臺灣化學教育

化學元素週期表環島之旅

元素實驗動手做設計與活動辦理分享

廖旭茂^{1, 2}

¹台中市立大甲高級中等學校
²教育部高中化學學科中心
[email protected]

n  前言

IYPT環島巡迴展覽結束了，心裡面除了如釋重負外，更有滿滿的回憶。從去年六月初在台北科教館的開幕典禮上，進行電解水實驗演示活動開始，到八月初的亞洲化學研討會NICE^8th，12月初在東京的閉幕式活動，一直到現今的IYPT環島巡迴展覽，終於告一段落，主辦單位周備的思慮、充滿創意的巧思、加上過人堅韌的意志，各式各樣的參與者，串連在一起，而每一個片段也格自發展出跌宕起伏的不同故事，長留心中（圖1）。

圖1：IYPT環島巡迴展甲中站合照

五月中承諾接辦IYPT環島巡迴展覽甲中站的活動，自五月底辦完漢口國中科學宅急便後，立馬投入這次活動的籌畫。為提升同學參與展覽活動的意願，除了原來的靜態展品外，也規劃了五個元素相關的實驗動手做的活動與四項展品。最後還設計了一個跟展覽相關的學習單，讓學生回答參展心得。

在美虹教授的建議下，將每一個活動元素實驗寫成文章，分享出來，希望幾個實驗設計等相關活動，可以提供後續舉辦者一個參考。

n  元素實驗動手做介紹

五個實驗動手做，實驗最重要的是場地，考慮擺攤的地點在校內藝之鄉周邊，並沒有水龍頭，因此實驗的內容都是偏向微型、綠色的實驗設計，不需要使用大量用水，而且多與最近開發的實驗內容有關。微型、綠色實驗的相關內容近年在國際上風行，演示的過程總是吸引眾多的目光。

此次擔任志工的都是自科社的學生，他們剛剛在5月底參加過市內漢口國中的科學宅急便活動，所以彼此間相當熟悉，也有比較多的實作的經驗；老師僅提供實驗的內容，至於活動如何進行包裝，由志工學生討論決定，相關元素實驗內容分述如下：

一、綠色蝕刻鑰匙圈製作

第一個體驗活動為綠色電化學蝕刻，主要的任務是引導同學體驗自行開發的綠色電化學蝕刻教具。選取一塊方形的黃銅板上，黃銅板上事先貼上了一層膠膜，膠膜上利用割字機「繪」出LOGO圖案，實驗前將「繪」出LOGO圖案以鑷子挑除，造成鏤空的LOGO，藉由直流電與鹽水產生的電化學反應，讓黃銅氧化，蝕刻出LOGO文字凹洞，並將完成蝕刻的黃銅片與印有校徽的相片紙，合一製作成鑰匙。相關電化學類似的製作的原理與方法可參考臺灣化學教育網站¹。下圖為綠色電化學蝕刻關的實作過程。

圖2：電化學蝕刻的過程及鑰匙圈的完成圖

實驗所需的藥品材料很簡單：包括9V乾電池（亦可使用可重複充電的18650鋰離子電池及鉛蓄電池）、正方形壓克力鑰匙圈（內徑35×35 mm）、厚0.2mm的黃銅片、可列印相片紙，1M食鹽水。

二、猜猜我是誰–焰色反應

    第二個為焰色關，因為金屬氯化物原子化的溫度較低，首先利用金屬氫氧化物與氯化銨反應製造金屬氯化物（製作如步驟1~2）。金屬氫氧化物在酒精凍（製作如步驟3）的燃燒下，發出各種不同顏色的火焰，同學可以根據驗色來判斷金屬氫氧化物的身分。相關步驟如下：

1.      以咖啡攪拌刮勺取未知物氫氧化物M(OH)n和氯化銨，其比例為3平匙的M(OH)n，與1平匙的氯化銨。加入紅蓋試劑瓶中，蓋上紅瓶蓋，觀察兩者的狀態，隨後手持樣本瓶在桌上畫圈，並上下搖晃30秒後，觀察粉末的外觀與瓶身的變化。

