微量化學實驗 / 楊水平

星期三 , 13, 七月 2016 Leave a comment

微量化學實驗

楊水平

國立彰化師範大學化學系
yangsp@cc.ncue.edu.tw

微量化學(Microscale chemistry)的發展有兩條主流:一條是與普通化學實驗(酸和鹼、氧化和還原、電化學等)相關,另一條是與有機化學實驗有關。推展到普通化學實驗的想法是使用更簡單的設備,花費比傳統實驗室的玻璃器皿還要便宜,這方面的拓展以埃及的Egerton C. Grey1928)和Mahmoud K. El-Marsafy1989)以及在美國的Stephen Thompson等最為著名。這想法被進一步應用是在南非的John BradleyRadmaste中心研究發展的微型實驗器材,主要是缺乏水電技術服務的發展中國家在學校進行有效的普通化學實驗。引進微量化學在有機化學的合成工作方面,關鍵性的突破是在1983年,由在美國的Dana W. Mayo (Bowdoin College), R. Pike (Merrimack College) S. Butcher (Brown University) 開發的有機化學實驗器材及其編寫的專書;以及由Williamson證明經驗不足的學生能夠完成數十毫克的有機合成,這技能以前被認為需要多年的訓練和經驗才能完成。目前,微量化學不僅在普通化學實驗和有機化學實驗中實施,而且推展到無機化學、物理化學、分析化學及生物化學的教學實驗室。[1-3]

1989年,化學教育期刊(Journal of Chemical education, JCE)開闢〝微量實驗(Microscale Laboratory)〞的專欄,提供大學和中學在設備、技術和製備實驗方面的大量資料,已成為美國教育現場的主要採用來源,在英國有較小程度的使用,許多國家和機構的工作人員也熱衷採用。在2014年五月創刊,《臺灣化學教育》就開闢〝微型化學實驗〞的專欄,在其他專欄也有出版這類實驗,目前已經出版約20篇微量化學實驗的文章。在1993年美國成立國家微量化學中心(National microscale chemistry center, NMCC),專門開發微量化學實驗,以呼應綠色化學的理念。[1, 4]

n         微量化學的意涵

美國國家微量化學中心提到:如何維持無污染的環境以及如何處理化學廢棄物長久以來已經引起科學家教育家及社會大眾的重視。成功之道是消除化學廢棄物的來源和減少化學藥品的使用到最低的程度,化學實驗可以有效地進行,稱此為微量化學(Microscale Chemistry[1],或中文翻譯為微型化學、微尺度化學。微量化學是使用少量的化學藥品而沒有影響到教育和工業在化學應用的品質和標準,在進行化學的過程十分關切環境安全和污染防治的方法。[1] 微量化學是透過三點重要原則來執行:大幅減少(drastically reduced)化學藥品的用量安全和容易操作的技巧、以及迷你型實驗器皿(miniature labware)和高品質的技能。微量化學無異於全面品質管理(Total Quality Management, TQM)的方式來使用的化學藥品。微量化學是由純粹與應用化學國際聯盟(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)承認為小量化學(Smallscale Chemistry)。[5]

維基百科提到:微量化學通常被稱為小量化學)是一種分析方法,也是教學方法,廣泛使用在學校和大學的階段,使用少量化學物質的工作。雖然傳統的化學教學大多使用數克(multi-gramme)的化學藥品,但是微量化學使用數毫克(milligrammes)就足夠。在大學裡,使用現代和昂貴的實驗室玻璃器皿和用於產物檢測和特性的現代方法是很常見的,然而在學校裡和在南半球的許多國家,小量化學的工作常用低成本甚至無成本的材料。[1]

JCE1989年開闢的特色專欄,由該專欄編輯Arden P. Zipp提到有機溶劑使用量從數百毫升降到數毫升,但是沒有提到有機藥品或化學藥品的使用量要下降多少毫克或毫升。在器材方面,他提到在高中程度的微量實驗可使用塑膠滴管以及122496個凹槽的反應皿。[6] Butcher等在JCE提到:學生以前使用10-50原料和50-500的溶劑進行實驗,他們現在可能只用10-150毫克的反應物和1-10的溶劑在工作。[7]

