臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan洪振方*、刁彭成
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
*[email protected]
電化學的歷史是從18世紀和19世紀之交伽伐尼（Luigi Galvani, 1737-1798）發現電和伏打（Alessandro Volta, 1745-1827）發明電池開始的。18世紀末，義大利波隆那大學解剖學教授伽伐尼在解剖青蛙時，發現了把解剖後的青蛙用兩種金屬與它接觸，只見蛙腿收縮了一下，伽伐尼認為動物體內有一種動物電，它會促使神經肌肉運動。伽伐尼的實驗給義大利物理學家伏打以重大啟示，重複並研究伽伐尼的實驗，伏打認為這不是動物電，而是物理電現象，蛙腿僅僅起到驗電器的作用，它的收縮表明回路中有電流通過。伏打認為，換一個別的東西代替蛙腿，應當也會產生電流。他把兩種金屬（例如鋅）相互接觸，中間夾上用鹽水浸透的吸墨紙，無需蛙腿也會產生電流。伏打在重覆和檢驗伽伐尼的發現中製成了能夠產生電流的電池。但伏打卻從來沒有去注意在電池放電的時候有什麼化學過程伴隨著發生了，而英國的科學家立即用這種新裝置來研究電引起的化學反應。
圖1：Luigi Galvani（賈法尼）
（圖片取自：https://en.wikipedia.org/wiki/Luigi_Galvani）
圖2：Alessandro Volta（伏打）
（圖片取自：https://en.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta）
n 用伏打電池做電解水實驗
1800年伏打發明了電池，就在這一年，英國的兩位科學家尼科爾森（William Nicholson, 1753-1815）和卡里斯爾（Anthony Carlisle, 1768-1840）將伏打電池的兩極通入水中，使水中通過了電流，出現了奇特的現象，水被分解成氫氣和氧氣兩種氣體，且分別出現在兩個電極上。電解水實驗很快就傳到了世界各地的實驗室，科學家深受這個實驗的鼓舞和啟發。隨著研究的深入，科學家們發現在電解水的同時，在陽極附近的水中總有酸性物質產生；在陰極附近總有鹼性物質產生。英國化學家戴維（Humphry Davy，1778-1829）認為水是由氫和氧合成的，水分解的產物也只能是氫和氧，電解過程中產生出來酸和鹼可能是由於水的不純。於是他以蒸餾水來做試驗，並事先用氫氣趕盡水中的空氣，果然消除了這種現象。在尼科爾森和卡里斯爾電解水的實驗公布以後的六年之內，並無一位化學家注意到上述問題，恰恰是戴維解釋了這一疑難。
圖3：Humphry Davy（戴維）
（圖片取自：https://en.wikipedia.org/wiki/Humphry_Davy）
既然水可以被電解，那麼其他物質通電同樣會被分解嗎？戴維認為這是一個值得研究的課題，於是他集中精力開始了實驗。戴維提出利用電解作為一種化學分析的方法，還討論了電解時溶液中物質的傳輸問題。他以硫酸鉀進行試驗，在浸入陰極的試管中放入硫酸鉀溶液和薑黃指出劑；在插入陽極的試管中則放蒸餾水及石蕊指示劑，兩試管中的液體用石棉纖維接通。當通電後，在插入陽極的試管中出現了硫酸，顯然它是由陰極附近的硫酸鉀解離後，經過石棉纖維游動過來，這表示陽極有吸引硫酸的作用。後來，他又用類似的實驗，證明陰極有吸引鉀鹼的作用。戴維證明了電解過程中，物質是在傳輸的。
