臺灣化學教育

北京化學教學交流：
北京101中學「同課異構」化學教學紀實

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]t

n  前言

今年5月24日很高興能到北京市第101中學參加「兩岸化學教師同課異構教學研討會」，並且幸運地擔任授課教師之一。（見圖一）

圖一：兩位來自臺灣的授課教師，新北市立新店高中王瓊蘭老師（左），新北市立新北高中鍾曉蘭老師（右）（邱美虹拍攝）

第一次聽到「同課異構」，不知它的意涵是什麼？我所能理解與想像得到的，大概是如同化學的同分異構物，是擁有相同分子式，但結構式卻不相同的多種分子。例如：結構異構物、官能基異構物、幾何異構物等，亦即分子之間並非擁有相同的物理與化學性質，除非它們的官能基相同，性質才有可能類似，卻絕對是具有不同的個別性質。因此，這次用在教學裡，上的都是同課「元素週期律表複習」；但是，不同的教師，有不同的風格，取材也不相同，就好像教師間的「賽課」一般；因此，應該是到北京打擂臺，化學論戰呀！

說實在的「元素週期律表複習」到底有什麼好教的呢？週期表不就長那個樣子，每個元素的原子序，所在週期與族數，皆已固定，不能改變。怕沒講兩分鐘，大家都睡著了。也許會顧及我是遠道而來的老師，勉強打起精神來聽看看。若是能與同學們互動，讓他們動動手，做做實驗，看到真實的元素面貌，以及探索該元素化學反應的特質，或許可以幫助他們認識元素。

n  介紹元素

既是元素週期律表〝複習〞，最簡單的就是〝考試〞啦！我原本準備的學習單，就是臺灣近年來，有關元素週期律表，學測與指考題的經典集錦。嗯！這當然不可以，太便宜行事，會被直接轟下台的。我也想當場露一手，用紅、藍、黃、綠、白的粉筆，邊講，邊寫，帥氣地畫出整個週期表。但是，那似乎挺稀疏平常，沒有什麼好神氣的。說不定，教室可接網路，直接上網看最新的互動式週期表就行了。所以，我還是乖乖的作了簡報檔。

首先，我問：「第一週期氫和氦，氫是宇宙間含量最多的元素，具有舉足輕重的地位；氦是鈍氣，是在真實氣體裡最接近理想氣體的氣體，它們兩個，哪一個元素比較昂貴？為什麼？」

同學們回說：「是氦比較貴，因為氦是稀有氣體，物以稀為貴。」

我又問：「第二週期，哪一個元素最貴？為什麼？」

有一男同學說：「是氧。」

我說：「是碳，因為碳的同素異形體中的鑽石價格昂貴。」

此一男同學又說：「我還是認為是氧。」

我說：「視情況而定，你沒錯。」

接著，我問：「中國的首都在哪？」

同學們回說：「北京。」

我再問：「美國的首都在哪？」

同學們回說：「華盛頓。」

我說：「答對了，你們知不知道，在華盛頓有個華盛頓紀念碑，在它的頂端有個鋁製金字塔，在拿破崙時代（1799–1815）鋁是比銀還貴的金屬，它曾經放在紐約市的「蒂芬妮」（Tiffany）珠寶店展示。但現在鋁很便宜，因為它是地殼中含量最高的金屬元素，等一下我們拿鋁來做實驗。」

我又問：「臺灣的首都在哪？」

同學們無言…。

我說：「在臺北」並指著螢幕上的PPT說：「那是臺北的101，歡迎大家來臺北玩。很巧的，你們是北京市第101中學，你們知道第101號元素的名稱是什麼？它是為了紀念週期表的創建人—門得列夫，代表著打開元素的大門，承先啟後，科學家會不斷地製造出更多人造的新元素。請同學上來寫看看101號元素的符號，好嗎？」

一位女同學在黑板上寫出了：「Md」（作者註：鍆Mendelevium）

我於進校門的石牆上看到：北京101中，校訓：百尺竿頭，更進一步；心想，地靈人傑，這所學校一定會人才輩出的。

最後，收課前我特意問同學們：「知不知道，新的113號元素是由日本的科學家製造出來的，猜看看，它即將命名為什麼符號呢？」

由於113號元素是第一個以亞洲國名，命名的元素，算是石破天驚，足以震撼北京，展現出日本化學家，傲視全球的實力，因此，我故意讓一位男同學用日本製，含油性墨水（其中的溶劑是Xylene，二甲苯）的麥克筆，將Jp寫在氣球上，果真很有聲效的融爆了。此現象代表著非金屬的碳和氫元素，所形成的化合物作為溶劑，會溶解天然乳膠所製成的氣球，也就是同類互溶（like dissolve like，對岸翻譯成相似相溶）。但若寫在鋁製的氣球上，鋁是金屬元素與非金屬元素的性質不同，是不會被油性麥克筆的墨水所融爆。