2.      打開瓶蓋，以手在瓶蓋上方緩緩揮動，聞聞看是否有特別的氣味。這氣味像什麼？。

3.      取2毫升的飽和醋酸鈣溶液倒入小鋁杯中。隨後以量筒取10毫升的酒精到入小鋁杯中觀察鋁杯中溶液的變化。

4.      撕開一小張衛生紙放置小鋁杯中，覆蓋面積約8~9成。

5.      以刮勺挖取取試劑瓶內的白色物質，放置在衛生紙上，以打火機點燃酒精凍，觀察火焰的顏色。

6.      根據焰色試判斷M的身分。答對後，可以得到小禮物。

圖3：焰色反應–猜猜我是誰闖關活動

實驗所需的藥品材料：包括氫氧化物（氫氧化鋇、氫氧化鈣、氫氧化鍶、氫氧化鋰）、氯化銨、飽和醋酸鈣溶液、95%藥用酒精、衛生紙、咖啡攪拌匙、空試樣瓶、小鋁杯。

三、強取毫奪–微型金屬取代反應

1.      擲骰子決定金屬A與溶液B，先預測可能發生的反應，並將預測結果寫在便條紙上，貼在展示板上。

2.      取B溶液2滴在微孔盤上，並用鑷子夾取一根金屬絲，貫穿液滴後將孔盤放置於顯微鏡下（顯微鏡事先連接電腦螢幕）。

3.      調整焦距後，從螢幕觀察溶液的變化，並判斷孔盤中發生的反應。

4.      比較實際發生的結果與自己的預測是否相符。

5.      相符者可獲的精美小獎品。

圖4：圖左為擲骰子決定A、B，圖中為預測單，圖右為透過螢幕進行觀察

實驗所需的藥品材料：工業用顯微鏡、21吋液晶螢幕、自製微孔盤²、鑷子、便利貼、簽字筆、五種金屬絲（鎂、鋅、鐵、錫、銅）、五種0.5M的鹽溶液（硫酸每、硫酸鋅、硫酸亞鐵、硝酸鉛、硫酸銅）。

四、氫鈷碘鋅銅氯元素提煉_水溶液電解反應

1.      抽籤或抽擲骰子(氫鈷碘鋅銅氯)抽取欲電解的四種電解質溶液。並提問欲製備的元素會在哪一極析出？

2.      氫氣的製備：取10毫升的硫酸鈉溶液倒入電解器中。裝置完成，隨後通入電流，觀察針筒中溶液的變化。3分鐘後停止電解，分別吸取針筒底座正、負極附近的溶液，加入兩支試管中，隨後滴入廣用指示劑2滴，觀察溶液的顏色變化。接著以針筒通過三向閥吸取兩極的氣體，針筒前端接矽膠管將氣體打入泡泡水中。打火機點火靠近泡泡，觀察泡泡變化。猜猜看這氣體是甚麼？

3.      碘的製備：取10毫升的碘化鉀液倒入電解器中。裝置完成，隨後通入電流，觀察針筒中溶液的變化。3分鐘後停止電解，分別由三向閥處吸取正極的溶液，加入試管中，隨後於滴入澱粉試液2滴，觀察試管的顏色變化？猜猜溶液中黃褐色的物質是甚麼呢？

4.      銅(鈷、鋅)的製備：取10毫升的硫酸銅(鈷、鋅)液倒入電解器中。裝置完成，隨後通入電流，觀察針筒中溶液的變化。3分鐘後停止電解，倒出溶液，拆除針筒觀察負極的變化？（猜猜看如何檢測這些金屬存在)

5.      氯的製備：取10毫升的飽和食鹽水倒入電解器中。裝置完成，隨後通入電流，觀察針筒中溶液的變化。3分鐘後停止電解。透過一小針筒，內置一碘化鉀澱粉試紙，由三向閥處吸取正極的氣體，觀察試紙的顏色變化？猜猜此氣體是甚麼呢？

圖5：圖左為蕭建華校長體驗電解活動，圖右為磁鐵靠近電極檢測鈷金屬的析出

實驗所需的藥品材料：包括電解水模組³、磁鐵、打火機、線香、1.0 M的硫酸鈉溶液10毫升、1M的碘化鉀10毫升、1M的硫酸銅（或硫酸鈷、硫酸鋅）10毫升、飽和食鹽水10毫升、1%的澱粉溶液。