n 戴維從伏打電池的原理中找到了捕捉元素的新方法
1807年，戴維用250對金屬板製成了當時最大的伏打電池，以便產生強大的電流。起初，他用碳酸鉀的飽和溶液進行電解，結果在電池兩極分別得到氧氣和氫氣。這和電解水的結果一樣，戴維認為是水溶液中的水存在的緣故。因此，他決定排除水的干擾。隨後他改用熔融的碳酸鉀，在密閉的容器中通電，熔融的碳酸鉀發生明顯變化，並有固體小顆粒產生。戴維把這種金屬顆粒投入水中，開始時它在水面上急速轉動，發出嘶嘶的聲音，然後燃燒放出淡紫色的火焰。他確認自己發現了一種新的金屬元素，將它命名為「鉀」。第二年，他又用電解的方法製得了金屬鈉、鎂、鈣、鍶、鋇和非金屬元素硼和硅，戴維成為化學史上發現元素最多的人。
n 用電解法發現酸的氧元素說的錯誤
在研究用電解的方法從碳酸鉀、碳酸鈉和碱中離析出這些化學元素的過程中，戴維又遇到了另一個疑難的問題，他發現鹼乃是一種氧化物，但是如果要把酸說成是含有氧，又使他感到困惑不解，因為當時人們根據拉瓦錫的觀點，所有酸中都含有氧。戴維在研究碲的化學性質時發現碲化氫是一種酸，但是它並不含有氧，使他開始懷疑起氧是否存在於所有的酸中。為了找到更多的證據，1810年，戴維便開始研究起鹽酸(HCl)。按照拉瓦錫的觀點，鹽酸中應該含有氧，因此，氯不是一種元素而是氧化物。然而，當時的化學家們想了很多辦法也沒有從鹽酸或氯氣中找到氧。
剛剛用電解方法發現了多種元素的戴維決心挑戰這一難題。通過一系列精心設計的實驗，戴維始終無法從氯氣或鹽酸中分離出氧，於是他確認氯是一種元素，並將這種元素命名為「氯」。由此，戴維認為酸中都含有氧這個觀點是錯誤的，比如鹽酸中就不含氧，氫才是一切酸類不可缺少的要素。經過一段時間的檢驗，人們接受了戴維的觀點，酸的氫元素說取代了錯誤的酸的氧元素說。從此，人們對酸的本質有了更為正確的認識。
n 戴維創立了氧化還原反應—電解法
在戴維之前，人們雖然已經知道有鉀、鈉等元素的存在，但是由於這些元素十分活潑，在化合物中結合得十分牢固，通常的化學方法，無法使它們離析出來。然而，戴維卻能以敏銳的眼光，看出伏打電池在能源之外的用途，它還是強有力的氧化—還原工具，他創立了化學上最強大的氧化還原反應—電解法，一切活潑的金屬或非金屬都可以用這個方法，把它們從化合物中析離出來。
參考資料
1. 洪振方 (2000)。近代科學的進展。台北：台灣書局。
2. 趙匡華 (1992)。化學通史。新竹：凡異出版社。
3. 胡作玄譯 (2003)。化學簡史。原作者J.R.柏廷頓(James Riddick Partington)。桂林：廣西師範大學出版社。
4. 劉輝、池亞芳、陳琳譯 (2016)。化學史。原作者托馬斯．湯姆森(Thomas Thomson)。北京：中國大地出版社。
大型印台和銅板電化學蝕刻製作
廖旭茂
台中市立大甲高中
本實驗影片由大甲高中提供。
影片網址：https://youtu.be/550XCWugER8, YouTube.
