其實它的X射線繞射圖卻與液體相似，各分子因迅速冷卻（過冷）而沒有足夠時間形成晶體，使其凍結在液態的排列狀態。雖然在短距離內呈現有次序的排列，但長距離則不具有規則性的結構，因此玻璃是一種非晶形固體。

一般而言，玻璃是透明、脆性、不透氣、並具有一定硬度的材料。最常見的玻璃是鈉鈣玻璃，包括75%的二氧化矽（SiO₂）、由碳酸鈉中製備的氧化鈉（Na₂O）和氧化鈣（CaO）、及其他添加物。在日常環境中玻璃呈化學惰性，亦不會與大多數物質起作用。玻璃一般不溶於酸，但氫氟酸例外，其反應如式[1]所示。利用此反應可進行玻璃蝕刻，創作出屬於自己的作品⁵；玻璃會溶於強鹼，例如：氫氧化鈉，其反應如式[2]所示。

SiO₂(s) + 4HF(aq) → SiF₄(g) + 2H₂O(l)    [1]

xSiO₂(s) + 2NaOH(aq) → Na₂O•xSiO₂(aq) + H₂O(l)    [2]

玻璃具透明的特性，因此有許多不同的應用，其中一個主要應用就是作建築中的透光材料，一般是在牆上窗戶的開口安裝小片的玻璃（即玻璃窗）。若玻璃中加入金屬鹽類，其顏色會改變，玻璃本身也可以上色，因此可以用玻璃製作藝術品，包括本文所介紹的鑲嵌玻璃。

(二)     彩色玻璃^{6, 7, 8}

從各種顏色的玻璃器皿到鑲嵌玻璃，均使用彩色玻璃。彩色玻璃通常添加著色劑使玻璃呈現色彩。著色劑能對投射到玻璃上的白光進行選擇性的吸收，因而改變透過玻璃光線的光譜組成，使玻璃顯示出各種顏色。

玻璃顯色的強弱與著色劑的種類和添加量有關，根據著色劑在玻璃中的狀態，可把著色劑分為離子著色劑和表面著色劑兩類，離子著色劑主要包括一些有色金屬氧化物和鹽類。利用離子著色劑可以控制玻璃的顏色，一些著色劑與對應玻璃的顏色之關系如表一所示。

表一：玻璃的金屬氧化物呈色表

彩色玻璃呈色的化學原理：當過渡金屬離子鍵結到一個或多個中性或帶負電的非金屬分子或離子（稱為〝配位基〞）時形成金屬錯合物而呈現顏色。當未形成配位共價鍵時，所有的金屬離子的d軌域在能量上是相等的。一旦有配位基出現，有一些d軌域就會轉移到比未形成配位共價鍵時有更高的能量上，也有一些d軌域轉移到更低的能量上，造成能隙。這是因為它們的形狀不同，一些d軌域比其他軌域更接近配位基。電子可以通過吸收光子從較低能量的d軌域移動到較高能量的d軌域；吸收光的波長取決於能隙的大小。任何未被吸收的光線導使玻璃呈現互補的顏色。

(三)     玻璃的硬度與切割^{9, 10, 11}

在鑲嵌玻璃的製作過程中，會使用到玻璃切割刀進行不同形狀玻璃的切割，為什麼玻璃刀可以切割玻璃呢？原來玻璃刀尖上鑲有非常堅硬的物質—金剛石。金剛石俗稱鑽石，是碳元素常見的同素異形體之一。碳原子以sp³的共價鍵相互結合，每一個碳原子周圍都同樣有4個碳原子與它鍵結，形成一個正四面體的幾何關係。當玻璃與金剛石相互摩擦時，因為玻璃的硬度較小，表面會出現刮痕。以致金剛石一碰到玻璃，馬上就把它劃出一條小溝，順著這條小溝，就可以把玻璃輕輕掰開。在礦物中，礦物硬度的劃分標準由礦物學者摩氏（Friedrich Mohs, 1773-1839）首創的，因此相對硬度也稱為摩氏硬度。摩氏硬度從1到10代表的礦物，分別是「1：滑石、2：石膏、3：方解石、4：螢石、5：磷灰石、6：正長石、7：石英、8：黃玉、9：剛玉、10：鑽石」。

