臺灣化學教育

大學普通化學實驗室規劃與實驗課程：

彰化師範大學普通化學實驗教學

楊水平

國立彰化師範大學化學系
[email protected]

 

國立彰化師範大學化學系普通化學實驗室提供普通化學實驗、化學科教材教法、化學科教學實習及自然科學領域探究與實作專題等科目的教學場所。本文介紹兩方面：普通化學實驗室的儀器和設備，以及普通化學實驗的教學。

n  簡介普通化學實驗室儀器和設備

本系普通化學實驗室儀器設備分為：大型設備、小型設備、安全設備及實驗用儀器，簡介如下：

一、  大型設備

(一) 大型實驗桌8張和示範桌1張，每張實驗桌可供3-4組（1組2人）使用，如圖1所示。

 

圖1：實驗室有8張大型實驗桌

(二) 儲存櫃32個（在實驗室後面），作為存放儀器和中學化學實驗用儀器設備之用，如圖2所示。

 

圖2：實驗室有32個儲存櫃

(三) 藥品櫃1座（在實驗室後面）和1座排煙櫃，如圖3所示。固體藥品按照英文子母排序放在上層；液體藥品分為酸鹼液體、有機液體及配製溶液，固體小瓶裝放在下層。

 

圖3：實驗室有1座藥品櫃和1座排煙櫃

二、  小型設備

(一) 電磁加熱攪拌器27台，廠牌：Corning，型號有兩種，加熱最高溫度480°C，攪拌範圍：60～1100 rpm，如圖4所示。

 

圖4：實驗室有27台電磁加熱攪拌器

（圖片來源：https://rb.gy/guurdf 和 https://rb.gy/wxwca7）

(二) 電子分析天平7台，精確度0.0001 g，如圖5所示。

圖5：實驗室有7台電子分析天平

(三) 烘箱3台和超音波清洗機1台，如圖6所示。

 

圖6：實驗室有3台烘箱和1台超音波清洗機

(四) 水流抽氣幫浦3台和離心機4台；桌上型電腦和螢幕1組和單槍投影機1台。

三、  安全設備

(一) 淋浴洗眼器（在室外靠門邊）2座、滅火器15個（6個在室內和9個在室外周邊）及緊急應變用品櫃（在室外）2座，如圖7所示。

  

圖7：在實驗室內外的安全設備

(二) 化學實驗用防護面具46個，安全眼鏡50個。防飛沫防霧封閉式眼鏡/護目鏡（自備）。

四、  實驗用儀器

(一) 分光光度計8台

1.     分光光度計（Thermo Scientific GENESYS 150）1台，掃描波長範圍190 – 1100 nm，解析度：0.2-5 nm，如圖8所示。

圖8：實驗室有1台分光光度計GENESYS 150

（圖片來源：https://rb.gy/xyx3pz）

2.     分光光度計（Thermo Scientific GENESYS 10）2台，掃描波長範圍：190-1100 nm，解析度：± 1.8 nm，如圖9左所示。分光光度計（Thermo Scientific GENESYS 20） 2台，描波長範圍：325-1100
nm，解析度：± 2.0 nm，如圖9右所示。

 

圖9：實驗室有分光光度計GENESYS 10有2台和GENESYS 20有2台

（圖片來源：https://rb.gy/n0mezv 和 https://rb.gy/leav30 ）

3.     無線光譜儀（PASCO Wireless Spectrometer, PS-2600）3台，測量波長範圍：380-950 nm，解析度：2-3 nm，螢光激發波長：405 nm和500 nm，如圖10所示。

圖10：實驗室分光光度計3台PASCO Wireless Spectrometer

（圖片來源：https://rb.gy/voyngo）

(二) 酸鹼度計48台

1.     酸鹼度計（TES-1380K）18台，同時顯示pH和溫度值或電壓和溫度值，測量範圍：0~14
pH / 0~2000 mv / 0~100°C，解析度：0.001 pH，如圖11所示。

 

圖11：實驗室有18台pH計TES-1380K

（圖片來源：https://rb.gy/ylxmbd 和 https://rb.gy/icctos）

2.     酸鹼度計（EZDO pH Meter PH-5011A）30台，測量範圍：0-14.0 pH，解析度：0.01 pH，如圖11所示。

圖11：實驗室有30台EZDO pH Meter PH-5011A

（圖片來源：https://rb.gy/msdjiz）

3.     彈卡計（YOSHIDA Bomb calorimeter)，1台。

n  普通化學實驗教學

普通化學的教材內容以基礎的分析化學、物理化學及無機化學為主，以入門觀念的有機化學、生物化學及核化學為輔。本系普通化學實驗的規劃涵蓋有機化學、無機化學、分析化學、物理化學及生物化學的實驗，此外還加入與化學教育相關的實驗。

