臺灣化學教育

創意微型實驗—可自動歸零的微型滴定裝置

方金祥^{1, *}、黃琴扉²

¹創意微型科學工作室
² 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
^*[email protected]

傳統式之酸鹼滴定裝置中所使用之滴定管皆是以玻璃材質製成的，在操作時一不小心很可能會被弄斷或弄破。一般滴定管可分為透明滴定管與棕色滴定管，前者適用於一般酸鹼滴定，而後者則適用於滴定劑見光易被分解者如過錳酸鉀之氧化還原滴定。滴定管之容積有50 mL，25 mL，10 mL等規格，其價格較為昂貴。為了克服傳統式之酸鹼滴定裝置在進行酸鹼滴定時添加滴定劑時不易歸零及滴定管易破之缺點，在本文中將以更安全更經濟的丟棄式塑膠移液管（每支價格約為10元左右）設計成「改良型塑膠滴定管」，以代替傳統式的玻璃製滴定管，並配合儲存或承接滴定劑的容器設計成兩套耗用藥品更少，手完全不會碰到任何一滴滴定劑（如鹽酸或氫氧化鈉），而且滴定劑之量取也可任意設定後自動定其量（自動歸零），而在滴定後剩餘在滴定管中之滴定劑（鹽酸或氫氧化鈉）又可自動使其回收再多次使用，此一「可自動歸零的微型滴定裝置」每套成本約為五十元至一百元左右。

用來盛裝滴定劑容器之材質分為軟式（可擠壓）及硬式（不可擠壓）而設計成兩套可自動歸零的微型滴定裝置，其詳細製作過程如微型滴定裝置（一）及（二）所述。

n  可自動歸零的微型滴定裝置（一）之設計與製作

(一) 材料與藥品

丟棄式塑膠移液管（Disposable transfer pipette, 10 mL） 1支、塑膠三通活栓（Top 3-way stopcock） 1個、單孔小塑膠塞 1粒、透明塑膠軟管（內徑2 mm、長60 cm） 1條、稀鹽酸（1 M） 600 mL、熱熔膠（槍） 1組、血壓球 1個、小型電動打氣機 1組、塑膠滴管（3 mL） 1支、透明塑膠軟管（內徑3mm，長20cm） 1條

(二) 設計與製作過程

1.        改良型微型滴定管之設計與製作

為了克服傳統式之酸鹼滴定裝置在進行酸鹼滴定時之缺點，因此本文中兩套微型滴定裝置中之滴定管將以比較安全的10 mL塑膠材質之吸量管設計成改良型微型滴定管，其設計與製作方法如下：

(1)     將一支10 mL丟棄式塑膠移液管之上面切掉3 cm，如相片一所示。

相片一：將丟棄式塑膠移液管之上面切掉3 cm

(2)     用熱熔膠將一粒塑膠三通活栓固定在塑膠移液管之下端，如相片二所示。

 

相片二：塑膠移液管下端接上塑膠三通活栓

(3)     另取一支3 mL塑膠滴管，用剪刀自滴管頭下方6 cm處剪掉，然後將其前端2 cm處在酒精燈小火上旋轉加熱之。

(4)     待塑膠滴管前端稍微自然彎曲時，迅將其自火焰上移開，經冷卻後向下彎曲而成「彎曲小滴管」，如相片三所示。

相片三：彎曲小滴管

(5)     在彎曲滴管的另一端接上一段2 cm長的塑膠小吸管，而成自製「彎曲滴管頭」，如相片四所示。

 

相片四：自製「彎曲滴管頭」

(6)     然後再將自製「彎曲滴管頭」直的一端接在塑膠三通活栓之側管，便組成一支「改良型微型滴定管」，如相片五所示。

 

相片五：改良型微型滴定管

2.        滴定劑承接容器之組裝

(1)     準備1個密封塑膠罐，如相片六所示。

相片六：密封塑膠罐

(2)     在密封塑膠罐的蓋子中央處挖1個小孔，另在其旁邊挖2個小孔，如相片七所示。

相片七：挖了3個小孔的密封塑膠罐蓋子

(3)     用紅熱之迴紋針將一粒硬質塑膠塞（取自三通塑膠活栓之附件）鑽一小孔而成單孔塑膠塞。然後再熱熔膠將此單孔塑膠塞固定在密封塑膠罐的蓋子中央之小孔上，如相片八所示。