當時以為113號元素將會被命名為「Japonium」，符號為Jp，跟日本的縮寫一樣，但此命名未被使用。卻約在兩週後，也就是2016年6月8日，IUPAC宣布計劃根據理化學研究所（Institute of Physical and Chemical Research，簡稱理研或RIKEN）的建議，將113號元素以日語中常用的一個羅馬字拼法「にほん」（Nihon），被命名為「Nihonium」，符號為Nh。此建議名已於11月8日，公眾評議期五個月後屆滿截止日，連同另外三個新元素，分別是：115號元素被命名為「Moscovium」，符號為Mc；117號元素被命名為「Tennessine」，符號為Ts；118號元素被命名為「Oganesson」，符號為Og；一塊兒發布。目前IUPAC網頁上的元素週期表中，已公告周知，用紅圈標示出它們的符號（見圖二）。（新聞稿的參考網頁：https://goo.gl/4Ynu63）

圖二：IUPAC網頁上的元素週期表

週期表第七周期的元素，全部到位；嶄新的第八周期元素，正孕育著，何時誕生，令人拭目以待。

n  實驗教學

我思考著在同課「元素週期律表複習」的授課中，應該如何強調出〝元素〞的意涵，而不僅僅是該元素的化合物。也許可從日常生活中，發現元素，並區分出金屬、非金屬以及兩性元素，更進一步地做實驗，檢驗元素的性質，製造出元素。因此，我帶著臺灣啤酒的鋁製空罐子、鋁箔紙、彈珠汽水的空罐子以及乳膠氣球等器材，小瓶裝的鹽酸、氫氧化鈉，碳酸氫鈉以及雙氧水藥品，預定從鋁的靜電性、密度等物理性質，推演到鋁與上述藥品反應，以及製造出氫、氧、二氧化碳氣體，順便複習元素的金屬性、非金屬性與兩性元素的化學性質，拋問與引導學生思考，除了用火之外，如何檢驗製造出的三種氣體？結果限於時間不夠，並沒有實施上述的實驗。

不過，奈米硫的製備，則在裝有硫代硫酸鈉溶液的瓶中，加入少量清潔劑，蓋上瓶蓋，搖一搖，混合均勻後，打開瓶蓋，再加入數毫升的鹽酸，用雷射光照射穿透溶液時，慢慢地就會出現一條光徑，產生廷得耳效應，表示奈米硫生成了。如果整個反應試劑的濃度，預先調配得當，大約一、兩分鐘就可完成，整個瓶子會變成乳黃色，並且散發出硫磺溫泉的味道，那是二氧化硫的氣味；同學們憑藉著剛做出的實驗，以及自我的先備知識，根據「質量守恆定律」即可寫出此反應方程式：Na₂S₂O₃(aq) + 2HCl(aq) → S(s) + SO₂(g) + 2NaCl(aq) + H₂O(l)。

另外，不能只製造出非金屬元素，我還搶時間，很快的請在座漂亮、可愛的女同學們，幫我打開兩瓶裝有無色的多倫試劑（Tollens’ reagent）的瓶蓋；然後，細心地、小心地，分別加入些許葡萄糖粉末，蓋上瓶蓋，搖一搖，再傳給其他的同學們看；等傳回來時，兩玻璃瓶罐的內壁，都已鍍上了銀鏡。由於銀是惰性金屬，葡萄糖又名血糖（blood sugar）是可被人體直接代謝的還原劑，兩物質都是同學們所熟悉的元素與化合物；因此，銀鏡反應是用葡萄糖把銀氨錯離子，還原出銀原子；這在以前的製鏡工業和熱水瓶膽的鍍銀工藝中，曾經盛行過。同學們追古思今，不妨仔細思考，為何這麼簡單的工業和工藝會被淘汰，繼之而起的是變色的太陽眼鏡，抗菌材料等，含奈米銀的製品。再想看看，傳統金屬元素—銀，除了做飾品、避邪、保值外，還有何新用途呢？

n  該下台了

俗話說得好：上台靠機會，下台靠智慧呀！

也許，站在台上是會上癮的，當台上的燈光與台下的目光，都聚集在表演台上時，再加上現場採用多媒體全方位的攝影，隨時可將台上小區域的動作放大，諸如實驗操作時的動作，與學生提問時的特寫等；皆會同步呈現在台上正中央的大螢幕上，以及兩旁的小螢幕裡，讓各個在座的觀眾，也都能清楚地看到師生互動的情形（見圖二)。