一、  教學目標

本課程的教學目標有四項：(1)從實際的操作實驗中，印證基礎化學的重要現象及理論，以及化學反應的基本原理；(2)熟練化學實驗儀器的操作技巧，並培養學生良好的科學態度；(3)熟練科學過程技能並培養科學探究的能力，並養成問題解決的能力；(4)研習有趣的化學實驗，用於社團服務和未來教師的中學化學教學。

二、  教學大綱

本系普通化學實驗課程的教學大綱有四項：(1)認識器材和儀器並熟練基本操作技巧；(2)重視實驗安全和廢棄物處理；(3)撰寫實驗報告內容和搜尋文獻資料；(4)熟練科學過程技能並培養良好的科學態度；(5)熟知實驗原理並熟練儀器操作過程。這門科目各單元教材詳見下面「上學期和下學期實驗教材」一節。

本系普通化學實驗所有上課教材均以數位方式存放在本校「雲端學院」網站上的「普通化學實驗」課程，這些教材來源有四方面：國外大學化學實驗網站、國內大學化學實驗網站、國內外期刊網站、以及自編教材。

三、  上學期實驗教材

(一)    安排項目

本系普通化學實驗課程主要項目及其時間分配：簡介課程大綱和教學進度表並整潔實驗室（1週），研習實驗安全和撰寫實驗報告（3週），實際操作各實驗單元（11-12週），實施期中實作考試和期末筆試（2週）。每學期的實驗單元會更新1-2個單元，以下僅就實驗教材作簡介：

(二)    實驗單元名稱、教材來源及屬性

表1：上學期普通化學實驗教材來源

(三)    實驗簡介

實驗1：指紋的認識、顯現與遊戲―指紋開鎖取得金幣

本實驗分為三方面：(1)認識指紋的類型與細節、(2)顯現指紋的常見技術和原理、及(3)指紋開鎖遊戲。顯現指紋有四種方法：(1)粉末法、(2)茚三酮法法、(3)硝酸銀法、及(4)氰丙烯酸酯法。在指紋開鎖遊戲方面，(1)知道遊戲規範、(2)應用顯現指紋的技術顯現提供的指紋、(3)利用顯像指紋的編碼打開四個夾鏈袋的密碼鎖取得金幣、

實驗2：由廢鋁罐製明礬

本實驗利用回收的廢棄鋁罐製備明礬，過程包含無機物合成及分離和純化，在操作技術方面：重力過濾、抽氣過濾、結晶的分離和純化、以及利用再結晶技術學習養晶技術。學生需要應用化學計量計算理論產率和實際產率。

實驗3：螢光素的合成和檢驗

本實驗以微量化學實驗方式，在濃硫酸的催化下，使用酞酐和間苯二酚合成有機化合物螢光黃。本實驗並未進行分離和純化，而直接用合成的混合物進行檢驗和鑑定。在不同酸鹼下觀察螢光黃和螢光綠的顏色和螢光強度、進行螢光放射光譜分析，並且製備螢光黏土。

實驗4：酚酞的合成及其四種形式的觀察和鑑定

本實驗以微量實驗方式，利用苯酚和鄰苯二甲酸酐，在濃硫酸催化下合成酚酞。在檢檢驗和鑑定方面，控制酚酞在極度酸性、酸性或中性、弱鹼以及極度強鹼的條件下，觀察其四種形式的顏色及其對應的pH值，並且利用分光光度計測量其吸收光譜。

實驗5：氣體三大定律實驗

本實驗以微量實驗方式，進行家用產品的操作並透過定性觀察和定量測量，讓學生發現波以耳定律、查理定律和絕對零度以及亞佛加厥定律，並讓學生熟練科學過程技能的學習。本實驗可在教室或家中進行實驗，適合Covid-19疫情下的實體操作實驗。

實驗6：反應熱的測定

本實驗利用自製的熱卡計來測定過氧化氫的分解焓，著重在學生對於科學過程技能中資料處理的學習。在學生進行實驗之前，教師示範「阿拉丁神燈」或/和「大象牙膏」，藉由觀察驚奇有趣的歧異事件，引起學生對於測定過氧化氫分解焓的興趣。