n 簡介
利用電解蝕刻法(Electrolytic Etching)，在外通直流電下，讓不易氧化的金屬或合金在電解質溶液中被電解氧化成離子，進而使金屬表面出現具有凹凸對比的立體圖案。目前也有幾種微型的電解蝕刻教具，應用在中學的教學上，而廣受歡迎[1][2]。
「所有的IDEA都是來自需求」，筆者任教的學校去年完成了一座大型的戶外裝置藝術_搖滾巴克球2.0，為了在不鏽鋼底座烙印紀念logo字樣，原打算使用金屬雷射來雕刻，惟量體過大，特殊加工價格過高，遂打消了原有的方案。後來想到電解蝕刻法，原有的可攜式的微型蝕刻工具顯然派不上用場，於是開始著手大型蝕刻印台的開發，歷經數月才完成。下圖1和圖2為搖滾巴克球外觀與logo蝕刻過程。
圖1 搖滾巴克球裝置藝術外觀
圖2 電化學蝕刻過程
大型的電解蝕刻，除可在銅或合金上進行藝術創作外，亦可設計為特色選修課程教學活動。學生可以事先以奇異筆在金屬板材勾勒出線條，再繪製圖案；或透過雷射印表機將選定的圖案印到光面紙上(如貼紙用的離型紙)，以電熨斗熱轉印到金屬板上；亦可以先設計好的文字或圖案的數位檔，利用割字機輸出卡典西得膠膜。最後將此金屬板置於沾濕電解液的不織布下，通入直流電，大型印台的導電平台與電源負極連接，未被碳粉或奇異筆墨遮蓋的部分(卡典西得上鏤空的部分 )與直流電正極連接，鏤空部分隨即被氧化侵蝕凹陷，被遮蓋的部分，則維持不反應；電解蝕刻結束再將碳粉或筆墨清洗乾淨，完成蝕刻活動。
n 藥品與器材
本實驗所需相關材料，如圖三所示。
1. 雷射切割機
2. 電鑽平台含3.3 mm鈷鋼鑽頭(不鏽鋼板導孔用)
3. 螺絲攻含4 mm 鑽頭
4. 8 mm壓克力板
5. 矽利康膠
6. Φ=4 mm (長16 mm)不鏽鋼圓頭螺絲及螺母
7. 雙頭鱷魚夾電源線紅黑各一條
8. 厚2 mm，長10 cm×寬10 cm正方形不鏽鋼板（或黃銅板）一塊
9. 砂紙（400#）一張
10. 壓克力膠一罐
11. A4離型紙(熱轉印用)一張
n 實驗步驟
一、大型蝕刻印台的製作
1. 在繪圖軟體Illustrator 繪製蝕刻壓克力平台，中間為定位孔 (亦可為壓克力平台握把固定孔)，中間偏右方的圓孔為圓頭螺絲導孔，綠色的部分為雷射雕刻處。下圖為印台的設計圖。
圖3 Illustrator軟體輸出的設計圖
2. 將8 mm厚的壓克力板，放置雷射切割機內，將原圖的檔案，匯入切割軟體RDWORKS內，完成切割功率與速度的設定，開始切割。下圖4為雷射切割過程。
圖4 雷射頭聚焦加熱切割壓克力板
3. 將一塊10 cm × 10 cm大小的不鏽鋼板放在雷射雕刻過的方型區域，接著翻面跟壓克力板一起固定在電鑽平台上，最後以鈷鋼鑽頭，在中間偏右孔位鑽出一個直徑3.3 mm的圓孔。注意，為順利在金屬板上導孔，鑽銑過程必須添加金屬專用切削油。下圖5為電鑽鑽孔過程。
圖5 大型蝕刻印台電極螺絲孔的導孔
4. 將上述鑽完的壓克力板取下，小心清理金屬碎屑，再次將壓克力印台固定於桌面，以螺絲攻，鑽銑出M4大小的螺牙(見圖6)。