(四)     銲錫、助焊劑與銅箔^{12, 13, 14, 15}

在鑲嵌玻璃的整個製作過程中，點焊是最高的技術，焊點的勻稱與否以及其粗糙或平滑影響整個作品的美觀，也影響整個作品的觀瞻與價值。在實用性方面，焊接工藝能幫助並促進焊接過程，同時具有保護作用、阻止再次氧化反應。

銲料通常為錫的合金，又稱銲錫（solder），在銲接的過程中被用來接合金屬零件，熔點需低於被焊物（鉛條或銅箔）的熔點。當銲料處在固相溫度與液相溫度之間時，會呈現固態粒子散布在液態金屬的膏狀。鑲嵌玻璃的焊料以前使用60/40錫/鉛的合金，由於鉛涉及健康問題，目前半導體行業已開發出〝無鉛〞的新型焊料，此成分包括：錫、銅、銀、鉍、銦、鋅、銻等等，而這些〝無鉛〞焊料也可應用於鑲嵌玻璃藝術。鉛的熔點為327 C，錫的熔點是232 C，而60/40焊料具有160~170 C更低的熔化溫度，錫鉛銲料從以往至今即被廣泛使用於軟焊接，尤其對手焊而言，是優良的材料。

助焊劑（Flux）（亦稱為助熔劑）的主要作用是清除焊料和焊材表面的氧化物，使金屬表面達到必要的清潔度，它可以防止焊接時表面的再次氧化，降低焊料的表面張力，提高焊接性能。常用的助熔劑包括氯化銨、氯化鋅、松香及鹽酸。有鑑於日益嚴峻的空氣污染和有害廢棄物，因此電子產業逐漸揚棄松香，採用水溶性助焊劑，以降低烴類溶劑用量。目前手銲操作通常是採用焊劑芯焊線。焊線至少內含一條與焊線等長的焊劑芯，當焊線融化時，助焊劑已成液態並釋放至焊接處。

助焊劑對銅箔有清潔和助焊的效果，其原理為：一般助焊劑裡的含水氯化鋅（ZnCl₂·2H₂O）成分，在高溫下會成形成氫氧氯化鋅（ZnCl(OH)）和氯化氫，並釋放出水蒸氣，其反應如式[3]所示。

ZnCl₂·2H₂O(s) → ZnCl(OH)(s) + HCl(g) + H₂O(g)    [3]

氯化氫和水蒸氣遇冷形成鹽酸，可除去銅箔表面的氧化物，其反應如[4]所示。

CuO(s) + 2HCl(g) → CuCl₂(s) + H₂O(1)    [4]

副產物氯化銅（CuCl₂）易溶於水，可輕易的清洗掉，使焊料可以黏合到銅金屬的表面上，達到焊接的目的。

(五)     染黑劑產生銅鏽^{16, 17}

在焊接清洗後的銅箔，接下來要利用染黑劑（black patina）來染黑，使其邊框呈黑色，造成鑲嵌玻璃更為突出明顯。染色劑主要成分為硫酸銅（CuSO₄），與焊錫的成分進行氧化還原反應生成銅金屬，其反應如[5]和[6]所示。

CuSO₄(aq) + Pb(s) → PbSO₄(aq) + Cu(s)    [5]

CuSO₄(aq) + Sn(s) → SnSO₄(aq) + Cu(s)    [6]

薄薄的銅模會在高溫下，與氧化劑反應生成黑色的氧化銅，其反應如[7]所示。

2Cu(s) + O₂(g) → 2CuO(s)    [7]

通常染黑劑含有硫化物，使其與鉛、錫、銅等金屬離子生成黑色的硫化金屬化合物，其反應如[8]所示。染黑後的金屬邊框可以使色調更為一致，並防止銅箔或焊料再氧化進而延長鑲嵌玻璃的色彩與美觀。