圖二：透過大螢幕，學生能清楚地看到師生互動的情形（邱美虹拍攝）

我在臺灣教書，早已逾越三十年了，好不容易能有這個機會，來到中國的北京，登台授課，豈能不死命地抓緊麥克風，使出渾身數解地作秀嗎？這真是一場如夢似幻、明星般的教學；好在我可是有備而來，大陣仗地從臺北帶著一箱行李的實驗器材、藥品、分子模型、一本厚重的原文書（The Elements By Theodore Gray，臺灣有翻譯本，書名為《看得到的化學：你一輩子都會用到的化學元素知識》╱西奧多∙葛雷著；吳瑤玲譯）以及一盒真實元素照片的硬紙卡。後來只有將書以及一盒卡片，匆匆地傳下去給同學看，然後再趕忙的傳回來。其實，我千里迢迢帶來此書的目的，是想讓同學們翻到金屬之王的金，打開裡面夾層中的一張薄薄金箔，看看是否能像水面般，將它吹皺後再吹平，這需親自體驗過，才能清楚感受到金的強勁延展性，很好玩的。

而為什麼要記週期表呢？一般人只需滑滑手機，就可看到週期表，並且還可按鈕般的，按住週期表座位上的元素，立刻就會連結到該元素的詳細介紹。可是，那種浮光掠影，看得快、忘得更快；我現在反而要求學生要把週期表的架構全畫出來，然後再一個一個，填入元素符號，中文名稱以及原子序，並進一步寫出元素原子內的電子殼層（electron shell）排布的情形，例如：鋁13Al原子的電子殼層排布是2, 8, 3，硫16S原子的電子殼層排布是2, 8, 6；猶如將貨品上架，編列條碼般，如此才能真正融會貫通「元素週期律表」。

已知週期表的元素有118個，能讓我信手拈來，拿到台上講授的，少說也超過8個以上呀！亦即前述依序提到的氫（H）、氧（O）、碳（C）、鋁（Al）、鍆（Md）、鈤（Nh）、硫（S）、銀（Ag）等，所揮灑出的元素，還不及十分之一，也就只有週期表中118分之8而已。雖然在台上，我拼命搶足了大約三十分鐘的授課時間。下台後仍舊是意猶未盡。

最令我難忘與陶醉的是午飯時，一位帥哥老師竟然趨前向我說：「老師，我喜歡你的教學。」真是受寵若驚，原來是與我較勁的康永明老師，至今還令人回味再三。而午後逛校園時，有學生迎面而來，很有禮貌的對我說：「老師好！」（哈哈！不是客人好喔！），這更鼓勵我，要認真教授化學了。下午的發表感言時，楊芳瑩教授說：「我現在知道了，北京101中，臺北101大樓，還有101號元素是鍆Md，…」果然，台上多說點，台下自會記得多。

下午暢遊圓明園時，和白光耀老師與康永明老師，短暫地繼續就當日上午的授課，作經驗交換。他們客氣地讚許我當場所做的幾個實驗，並提到「銀鏡的製作」，原本我的設計是一瓶可以產生銀鏡，一瓶不可以產生銀鏡，故意埋下一個小梗，讓同學們觀察、思考與提問；但是臨場太心急了，直接將葡萄糖粉末，加入剛剛調製好的銀氨錯離子鹼性溶液瓶裡（注意：銀氨錯離子鹼性溶液不可事先配製，因久置會產生爆炸物質，一定要在使用前再混合。），蓋住蓋子，輕輕搖動混合，立刻就析出像不鏽鋼的銀鏡了。我說：「其中有一瓶氨水的濃度過高，應該加水稀釋後，才會產生銀鏡的…」。康永明老師立刻問說：「為什麼？」接著白光耀老師馬上解釋說：「嗯，可依據勒沙特列原理判斷，的確會發生這種現象。…」。康永明老師聽了，也豪爽地說：「我知道了！」（註：銀鏡反應的反應式為2[Ag(NH₃)₂]^＋(aq) + RCHO(aq)+ H₂O(l) D 2 Ag(s) + 3 NH₄^＋(aq) + NH₃(aq) + RCOO^–(aq)大家想一想吧！）

n  後記

北京高中化學論戰，台上、台下不斷地過招、較勁。直到結束隔天，邱美虹教授特別和我解釋說：「因為台上觀摩的學生，下節還要回教室上課，所以才一再地提醒我，該下台了。…」真是有夠不好意思的，準時下課是作為一位老師，應有的基本態度，與賽課、作客的禮貌。

我用元素符號在PPT的最後一頁寫著 “AsPIRe ReAl” Chemistry “ PLaY I WIn”。

期待下次再到北京，觀課啦！化學論戰，“YEs”！

〔註：AsPIRe（砷、磷、碘、錸），ReAl（錸、鋁），PLaY（磷、鑭、釔）、I（碘），WIn（鎢、銦），YEs（釔、鑀），以上六個英文字、句，皆是用該字後小括弧中的元素符號，拼湊成的。〕