臺灣化學教育

《2019國際化學元素週期表年特展》活動介紹

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所
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《2019國際化學元素週期表年特展》為科技部、教育部國民及學前教育署、行政院環境保護署毒物及化學物質局指導，由國立臺灣師範大學、中國化學會以及國立臺灣科學教育館共同主辦，為慶祝聯合國宣布的2019年為國際化學元素週期表年，同時也是俄國化學家門得列夫(Dmitri
I. Mendeleev)於1869年發表元素週期表150年，希望藉由今年一連串的慶祝活動，彰顯化學元素對人類衣食住行育樂、醫藥、能源、科技發展等各面向的貢獻。此特展將從108年6月1日(星期六)起在科教館展出後，將陸續在國內其他四個博物館展出，並將移展到各中學和大學，以共襄盛舉今年化學界的大事。

凡是上過科學課程的人，沒有不知道元素週期表的，而學過週期表的人也都或多或少會知道金屬和非金屬這些元素在週期表中的位置。如今我們看到週期表中的各元素所在的位置似乎是理所當然，但是門得列夫在1869年時是排列63張卡片時發現元素之間的的規律性而建立週期表的，並大膽地對尚未發現的三個元素進行預測，後來這些元素也都被證實他們的存在，這一步使得他的週期表與其他較為保守的科學家所建立的週期表不同且更具前瞻性，雖然現今週期表的排列方式是以原子序為主，有別於當年門得列夫以原子量排列的方式，但無損於門得列夫在科學上的崇高地位與貢獻。

此次特展分為六大展區，展出內容都是精心設計的展品，包含元素方塊週期表、光雕投影、化學元素大事記、化學元素海報、視障者點字元素週期表、女性科學家與週期表、稀缺元素週期表、中學生眼中的週期表、元素文學小品、元素郵票展、擴增實境(AR)和虛擬實境(VR)等。其中有幾項展品特別值得在此一提，如元素光雕投影(魔方118)以中國風的方式呈現元素的特性，這應是是全球首創；盲人點字週期表嘉惠盲人、臺灣學生的藝術創作週期表以及新興科技與化學學習的連結等，同時展品中的稀缺元素週期表更是讓我們必須正視因科技所帶來的化學元素瀕危之衝擊，希望能透過這些展覽品傳遞化學元素對人類科學發展的貢獻、激起社會大眾對化學與化工的正面觀點、建立基本的化學與化工的認識、提高對環境與永續發展議題的關心、積極發展永續化學的行動力，以達到科普傳播與提升民眾科學素養的目標。

 

  光雕投影創作理念分享——魔方118

演講者：劉育樹導演（光點吉樹工作室）

2019年是為聯合國(UN)公布之「國際化學元素週期表年」，亦是俄羅斯化學家門得列夫(Dmitri I. Mendeleev)提出元素週期表的150周年。正因為元素週期表在人們眼中是西方科學界的產物，因此我們藉由此光雕投影將元素週期表結合中國風，以呈現獨特的東方風格，其中尤以傳統臺灣特色為主。

影片內使用了大量東方元素來結合西方的元素週期表：以風水羅盤的圓形排法替換週期表的矩型排法，除了以圓象徵人類生存之地球，更代表著週期表中的所有元素皆是存在於這個圓中──即地球上。中文字也是東方文化中重要的元素之一，影片中將週期表元素的英文字替換成中文字呈現，其用意在於將熟悉的西方週期表以東方詮釋表達東方對於化學界亦有所貢獻，而非僅止於推崇西方科學。

影片中亦會列舉人類生活中的重要元素，並呈現該元素的材質、顏色或特性等，讓人們認識到生活周遭其實有很多物品都和化學元素有關；此外，象棋是華人世界眾所皆知的棋藝遊戲，透過使用象棋作為化學元素的象徵物，把虛幻的化學元素實體轉化為熟悉的象棋棋子，讓大眾對於艱澀的化學多了一分親切感。而化學元素除了實體化作為象棋外，亦可以真實的進行對弈，透過分類化學元素，區分成金屬及非金屬兩類型來進行對弈。金屬與非金屬之間的對戰、結合呈現出真實的化學反應，生成一個化合物。藉由這些元素象棋之間的對戰、元素結合成的化合物，讓大眾更加了解這些化學元素在日常生活中是多麼地頻繁出現，皆是出現在我們的生活之中。

作為最後一個東方元素，影片中使用廟宇的籤筒，來呈現傳統臺灣風格的週期表。以矩形週期表旋轉收進籤筒，旋轉即是圍繞成一個圓圈，再度使用圓作為世界的概念，而所有的元素繞著圓旋轉，與開頭的圓互相呼應，串聯整部影片並以東方風格收尾。

