臺灣化學教育

高中教師參加2015亞洲化學教育研討會
海報展示與示範實驗

王瓊蘭

新北市立新店高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]

n  緣起

第六屆亞洲化學教育研討會（The 6th International Conference from Network for Inter-Asian Chemistry Educators, 6th NICE），舉辦的地點是在日本科學未來館（Miraikan）。Miraikan的全名是新興科學和創新的國家博物館（National Museum of Emerging Science and Innovation），顧名思義，那是個能讓孩童們喜歡科學，追逐夢想的地方；也是個適合一群愛好科學教育的人，聚首的好地方。第六屆國際化學教育研討會選擇在Miraikan舉辦，給人有別開生面的特殊感，由於我從未去過日本，因此它也是吸引我想要參加此研討會的原因之一。

我期盼能參加第六屆國際化學教育研討會，主因是想感受一點諾貝爾化學獎，亞洲得獎最多國家—日本的化學教育。因此在上學期結束前，最忙碌的期末，也就是參加研討會摘要報名截止日前的幾週，先擬定出英文摘要的主題名稱，並造訪此次研討會主辦單位的官方網頁，填寫報名表，選擇參與發表的形式；然後再思考一、兩週，直到摘要截止日期（2015年6月25日）的最後期限前，硬擠出一篇英文摘要來，然後及時的上網投遞寄出。沒想到，隔天，立即接到研討會的執行秘書—生尾光（Akira Ikuo）教授的回函；他代表著大會執行委員們的表示接受我的摘要，並邀請參加研討會的示範報告。這給投遞摘要者，有被重視與尊重的感覺，令人滿心歡喜。

由於我要發表的議題是「運用勒沙特列原理判斷心型迴紋針顏色的變化與鋼絲絨球漂浮的實驗」，雖然是有點深度的化學主題，但是反應可立即看到顏色變化和氣泡冒出；由於實驗的操作也十分簡單，不需要特殊的器材與設備，就可在教室或一般的場地示範，因此我選擇以海報和示範的模式參加研討會。心想可以預先將做好的實驗圖片，按照步驟流程，製作成PPT檔；屆時再藉著PAD的輔助，只需用手指頭輕輕滑動螢幕，再在現場做個實驗，用實驗變化來表達所述，就能和與會的外國學者與學生們，溝通交流化學的基本知識啦！以下針對我的實驗進行說明。

n  實驗概述

一、   實驗目的：藉由外加固體物質，使得溶液的顏色發生變化，或是伴隨著氣泡的生成；判斷平衡遭到破壞後，達成新平衡的現象，用以驗證勒沙特列原理。

二、   器材：燒杯（50 mL）、小夾鏈袋、標籤紙、塑膠點滴瓶、小玻璃藥罐、塑膠滴管、迴紋針、鋼絲絨、乳膠手套。

三、   藥品：3 M鹽酸、35%雙氧水（此濃度可以稀釋）、95%優質酒精（此濃度可以稀釋）、蒸餾水、硫氰化鉀（potassium thiocyanate，固體微粒）、水楊酸（salicylic acid，固體微粒）、草酸（oxalic acid，固體微粒）、氫氧化鈉（sodium hydroxide，固體微粒）、檸檬酸（citric acid，固體微粒）。

四、   實驗步驟

實驗一：硫氰化鐵錯離子的形成及其平衡的移動

1.        在一個50 mL的燒杯中，加入少量的硫氰化鉀固體微粒，然後加入7分滿的蒸餾水，把一個心形迴紋針置入杯中，再滴幾滴鹽酸溶液，以及幾滴的過氧化氫溶液，觀察溶液顏色的變化。（實驗結果見圖1）

圖1：被氧化的心形迴紋針，在硫氰化鉀溶液中流出血紅色的錯離子

2.        加入硫氰化鉀固體微粒，觀察溶液顏色的變化。

3.        準備三個50 mL的燒杯，各置入一個心形迴紋針，並分別加入少量的氫氧化鈉，檸檬酸及草酸固體微粒。再將步驟1.的溶液，平均加入前述三個燒杯中，觀察溶液顏色的變化及是否有氣泡生成，並藉此判斷平衡移動的方向。

實驗二：水楊酸鐵錯離子的形成及其平衡的移動

1.        另用一個50 mL的燒杯中，加入少量的水楊酸固體粉末，然後加入7分滿的優質酒精，把一個心形迴紋針置入杯中，再滴幾滴鹽酸溶液，以及幾滴的過氧化氫溶液，觀察溶液顏色的變化。