圖6 螺牙鑽銑過程
5. 用清水將壓克板的雷雕區清洗擦乾，塗上矽利康膠，均勻抹平後，再將不鏽鋼板置入雷雕區，稍加按壓後，平放在桌面。相關製作如下圖7所示。
圖7 壓克力板與不鏽鋼金屬板的黏著
6. 待矽利康膠乾後，取一圓頭螺絲從壓克力面鎖入，並以一螺母固定，做為連接電源的電極。注意螺絲穿越金屬板後，與板平面切齊，切勿突出板面。相關製作如下圖8所示。
圖8 電極螺絲的固定圖
7. 為簡化工序，可直接在中間定位孔上方，以壓克力膠黏著一支直徑2.5 cm，長10 cm的壓克力圓柱作為印台的握把。亦可從壓克力板後方鎖入一根螺絲，連結壓克力圓棒(壓克力板及圓棒皆需事先鑽銑出適當大小的螺絲孔)。下圖9為完成的大型電解蝕刻印台。
圖9 組裝完成的蝕刻印台
二、圖騰轉印的製作
蝕刻的圖騰可以割字機輸出事先設計好圖案的卡典西得膠膜，亦可以用參考電路板熱轉印的方式製作方式蝕刻圖騰[3]，其做法如下所示：
1. 以影像軟體Photoshop開啟一張事先下載的黑白圖片，經轉換為負片模式後並存檔。雷射印表機紙匣中，置入A4離型紙，印出適當大小的圖案。
2. 取一片預先以酒精擦拭光亮的銅板，將離型紙的印刷面放置其上，打開電熨斗，加熱離型紙約2~5分鐘後，掀開紙片的一個角落，看看轉印的結果。若尚未完全轉印，可持續加熱一兩分鐘，或以油性奇異筆描繪缺陷處。下圖為影像熱轉印置銅板的結果。
圖10 圖案轉印有些需碳粉殘留在離型紙上
3. 將鉛蓄電池的負極（黑線導線）以電源線鱷魚夾與大型蝕刻印台的圓形電極螺絲連接，電源的正極（紅線導線）以銅片的轉印面朝上，上方放一片事先沾滿硫酸鈉溶液的擦拭不織布，手握圓棒，將大型蝕刻印台放在不織布上，電源的正極（紅線）以鱷魚夾夾住金屬片。電解蝕刻時間1分鐘，仔細觀測電解過程中棉布上所發生的變化(見圖11)。
圖11 在電化學蝕刻中，棉布上出現泡泡，應為氫氣。
4. 移去電源，以鑷子夾起棉布，上殘留藍色及棕色的字跡。以乾棉布輕拭金屬片表面，接著用丙酮擦拭轉印的碳粉。以乾棉布沾少許研磨劑，沿同一方向推拭至金屬表面光亮即可。下圖12為蝕刻完成圖。
圖12 銅板蝕刻圖
n 原理與概念
本實驗係利用電化學電解原理，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，隔著以鹽水沾濕的棉布，數分鐘內隨即完成電化學蝕刻實驗。若蝕刻的金屬為銅片，則其兩極的反應，如式[1]和[2]所示：
陰極（負極）（–）：2H2O(l) + 2e– → H2(g) + 2OH–(aq) [1]
陽極（正極）（+）：Cu(s) → Cu2+(aq) + 2e– [2]
———————————————————————————-
全反應：2H2O(l) + Cu(s) → H2(g) + 2OH–(aq) + Cu2+(aq) [3]
2H2O(l) + Cu(s) → H2(g) + Cu(OH)2(s) [4]