M²⁺(aq) + S^2-(aq) → MS(s)    [8]

n  結語

根據十二年國民基本教育課程綱要總綱¹⁸：「U-B3 具備藝術感知、欣賞、創作與鑑賞的能力，體會藝術創作與社會、歷史、文化之間的互動關係，透過生活美學的涵養，對美善的人事物，進行賞析、建構與分享」。藉由這次鑲嵌玻璃的創作與文獻探討，讓我們對化學與工藝的結合有更進一步的了解與認識，同時讓我們知道原本生活中遇到的美麗藝術品，它們生成的原理、方法與背後的歷史演變歷程，對自己所屬的生活世界有更新的體悟。圖三和圖四是在日本神戶風見雞館（別名舊湯瑪斯館，由德國貿易商人G．托馬斯建於日本明治42年（1909年），是神戶異人館的代表性建築。）所拍攝的鑲嵌玻璃照片，當初拍攝的時候只覺得很美很具異國風，透過這次化學教師與工藝教師的合作，原來化學除了理性之外更可加入藝術的鑑賞，對這鑲嵌玻璃的工藝創作，分享她的美與善。

 

 圖十六：日本神戶風見雞館孔雀鑲嵌玻璃藝術品

n  參考資料

1.        Stained glass, https://en.wikipedia.org/wiki/Stained_glass.

2.        鑲嵌玻璃，http://nrch.culture.tw/twpedia.aspx?id=7327。

3.        熱膨脹係數，https://zh.wikipedia.org/wiki/熱膨脹係數。

4.        Louis Comfort Tiffany, https://en.wikipedia.org/wiki/Louis_Comfort_Tiffany.

5.        彩色玻璃的製作，http://glassmuseum.moc.gov.tw/web-tw/unit03/modepage/3-4-1-07.html。

6.        化學實驗室實驗：玻璃蝕刻與美感的結合（Glass Etching with Beauty）〔III〕，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=30615。

7.        玻璃，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=2980。

8.        The Chemistry of Coloured Glass, http://www.compoundchem.com/2015/03/03/coloured-glass/。

9.        爲什麽玻璃刀可以切割玻璃？http://tc.wangchao.net.cn/xinxi/detail_1231447.html。

10.    摩氏硬度，https://zh.wikipedia.org/wiki/摩氏硬度。

11.    了不起的結晶—金剛石，https://scitechvista.nat.gov.tw/c/vpah.htm。

12.    銲料，https://zh.wikipedia.org/wiki/銲料。

13.    Solder, https://en.wikipedia.org/wiki/Solder.

14.    Stained Glass Art, https://engineering.purdue.edu/MSE/aboutus/gotmaterials/Art/segvich.html.

15.    Solder Information, http://www.globalspec.com/learnmore/manufacturing_process_equipment/welding_equipment_supplies/solder.

16.      Make your own Copper Patina for Lead and Solder, https://chatterglass.wordpress.com/2014/02/16/make-your-own-copper-patina-for-lead-and-solder/.

17.    Artistic Chemistry: A Beautiful Collaboration, https://www.acs.org/content/dam/acsorg/education/resources/highschool/chemmatters/archive/chemistry-on-a-country-road-cm-april-2012.pdf.  

18.    十二年國民基本教育課程綱要總綱發布版，https://www.naer.edu.tw/files/15-1000-7944,c639-1.php?Lang=zh-tw。

 

當藝術遇見化學：

藍染魔法與化學神功的融合交會

王琪羿^1,*、高貫洲^2,*

¹臺北市立復興高級中學
²臺北市立中崙高級中學
^*[email protected]; [email protected]

n  前言

從古自今，全世界不分男女都愛藍色，藍色有著謹慎、可靠、安全的正向意涵，也與自然界有著極強的關聯性，讓我們聯想到乾淨的水和清澈的天空。它與內心的安全感能產生共鳴，藍色有助減少壓力，創造平靜，放鬆以及秩序感，它同時是代表和平與安寧，並且促進身心放鬆的顏色。