美國國家小量化學中心(National Small-Scale Chemistry Center, NSCC)提到:小量化學(small-scale chemistry)是以創新的全面的數位化的人性化的,透明的定量的和尖端的構想為取向,讓學生參與化學的實驗。它提供有關實驗室教學大多數問題的解決方案。小量化學涉及使用非傳統的方法裝置及技術,已經在微生物學分子生物學及奈米技術的研究方面有所開發。小量化學的基本特點是:(1)縮小化學試劑的體積和質量,比傳統的實驗室使用量要小1000倍。(2)在轉移儲存及反應設備方面,從玻璃器皿轉變為現代化聚合物或塑膠的材料。(3)採用多重樣本觀測工具,讓所有階段快速的和直觀的準備,在氣體液體及固體中可進行化學系統的變項和比較。雖然它是專為一次性使用和丟棄設計的器材,但是可以回收再使用。全套實驗設備的價格低於美金$10的成本,可透過科學材料公司購買。進行小量化學的所有的設備是非常便宜的。[8]

綜觀以上,微量化學提到化學藥品的使用量要大幅減少,從數克降到數毫克;使用微型實驗器皿,在學校使用低成本甚至無成本的材料。微量化學也要重視操作的安全和講求高品質的技能。小量化學強調化學實驗使用量下降到傳統的1000倍,這一點無異於微量化學的規範;器材方面強調使用價格便宜的塑膠製品並可回收再利用。

n         微量化學的優點

美國國家微量化學中心提到,微量化學有許多好處:(1)減少化學品的使用促進源頭的廢棄物減少;(2)大大地提高實驗室的安全(如:減少暴露於有毒化學物質,無火災和爆炸危險);(3)顯著地降低實驗的成本;(4)需要更短的實驗時間;(5)降低玻璃破碎的成本;(6)節省存儲空間;(7)實現極佳的實驗操控技術;(8)提高實驗技能;(9)提供清潔的且生產的環境;(10)促進3R原理:減量(reduce)、回收(recover)及再生(recycle);(11)創建綠色化學的認知;(12)改變使用化學物質的心理;(13)對身體障礙者友善。這是一個具有成本效益,生產及污染防治的方案。[5]

維基百科提到,微量化學的優點:(1)節省準備和清理的時間;(2)從源頭上減少藥品的浪費;(3)更安全;(4)降低化學物質和設備來的成本;(5)較小的存儲空間;(6)降低通風系統的依賴;(7)愉快的工作氛圍;(8)較短的反應時間;(9)有更多的時間進行評估和溝通。[1]

英國皇家化學會的一篇〈Microscale chemistry revisited〉提到,微量方法滿足以下幾點:(1)允許更安全地進行危險的實驗;(2)縮短實驗的時間以致有更多時間用於課堂;(3)降低設備和消耗材料的成本;(4)學生可使用更高濃度的藥品;(5)當拍攝或投影到銀幕時有驚人的視覺效果;(6)降低技術人員準備和清理的時間;(7)減少浪費;(8)顯示相同或更好的定量結果。[9]

綜觀以上,微量化學的優點實在很多,包括在縮短教學的時間、減少準備和清理的時間、節省實驗成本、降低廢棄物的量、實驗更安全等。

n         微量化學實驗的資源

一、   書籍和網站

微量化學實驗的出版物和網站資源涵蓋有機化學實驗、無機化學實驗、分析化學實驗、普通化學實驗、中學化學實驗、以及其他,如下所述。[10]

l        有機化學實驗

·       Microscale Organic Laboratory, Dana W. Mayo, R. Pike, and S. Butcher, Wiley, 2nd Edition.

·       Microscale Organic Laboratory: with Multistep and Multiscale Syntheses, Dana W. Mayo, Ronald M. Pike, and Peter K. Trumper, Wiley, 4th Edition.