2.        加入水楊酸固體粉末，觀察溶液顏色的變化。（實驗結果見圖2）

圖2：被氧化的心形迴紋針，在水楊酸溶液中流出紫色的錯離子

3.        準備三個50 mL的燒杯，各置入一個心形迴紋針，並分別加入少量的氫氧化鈉，檸檬酸和草酸固體微粒。再將步驟1.的溶液，平均加入前述三個燒杯中，觀察溶液顏色的變化與是否有氣泡生成，並藉此判斷平衡移動的方向。

實驗三：鋼絲絨球替代心形迴紋針的錯離子形成及其平衡的移動

1.        拿一小撮鋼絲絨，將它揉搓成球形，代替心形迴紋針。

2.        重複實驗一、二的步驟，觀察溶液有何現象發生，並比較它與心形迴紋針反應的差別。（實驗結果見圖3-4）

 

圖3：被氧化的鋼絲絨球，在硫氰化鉀溶液中流出血紅色的錯離子（左圖）；分別加入少量的氫氧化鈉，檸檬酸和草酸固體微粒的結果（右圖由左至右）

 

圖4：被氧化的鋼絲絨球，在水楊酸溶液中流出紫色的錯離子（左圖）；分別加入少量的氫氧化鈉，檸檬酸和草酸固體微粒的結果（右圖由左至右）

五、   原理與概念

實驗一：硫氰化鐵錯離子的形成及其平衡的移動

1.        鐵與鹽酸反應，生成亞鐵離子，其反應如式[1]所示。

Fe(s) + 2H⁺(aq) → Fe²⁺(aq) + H₂(g)    [1]

2.        雙氧水與亞鐵離子反應，生成鐵離子，其反應如式[2]所示。

2Fe²⁺(aq) + H₂O₂(aq) + 2H⁺(aq)  → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l)    [2]

3.      鐵離子與硫氰根離子反應，生成血紅色的硫氰化鐵錯離子（Iron(III) thiocyanate complex ion），其反應如式[3]所示。

Fe(H₂O)₆³⁺(aq) + SCN^–(aq) ⇄ Fe(SCN)(H₂O)₅²⁺(aq) + H₂O(l)    [3]

4.        依據勒沙特列原理，如果改變影響平衡的一個因素，平衡就向能夠抵銷此壓迫的方向移動，以抗衡該改變。由此判斷：

(1)     加入硫氰化鉀固體微粒，平衡向右移動，溶液顏色變深，其反應如式[3]所示。

(2)     加入心形迴紋針，鐵與鐵離子反應，其反應如式[4]所示。此反應使溶液中鐵離子濃度減少，平衡向左移動，溶液顏色變淺。

Fe(s) + 2Fe³⁺(aq)→ 3Fe²⁺(aq)   E^ο. = +1.21 V    [4]

加入氫氧化鈉固體微粒，鐵離子與氫氧根離子反應，其反應如式[5]所示。此反應使溶液中鐵離子濃度減少，平衡向左移動，溶液顏色變淺。

Fe³⁺(aq) + 3OH^–(aq) → Fe(OH)₃(s)    [5]

‚加入檸檬酸固體微粒，由於檸檬酸是很好的螯合劑（chelating agent），可與鐵離子錯合反應，生成檸檬酸鐵（ferric citrate），其反應如式[6]所示。此反應減少使溶液中鐵離子的濃度，因此使得平衡向左移動，溶液顏色變淺。

（圖片來源：citric acid, https://en.wikipedia.org/wiki/Citric_acid; ferric citrate, http://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_EN_CB8273091.htm.）

ƒ加入草酸固體微粒，由於草酸是很好的螯合劑，因此可以形成有兩種鏡像異構物的草酸鐵錯離子，其反應如式[7]所示；並兼具還原劑的作用，可與鐵離子錯合反應，並且能把鐵離子還原成亞鐵離子。此反應使溶液中鐵離子的濃度降低，因此平衡向左移動，溶液顏色變淺。

（圖片來源：Potassium ferrioxalate, https://en.wikipedia.org/wiki/Potassium_ferrioxalate.）

