臺灣化學教育

微量化學實驗：小綠綠晶體

與藍印術微量實驗（下）

周芳妃^1, *、李盈萱^2, *、陳靜瑋¹

¹臺北市立第一女子高級中學
²臺北市立中山女子高級中學
^1, *[email protected]、^2, *[email protected]

〔承《微量化學實驗：小綠綠晶體與藍印術微量實驗（上）》〕

n  結果與討論

運用不同的藍印方法所得到的創意作品如圖12所示。

圖12：藍印術創意作品舉例：晒圖藍印法的作品（上面兩張）；直接藍印法的作品（左下和右下）；合併使用與晒圖藍印法的作品（下中）。

n  廢棄物處理和安全注意事項

1.         本實驗〝小綠綠晶體〞合成所得到晶體或其剩餘飽和溶液，都必須儲存在遮光瓶中，可長期收存，隨時可再取出用於「藍印術」實驗。〝小綠綠晶體〞的乾燥方法如下：〝小綠綠晶體〞放置於紙巾上，以少量酒精淋洗濾紙上晶體。將晶體再放到新紙巾上，輕壓使其乾燥。小綠綠晶體可單獨用鋁箔紙包裝收藏。

2.         本實驗中藍印術完成的美術作品可以長期室溫保存，或當一般垃圾廢棄處理。本實驗的藍色染料（普魯士藍）是文具鋼筆的墨水成分，因此本實驗清洗作品過程類似美術課的清洗畫筆工作，清洗剩餘的顏料水可以直接稀釋排放。
註：依據GHS化學品全球調和制度，普魯士藍沒有危害數據資料，請查閱：http://ghs.osha.gov.tw/CHT/intro/search.aspx。

n  教學提示

3.         本微量實驗上課時間富有很大的彈性，可以是1節課、2節課或甚至3節，可依照學生的先備程度作調整，也要考慮到當天日照情形，而結束課程的裝置整理與回收約5分鐘。

4.         授課時間較充裕時，教師可以將高中課程中介紹四大化學反應的原理以及綠色化學十二原則作充分教學。實驗教學過程可彈性使用不同的技巧，例如採用實驗假設求證及合併歸納法：
【實驗假設求證教學法】  授課à假設à操作à觀察à求證à討論à歸納à分享報告。

5.         綠色化學十二原則的參考資料，例如：綠色化學（Green Chemistry）–拯救地球的未來，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=49978。

6.         本微量實驗教學時間的縮減可彈性調整。通常學生很喜歡畫圖，也又會花不少時間用心畫出精致線條的圖案。因此，如果教師授課時間較少，可安排學生用課餘時間先做畫圖。

7.         完成藍染作圖的濾紙曝曬時間依環境而定。當濾紙出現深藍色，即可停止曝曬。曝曬結束後，作品拿入室內需再靜置適當時間，使反應生成的藍色顏料（普魯士藍）可以牢牢附著在濾紙上，避免清洗時藍色顏料又脫落。一些日曬時間與等候清洗的實驗經驗如下：
【夏日有陽光直曬】：曝曬時間約1~5分鐘，作品拿入室內需再靜置5~10分鐘。
【夏日有陽光的戶外影子下、夏日有雲遮陽、冬日陽光直曬】：曝曬時間約10~20分鐘，作品拿入室內可直接清洗。
【雨天】：曝曬時間約2小時以上（也可能不易成功），作品拿入室內可直接清洗。

8.         合成小綠綠晶體的原料可以直接購買市售草酸鉀（K₂C₂O₄）固體，再配成2.0 M溶液。但是教師也可以事先安排每小組進行另一個實驗：草酸鉀的合成反應，由於使用的草酸與氫氧化鉀售價更低，可使原料成本降低為三分之一以下。下列實驗步驟是合成5 mL的2.0 M K₂C₂O₄的條件與方法，可供本篇微量實驗的3組使用，教師可依莫耳數比例調整。
【草酸鉀的合成反應】：將1.25 g（22 mmol）氫氧化鉀（KOH）固體加入5 mL的水中，攪拌溶解，注意此為放熱反應。再將1.25 g（10 mmol）草酸（H₂C₂O_4）粉末慢慢加入氫氧化鉀溶液中，反應形成2.0 M草酸鉀溶液約5 mL。（註：氫氧化鉀可稍微過量，使草酸鉀溶液成鹼性，有利於後續合成小綠綠晶體的實驗。）