五、兩性元素鋁的認識：鋰中有鋁

1.      將已在實驗室中拆開的磷酸鋰鐵電池自夾鏈袋中取出，包括正負極兩種不同的金屬片（事先刮除表面黑色物質），後供同學觀看。

2.      露出銀白色金屬；以剪刀剪開一小片放入多孔盤中備用讓同學預測如果該銀白色金屬是鋰的話，加入水中後，會有甚麼反應發生？

3.      隨後剪開一片金屬加入水中，觀察反應情況是否與預期相符合。

4.      如果與預期不符那這銀白色的金屬片又是甚麼呢？又該如何驗證呢？

5.      取一多孔盤，在其中一孔穴中滴入6.0M的鹽酸10 滴，接著滴入1滴的廣用指示劑，觀察顏色的變化。隨後剪開一小片金屬片放入孔穴中，觀察金屬片是否發生反應？

6.      承上，取一多孔盤，在另一孔穴中滴入6.0M的氫氧化鈉溶液10
滴，接著滴入1滴的廣用指示劑，觀察顏色的變化。隨後剪開一小片金屬片放入孔穴中，觀察金屬片是否發生反應？

7.      根據銀白色金屬片與強酸、強鹼的反應，是否可以判斷這金屬的身分？

圖6：磷酸鋰鐵電池的拆解，正、負極以鋁、銅金屬為集電板

實驗所需的藥品材料：磷酸鋰鐵電池、多孔盤、廣用指示劑、小剪刀、塑膠滴管、6.0 M的鹽酸10毫升、6.0M的氫氧化鈉10毫升、。

n  四項展品及活動學習單

    本次展覽另增加四項展品，包括：碳的同素異形體模型、五種金屬元素的莫耳質量、跟原子結構有關的陰極射線管、與提煉元素最相關的電解水器，除了簡介，並將相關知識融入學習單內。

 

圖7：圖左為展品體驗活動，圖右為學生問卷回饋單QRcode 連結。

n  後語

活動圓滿結束了，感謝本校自然科學研究社的同學能在期末考前擠壓出額外的時間來做體驗活動的實驗準備，頂著中午的飢腸轆轆與酷暑為同學來服務；感謝化學科慧文老師、孟男老師陪著學生作活動前的練習；更感謝台灣師大科學教育研究所邱美虹教授團隊的籌畫，提供了學生學習、體驗的平台。在此一併致敬。

n  安全注意及廢棄物處理

1.      磷酸鋰鐵電池是鋰離子電池的一種，屬於安全性較高的一種，但拆解前必須詳讀相關資料^{4, 5}。拆解過程必須非常小心，其中電解液屬於易燃物質，火花、高溫、水氣都有可能引發火災，教師或教師指導學生施作都必須做好完備的防護措施。

2.      氯氣對黏膜有極大的刺激性，雖產量極少，亦不可將收集針筒的注射口直對人的眼睛或鼻腔；實驗結束，宜用該針筒直接吸取少量陰極的鹼性溶液，輕輕搖晃筒身後，廢液依規定回收。

3.      所有實驗後的廢液，依規定回收處理。

n  參考文獻

1.      廖旭茂、黃維靜（2014）。行動電化學蝕刻─印台和金屬書籤的製作。臺灣化學教育期刊。期2。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=2174。

2.      廖旭茂（2019）。綠色化學實驗模組的設計與應用-2：金屬取代模組。臺灣化學教育期刊。期29。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=32145。

3.      廖旭茂（2019）。兩岸化學教育高峰論壇:綠色創客-2：霍夫曼微型電解水模組的設計與應用。臺灣化學教育期刊。期32。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=34798。

4.      鋰離子電池，https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion_battery。

5.      劉如熹、仝梓正、廖譽凱、胡淑芬（2020）。108年度諾貝爾化學獎與鋰離子電池之發明。物理雙月刊。https://pb.ps-taiwan.org/catalog/ins.php?index_m1_id=5&index_id=526。