實驗二：水楊酸鐵錯離子的形成及其平衡的移動

1.      在中性的水溶液中，水楊酸分子的結構（見圖1左）上的–OH羥基和–COOH羧基，會分別脫去H^＋離子，形成水楊酸離子的結構（見圖1右）。

圖1：水楊酸分子（左）和水楊酸離子（右）的結構式

2.      六水合鐵離子Fe(H₂O)₆³⁺與水楊酸離子結構式（見圖一右）上–O^–羥基和羧基的–COO^–發生錯合反應，生成紫色的水楊酸鐵錯離子（iron(III) salicyate complex ion），其反應如式[8]所示。

3.        本實驗其餘的原理，皆可依據上述〈實驗一〉的各項原理，同理類推。

實驗三：鋼絲絨球代替心形迴紋針的錯離子形成及其平衡的移動

1.        改用鋼絲絨球替代心形迴紋針實驗時，由於同質量鋼絲絨球的表面積較迴紋針大許多， 因此與試劑反應的速率增快，溶液的顏色迅速變化。

2.        因為鋼絲絨球的反應速率較迴紋針大很多，而且溶液內仍殘留有過氧化氫與鹽酸，所以導致實驗的結果，也不甚相同。

(1)   分別加入氫氧化鈉後，使硫氰化鐵錯離子溶液和水楊酸鐵錯離子溶液的顏色，皆轉變成淺黃褐色，可見溶液中有較多的水合鐵離子[Fe(H₂O)₆]³⁺生成，並伴隨著氣泡的產生，將杯底的鋼絲絨球推升到液面上，猶如打開的啤酒般；不難看出除了前述式[5]的反應外，還有競爭著式[9]的反應。因此推測，產生的氣體可能是氧氣。

H₂O₂(aq) + 2OH^–(aq) + 2Fe³⁺(aq) → O₂(g) + 2H₂O(l) + 2Fe²⁺(aq)    [9]

(2)   加入檸檬酸會使燒杯中硫氰化鐵錯離子溶液的顏色，稍微變浅了些；卻會使在另一燒杯中水楊酸鐵錯離子溶液的顏色幾乎完全褪去。因此推測，配位基錯合鐵離子的強度是：

硫氰根離子＞檸檬酸根離子＞水楊酸根離子

(3)   加入草酸會有二氧化碳氣泡冒出，並使鋼絲絨球往上推而漂浮到液面上，其反應如式 [10]所示。

H₂C₂O₄(aq) + 2Fe³⁺(aq) → 2CO₂(g) + 2H⁺(aq) + 2Fe²⁺(aq)    [10]

此現象與前述式[7]的反應不相同，其結果很可能是伴隨著式[9]和[10]的競爭反應。其中在含有硫氰化鐵錯離子溶液的燒杯中，顏色變成黃綠色；因此推測，可能是生成較多的草酸鐵錯離子。而在含有水楊酸鐵錯離子溶液的燒杯中，顏色幾乎變成無色；所以推測，可能是草酸氧化生成二氧化碳，以及鐵離子還原成亞鐵離子，式[10]較為優勢。

3.        在〈實驗二、三〉，當酒精為溶劑時，由於酒精的沸點較水低，揮發性則較水佳，因此反應放熱時，可導致酒精受熱後，蒸氣飄散在空氣中，散發出酒精特有的芳香氣味。由於反應後容器變熱，釋放出能量，使得溶液的溫度上升，所以這是一種放熱反應。而若用手觸摸燒杯壁，會有發燙的感覺。

n  參加研討會

第六屆亞洲化學教育國際研討會召開的前一週（2015年7月21日），我收到大會主席—鎌田先生（Masahiro Kamata）的夫人Kuniko Kamata (Mrs. Masahiro Kamata)，行前所發給的歡迎電子郵件—提醒研討會即將到來，並提供到日本東京住宿、交通與旅遊的網頁附件。還有在官方的網頁上，也已刊登出詳細的議程規劃單，供參與者下載，好讓大家能好整以暇的出席。

出國前幾天，我特別將固體藥品與液體溶劑的化學式與英文名稱，用標籤紙寫好，貼在夾鏈袋、塑膠點滴瓶與小玻璃藥罐的外面，並放入內有塑膠隔板分格、長 × 寬 × 高（約25 cm × 20 cm × 5 cm）的小型塑膠工具盒裏面，可放入行李箱裏，只佔一點兒空間，攜帶起來相當的輕便。然而問題來了，需要用到鹽酸（去腐蝕心型迴紋針和鋼絲絨所含的鐵），雙氧水（作為氧化劑──氧化亞鐵離子生成鐵離子），以及95%的優質酒精（用來溶解有機化合物—水楊酸）；雖然鹽酸、雙氧水及優質酒精的用量都不多，但卻是危險溶劑。由於它們是不能登機，被攜帶出國的物品，所以只好到日本再想辦法取得。結果是到東京的便利商店裏，採買到白醋與高濃度的清酒；在藥妝店裏搜購到3%藥用雙氧水，75%乾洗手酒精膠等，作為替代溶劑。