人類為了滿足人體的自然需求開始穿衣，更為了展現美麗在衣服上染成色彩，先民從大自然的礦物和植物中萃取出各色染料，並將青、黃、赤、白、黑稱為五色，再將五色混合調配出其他的顏色。由於植物染料取材較容易，且可以栽種來大量收集，因此使用最普遍。相較於其它顏色，藍染的天然染料，除具有染色功用外，尚具有耐髒、耐磨、防蟲、消炎的功效上優勢，因此易於被一般平民百姓所接受使用，因此藍色成為東西方重要的庶民色彩。

n  藍染的歷史

根據「藍色繽紛中國西南少數民族藍染圖錄」一書中所述：「藍靛做為染料之歷史已相當悠久，從考古資料顯示，西元2400年前古埃和第五王朝時代就已使用藍靛來染色，時至中王國時代，廣泛的將藍染應用於織品上。」¹顯示出遠在古埃及時人類便知利用藍草染色。在中國，藍染起源可追溯至三千多年前，在周朝時代就有植物染的相關記載，並且設有專門管理染色的官職「染人」。在秦代則設有【染色司】、唐宋設有【染院】、明清設有【藍靛所】等專職染布染色的管理機構。「中國歷代服飾」記載：「秦漢巾幘色『庶民為黑、車夫為紅，喪服為白，轎夫為黃，廚人為綠，官奴、農人為青』。唐以官服色視階官之品。」²可知在周朝以後都有對衣著服飾顏色的相關規定，平民百姓因長期需要在外工作，需使用耐髒汙的深色，故紺青色³（見圖一）為平民主要使用的色彩。以色彩心理學角度來看，紺青色則有較為樸素、不明顯感，符合平民給人的印象。隨著歷史的演進，服裝色彩已跳脫身分標示，更能表現個人喜好與特色。

 

圖一：紺青色的色階變化

（圖片來源：琉璃色、紺色、普魯士藍，https://goo.gl/zjkKuA）

n  臺灣藍染

近年來環保意識抬頭，生活美學注重樸實、天然，讓藍染這項流傳千年的技術也再次受到重視，為保留臺灣傳統藍染產業，1990開始任職國立臺灣工藝研究的馬芬妹老師開始研究臺灣藍染，1994年積極推動藍染人才培育，2002年開始好幾家農園和工坊開始計畫性栽植山藍，使得藍靛染料成為可接受訂購的農特產品。

臺灣陽明山早期是藍染原料的大菁的主要栽植地，於清代時期開始，藍靛業就成為重要的產業項目之一。過去陽明山區的溪流旁都會種植山藍，又稱大菁，是天然靛藍的植物。1850年代，臺灣的「靛藍」是重要的外銷產品，史料中記載「1880年，靛藍的數量占輸出貨品之第三位，僅次於稻米及煤炭…。」昔日，陽明山區如鹿角坑溪、大尖後山、竹仔湖、平林溪、菁礐溪、木屐寮等地都種植山藍且設置菁礐（音ㄑㄩㄝˋ，是臺語常用的『坑池』意思），許多地名也都和「菁礐」有關，如頂菁礐、中菁礐、下菁礐、菁山路、平菁街等等，由此可見當時製藍產業的普遍。後來，北部的茶產業興起，植茶的獲利較高，農民紛將藍圃改為茶園，至1864年左右，德國人造靛藍研發成功後，至1890年，德國人造染料居於絕對領先地位，天然的靛藍被趕出市場，臺灣的製藍業、染布業從此一蹶不振，終於在1920年左右結束生產。⁴