在電化學蝕刻後移去電源，以鑷子夾起棉布，上殘留藍色及棕色的字跡，研判應為陰極（負極）生成的氫氧根離子與銅等金屬離子生成氫氧化物的沉澱，其反應如式[4]所示。
n 安全注意及廢棄物處理
l 本實驗使用完畢的化妝棉，因沾有少許重金屬，請依實驗室廢棄物規定，統一回收處理。
n 參考資料
1. Ectching，106年6月10日參考自http://en.wikipedia.org/wiki/Etching.
2. 廖旭茂 (2013)。家庭化學實驗：行動電化學蝕刻。科學研習月刊，52(11)，16~19。
3. Suen, R. (2009)。碳粉熱轉印法 (Toner Transfer) 製作 PCB製作方法介紹及能力測試。106年6月10日自參考：http://www.qsl.net/bv3fg/tech/TTPCB.htm
武陵高中多元選修課程模組：彩色化學篇 ／ 張明娟
星期二 , 4, 7 月 2017 化學課程與教學, 第20期/2017年7月 在〈武陵高中多元選修課程模組：彩色化學篇 ／ 張明娟〉中留言功能已關閉武陵高中多元選修課程模組：彩色化學篇
張明娟
國立武陵高級中學
教育部高中化學學科中心
前言
天下雜誌2010年調查1：國中生最不喜歡的科學學科是「數學」，高中生則最不喜歡「化學」，近四成學生「都沒做過」科學實驗，顯示台灣科學教育實作太少。身為化學教師的我，一直引以為戒；然而化學是一門實驗科學，做中學學中做，因應新課綱發展多元選修課中，因為是放在高一試跑的一門選修課，如何讓學生有興趣，且老師在原有的課程中不會有太大的負擔，實驗原理以簡單國中曾經學過的出發，重點放在實驗技能的訓練，引發學生學習興趣；然而高一學生化學背景較少，在國中階段大多從未做過實驗，筆者調查過學生中，8成以上都是黑板實驗，因此這門選修課除了實作外，評量部分該如何進行也是這門課的重點。學生大多喜歡以競賽的方式獲得成就感，因此筆者從學科中心的化學闖關中－競賽評分標準中，發展出屬於這門選修課的評分方式(佔70%)，再加上學習單的完成(30%)。此選修課一學期2學分，選修人數上限24人，便於分組，以三次段考為區分，有三個課程模組，筆者發展的課程模組主要是以彩色化學為主題，藉由顏色繽紛引發學生興趣，分別是｢彩色化學之我最精密｣與｢彩色化學之我最準確｣。
課程模組一：｢彩色化學之我最精密｣
2012 年由化學學科中心辦理的高中生「化學創意實驗闖關比賽」2中，其初賽題目(二)：我最精密。原實驗說明如下：參與者自行配製不同密度的食鹽水並自行添加不同顏色(水彩)，將不同顏色的食鹽水倒入量筒中，利用食鹽水密度不同，使溶液分層，每個分層至少需 1.5 公分，顏色分層須清楚。筆者在帶學生參與比賽過程中，發現學生必須使用較大量的廣告顏料或水彩，而造成汙染(因顏料內含重金屬)。為了符合綠色化學精神，此課程模組把紫色高麗菜作為顏色的來源，並導入酸鹼指示劑的概念。這個模組操作時間為3週共6節課，其內容分別敘述如下：
第一週：
分組：先花約20分鐘分組，因為選修的學生來自各班，可以將鄰近班級的學生分成同一組，讓彼此方便於課後討論聯絡，選出組長並留下各組組長的聯絡方式，便於老師通知學生。再花約30分鐘介紹進實驗室的安全流程，因為學生來源是高一，大多未進過實驗室，利用這段時間介紹實驗室注意事項與實驗室安全守則，也把實驗室環境介紹，器材的擺設位置，接下來說明此次實驗會使用到的實驗器材及使用方式(圖1)。
圖1：實際上課使用的PPT
第二節課給學生實驗流程，讓學生分組討論後自行拿取實驗器材與實驗藥品，公共藥品區放置0.2 M氫氧化鈉2 L、0.2 M鹽酸2 L溶液與一顆紫色高麗菜，其實驗流程如下：