·       Theory and Practice in the Organic Laboratory with Microscale and Standard Scale Experiments, John A. Landgrebe, Brooks/Cole, 5th Edition.

·       Organic Chemistry Experiments: Microscale and Semi-Microscale, Bruce Campbell, and Monica McCarthy Ali, Brooks/Cole, 1st Edition.

·       Macroscale and Microscale Organic Experiments, Kenneth L. Williamson, Robert Minard, and Katherine M. Masters, DC Heath, 5th Edition.

·       Introduction to Organic Laboratory Techniques, A Microscale Approach, Donald L. Pavia, Gary M. Lampman, George S. Kriz, and Randall G. Engel, Saunders, 2nd Edition.

·       Organic Chemistry Laboratory: Standard and Microscale Experiments, Charles E. Bell, Douglas Taber, and K. Clark, Saunders, 3rd Edition.

·       Experiments in Organic Chemistry: From Microscale to Macroscale, Jonathan S. Nimitz, Prentice Hall, 1st Edition.

·       Experimental Organic Chemistry: A Miniscale & Microscale Approach, John C. Gilbert, and Stephen F. Martin, Cengage Learning, 6th Edition.

·       Experimental Organic Chemistry: A Small Scale Approach, Jr., Mary F. Wilcox Charles F. Wilcox, Prentice Hall, 2nd Edition.

·       Organic Chemistry Laboratory With Qualitative Analysis Standard and Microscale Experiments, Charles E. Bell, K. Clark, and Douglas Taber, Charles E. Bell, K. Clark, and Douglas Taber, 3rd Edition.

·       半微量有機化學實驗,王慶義,International Thomson

·      有機化學實驗—附微量實驗(上)和(),廖德章、莊彥和,高立圖書公司。

l        無機化學實驗

·       Microscale Inorganic Chemistry: A Comprehensive Laboratory Experience, Zvi Szafran, Ronald M. Pike, and Mono M. Singh, Wiley, 1st Edition.

l        分析化學實驗

·       微量化學分析 Trace Chemical Analysis,國立成功大學。

·       半微量定性分析化學,施錫龍,大行出版社。

l        普通化學實驗

·       Microscale General Chemistry Laboratory with Selected Macoscale Experiments, Zvi Szafran, Ronald M. Pike, and Judith C. Foster, Wiley, 2nd Edition.

·       Microscale and Selected Macroscale Experiments for General and Advanced General Chemistry: An Innovative Approach, Mono M. Singh, Ronald M. Pike, Zvi Szafran, Wiley, 1st Edition.

·       Microscale Laboratory Manual for General Chemistry, Zvi Szafran,Ronald M. Pike, Judith C. Foster, McGraw-Hill.

·       Chemtrek: Small-Scale Experiments for General Chemistry, Stephen Thompson, Allyn and Bacon

·       普通微量化學實驗科技圖書

l        中學化學實驗

·       Microscale Chemistry by Ehrenkranz and Mauch, David Ehrenkranz, and John J. Mauch, Kendall-Hunt.

·       Microscale Chemistry: Experiments in Miniature, John Skinner, Royal Society of Chemistry.

·       Micro Action Chemistry, Vols. I and II, Student Edition and Teachers Edition, Flinn Scientific, Inc.

·       Microscale Gas Chemistry, http://mattson.creighton.edu/Microscale_Gas_Chemistry.html.

·       All Gases, http://mattson.creighton.edu/AllGases.html.

·       Microscale Chemistry, https://goo.gl/x8PMiA.

l        其他

·       Safety Considerations in Microscale Chemistry Laboratories, Ruth A. Hathaway. 1991 Ex-library Edition.

·       Microscale Techniques for the Organic Laboratory, Dana W. Mayo, Ronald M. Pike, and Peter K. Trumper, Wiley, 2nd Edition.

·       Laboratory Manual for Principles of General Chemistry, J.A. Beran, John, Wiley, 2nd Edition.