2004年陽明山國家公園管理處在大屯自然公園使用古老傳統工法，用石灰及混砌石塊、砂石，復舊臺灣第一個「菁礐」藍染設施，其中包括有兩個圓形浸泡池和一個長方形的沉澱池，並結合社區文史工作坊或保育團體來推廣認識並推廣藍染文化。另外民間社團三角湧文化協進會、臺灣田野學習協會—二格山自然中心、臺灣天然染色研究推廣中心、臺灣藍染學會、三峽藍染生活工坊、三義卓也小屋…等，都不遺餘力的推廣臺灣藍染，也得到很好的推廣成果。

n  藍染的實作

因應各校環境設備不同，傳統藍泥的建藍方式須以發酵水解法生成靛藍，是利用生物繁殖發酵原理進行，通常製藍和建藍需耗費很長的時間等待天然微生物自然發酵，無法控制時間。以下介紹藍靛液調製法，使用以木藍植物作為原料製成的藍靛精粉，成分天然也方便於課堂上短期操作體驗。

在染色技法方面，坊間有許多染色技法的書籍可以參考操作，本文以最易上手的紮染⁵來做介紹說明，因為紮染沒有技術限制，只要紮綁得宜，不要太鬆或太緊，任意紮綁都可以染出美麗的紋樣。

一、藍染液的調配

藍染液的調配材料有：藍靛粉、水、氫氧化鈉（Sodium hydroxide, NaOH）及低亞硫酸鈉或稱連二亞硫酸鈉（Sodium Hydrosulfite, Na₂S₂O₄），加上棉布（天然纖維），其比例如表一所示。

表一：調配藍染液的材料和比例

二、調製藍染液

1.        在一個大容器之中，先加入500 mL的清水，溶解20 g的氫氧化鈉。在加入300 mL的清水，溶解10 g的低亞硫酸鈉。然後加入剩餘的水和20 g的藍靛粉，一併攪拌溶解。〚剩餘10 g備用，待藍染液還原力不足時再補充。〛

2.        充分混合並攪拌均勻所有材料，接觸時需穿戴橡膠手套，如圖二所示。〚調製好的染液pH值約為12，屬於強鹼，液體表面為藍色，液體本身呈黃綠色。〛

圖二：調製藍染液

三、紮染技法的過程

1.        準備一塊棉製方巾和數條橡皮圈（或棉繩），如圖三所示。

圖三：準備紮染技法的材料

2.        抓取棉製方巾的中心點，拉起布塊成為一束狀，如圖四所示。

 

圖四：拉起布塊成為一束狀

3.        套入一條橡皮圈到束起的布塊，其位置在自己設計圖案的圓紋最外圈處，如圖五所示。

 

圖五：套入一條橡皮圈於圓紋最外圈處

4.        拉緊橡皮圈，反轉後套入束起的布塊，紮綁這布塊。重複此步驟數次，如圖六所示。

 

圖六：用橡皮圈紮綁束起的布塊

5.        重複用數條橡皮圈紮綁束起布塊的步驟，直至布塊在頂端的位置，如圖七所示。

 

圖七：重複紮綁束起布塊的步驟

6.        確認並調整紮綁的位置，調整間距和緊度，如圖八所示。

 

圖八：調整紮綁的位置

7.        用橡皮圈紮綁完成的束起布塊，如圖九所示。

圖九：紮綁完成的束起布塊

8.        用清水充分浸濕紮綁好的布塊，然後擰乾至不滴水。

9.        然後放入此布塊到藍染液中。〚必須完全沉入染液中，不可浮起。〛

10.    戴橡膠手套，等候染著3～5分鐘期間須撥開、搓揉布塊未紮綁的部分，使布塊充分浸透染液並染色均勻，如圖十所示。

圖十：使布塊充分浸透染液並染色均勻

11.    從染液中取出染著的布塊，擰除多餘的染液至不滴水。

12.    晾曬此布塊，使染料氧化10～15分鐘，如圖十一所示。〚剛取出時的布塊仍會呈黃綠色，需撥開皺褶處，才能充分接觸空氣，讓靛白隱色鹽還原成靛藍。〛

圖十一：晾曬染著的布塊

13.    完成氧化反應染料的布塊後，拆解橡皮筋，如圖十二所示。〚可用剪刀協助去除橡皮筋或綁繩〛

  