  特展亮點

1. 入口意象

本特展之主視覺牆面，設計元素包括週期表、本次周年紀念活動的主人翁——門得列夫，化學元素的物理及化學性質，及其在各領域之多元豐富應用等，以彰歡慶元素週期表被提出屆滿150週年之意涵。

2. 元素方塊

展場內打造118個大型元素方塊，方塊每面分別展示該元素之原子序、原子量、化學性質及與該元素相關之歷史、生活、科技等科學資訊。118個方塊將依週期表排序堆砌成巨型元素方塊牆面，錯落有致的立體牆面搭配光雕影片投射，展現化學元素發展歷史、文化脈絡及生活應用，如同一場知識的聲光饗宴，絢麗非凡。場內另陳列有10x10cm比例的小型元素方塊牆面，118顆方塊皆可取出觀賞六面的設計內容，讓知識可以親手觸摸。

　

　　　　元素方塊(Md)　　　　　　　　　小型元素方塊牆面

3. 魔方118——光雕投影(光點吉樹設計)

邀請國際知名3D動畫導演劉育樹為國際化學元素週期表年慶祝活動精心設計，透過中西合璧的巧思，將西方科學結合中國風，以中藥櫃的概念呈現獨特的東方特色，展現出全新文創概念的元素週期表。

光雕影片內容將以多媒體動畫形式，傳達化學元素如何存在於我們的身邊，並與我們的生活密不可分。全片中英對照，適合全年齡的民眾一同來感受獨此一門，視覺與聲音的饗宴。

光雕影片投影開始畫面

4.  元素大事記
以時間軸方式展示元素週期表中各化學元素，自紀元前至近代間發現年代之大事記，並將各元素以化學性質分類，於右下角加註圖例說明，方便民眾瞭解人類發掘元素的歷史。

(由國立臺北教育大學周金城教授設計之大事記)

5.  稀缺元素週期表
為了讓世人意識到全球元素稀缺的嚴重性，本特展展示歐洲化學會（European Chemical Society）所繪之稀缺元素週期表繁體中文版，並搭配與化學元素相關的問答，製成互動式掀牌展板寓教於樂，傳達生活中的化學知識以及稀缺金屬的議題，進而促使大眾珍惜資源，以利永續發展。

6.  中學生眼中的元素週期表
由國立臺灣師範大學邱美虹教授發想，臺北市立大直高中林欣美老師、曾茂仁老師，新北市立三重高中張怡婷老師、李雁婷老師，國立臺灣師範大學附屬高級中學吉佛慈老師，及新北市立新北高級中學鍾曉蘭老師指導，帶領各級學校學生所設計的118幅元素繪圖週期表。以活潑生動的藝術形式，將化學元素融入你我的生活。

7. 最古老的現存教室用週期表(現場展示為複製品)

於2014年英國聖安卓大學(University of St. Andrews)整理校內演講廳儲藏室時所發現。此週期表的內容與門得列夫1871年發現的週期表很相似，但已有1875年發現的元素鎵(Ga)、1879年發現的鈧(Sc)，但尚未紀錄1886年發現的鍺(Ge)，故推論這張海報約於1879-1886年間製成，距今已有約140年的歷史，極有可能是現存最為古老的元素週期表。

8. 視障者點字元素週期表

由國立彰化師範大學楊水平教授所發想設計，與校內師生合作重新構思週期表，並製作透明自黏膠片點字，將兩者相結合成世界第一幅針對視障者使用的元素週期表，並於特展內展出，讓化學教育不再侷限於生理，歡迎參觀者皆前來觸摸點字週期表的特殊魅力。

9.   元素海報
美國化學會（American Chemical Society）為慶祝國際化學元素週期表年，製作一系列以化學元素為主題之科普海報，解說元素在日常生活的面面觀，如半導體、煙火中存在的元素等。為了使這批珍貴的元素海報便於臺灣民眾閱讀，主辦單位已獲得授權翻譯為繁體中文版，並挑選其中11張於特展中陳列展示。

 

10.    化學元素與女性科學家

化學元素現今已有118位成員，每發現一種新元素的背後，都有一段科學家探索未知的故事，而其中也有女性科學家的存在。本特展特別介紹與化學元素命名有關的女科學家，以及對元素研究有所貢獻，卻被隱藏在週期表下的女科學家，期待讓民眾對化學與元素的歷史脈絡有更多的了解。

11.   元素藝廊

       以集郵及文學的角度切入，用藝術的角度呈現化學元素如何與我們的生活緊密結合。現場展示有珍稀元素週期表、名人科學家等紀念郵票及明信片收藏，並分門展示與化學元素相關之台灣郵票；文學小品集則彙集了中外名人與週期表、化學元素相關之箴言，或摘錄的文句，期待以柔性的方式引導民眾親近化學。