 

相片八：單孔小塑膠塞（左）固定在密封塑膠罐的蓋子中央

(4)     取一條長約60 cm的透明塑膠軟管之一端，由塑膠蓋子上的1個小孔插入，並使其末端深入塑膠密封罐子的底部，並用熱熔膠將其固定之。然後再用熱熔膠將1根長約4 cm之硬質塑膠管固定在塑膠蓋子上的另1個小孔上，如相片九所示。

 

相片九：塑膠蓋子分別插入透明塑膠軟管與硬質塑膠管

(5)     將塑膠蓋子與罐子組合起來，然後再將相片五之「改良型微型滴定管」下方之塑膠三通活栓插在塑膠蓋子中央之單孔塑膠塞上。並把塑膠蓋子上方之塑膠軟管的末端由改良型的微型滴定管的上方插入，使其末端位在刻度「0」處，如相片十所示。

相片十：塑膠軟管的末端位在刻度「0」處

(6)     用一條長約20 cm的透明塑膠軟管，接一個血壓球或小型電動打氣機上，而透明塑膠軟管的另一端則接在塑膠蓋子上方之硬質塑膠管上，即組成第一套的「可自動歸零的微型滴定裝置（一）」，如相片十一所示。

  

相片十一：組裝完成之「可自動歸零的微型滴定裝置一）」

三、微型滴定裝置（一）之操作方法

1.        滴定劑（鹽酸）之定量量取

(1)     先將滴定管下方之塑膠三通活栓關閉成三不通的位置，如相片十一所示。

相片十一：關閉塑膠三通活栓成三不通的位置

(2)     打開密封罐的蓋子，將200 mL的1 M HCl溶液倒入密封罐中，然後再將密封罐的蓋子蓋起來（注意：蓋子需鎖緊一點）。

(3)     壓縮血壓球或打開小型空氣壓縮器電源開關，將存放在密封罐中之滴定劑，使其經由透明塑膠軟管至微型滴定管上方而進入滴定管中。

(4)     當流入滴定管中之滴定劑之量超過插在滴定管上方透明塑膠軟管之末端刻度「0」處上方時，便停止血壓球之壓縮動作或關掉小型打氣機之電源開關。

(5)     鬆開血壓球之控制扭或關掉小型打氣機之電源開關後，在滴定管中操過刻度零上方之過量滴定劑便會自動地經由透明塑膠軟管流回密封罐中儲存之，留在微型滴定管內之定量滴定劑便可自動歸零，以供酸鹼中和滴定之用，而儲存在密封罐內之滴定劑可以供下次實驗之用。

2.        酸鹼中和滴定之操作

(1)     打開滴定管下方之三通塑膠活栓成滴定管與彎曲滴管頭相通的位置，使滴定劑緩緩經由接在側管之彎曲小滴管，並先將彎曲小滴管充滿滴定劑，之後再將三通塑膠活栓關住，然後再重新歸零。

(2)     控制滴定管下方之塑膠三通活栓使滴定管與其下之滴定彎管頭相通之位置（相片十二），使滴定劑緩緩地經由接在側管之自製彎曲滴管頭逐滴滴入其下之加有指示劑（酚酞）之氫氧化鈉溶液中（注意：需不斷地搖動裝待測溶液之容器）。

相片十二：滴定管下方之塑膠三通活栓轉至滴定管與其下之滴定彎管頭相通之位置

(3)     當氫氧化鈉溶液之顏色發生變化（由紅色變成無色）後，便終止滴加，再由滴定管上方刻度讀出滴定劑之用量並加以記錄。

(4)     當實驗完了之後，剩餘在滴定管中之滴定劑（鹽酸）又可經由控制滴定管下方之塑膠三通活栓之開關至使滴定管與其下之滴定劑承接容器（塑膠密封罐）互通之位置，此時滴定劑變會自動地流回密封罐中，可將其儲存之以供下次使用，如相片十三所示。