圖十二：拆解橡皮筋

14.    拆解並打開皺褶部分，完全攤開並整平布塊，如圖十三所示。

 

圖十三：完全攤開並整平布塊

15.    直接用水沖水布塊，直到沖洗至水為清澈，有浸到染液的布塊顏色會較深，如圖十四所示。〚沖洗期間仍會有藍色釋出，這是因為洗出未滲進纖維的染液。〛

圖十四：用水沖水布塊，直到沖洗至水為清澈

16.    完成染色的布塊偏鹼性，需用白醋水進行酸鹼中和。其配方為水：醋約30：1，白醋水的量可完全淹沒布塊即可。

17.    製作完成的藍染布塊，如圖十五所示。〚染色的色澤是完全乾燥後的顏色為準，若喜歡較深的顏色，則在布塊浸到染液的時間需較常的時間。〛〚藍染的布塊的使用和保存與一般衣物相同，但是藍染晾曬時要避免直曬太陽以防退色。〛

圖十五：製作完成的藍染布塊

四、學生紮染技法的作品集錦

臺北市立復興高級中學學生紮染技法的作品，如圖十六所示。

  

  

圖十六：學生紮染技法的作品集錦，夾染作品（上三張）和縫染作品（下三張）

n  化學原理和概念

在人類的生活之中，染料扮演非常重要的角色。自1856年，英國化學家珀金（W. Prekin, 1838-1907），發明第一個合成染料「苯胺紫（mauveine）」之前，所有的染料都是取自於天然動、植物或是礦物。據考古資料顯示，染色技術於印度和中東已有超過五千年歷史。

藍、紅、黃為顏色的三原色。相較於紅色和黃色，藍色在天然植物中並不常見，因此可說是最珍貴稀有的顏色。在西元前1600年，最昂貴的染料莫過於「泰爾紫（Tyrian purple）」。這是由地中海的一種海洋軟體動物，所分泌的不透明黏液中萃取出來的，大約9000多隻軟體動物才有辦法萃取一克的染料，其珍稀程度可想而知。由於只有皇室貴族才能穿得起這種紫色衣飾，故有「皇家紫（royal purple）」的名稱。

靛藍（Indigo）與皇家紫的結構相似，距今700多年前，馬可波羅在印度（India）看見人民使用靛藍染料，傳說這是indigo名字的由來。用來提煉靛藍的植物—馬藍（也稱山藍或大菁）—的葉片（見圖十七），並非是藍色，需經鹼性發酵與氧化的過程，才會呈現藍色。自從印度產的靛藍合法進入英國後，國王喬治二世選用靛藍來染製海軍制服，因此有海軍藍（navy blue）的名稱。

圖十七：馬藍

（圖片來源：天問小窩，Flickr，https://www.flickr.com/photos/b08983/1513490586）

傳統沈澱法製藍，選用的藍染植物是馬藍。首先要將馬藍生葉浸泡在水中，浸泡的時間依季節與溫度的變化而有所不同，需視藍葉腐爛和藍靛素溶出的程度而定。一般而言，夏季時節約為24~36小時左右。等藍葉中的藍靛素溶出後，將腐葉撈出，再加入適量的石灰乳（俗稱熟石灰或消石灰，Ca(OH)₂），並快速攪拌。攪拌的時間則視泡沫高聳的情形而定，當泡沫下降減少而呈現細小狀時，即可停止，並讓藍液靜置，待藍靛沈澱後，便可將上層的咖啡色廢液排出，或用胚布袋過濾，即可取得藍靛。⁶

可提煉靛藍的植物，皆存在一種名為「尿藍母」（indican）的成分，結構中含有一個葡萄糖，在鹼液中進行發酵產生吲哚酚（indoxyl）的分子，最終被氧化形成靛藍，其反應如式[1]所示。⁷

    [1]