實驗流程
1. 自製酸鹼指示劑(紫色高麗菜汁)
將紫色高麗菜約50克剪碎後以熱蒸餾水50 mL浸泡約5分鐘，過濾後冷卻至室溫備用。
2. 酸鹼稀釋
使用安全吸球與吸量管吸取10mL的0.2 M鹽酸或氫氧化鈉水溶液置於100 mL容量瓶中，加蒸餾水稀釋至標線處，即為0.02 M鹽酸或氫氧化鈉水溶液。
3. 指示劑變色範圍
(1) 在1號試管內加入5 mL的0.2 M鹽酸水溶液與5 mL紫色高麗菜汁溶液
(2) 在2號試管內加入5 mL的0.02 M鹽酸水溶液與5 mL紫色高麗菜汁溶液
(3) 在3號試管內加入5 mL的蒸餾水與5mL紫色高麗菜汁溶液
(4) 在4號試管內加入5 mL的0.02 M氫氧化鈉水溶液與5 mL紫色高麗菜汁溶液
(5) 在5號試管內加入5 mL的0.2 M氫氧化鈉水溶液與5 mL紫色高麗菜汁溶液
老師可趁此時間到各組去了解學生拿取的器材(圖2)，詢問拿取的原因為何，按照實驗流程可得到5管不同的pH值酸鹼溶液，其pH值為若干。
圖2：上課情況與學生作品
第二週：接續上週課程，學生除了調配不同pH值紫色高麗菜汁外，試著加入不同重量的食鹽(圖3)，在量筒內做分層實驗：
圖3：上課PPT與學生作品
學生在這兩節課經由討論、實作找出最佳條件，以利下週成績評比，並利用此時間完成學習單，因為此課程為選修課程，所有的作業或學習單都要求學生在課堂中完成，不須占用課餘時間(圖4)。
圖4：學生於上課完成的學習單
第三週：老師告訴學生評分標準，並規定於下課前20分鐘完成實驗(圖5、圖6)。
圖5：評分標準語學生上課實況
圖6：學生成品
課程模組二：｢彩色化學之我最準確｣
2010 年由化學學科中心辦理的高中生「化學創意實驗闖關比賽」中，其初賽題目(一)：就是恰好遮住你，其原實驗說明：利用培養皿內的化學反應產生的硫沉澱，在指定時間第n分鐘整恰好遮住桌上的黑色圖案記號。(n=3～10，比賽時現場公布過關時間)有了上個課程模組，學生已經學會了稀釋溶液的實驗技能，這個實驗就可以找出最佳實驗濃度比例，在規定的時間內準確的蓋住黑色圖案記號，理論上學生在國中實驗中應對此實驗感到熟悉，但實際上課過程中，學生反應的確聽過但沒做過此實驗，且對化學反應方程式不熟悉，因此在此課程模組中一樣利用3週6節課，分別敘述上課內容如下：
第一週：
先說明實驗原理並讓學生分組討論所需的實驗器材，公共藥品區放置0.2 M硫代硫酸鈉2L、0.2 M鹽酸2 L溶液與洗碗精溶液100 mL，學生討論後將所需藥品數量與器材與老師確認後，即進行實驗(圖7)。
圖7：上課PPT
第二週：延伸上週的實驗，學生須完成學習單並找出最佳配方，以利下週評分(圖8)。
圖8：實驗裝置A與C(添加數滴清潔劑)與學習單
第三週：因硫粒子遮住的時間點，隨著觀測者不同而有人為誤差，因此在評分時，就以老師為觀測者，這樣也避免分數的爭議(圖9)。
圖9：實驗內容說明與評分標準
結語
此選修課程模組除了受學生喜愛外，又可讓老師在準備實驗材料不至於太困難取得，筆者推薦大家可以從化學學科中心取經；化學學科中心已經拍了兩百多部的趣味實驗影片4，都可以從影片中加以修改成適合自己學校的選修課程，實驗影片內也大多把實驗條件說清楚了，都是可操作的實驗，希望讀者在開發屬於自己的選修實驗可先看看這些影片，相信對研發教材者會有很大的幫助。
參考資料
1. 天下2010中學生科學教育大調查，20170716取自天下雜誌網址: http://www.cw.com.tw/article/article.action?id=5008245
2. 高中化學學科中心–闖關比賽。20170716取自網址：http://chem.kshs.kh.edu.tw/