相片十三：滴定管下方之塑膠三通活栓轉至滴定管與其下之塑膠密封罐相通之位置

n   可自動歸零的微型滴定裝置（二）之設計與製作

(一)材料與藥品

丟棄式塑膠移液管（Disposable transfer pipette, 10 mL） 1支三通塑膠活栓（Top 3-way stopcock） 1個、透明塑膠瓶（100 mL） 1個、透明塑膠軟管（內徑2 mm，長60 cm） 1條、廢棄光碟片（CD） 1片、塑膠移液管（3 mL） 1支、鹽酸（1 M） 100 mL、熱熔膠（槍） 1組

(二)設計、製作過程與操作方法

1. 設計、製作過程

(1)     取一個約100 mL的有蓋塑膠瓶子，並將其上之塑膠蓋子上突出之部分切掉1 cm，如相片十四所示。

  

相片十四：塑膠瓶（左）、蓋子（中）、尖端切掉1 cm（右）

(2)     用紅熱的迴紋針將一粒硬質塑膠塞（取自三通塑膠活栓之附件）的中央穿刺使其成為單孔塑膠塞，然後再用熱熔膠將此單孔塑膠塞固定在其蓋子上突出部分的正中央，如相片十五所示。

相片十五：單孔塑膠塞固定在其蓋子上

(3)     用熱熔膠將一片廢棄光碟片（CD）黏在塑膠瓶底部作為滴定裝置之底座（相片十六），使微型滴定裝置能很平穩地置於桌面上。

相片十六：供作底座用之廢棄光碟片

(4)     另在塑膠瓶靠近瓶口旁挖一直徑約5 mm之小孔，如相片十七所示。

相片十七：塑膠瓶靠近瓶口旁挖一小孔

(5)     取一條長約60 cm的透明塑膠軟管，將其一端穿入蓋子旁的小孔，並使其末端深入塑膠瓶子的底部，然後用熱熔膠將其固定之，如相片十八所示。

  

相片十八：塑膠瓶右上側挖一小孔後接一條透明塑膠軟管

(6)     將改良型微型滴定管（相片五）插在塑膠瓶上方蓋子上之單孔塑膠塞上，如相片十九所示。

相片十九：改良型微型滴定管插在塑膠瓶上方蓋子上之單孔塑膠塞上

(7)     將透明塑膠軟管的另一端由改良型微型滴定管之上方管口內插入，使其末端在刻度零的位置上。

(8)     依此步驟便可組合成第二套「可自動歸零的微型滴定裝置（二）」，如相片二十所示。

 

相片二十：可自動歸零的微型滴定裝置（二）

2. 操作方法

A. 滴定劑（如鹽酸）之定量量取

(1)     先將滴定管下方之三通塑膠活栓關閉之。

(2)     打開塑膠瓶子的蓋子，將 100 mL的1M HCl 溶液倒入塑膠瓶子中，然後再將塑膠瓶子的蓋子蓋起來。

(3)     將連接在塑膠瓶子上之透明塑膠軟管之末端由滴定管之上方插入，並使透明塑膠軟管之末端位於滴定管「0」刻度處。

(4)     利用手慢慢壓縮塑膠瓶子，使存放在塑膠瓶中之滴定劑經由透明塑膠軟管進入滴定管中。

(5)     當流入滴定管中的滴定劑之量超過插在滴定管上方之透明塑膠軟管之下端時，應即刻鬆手停止壓縮。

(6)     此時過量之滴定劑便會自動地經由透明塑膠軟管流回塑膠瓶子中儲存之。而留在滴定管內之定量滴定劑便會剛好位於滴定管「0」刻度處，如此便可供作酸鹼中和滴定之用，而儲存在塑膠瓶子內之滴定劑也可以供下次實驗之用。

B. 酸鹼中和滴定之操作

(1)     打開滴定管下方之三通塑膠活栓成滴定管與彎曲滴管頭相通的位置，使滴定劑緩緩經由接在側管之彎曲小滴管，並先將彎曲小塑膠管充滿滴定劑，之後再將三通塑膠活栓關住，然後再用手壓縮塑膠瓶子重新歸零。