實驗7：酸鹼滴定和氧化還原滴定

本實驗主要目的是分析同一樣品時先後利用酸鹼滴定和氧化還原滴定，測定每一顆維他命C錠中含抗壞血酸、抗壞血酸鈉以及維他命C的毫克數。藉由抗壞血酸與強鹼反應，利用酸鹼滴定來測定維他命C錠中抗壞血酸的含量。藉由抗壞血酸和抗壞血酸鈉都是還原劑，能夠與碘分子反應，利用氧化還原滴定來測定維他命C錠中抗壞血酸和抗壞血酸鈉兩者的含量。

實驗8：錯合滴定—水的硬度及牛奶中鈣的定量

本實驗的目的是讓學生學習EDTA溶液的配製，利用高純度的碳酸鈣標定EDTA的濃度，以錯合滴定方式測定水的總硬度和牛奶中鈣的含量。本實驗也讓學生學會EBT在鈣和鎂金屬離子溶液中當作金屬指示劑的合適性。

實驗9：利用氣體分析法和重量分析法測定鐵線和鐵釘表面上金屬鋅的厚度和原子層

本實驗的過程分為兩方面：實際操作和問題解決。在實驗操作方面：(1)找出鍍鋅鐵線與鹽酸反應的最佳濃度；(2)自己組裝氣體分析裝置並嘗試初步試驗；(3)進行氣體分析法和重量分析法的正式步驟；以及(4)計算鍍鋅鐵線或鐵釘表面的鋅金屬厚度。在問題解決方面：(1)找出鋅原子堆積結構的種類；(2)畫出原子堆積結構圖，標記位於晶格中每一軸的每一邊長和原子半徑，並指出每一邊長內的鋅原子層；(3)找到鋅原子半徑的實驗值和計算值；以及(4)分別從氣體和重量法測定中獲得的實驗數據，計算鐵線或鐵釘鍍鋅的鋅金屬原子層數。

實驗10：模擬疫情期間在家進行酸鹼化學實驗

本實驗內容採用一篇JCE的文章，此篇提到在COVID-19大流行期間，南加州大學針對普通化學課程創建家庭實驗室計劃。這些實驗旨在僅使用家用產品，不使用特殊設備。活動分為三個階段。第一階段為探索階段，學生的工作任務是組裝必要的分析工具並開發這些工具如何操作的步驟。第二階段為應用工具來製作緩衝溶液和分析其緩衝容量。第三階段為測量NaHCO₃溶解的ΔH°和ΔS°。第一階段的三項計畫由學生組成三團隊執行，第一個團隊負責制定醋酸中和方案，並證明NaHCO₃可當作標準物用於酸鹼滴定。第二個團隊負責開發可當作酸鹼指示劑的方案，以及如何利用比色分析將RGB比率映射到pH值。第三個團隊的任務是利用第一和第二個團隊，配製酸鹼指示劑溶液並用它來進行NaHCO₃和食用醋的酸鹼滴定。本實驗每組僅進行第一階段的三項實驗。

實驗11：模擬疫情期間在家進行酸鹼滴定實驗

本實驗內容採用一篇JCE的文章，使用重量分析的酸鹼滴定法（gravimetric titration method）的家庭實驗，家用產品購買於雜貨店和零售店，以酸鹼滴定測定胃乳中氫氧化鎂的含量。食用醋或食品級檸檬酸溶液當作滴定劑，用來自天然資源中提取的食用色素當作終點判定的指示劑。使用精確度為0.01 g的廉價數字廚房天平，在滴定前後對添加的滴定劑進行秤重。由於在臺灣常用的四色一組的食用色素的成分為人工合成色素，因此學生改用紫色高麗菜萃取液替代，並用網路上紫色高麗菜的pH色圖當作指示劑的終點判定。

實驗12：鐵磁流體的合成與應用

本實驗學生透過溶液化學材料來製備鐵磁流體—一種含有直徑約10奈米小顆粒的液體，在存在磁場的情況下這磁流體會自發磁化。合成鐵磁流體的過程：(1)從氯化鐵和氨合成磁鐵礦奈米粒子，(2)磁鐵礦奈米粒子的分離，(3)用四甲基氫氧化銨穩定磁鐵礦，以及(4)用強力磁鐵觀察鐵磁流體的尖峰。