·       Chemistry in Context Lab Manual, Silberman, American Chemical Society, WC Brown, 7th Edition.

二、   在網路上的微量實驗舉隅

·       Microscale chemistry experiment of chlorine gas, https://www.youtube.com/watch?v=ova4dRk51ZY.

·       Microscale experiments, http://goo.gl/r8Mqec.

·       Microchemuk, http://goo.gl/YJi5YZ. 

·       Microscale chemistry: experiments for schools, http://goo.gl/O2Jz1t.  

·       Microscale chemistry, http://goo.gl/O3lcwK. 

·       Microscale chemistry revisited, http://goo.gl/Wwp2Nl. 

·       Microscale Electrolysis of Copper Chloride, https://www.youtube.com/watch?v=KvW-g1FQV9E. 

·       Micro-scale thermite reaction, https://www.youtube.com/watch?v=wl3ELmnLI_w. 

·       Boyle’s Law Lab, https://www.youtube.com/watch?v=vSFVMJQ4J7U. 

·       Microscale Chemistry: experiments in miniature, http://goo.gl/dmGukW.  

·      創意微型實驗—微型化學環保鞭炮方金祥,臺灣化學教育,第6期。

·      綠色化學創意競賽:臺灣師大附中學生設計微量的沉澱實驗,廖靜宜、王威傑、周秉滽,臺灣化學教育,第6期。

·      可攜式微型電化學電池與電解實驗教具的製作,廖旭茂、林宸緯、孫妤瑄,臺灣化學教育,第6期。

·      創意微型實驗—簡易環保電解裝置,方金祥,臺灣化學教育,第8期。

·      創意微型實驗—可自動歸零的微型滴定裝置,方金祥、黃琴扉,臺灣化學教育,第8期。

·      創意微型實驗—微型氫能燃料電池,方金祥,臺灣化學教育,第9期。

·      動手動腦學化學:猜猜我是誰—溶液篇,施建輝,臺灣化學教育,第9期。

·      創意微型實驗— 微型鋅銅電池及其在化學教學上的應用,方金祥,臺灣化學教育,第10期。

·      創意微型實驗—微型質量守恆裝置,方金祥,臺灣化學教育,第12期。

·      化學探究教學:融入綠色化學於化學探究課程設計,周芳妃、張永佶、詹莉芬、陳祖望、繆慧娟、林依萱、王琳嘉、林采緹、鄭如芬,臺灣化學教育,第13期。

·      第34屆國際化學奧林匹亞微量實作模組與評量,方泰山、陳玉玲、趙潤隆,科學教育月刊,第254期,9111月。

·      化學教室活動:維他命C含量的微量測定〔I〕 〔II〕 〔III〕 〔IV〕蔡亞柏,科學Online科技部高瞻自然科學教學資源平台

·      微量鈷離子的定量,國立臺灣大學化學系普通化學小組。

n         本期專題的文章特色

本期專題〝微量化學實驗〞的開闢,旨在呼應環境保護和愛護地球的理念,開發適用於國中自然科、高中化學科、高工化工科以及大學普通化學的微量化學實驗,提供給現場教學的化學教師參考。為方便教師使用這些微量化學實驗,每一篇文章製作一份學生實驗手冊,教師可立即用於教學。這一期的專題文章計有14篇,其篇名、作者及其特色分述如下:

1.        微量化學實驗楊水平教授此文為本期專題的領頭文章,描述微量化學的歷史發展和貢獻者、微量化學的意涵、微量化學的優點、微量化學實驗的資源以及本期專題各文章的特色。

2.        誰是口水王酸鹼性和溫度對澱粉酶催化效率之影響張馨云老師和佘瑞琳老師本微量實驗使用學生個人的唾液,以配製澱粉酶溶液,探討酸鹼性及溫度對酵素催化效率的影響。作者設計澱粉酶活性測定表,直接影印在投影片上,再襯墊白紙以便呈色更明顯,實驗後清洗並擦拭就可重複使用;需用的藥品和器材均容易取得。