7月30日早上，我把海報固定好，將PAD與平板電腦（此電腦是化學學科中心—張雅雯助理，遠從台灣揹來，鼎力借助的）打開，放在展示桌的兩邊，並把實驗器材與藥品放置在桌子的中間，再打開白醋和清酒；此時酸和醇的氣味，立刻飄散在空氣中，也幫我吸引了一些與會者的腳步和目光，同時也因為溶劑的濃度降低，反而可以很明顯的分辨出，心型迴紋針的粗鐵絲，比起鋼絲絨的細鐵線，反應速率慢很多。還有因為清酒的含水量太高，以及乾洗手酒精膠的黏稠性太高，使得水楊酸在溶解與反應過程中，會在水中析出白色的微小顆粒，驗證出同類互溶的特性〔有機化合物（水楊酸）與有機溶劑（酒精）互溶，有機化合物（水楊酸）與無機溶劑（水）難溶〕，這可真是意想不到的小確幸，隨地取材也可順利地完成此次的示範實驗。

我邊做邊講（見圖二），幸好拜智慧型手機之賜，參與實作的日本大學生們，可藉由海報和藥品標籤上的化學名稱，很快的上網查詢資訊，他們似乎都聽懂了我所做的實驗。甚至說到citric acid時，馬上有人高興的說：那就是lemon acid呀！喔！原來日本人也說檸檬（lemon）呀！當然還有日本、韓國及臺灣的學者，也都過來捧場，並與我切磋實驗的內容；因為是高中教材大家也都聽得懂。令我感動的是他們還是很有耐心的看我做完和說完。

圖二：感謝呂子琦老師在旁為我拍攝的照片

如果說要分辨哪些是工作坊（workshop）？哪些是海報並示範展示（poster with demo presentation）？看似沒有顯著的差別。因為在研討會中，在議程上有一個標示著是海報和示範的摘要，它是做氯化銨再結晶的半微量分析實驗，但是在海報標題上卻寫著〝在科學課程和工作坊〞（in science lessons and workshops）。還有一個很吸睛的工作坊，它的內容是自動彩虹變色實驗，但在摘要標題上卻寫著化學魔術演示（chemical magic presentation）。而主辦單位則是尊重每個人的選擇與表現，都好。

n  後記

今年暑假是我第三次到國外參加研討會，也是第一次來到日本東京旅遊。前兩次分別於2012年在義大利的羅馬參加第22屆IUPAC國際化學教育研討會（ICCE）暨第11屆歐洲化學教育研討會（簡稱22nd ICCE & 11th ECRICE），以及2011年在韓國首爾參加第四屆亞洲化學教育研討會（簡稱4th NICE）。每次出國前皆有雄心壯志，想把學術界共通的語言—英文準備好，結果總是吸引一些略微會說中文的外國人，與我交流和會談。

這次多虧有徐欣慈老師，陪伴日本與韓國的學者，一塊兒看我做實驗，並且即席翻譯，省得我不知所措。想說明草酸根的雙牙基時，差點沒脫口而出two teeth ligands，還好立刻上網查出bidentate，其實對於化學的語言，與會者也都心知肚明。

值得一提的是明年，2016年第24屆IUPAC國際化學教育研討會（簡稱24th ICCE），是在馬來西亞古晉市舉辦，負責主辦的觀察員十分用心，親赴第六屆國際化學教育研討會會場，對韓國、台灣、日本與其他國家的與會者們，熱情邀約。

同時，2017年7th NICE在韓國舉辦，2019年8th NICE在臺灣舉辦，2021年9th NICE又回到日本舉辦，如此循環不已。上述三場NICE研討會，負責主辦國的觀察員，也都十分用心的到場觀摩，並預先籌備。

n  誌謝

2015年8月6日，我收到了大會主席—鎌田正裕教授寄來，謝謝大家參加第六屆亞洲國化學教育際研討會的電子郵件；並附上研討會開幕時，眾人的大合照。真是令人懷念，也由衷的感謝，主辦單位的用心與熱忱，讓我意猶未盡。