實驗13：期中實作評量：利用錯合滴定測定鐵線和華司表層鋅金屬的厚度和原子層

本實驗的過程分兩方面：實驗操作和問題解決。在實驗操作方面：(1)找出鍍鋅鐵線與鹽酸反應的最佳濃度；(2)配製鋅離子標樣品液；(3)進行測試滴定，推知使用鋅離子樣品溶液的合適體積；(4)根據正式滴定，測定鋅離子樣品溶液的濃度，進而推知鋅金屬的質量；並且在正式滴定的前後，測量鍍鋅鐵線或華司的質量；以及(5)計算鍍鋅鐵線或華司表面的鋅金屬厚度。在問題解決方面：(1)找出鋅原子堆積結構的種類；(2)畫出原子堆積結構圖，標記位於晶格中每一軸的每一邊長和原子半徑，並指出每一邊長內的鋅原子層；(3)找到鋅原子半徑的實驗值和計算值；以及(4)分別從重量和氣體法測定中獲得的實驗數據，使用鍍鋅的厚度和邊長，計算鐵線或華司鍍鋅的鋅金屬原子層數。

四、  下學期實驗教材

(一)    實施項目

本系普通化學實驗課程實施的主要項目及其時間分配：簡介課程大綱和教學進度表並整潔實驗室（1週），實際操作各實驗單元（13-15週），實施期中實作考試和期末筆試（2週）。每學期的實驗單元會更新1-2個單元，以下僅簡介實驗教材：

(二)    單元名稱、教材來源及屬性

 表2：下學期普通化學實驗教材來源

(三)    實驗簡介

實驗1：化學發光—魯米諾的實驗

本實驗有兩項驚奇有趣的化學實驗：(1)利用魯米諾偵測血液，和(2)化學發光龍捲風，兩者都是藉由化學反應發生螢光。前者是在噴霧瓶中先混合魯米諾、過氧化氫和氫氧化鉀溶液，然後噴灑魯米諾溶液在有血液的地方，由於血液裡的血紅素含有鐵離子當作催化劑，因此當魯米諾噴灑在有血液之處會放出藍色螢光。後者利用磁石攪拌溶液產生類似龍捲風的漩渦，再滴入另一溶液到原來的溶液中會產生化學反應而發出螢光，製造一個類比的龍捲風。

實驗2：金奈米和銀奈米的微量合成及鑑定

本實驗的目的是以微量實驗方式，合成並鑑定金奈米和銀奈米粒子。在金奈米粒子的微量合成方面，利用檸檬酸鈉當作還原劑，還原四氯金酸的金離子成為金屬金，檸檬酸鈉也當作穩定劑分散金奈米粒子，並使用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）當作穩定劑。在銀奈米粒子的微量合成方面，利用化學還原法來合成銀奈米粒子，利用氫硼化鈉當作還原劑，還原銀離子成為金屬銀。氫硼離子也當作穩定劑用於分散銀奈米粒子，並使用PVP當作穩定劑。這些奈米粒子的微量鑑定方面，有廷得耳效應、繞射、聚集、穩定和光譜分析等。

實驗3：從銀鏡反應到銀奈米粒子合成

本實驗分為兩方面：(1)利用銀鏡反應製作銀鏡瓶，和(2)利用另類多倫試劑合成銀奈米粒子並加以鑑定。學生以漸進過程方式先學會製作銀鏡瓶且對多倫試劑有相當瞭解，並且熟練操作銀奈米粒子微量合成和鑑定，再透過問題解決方式微量合成銀奈米粒子。在實驗前，學生的預習報告必須事先設計自己的構想。在實驗後，完整報告必須寫出實驗成功地找出合成銀奈米粒子的極佳條件以及具體且詳細的步驟；在鑑定方面使用如實驗3的方法。

實驗4：測定反應級數和反應速率常數

本實驗利用過硫酸根離子與碘離子反應生成硫酸根離子和碘分子，透過在反應溶液內加入限量的硫代硫酸根離子作為計時劑，利用初期反應速率法決定測得反應級數、反應速率常數和速率定律式。

實驗5：測定反應級數和活化能

本實驗利用過硫酸根離子與碘離子反應生成硫酸根離和碘分子，透過在反應溶液內加入限量的硫代硫酸根離子作為計時劑，利用以積分作圖法決定反應級數、反應速率常數和和速率定律式，以及改變反應溫度以測定活化能，並探討催化劑對反應速率的影響。