(2)     再打開滴定管下方之三通塑膠活栓，控制滴定劑逐滴地由彎曲的注射針頭滴入其下加有適當指示劑之未知濃度的氫氧化鈉溶液（溶液呈現粉紅色）中，並加以搖盪使其混合均勻。

(3)     當氫氧化鈉溶液之顏色發生變化（溶液的顏色由粉紅色消失而變成無色透明）後，便終止滴定，由滴定管上方讀出滴定劑之用量並加以記錄。

(4)     當實驗完了之後，剩餘在滴定管中之滴定劑（鹽酸），可經由控制滴定管下方之三通塑膠活栓之開關，此時滴定劑會自動流回塑膠瓶子中，可將其儲存之以供下次滴定時使用。

n  微型滴定裝置之特點

本文中所設計的兩套可自動歸零的微型滴定裝置，皆具有微型實驗之特點：「體積小、時間省、反應快、效果好、易操作、很安全、動手多、趣味高、用藥少、污染低」等十大特點。

1.          器材簡單，成本低廉，每套成本約只需30～40元。

2.          製作容易，完成一套約需15分鐘時間。

3.          操作簡便、安全又節省時間。

4.          結果正確，耗用藥少、污染低。

5.          滴定劑可簡易地定量添加，方便、準確又安全。

6.          剩餘之滴定劑可直接將滴定管下方之三通塑膠活栓打開，使其僅上下相通而與其側管不通後，便可自動流回塑膠密封罐中儲存備用。

7.          實驗裝置為可拆卸，組合與整理存放都很容易又方便。

8.          裝置皆為耐酸鹼之塑膠材質組成，不易破損，質輕攜帶方便，在實驗室、教室或家裡甚至戶外皆可進行滴定實驗。

n  結語

由於微型化學實驗的推行，將能使每一位學生都各自擁有一套實驗裝置，在實驗課程中，每位學生在教師講解與演示之後，便可親自動手做實驗，以觀察化學反應的現象與實驗的結果，並加以思考、推理及分析，以便能得到最合理的結論。課後學生亦可利用時間，在家裡或戶外在多作幾次實驗，使其印象更為深刻如此更能激發學生學習化學或理化的興趣，也讓學生能充分發揮其思考和創造力。

另從環境保護及環境教育的角度去思考，由於我國的中、小學就有一萬多所，若再加上高中職校和大學院校那就更多了。如果各校都能依照化學或理化課程教材編寫的精神，勢必在每一單元都需要以實驗活動為主，配合理論的介紹，才能收到相輔相成的效果。而若每一實驗都得按照課本原先傳統（常規）設計的實驗來做，則因其所需耗用的藥品數量很多，實驗時所排放出來的廢氣或實驗後所產生的廢液、廢棄物等，必然會對實驗室及環境造成污染，進而導致實驗室內、室外空氣污染及甚而污染地下水等，為了保護環境是必須要將化學實驗從減量、減廢及減毒著手，在爾後的化學或理化實驗教學上，能多加使用微型化學實驗來配合，不僅對師生在上實驗課時健康有所保障，也能提高學習興趣和教學成效，亦正是對學生進行環保教育的一個很好的課題。

上述兩套「可自動歸零之微型滴定裝置」，皆係由便宜、簡單且容易取得的塑膠器材，再配合一些小零件，經設計後組合成實驗裝置，近幾年來在校外辦理多次的高中化學教師研習實做的結果，皆一致認為這些由利用塑膠材質組合成微型化學實驗教具在化學實驗教學上都非常實用、有趣。而且具有「小而省、快而好、易而安、多而高、少而低」等十大特點，實不失為以活動取向為主的創意化學實驗中不可或缺的實驗教具。國中自然與生活科技領域之教師或高中職化學教師在指導學生進行滴定實驗時，若採用可自動歸零的微型滴定裝置，必將使化學實驗教學更為生動、活潑且有趣，使教師更能樂於帶學生做實驗，也更能引起學生的操作實驗興趣及提升教學品質與成效。