3. 十二年國教自然科學領域課綱草案。20170716取自網址：http://www.naer.edu.tw/files/15-1000-10469,c1174-1.php?Lang=zh-tw
4. 高中化學學科中心影片，20170716取自網址: https://www.youtube.com/user/TMCTorg/playlists
化學玩金術創作飾品
劉曉倩
國立彰化高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]
n 錫的故事
西元1812年六月拿破崙帶領六十七萬大軍東征俄羅斯，然而這支堪稱史上最雄壯的隊伍卻在短短幾個月時間只剩兩萬人。殘兵敗將在同年十二月從莫斯科撤退，拿破崙宣稱敗給俄國的冬天，因為士兵在嚴冬、飢餓及疾病中潰不成軍，此次戰爭對於拿破崙在歐洲版圖的消長帶來極大影響，大軍在戰爭中損失慘重，並且再也沒有恢復士氣。
為什麼拿破崙的軍隊會在極短時間內潰不成軍呢？主要原因是士兵感染斑疹傷寒所致，這些斑疹疾病經由虱子傳播的，當時軍隊的衛生環境非常惡劣，所以虱子的傳播速度非常快，士兵們很快就因為軍隊裡衛生習慣不佳，患上了斑疹傷寒而一個個倒下。其次還有一個很特別原因是「鈕釦惹的禍！？」因為當時軍隊士兵所穿的外套、長褲甚至軍靴的鈕扣都是錫製的，一旦溫度下降，這些閃亮亮的錫製品就會逐漸變得黯淡無光，甚至開始瓦解成錫粉！雖然英勇又聰明的拿破崙應該不至於犯下這種錯誤，但是這個有趣的傳聞卻突顯了「錫」這個化學元素在歷史的定位。
回顧中國歷史，遠在青銅器時代（商朝），考古學家就以使用青銅器當作人類文化發展的一個重要階段，青銅是銅和錫的合金，因為其氧化物顏色青灰，故名青銅。由於青銅的熔點比較低，約為800℃，硬度又高，所以容易熔化和鑄造成型，當時主要以製作農業工具及武器為主。
這些隱藏在元素背後的歷史故事，讓我們在看待金屬元素時多了想像力，也增添了很多學習樂趣，Chemistry一詞源自於古希臘語，意指金屬的熔解與提煉的意思，因此學會掌握金屬的創造方法，正是呼應古老煉金術的精神！本文以錫金屬為例，師生透過實作過程循序漸進了解金屬，學會將日常生活器材改造成實用的工具，用以溶解金屬、自製模具並創作獨一無二的藝術作品，實現「Chem is try」玩金術！
n 錫的理化性質和用途
一、 錫的一般性質
錫的化學符號是Sn，原子序50，與碳、矽、鍺等同族金屬。純的錫有銀色的金屬光澤，且擁有良好的伸展性，活性比鐵要小，在空氣中不易氧化，因此常被用來作為其它金屬的防鏽表面處理，錫的重要應用是製合金，例如青銅、焊錫、鑄字合金、低熔點合金等，其中最為學生熟悉的是做馬口鐵，也就是在鐵表面鍍上一層錫保護層，馬口鐵被大量應用於罐頭工業。
錫被稱為古代金屬之一，古人使用錫金屬製作生活用品，因為其可以被高度拋光，且錫表面會形成保護性的氧化層，防止進一步的氧化。金屬錫即使大量被使用，毒性也很低，但是一些有機錫化物的毒性卻非常高，尤其是錫的三烴基化合物常被用作船的塗料漆，用以殺死附在船身上的微生物和貝殼，然而這些化合物卻也可以用來摧毀含硫的蛋白質。
二、 錫的物理和化學性質
常溫常壓下錫有二種同素異形體，主要是以灰錫（α錫）、白錫（β錫）的狀態存在。在室溫下，常見的是銀白色金屬白錫，富有延展性，比重較灰錫為重。當溫度降至13.2℃以下，它會慢慢變為粉末狀的灰錫，灰錫的晶體結構與鑽石、矽和鍺類似，屬於鑽石型晶體結構，如此一來錫金屬間產生類似共價鍵結構，電子不能自由轉移，所以延展性消失，呈現暗灰色的粉狀。
錫是兩性金屬，主要生成+2和+4價的氧化態，常見的化學反應如下：
