臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan微型實驗－磁性黏土
陳家琦
國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班
壹、前言:
本實驗是由＂鼻涕蟲＂實驗加以調整改良，添加磁性，使之能更加廣泛應用於自然科教學。並期望透過磁性黏土的運用，讓學生學習磁力單元時能有不同的體驗與學習經驗。本文首先介紹磁性黏土之原理，主要有如何配製硼砂飽和水溶液及磁鐵吸引鐵製品兩個概念相關，第二部分以照片步驟說明製作方式，並附註實驗過程中的注意事項，第三部分則提出將磁性黏土運用於教學上的活動構想。
貳、原理:
第一階段黏土的形成主要是運用硼砂水溶液加白膠。硼砂溶於水後解離成硼酸根離子，遇上聚醋酸乙烯酯（白膠）便會和長鏈狀的聚醋酸乙烯酯形成氫鍵，兩條聚醋酸乙烯酯透過和硼酸根離子形成的氫鍵產生交聯作用，此作用讓原本柔軟具黏性的白膠內部分子間的吸引力變強，而使白膠膠體無法自由流動，成為具有可塑性的黏土。
第二階段透過添加四氧化三鐵使黏土成為磁性黏土。四氧化三鐵是鐵的一種氧化物，化學式為Fe₃O₄，具有不溶於水、可溶於酸的性質，在自然界中常以磁鐵礦的形態出現。四氧化三鐵中含有Fe2+和Fe3+，使四氧化三鐵具有高的電導率，四氧化三鐵在磁場中，呈現相鄰磁性粒子指向相反方向排列，稱為亞鐵磁性，能夠被磁鐵所吸引，本實驗即是運用四氧化三鐵的亞鐵磁性，讓磁性黏土能夠被強力磁鐵吸引，展現不同的磁力樣貌。
參、磁力黏土設計與製作
一、實驗藥品與器材
(一)實驗藥品：硼砂、四氧化三鐵、白膠。
(二)實驗器材：燒杯、量杯兩三個（一個裝硼砂，一個裝水，一個裝四氧化三鐵粉末）、量匙三個（掏取白膠、硼砂、四氧化三鐵用）、滴管、攪拌棒、電子秤。
二、實驗步驟：
(一) 調配硼砂飽和水溶液。
(二) 將白膠與四氧化三鐵粉末約以5：1的比例混合。
(三) 將硼砂飽和水溶液徐徐加入白膠與四氧化三鐵中，同時快速攪拌，讓硼砂飽和水溶液能和四氧化三鐵白膠順利混合。
(四) 將三種材料混合完成後，取出磁性黏土，輕拉測試黏土堅韌度，如果太黏則再加入一些硼砂水溶液，如果太硬則再加入一些水，讓磁性黏土呈現易造型卻不黏手的狀態即完成。
(五) 成品製作完成。建議放置於塑膠容器內，因磁性黏土仍具有一些黏著性，如果放置於紙張上會造成紙張沾黏，不易清除。
圖1:實驗器材一覽
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圖2-1：磁性黏土製作過程–硼砂秤重與配製飽和硼砂溶液 |
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圖2-2：磁性黏土製作過程–四氧化三鐵與白膠秤重 |
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圖2-3：磁性黏土製作過程–混合攪拌確認黏稠度 |
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圖2-4：磁性黏土製作過程–磁性黏土成品 |
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圖3:磁性黏土完成圖
肆、實驗操作及教學演示