3.        常見食物酵素的微量檢驗蘇韋嘉同學、李佳蕙同學及楊水平教授作者設計常見食物酵素(澱粉酶、蛋白酶、脂肪酶及氧化氫分解酶)微量檢驗表,影印後放入透明塑膠資料夾內,取代試管和燒杯,不但簡易方便而且不具危險性本微量實驗降低藥品成本和減少廢棄物,器材可回收再利用,並且減少操作時間,實驗場地不受限制,可以在教室中進行。

4.        常見食物營養成分的微量檢驗李佳蕙同學、蘇韋嘉同學及楊水平教授作者設計常見食物營養成分微量(碳水化合物醣類、蛋白質和胺基酸、酯質油和脂)檢驗表,放入透明塑膠資料夾內取代試管和燒杯,以棉花棒和吹風機取代試管和熱水浴,檢驗食品非常多樣。本微量設計不但簡易方便而且不具危險性,降低藥品成本和減少廢棄物,器材可回收再利用,並且減少操作時間,實驗場地不受限制,可以在教室中進行。

5.        酸鹼七彩調色盤的點滴實驗周芳妃老師、李盈萱老師及陳靜瑋同學本微量實驗使用熱熔膠和投影片製作簡易的調色盤,實驗後擦拭乾淨可回收再利用。使用環保玉米塑膠杯亦可重複使用。本微量實驗利用酸鹼指示劑調配七彩顏色,讓學生欣賞化學變化與多彩顏色的呈現。

6.        小綠綠晶體與藍印術微量實驗周芳妃老師、李盈萱老師及陳靜瑋同學本微量實驗設計引入「循環經濟」的工業設計精神,達到實驗減廢的功能。實驗進行草酸鐵鉀晶體的微量合成反應,學習養晶技術,內容涵蓋光化反應、氧化還原反應、離子沉澱反應等。本實驗也講求化學與藝術的結合,完成藍印術的創作,使學生體驗學習化學的精采與樂趣。

7.        電解的微量實驗陸冠輝老師本實驗透過微型化的實驗設計,改良傳統的電解實驗,達到減量和減廢的目的,符合綠色化學的原則,達到永續地球的目標。本實驗的微量電解包含,水的電解、碘化鉀水溶液的電解、硫酸銅水溶液的電解,使用藥品量約為一般電解的1/50倍。

8.        酸鹼滴定的微量實驗黃稜蘊同學和楊水平教授本實驗為微量酸鹼滴定,在藥品用量、器材大小、經費花費及時間花費方面比一般滴定更為優勢;本實驗設計的微量滴定管(容量僅2 mL)之精確度與準確度並不亞於一般滴定管,因使用藥品用量非常少而降低實驗的危險性,也降低對環境的污染。

9.        碘化亞銅的微量檢驗和硫酸銅的微量滴定黎渝秀老師、簡菀萱同學及范祺展同學本實驗開發微量的檢驗方式和氧化還原滴定,以自製的過濾針筒取代傳統濾紙的重力過濾,並以針筒取代傳統的滴定管,操作簡便且時間較短,準確度不亞於傳統滴定。此微量實驗便於課堂上進行。

10.    水的總硬度微量測定黃稜蘊同學和楊水平教授本實驗為微量錯合滴定,在藥品用量、器材大小、經費花費及時間花費方面的優勢設計比一般滴定好很多,其精確度不亞於一般滴定。此微量滴定因藥品用量少而降低實驗的危險性,也降低對環境的污染。

11.    波以耳定律的微量實驗李錡峰老師及楊水平教授本微量實驗包含波以耳定律的定性觀察和定量測量。本實驗不需使用化學藥品,因而無汙染物產生、使用的器材不多且容易取得並可回收再使用,實驗操作不具危險性,可在一般的教室或家中進行。

12.    亞佛加厥定律的微量實驗李錡峰老師及楊水平教授本實驗使用無毒的家用物品和小型的器材,開發亞佛加厥定律的微量實驗。本實驗的器材易於攜帶且可回收再使用,可在一般教室中或在家中進行實驗。