12. AR/VR互動體驗

場內設置臺師大邱美虹團隊研發之擴增實境(AR)和虛擬實境(VR)教材互動區。在AR活動區，設有DNA雙股螺旋、極性分子鍵結、有機分子撲克牌和奈米碳管等擴增實境模型，拿起手機下載App，即可觀賞立體化學模型；在VR區則可體驗「雅典學院與大師對談」虛擬實境，內容包括畫作除黴、化學元素分類與配對、電解實驗、氧化汞實驗等互動遊戲。以新型態的科普教材，傳達化學與民眾生活息息相關！

 

　  AR區奈米碳管教具　　　　　　VR區  畫作除黴遊戲場景

   開幕活動

化學元素變變變——實驗演示說明
主題一：應用新型電解水器電解飽和食鹽水與產物身分鑑定
演示講師：臺中市立大甲高中廖旭茂老師
演示時間：5分鐘

十九世紀初期，科學家開始利用電流來進行化學反應，並從化合物分離出元素出來，英國的戴維就利用這個方法發現了鉀、鈉、鈣、鍶以及鋇等元素。電解法是用來提煉元素的最常見方法。

1866年，德國的霍夫曼教授發明的電解水器(Hofmann voltameter)問世，電解器外型似H型玻璃製的聯通圓管，白金電極貫穿橡皮塞，與帶刻度的圓柱形玻璃管底部相連接；玻璃製的材質因為安全性與不方便考量，慢慢被塑膠材質的電解槽所取代的。下圖為新製的電解水器，壓克力容器主體，結合收集氣體的塑膠針筒以及提供產物檢測的三通閥。

本演示將公開自製的新型電解水器進行飽和食鹽水的電解，並分析鑑定陰、陽極產物的身分。新研發的電解水器擁有以下特點：

1.          應用雷射切割技術，壓克力製的電解槽結合塑膠針筒與三通閥，具有組裝容易，不易摔破、攜帶方便的優勢。

2.          以低廉、高強度的碳纖維棒取代昂貴的白金，與易折斷的石墨棒。

3.          陰、陽電極固著於塑膠螺絲上，方便自由拆卸、更換，可提供電解的變因探究。

4.          可用於電鍍反應調查、分析合金相組成、回收有毒重金屬離子、清除有毒有機物、製作可逆式燃料電池。

 主題二：五彩繽紛的焰色反應
演示講師：國立臺灣師範大學附屬高級中學吉佛慈老師
國立臺灣師範大學謝東霖碩士生
演示時間：5分鐘

對大多數人來說，顏色是個容易分辨物質的方式。早在魏晉南北朝時期的《本草經集注》就有記載「強燒之，紫青煙起，仍成灰。不停沸如樸硝，云是真硝石也。」紫色的火焰正是燃燒硝酸鉀所產生的顏色。18世紀德國分析化學家馬格拉夫也成功的用火焰顏色的不同分辨出碳酸鈉與碳酸鉀兩種化合物。而後其他科學家陸陸續續發現了不同鹽類的不同顏色火焰，奠定了焰色分析法的基礎。現在每逢節日就會看到五顏六色的煙火，也是利用焰色的原理。

本演示選擇幾種常見的鹽類，並設計出安全性極高的實驗，展現五彩繽紛的焰色反應：

1.          利用酒精膏的方式，降低實驗過程所帶來的危險性。

2.          教學上除了可探討不同元素在電子躍遷過程的放光現象，酒精膏製作也可用在分子間的作用力相關教學上。

   動手做攤位

開幕典禮現場設有四個動手做攤位，10:15-12:15開放體驗，每攤體驗時間大約是5-10分鐘。收集任三個攤位的體驗印章即可兌換限定版特展紀念胸章一枚，一起來實作體驗化學的樂趣吧！

1.元素方塊摺紙（國立臺灣師範大學）

元素方塊摺紙「氧」的樣張

元素週期表已於2015年由第七周期的「气奧」(Oganesson,Og)作為目前元素週期表的最後一個元素。在這些元素中，有我們相當熟悉且應用層面也相當廣泛的元素，也有我們未曾接觸過甚至連科學家都還在尋找特性的元素。化學元素方塊即為邊長6公分的立方體，讓民眾自行摺出一顆立體的元素方塊，並且能夠閱讀各面元素的「化學性質」、「相關實驗」、「生活中常見的狀態或應用」、「發現的國家或科學家」與「臺灣或其他國家文化常見的例子」等特性。