一、本實驗中所使用之化學粉末，因調配量較少，部分電子秤難以精算，如要製作小型的磁性黏土，建議使用能測量1公克以下之小秤重範圍之電子秤，較能準確調整材料比例。
二、實驗調配中，因使用到四氧化三鐵粉末，如不慎吸入易對學生健康產生不良影響，因此建議讓學生配戴口罩或由教師示範操作。
圖4: 四氧化三鐵粉末
三、在實驗過程中，第一步驟可引導學生觀察硼砂經過攪拌溶解在水中的現象，並在逐漸加入硼砂粉末後出現沉澱，以導出飽和溶液的概念。因硼砂具有毒性，請提醒學生實驗後務必將雙手洗淨，實驗過程中手部避免碰觸臉，以確保實驗安全。
圖5:硼砂飽和水溶液
四、實驗第二步驟中所使用的四氧化三鐵粉末可使製作出來的黏土具有磁性，添加時注意如果過量會使黏土形成凝固的小顆粒，而無法製作出高品質的磁性黏土。
五、實驗第三步驟透過攪拌讓學生觀察硼砂水與四氧化三鐵白膠混合所產生的改變，硼砂溶於水後解離，會與白膠反應讓白膠的性質改變，此一步驟可讓學生觀察到不同化學物質混合會產生性質上的改變，讓學生能認識物理變化與化學變化的不同。
六、製作完畢後，可以使用強力磁鐵來吸引磁性黏土，磁性黏土會被吸引而像蝸牛伸出觸角般靠近強力磁鐵，學生可實際操作來體驗磁鐵吸引鐵製品的能力，除此之外也可以將紙板或墊板隔在磁性黏土與強力磁鐵間，讓學生觀察磁鐵的超距力現象。
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圖6:磁性黏土受強力磁鐵吸引 |
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七、第二個操作方式是將小的強力磁鐵放在磁性黏土上方，磁性黏土會受到吸引而慢慢包覆住強力磁鐵，看起來就像強力磁鐵被吞噬一般，此操作同樣是利用磁鐵吸引鐵製品的特性。
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圖7:磁性黏土逐漸包覆強力磁鐵 |
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八、教學演示完畢後，可將磁性磁鐵放入密封的罐子或袋子中保存，並加入少許水分，以避免磁性黏土中的水分散失，可以稍微保存較長時間。
圖8:磁性黏土建議保存於密封袋中
九、製作過程中所剩餘的硼砂應以大量清水稀釋後再倒入水槽倒，四氧化三鐵則建議由教師統一收集後以化學廢棄物處理。
伍、搭配國小三年級自然課程－磁力之教學設計
針對國小三年級自然的磁力課程，教學步驟說明如下所示，可以分成引起動機、發展活動、綜合活動。
一、引起動機
(一) 情境營造：「不小心把鐵粉打翻在桌上，有什麼辦法可以把桌上的鐵粉清乾淨，收集起來呢？」
(二) 引導學生運用＂磁鐵可以吸引鐵製品＂及＂磁鐵可以隔著紙張或袋子仍有吸引力＂等原理想出解決辦法。
二、發展活動
(一) 實驗預測：「如果把鐵加在白膠中，遇到磁鐵會怎麼樣呢？」
(二) 請學生思考並提出自己的看法，如果鐵加在白膠中，遇到磁鐵仍然能被吸引，或者會因為白膠的黏性而無法被吸引。
(三) 實驗操作，進行磁性黏土的製作。
(四) 實驗說明：「飽和的硼砂水溶液，讓白膠變成像黏土、鼻涕蟲的材質，而混合在白膠裡的鐵（四氧化三鐵）會受到強力磁鐵的吸引，而向強力磁鐵伸展。」
(五) 討論分享製作過程中觀察到的現象，分析磁性黏土能被磁鐵吸引的原因。
圖9:實驗前發給學生口罩、並提醒學生實驗後洗手
圖10:學生配製飽和硼砂水溶液