（圖片來源：維基百科修改，https://goo.gl/RmupYV）

長久以來，人類皆使用繁複費時的方式來製造靛藍染料。自1880年，德國的化學家拜耳（Adolf von Baeyer, 1835-1917），在實驗室從苯乙酸與丙酮反應在鹼性水溶液中，成功地合成出靛藍，其反應如式[2]所示。⁸這合成反應開啟人工合成靛藍的風潮，拜耳獲頒1905年諾貝爾化學獎的殊榮。

    [2]

（圖片來源：維基百科，https://goo.gl/XMY4zZ）

靛藍難溶於水、酸或鹼，欲製成染劑吸附織物，必須先經過還原作用（本次實驗使用低亞硫酸鈉），成為靛白（Indigo white (leuco-indigo)）。靛白可溶於鹼液，可以用它來對動物或植物纖維進行上色，染後在空氣中進行氧化，再生成靛藍，附著於纖維上，呈藍色。因此靛藍的染液必須要有還原劑和鹼液存在。靛藍的還原反應與靛白的氧化反應，如式[3]所示。⁸

    [3]

非水溶性靛藍（氧化型）            水溶性靛白（還原型）

（圖片來源：維基百科，https://goo.gl/XMY4zZ）

拜耳的合成法，因價格昂貴而停止生產，直至1897年，德國BASF公司才以不同的方式，將靛藍的合成進入量產化，自此天然靛藍的生產式微，人工合成的染料成為新興化學工業。

n  結語

因應教育部108課綱的校本課程，臺北市立復興高級中學推出許多關於北投在地文化的跑班選修課程，其中「北投藍染」便是其中一堂極具地方特色的課程。更與北投文化基金會交流、研習合作等，期望復興高級中學同學能對在地文化有更多一分了解。

藉由建藍過程，探討不溶於水的靛藍如何還原成靛白隱色鹽，引發學生學習動機，並與化學、生物科或國文科作協同教學。化學科可延伸議題探討如何改善傳統發酵建藍耗時費工和減少染色的染料耗損。生物科可延伸議題探討如何栽種藍染植物—馬藍，並瞭解染色植物的特性。國文科可說明「詩經」的小雅—采綠，有一段話提到：「終朝采綠，不盈一匊，…終朝采藍，不盈一襜…」。此外，荀子於「勸學」中亦提及：「青，取之於藍，而青於藍」。也可延伸介紹欣賞染色植物的詩詞。因此，藍染的課程設計可以達到STS跨領域的課程。

學生從學習調製藍染液，比較傳統建藍法與藍靛粉調製法之間的差異與其他注意事項。分組進行的方式能讓學生學習團隊合作，增進人際溝通、協調及互助的能力。教師介紹染色的過程中顯花的方式與示範絞（綁）染、夾染、繪染與縫染……等基礎防染技法，能訓練學生的設計概念與美感能力。與家政科協同教學合作縫製技巧與運用，可製作家飾布品，實踐綠色居家實作，藍染方巾與圍巾可進行服飾搭配演練。學生從實做中學習解決問題，並感受完成作品的成就感，建立自信心。

n  參考資料

1.        方鈞瑋，《藍色繽紛中國西南少數民族藍染圖錄》，臺灣：國立臺灣史前文化博物館，2006。

2.        曾慧潔編著，《中國歷代服飾圖典》，中國大陸：江蘇美術出版社，2002。

3.        維基百科，https://commons.wikimedia.org/wiki/File:琉璃色、紺色、普魯士藍.png。

4.        〈靚北投 再現北投藍染的原鄉〉，http://www.ntcri.gov.tw/communityinfo_190_58.html，(Sep, 2017)。

5.        馬芬妹，《臺灣藍 草木情―植物藍靛染色技藝手冊》，臺北市：國立臺灣工藝研究所，2007。

6.        藍染介紹—應用與實作，http://www.thes.tyc.edu.tw/envedu/plants/htm/6-3-1.htm。

7.        靛藍，https://zh.wikipedia.org/wiki/靛藍。

8.        von Baeyer–Drewsen靛藍合成，https://zh.wikipedia.org/wiki/Baeyer–Drewsen靛蓝合成。