實驗6：探討濃度對熱失控誘導期和熱失控速率的影響

本實驗藉由鹽酸與鋁箔之間的反應，以發現學習法發現熱失控的誘導期和熱失控速率，其過程簡述如下：(一)實驗前的準備工作；(二)繪製最佳趨勢曲線和畫出外推線，並找出鹽酸濃度與溫度變化的關係；(三)發現鹽酸濃度對熱失控誘導期的影響：(1)找出鹽酸濃度的熱失控誘導期，(2)找出鹽酸最低反應濃度和鹽酸有效反應濃度，(3)描述鹽酸濃度與誘導期倒數的關係，以及(4)找出誘導期的速率定律常數。(四)發現鹽酸濃度對熱失控速率的影響：(1)找出並描述鹽酸濃度與熱失控速率的關係，(2)調查鹽酸與鋁箔的熱失控反應級數，以及(3)找出鹽酸與鋁箔的速率定律常數並寫出速率定律式。本實驗著重在科學過程技能的資料處理和詮釋。

實驗7：溶液酸鹼度及弱酸的解離常數

本實驗使用酸鹼度計並測定溶液中羥離子的濃度，藉以探討各種酸、鹼、鹽水溶液的pH值，並計算弱酸的解離常數。

實驗8：製備緩衝溶液和測定緩衝容量

本實驗的緩衝溶液包含弱酸及其共軛鹼，以及弱鹼及其共軛酸。本實驗學生探索緩衝溶液的特性：(1)緩衝溶液中成分的相對濃度，(2)添加強酸或強鹼對緩衝溶液pH值的影響，以及(3)稀釋對緩衝溶液和/或其成分的pH值影響。

實驗9：測定平衡常數

本實驗利用鐵離子與硫氰酸根離子之間反應生成硫氰酸鐵離子，此產物具有高強度顏色的特性。利用可見分光光度計，設定波長在447 nm，測量硫氰酸鐵離子溶液對光的吸光度。硫氰酸鐵離子的消光係數ε = 5030 M^‒1cm^‒1，可直接用於計算其濃度，進而計算得到反應的平衡常數。

實驗10：測定熱力學ΔH°、ΔS°和ΔG°的量

本實驗利用酒石酸氫鉀在水中發生離解反應，以酸鹼滴定方式測量酒石酸氫根離子在不同溫度下的溶解度。先測得在不同溫度下的平衡常數，然後從ΔG° = ΔH°− TΔS°= − RTInK導出延伸式子，或透過作圖，進而得知該反應三種熱力學ΔH°、ΔS°和ΔG°的量。

實驗11：比色法測定複合維生素中鐵的含量

本實驗透過比色法測定複合維生素礦物質膳食補充劑中亞鐵的含量。本實驗需要使用已知濃度的亞鐵離子溶液、複合維生素錠的溶解、製備pH 3.5的緩衝溶液、使用1,10-鄰二氮雜菲當作配位基、稀釋溶液至已知體積、以及配製得到的溶液，用比色法和製作檢量線，定量分析補充劑中亞鐵的含量。

實驗12：探討防曬乳的防曬效果

在紫外光照射下防曬乳中的維他命B2會發生分解反應而褪色。本實驗使用高純度的維他命B2（原文使用維大力汽水的估算濃度為7.5 ppm），配製成水溶液，觀測其在陽光照射下的顏色變化。在改變不同廠牌下，利用分光光度計分析維他命B2溶液照射太陽光後的吸收度，並探討其濃度隨時間的變化情形，測定不同廠牌的防曬乳阻隔紫外線的效果。

實驗13：常見食物營養成分和酵素的微量檢驗

本實驗的目的旨在讓學生連結化學與生活，操作實驗體驗生物化學的奧妙，以微量實驗方式，減少廢棄物的產生，建立綠色化學與永續發展的概念。藉由學生親自操作實驗了解生活常見的食物所含的重要營養成分（醣類、蛋白質、脂肪和酵素）。本實驗亦適合於中學學生於課堂或實驗室操作。

實驗14：胺基酸的定量分析

本實驗利用茚三酮（Ninhydrin）試劑使胺基酸衍生化成為有顏色的產物，利用分光光度計，設定特定的吸收波長（570 nm），測定胺基酸的含量。

實驗15：期中實作評量

本實驗是藉由鹽酸與鋁箔之間的反應，探討接觸面積對熱失控誘導期和熱失控速率的影響。其過程簡述如下：(一)實驗前的準備工作；(二)探討接觸面對熱失控的誘導期和熱失控速率的影響：(1)接觸面對熱失控誘導期的影響，(2)接觸面對熱失控速率的影響，(3)找出鹽酸與鋁箔反應熱失控期間的反應級數、反應速率常數和速率定律式。

n  參考資料

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