學生會發現硼砂水溶液很容易變飽和了，也有學生懷疑硼砂其實不能溶解，老師便可從而引導不同物質有不同的溶解度。
圖11:學生混合白膠和四氧化三鐵
學生一開始混合白膠和四氧化三鐵時，因白膠的黏性會使混合物黏在量杯壁上，此為正常現象，不必擔心。
圖12:學生加入硼砂水於混合後的白膠和四氧化三鐵
經過提醒，學生能夠少量的加入硼砂水，不過加入後學生容易不清楚隔多久才能再加入硼砂水，此部分需要老師的提醒。攪拌的過程中學生很容易就發現一加入硼砂水，攪拌起來的重量感出現變化，混合物也出現油亮的光澤，此時教師便可引導此為物質的性質發生改變，是化學變化，這一部分是學生最能夠體驗到化學實驗與物理實驗的區別之處。
圖13:：學生製作完成磁性黏土
等到學生可以攪拌棒將黏土拉起後，便可以讓學生將黏土拿起以手揉捏調整軟硬了。本實驗發給學生紙口罩，較不耐久，很快就會因為學生的行動而破裂或脫落了，建議配戴不織布型的口罩較能長久維持。
圖14:提醒學生不要將磁性黏土沾到衣物
讓學生把黏土拿起來揉捏前，建議提醒學生將袖口撩高，本次實驗有不少學生袖口沾到黏土，會造成清洗上的問題。
圖15:要適時調整黏土軟硬度才不會都黏在手上
如果學生看到黑色黏土有顧慮而不敢調整黏土軟硬度，就會造成黏土幾乎都黏在手掌上，難以揉搓。此時需要他人協助將手上的黏土略為聚集，便可藉由添加硼砂水溶液與持續的揉搓讓黏土均勻的成型。
圖16:夾鏈袋加硬殼盒子來保存磁性黏土
顧慮到學生攜回之便利性，採用夾鏈袋加硬殼盒子雙層設計，讓學生不會因為把磁性黏土擺在書包中，造成夾鏈袋因位移開口黏土溢出的狀況。
三、《綜合活動》
(一) 提出延伸思考問題給學生，「當磁性黏土隔著紙張或塑膠袋，還可以被強力磁鐵吸引嗎？」，接著運用教具磁性黏土進行實驗驗證。並學生拿磁鐵透過夾鏈袋來吸引磁性黏土，發現磁性黏土依然會被磁鐵吸引，並且還有像黏土花一般綻放的現象。
(二) 再提出接續思考問題：「當磁性黏土因水分消失而硬化後，還可以被強力磁鐵吸引嗎？」此部分可在學生製作的磁性黏土水分消失後進行實驗驗證。讓學生剝下一小塊磁性黏土作驗證，脫離密封的磁性黏土小碎片大約一節課後就失去水分硬化了，此時的磁性黏土以不會跟隨磁鐵吸引而變化，因此學生了解物品應當依循正確的保存方式，才能使物品的效能保持。
陸、結語
本實驗製作完成的磁性黏土，使用於指導學生學習＂磁鐵可以吸引鐵製品＂概念時能有效引起學習動機。除了運用磁性黏土讓學生觀察現象外，也可以搭配相關的磁鐵教學影片，能夠讓學生對於磁鐵單元的學習成效更佳。在實驗的過程中，有學生將磁性黏土靠近自己的鐵製鉛筆盒，引發學生之間的討論，發現磁性黏土具有鐵的成分，而非磁鐵的成分，所以不能吸引鐵鉛筆盒；另外有些同學會將磁性黏土的黏性當成是受到吸引，需要老師特別提醒，可透過隔著一段距離來觀察變化，以證明是磁力作用而非黏性作用。
致謝
感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系104學年度碩士在職專班碩一課程－化學特論(一)周金城教授暨全體同學協助，提供本文架構調整與內文修正之意見。
參考資料
一、廖旭茂(2013)。自製磁性異形。科學研習，第52期。
二、生活裡的科學－軟硬兼吸的磁鐵(2014)。大愛電視。
三、中華民國第54 屆中小學科學展覽會，國小組化學科，「沙」了鼻涕蟲
－沙士與醣對鼻涕蟲交聯作用之研究。
四、中華民國第53 屆中小學科學展覽會，國小組化學科，鼻涕蟲運動會。