13.    製作五彩焰色試驗棒賴亭伶老師和陳斾玎老師本實驗以仙女棒的概念出發,透過在線香上附著不同成分金屬鹽類,製作彩色焰色棒,讓學生透過肉眼看到顏色,進而理解煙火的發光原理。為過濾鈉焰色的干擾,本實驗的照片拍攝以藍色玻璃紙包覆相機鏡頭拍攝而成,拍出來照片的焰色與理論一致。

14.    鋁熱反應的微量示範實驗林聖揚同學、顧展兆同學及楊水平教授一般的化學示範需要以大型和大量的巨觀呈現,以展現視覺的效果。由於鋁熱反應是非常激烈氧化還原反應,本實驗以微量實驗來展現就足以使觀眾驚訝,適合用於化學示範教學。

這一期的13篇專題文章(領頭文章除外)的微量化學實驗,其編號、篇名縮寫、所屬領域(有機化學、無機化學、分析化學、物理化學及生物化學)、適用層級(國中理化、高中化學、高工化學及大學普通化學)及適用場地(實驗室和教室),如表一所示:

表一:專題文章的微量化學實驗分類

編號

篇名縮寫

所屬領域

國中

高中

高工

大學

實驗室

教室

2

澱粉酶

生物化學物理化學

 

ü

ü

ü

ü

ü

3

食物酵素

生物化學、物理化學

 

ü

ü

ü

ü

ü

4

營養成分

生物化學有機化學

ü

ü

ü

ü

ü

ü

5

調色盤

無機化學

ü

ü

ü

 

ü

ü

6

藍印術

無機化學

 

ü

ü

ü

ü

 

7

電解

分析化學

ü

ü

ü

 

ü

ü

8

酸鹼滴定

分析化學

 

ü

ü

ü

ü

 

9

碘化亞銅

分析化學、無機化學

 

ü

ü

ü

ü

 

10

總硬度

分析化學、無機化學

 

ü

ü

ü

ü

 

11

波以耳

物理化學

 

ü

ü

 

ü

ü

12

亞佛加厥

物理化學

 

ü

ü

 

ü

ü

13

焰色試驗

無機化學、物理化學

ü

ü

ü

 

ü

ü

14

鋁熱反應

無機化學、物理化學

ü

ü

ü

ü

ü

ü

n         參考資料

1.        Microscale Chemistry, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Microscale_chemistry.

2.        Microscale Organic Laboratory, Dana W. Mayo, R. Pike, and S. Butcher, Wiley, 2nd Edition.

3.        Microscale Organic Laboratory: with Multistep and Multiscale Syntheses, Dana W. Mayo, Ronald M. Pike, and Peter K. Trumper, Wiley, 4th Edition.

4.        Microscale chemistry – Current use and future opportunities, http://www.eventlink.org.uk/uploads/DOCS2/30-Colin_Gibson_York_14.pdf.

5.        What is Microscale Chemistry? The National Microscale Chemistry Center, http://www.microscale.org/about.asp.

6.        Arden P. Zipp, Introduction to “The Microscale Laboratory”, J. Chem. Educ., 1989, 66 (11), 956. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed066p956.

7.        Samuel S. Butcher, Dana W. Mayo, Ronald M. Pike, Caroline M. Foote, Janet R. Hotham and David S. Page, Microscale organic laboratory: I: An approach to improving air quality in instructional laboratories, J. Chem. Educ., 1985, 62 (2), 147. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed062p147.

8.        What is Small-Scale Chemistry? The National Small-Scale Chemistry Center, http://www.smallscalechemistry.colostate.edu/what_is_ssc.html.

9.        Microscale chemistry revisited, Royal Society of Chemistry, http://www.rsc.org/education/eic/issues/2012May/microscale-chemistry-revisited.asp.

10.    Microscale Publications, The National Microscale Chemistry Center, http://www.microscale.org/publications.asp.

 

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