n  問題與參考答案

1.         為何草酸錯鐵(III)化鉀必須隔離光線與酸性物質來收藏，以延長保存的時間？

答：酸性物質會破壞草酸錯鐵(III)化鉀結構，進而發生分解反應，照光又加速此分解反應。

2 Fe³⁺(aq) + H₂C₂O₄(aq) → 2 Fe²⁺(aq) + 2 CO₂(g) + 2 H⁺(aq) （照光）

2.         養晶時使用冰水浴，此一步驟可以說明，草酸鐵鉀在水中溶解度和溫度的關係為何？

答：冰浴可增加草酸鐵鉀晶體析出產量，說明該物質在水中溶解度應隨溫度下降而減小。

3.         晒圖藍印法操作步驟中，當溶液浸滿濾紙後，為何須將多餘的液體從袋中排出？

答：多餘液體於袋內任意流動，其所產生的普魯士藍有可能破壞原先設計好的創意圖樣。

4.         晒圖藍印法曝曬過程中，濾紙會呈現深藍色，且會產生氣泡，試問該氣泡為何種氣體？

答：根據反應式可推測，袋中所產生之氣泡應為CO₂氣體。

2 Fe³⁺(aq) + H₂C₂O₄(aq) → 2 Fe²⁺(aq) + 2 CO₂(g) + 2 H⁺(aq) （照光）

5.         三草酸錯鐵(III)化鉀的合成中，原理涉及金屬錯合反應，其中草酸根為常見的雙牙基；請根據三草酸錯鐵(III)化鉀的化學式K₃[Fe(C₂O₄)₃]，判斷其中心金屬鐵(III)離子的配位數為何？並試列舉三種常見的金屬配基。

答：草酸根為雙牙基，鐵(III)離子周圍與三個草酸根錯合，故其配位數應為六配位。常見金屬配基有單牙基：氨（NH_3）、水（H₂O）、鹵素離子（F^–、Cl^–、Br^–、I^–）、氰根（CN^–）；雙牙基：乙二胺（en）；多牙基：乙二胺四乙酸（EDTA）。

n  教學助教心得

在此分享本次操作實驗及共同撰稿的陳靜瑋同學心得，她也是今年2016年北一女綠色化學實驗小尖兵培訓營的器材組人員與教學小助教。

【靜瑋同學的微量實驗心得】

吉卜力工作室出品、宮崎吾朗編導的電影—地海戰記中的男主角雀鷹如此定義「永生」：永生並非長生不死，人們死亡後化為塵土滋養萬物，永生就是循環再生、生生不息。

工業化產物最為人詬病的地方即在於其一次性，無法再生的東西便是地球的累贅。工業化是為了方便人類生存，但往往導致毀滅。綠色化學秉持著防廢、低毒、物盡、保安、降輔、節能、再生、簡潔、催化、可解、監測、思危十二原則，便是時下教育界所能向學子提倡的永生觀念。原本的我在使用物品上常無法加以節制，覺得只是一點點有何關係？但在〝築科女孩的科學歷險—未來女科技人培育計畫〞服務期間，我準備了80人份的器材，也許一個人浪費1毫升的量不足掛齒，但80人，甚至上千、上萬人，以台灣人口量來估計，結果將不堪設想。經由這次為期2天的營隊體驗，我以大尺度、而非個人的角度看待綠色化學的重要性。拯救地球人人有責，而教育便是傳播理念最快的途徑。

今年6月我參加了教育部的綠色化學創意競賽活動，我發現只要改變容器，便能大幅度降低藥品用量，而廢液回收後又可進行電解實驗。藥品用量不僅減少，因著容器的改變，原本一組3人只能進行一次實驗，如今卻能人手一組實驗器材。而〝小綠綠晶體〞與藍印術實驗更達到寓教於樂的目的，原本的廢液成了染料，而草酸鐵鉀的感光性質更使實驗成果具有個人風格，學生們在學習科學的路徑中尋找樂趣。

節約是一種習慣，而如何節約是一種藝術。綠色化學在中學化學教材落實，使莘莘學子們不僅感受科學迷人處，更親自行動來愛地球，在追求方便、科技化同時，維護永生價值。

n  結語

本實驗設計希望引入「循環經濟」的工業設計精神：一個工廠的廢棄物可以是另一個工廠的原料；所以，一個實驗的廢棄物也可以是另一個實驗的反應物。參考2009年國際化學奧林匹亞預備題的實驗題：三草酸錯鐵(III)化鉀晶體的合成與結晶水含量分析實驗，「小綠綠晶體與藍印術」微量實驗設計中，將該考題的養晶實驗重新修改反應條件，減量到十分之一以下，並重新研發利用該考題的養晶廢棄物，也就是取用三草酸錯鐵(III)化鉀的飽和溶液，成為「藍印術」實驗的藍染液原料，重新設計趣味實驗來製作「藍印術」美術紀念品，用於推廣化學與藝術創作的跨領域課程。從2013年起，研發「小綠綠晶體與藍印術」實驗課程之後，開始在本校的校內各項課程與活動中推廣，也受邀到國內綠色化學種子教師研習中繼續推廣，其中校內課程採用多元方式的實驗教學，例如融入高一選修化學探究課程、辦理假日科學營隊、或是校慶化學宅急便嘉年華的數百人進行化學實驗闖關方式。由於本實驗化學反應顏色變化非常吸引人，使用藥品微少，成本低廉，又結合了化學應用與藝術創作的紀念品，因此本課程設計一直深受高中教師、各年級學生及老老少少的喜愛。

n  學生實驗手冊

下載本微量實驗的學生實驗手冊—「小綠綠晶體與藍印術微量實驗」。