觀展民眾可以透過閱讀元素方塊旁的元素基本資料與元素性質作為依據，尋找出元素各族的規律性，即是體會科學家對於破解混沌的元素中重要的精神。希望民眾能夠在製作與解讀元素方塊的同時，提升對於元素的初步認識，增進與元素之間的連結。讓動手做體驗有助於學習化學，並促進對永續發展和能源、教育、農業、健康的覺醒。 

2.元素拼圖（國立臺北教育大學）

以Y（釔）、U（鈾）、LI（鋰）元素拼出玉里的英文名

為慶祝化學元素週期表150週年，科技部選出城市代表車站及相對應的化學元素，以科普列車串連各全民科學週計畫。

其中南花蓮全民科學週計畫負責玉里與光復站。玉里是台灣最大蛇紋石盛產地，蛇紋石的主要成分是氧化鎂，是國內提煉鎂的重要來源，代表元素為「鎂」。光復站因花蓮的好山好水好空氣，則選定「氧」為代表元素。鎂燃燒時會與氧氣發生反應產生氧化鎂(MgO)，並產生強光，氧化鎂也是糖廠製糖時的脫色劑以及製冰時pH的調控劑，與光復著名的光復糖廠相互呼應。光復與玉里兩站代表元素的結合形成氧化鎂，代表兩車站交接與傳承。

計畫為此特別設計與在地連結的元素拼圖，其正、反兩面各有12個圖案，共24個圖案。透過折疊，每4個圖案，可以形成1個故事，分別呈現：鎂、氧、玉里、光復馬太鞍、元素週期表及國際週期表年IYPT共六個故事。

開幕當天邀請國立臺北教育大學擺設元素拼圖體驗攤位，讓民眾可透過動手製作拼圖來了解化學元素及家鄉的故事，提升科學學習動機與興趣，一起愛鄉土也愛科學！

3.元素拼豆樂x創意週期表（國立臺灣師範大學附屬中學）

用18×10總共180顆拼豆拼出週期表

2019年是值得化學人慶祝的日子，國立臺灣師大附中吉佛慈老師特別把今年在校慶設計的「串起元素大家族，拼出創意週期表」動手做活動，搬到國立臺灣科學教育館的國際化學元素週期表年特展開幕現場，希望讓現場參觀民眾能藉由組合10種不同顏色的拚豆，製作自己專屬的紀念拼豆週期表，重溫中學時背誦週期表的記憶。

「元素拚豆樂」只要將180顆拚豆，依照現場模板排列即可，民眾也可以將相同數量不同顏色的拚豆互換位置，自創不同組合的繽紛週期表。

敢接受辨色考驗嗎？想製作專屬的紀念小物嗎？敢跟附中學生PK元素週期表密碼嗎？歡迎親子前來共同體驗「元素拚豆樂」！

4.金屬蝕刻與鑰匙圈製作（臺中市立大甲高中）

 

  

早期的蝕刻（Etching）是應用在版畫上，畫家在金屬板上先塗上一層蠟，以針等尖銳器具在板上作畫，蠟會隨著描繪的線條被刮除，再將金屬板置入硝酸或腐蝕液中，未附著蠟的金屬部分會被侵蝕凹陷，可用於塗佈顏料，進行版畫創作。

現代可以強酸腐蝕、電化學電解以及物理電漿蝕刻等方式，進行各種材質的表面加工。但透過化學濕式的蝕刻，常用到強酸、強鹼等高腐蝕性溶液，在美麗的背後通常都要付出不小的代價。

本次動手作活動，係利用電化學電解原理，使用外加電壓讓金屬（通常為活性小或不易氧化的合金）在電解質溶液中氧化溶解，進而使金屬表面出現具有立體凹凸的圖案。

過程中將使用一個自製的蝕刻印台，在一塊事先貼好膠膜的金屬表面上，隔著以硫酸鈉水溶液沾濕的化妝棉，數分鐘內即可完成電化學蝕刻實驗，可免去強酸腐蝕液使用及處理的顧慮，符合減量、減廢的綠色化學原則，歡迎開幕當天一起來體驗神奇的電解蝕刻實驗！

若蝕刻的金屬為銅片，則其兩極的反應，如式[1]和[2]所示：

[1]陰極（負極）（–）：2H₂O(l) +2e^–→ H₂ (g) +2OH^–(aq)   

[2]陽極（正極）（+）：Cu(s)  → Cu²⁺(aq) +2e^–

歡迎本刊讀者與好友擇期到科教館參觀。本特展及國際化學元素週期表年系列慶祝活動之相關訊息，歡迎至IYPT活動官網查詢：http://iypt2019.chemistry.org.tw/。特展期間辦理之化學元素探索實驗研習活動，請至科教館官網報名:https://www.ntsec.gov.tw/survey/default.aspx。