(1) 錫會溶於稀鹽酸，生成氯化亞錫（Tin(II) chloride），其反應如式[1]所示：
Sn(s) + 2HCl(aq) → SnCl2(aq) + H2(g) [1]
(2) 錫能溶於氫氧化鈉溶液中，生成錫酸鈉（Sodium stannate），其反應如式[2]所示：
Sn(s) + 2NaOH(aq)+ 2H2O(aq) → Na2[Sn(OH)6](aq) + H2(g) [2]
n 玩錫金屬創作飾品
化學的英文「Chemistry」起源於煉金術Alchemy一詞，即使是現代化學使用的許多儀器、實驗方法其實都是煉金術士的發明，而煉金術的符號系統也常被化學界採用，例如加熱符號「△」就是煉金術中火元素的記號。煉金術的實驗過程奠定了歐洲現代化學的基礎，即使偉大如牛頓都無法擺脫對鍊金術的迷戀，時至今日我們了解到，無法從一般金屬煉製成黃金，但是卻也可以利用錫熔點低的特性，創造出獨一無二的作品，體驗煉金術的過程呢！
所謂「金屬鑄造」是指金屬加熱到熔化後，倒入特定形狀的鑄模，待其冷卻凝固成形的加工方式，而鑄模的材料可以是厚紙板、石膏、鋁箔紙…等等，自由發揮創作。
一、 煉金術基礎工具及材料
1. 不鏽鋼大湯匙（金屬材質要薄且把柄有隔熱為佳）
2. 金屬鑷子
3. 尖嘴鉗
4. 粗鐵絲或金屬線
5. 強力點火槍
6. 可透過翻模再次設計成作品的現成物（如貝殼、植物種子…等等）
7. 棉質手套
8. 鋁箔紙
9. 免洗碗（回收再利用，攪拌石膏漿用）
10. 鉀肥皂（脂肪酸鉀）（塗抹於複合材料表面（貝殼或種子表面），避免其在石膏模具上黏住，方便脫模，一般液體皂即可。）
11. 翻模外框（鳳梨酥烘焙模具、硬紙框、木框均可）
12. 石膏粉（(CaSO4)2‧H2O）
13. 美工刀
二、 實驗步驟
(一) 熔錫湯匙加工
1. 以尖嘴鉗將不鏽鋼大湯匙摺出一個錫金屬流出口。
2. 在大湯匙的合適處，以粗金屬線（或粗鐵線）製作一個湯匙立架，方便在熔錫過程中讓湯匙站立不傾倒。
3. 準備平面石塊或磚頭，方便湯匙待涼，如圖1所示。
圖1：熔錫用大湯匙加工成品
(二) 石膏模製作
1. 使用鳳梨酥大小的模具框最適合，用厚紙板纏繞在模具的內部，重疊處以膠帶固定即可。
2. 秤取石膏粉與水重量比2：1（或3：1），亦即將石膏粉100克倒入免洗碗中，慢慢加入水50克充分攪拌，攪拌速率要快，如此一來凝固時間較短。
3. 將石膏漿倒入模框內，等感覺快凝固時，再放入貝殼或植物種子（需事先將表面充分塗附薄薄的鉀皂，如此一來石膏硬化時才能方便脫模），如圖2左所示。
4. 等待石膏漿乾固後，取出植物種子，即可形成種子形狀的石膏模型凹槽，如圖2右所示。
圖2：植物種子均勻塗抹鉀皂後，放入尚未硬化的石膏模（左）；完成的石膏模型凹槽（右）。
(三) 創意作品DIY
1. 將金屬錫粒放入熔錫大湯匙內，以強力點火槍熔化，倒入石膏模中，如圖3所示。切記不要倒太滿。熔融的錫金屬會因為表面張力而突起。
圖3：將熔融的錫金屬倒入石膏模的凹槽中
2. 約五分鐘後，錫金屬冷卻後即可將成品脫模，即可形成錫金屬成品，如圖4所示。
圖4：校園植物種子做成錫金屬成品
三、 實驗過程注意事項
1. 熔融的錫金屬溫度高，務必小心，避免燙傷。
2. 石膏模製作時要注意，石膏模冷卻後體積會膨脹，因此將種子或貝殼放入時不要放得太深，以免石膏冷卻後，複合材料會取不出來。
n 延伸應用─異材質結合創作飾品
錫熔點低，很容易直接與異材質結合，如小枯木、琉璃、貝殼及玉石等，都可以透過簡單的模具結合，完成的作品也可以焊接墜頭或指環，成為有個性的創作。
一、 實驗步驟
1. 將軟陶土上壓出一個簡易的凹槽，並將準備好的錫箔紙鋪在上面，如圖5左所示。
2. 將玉石（或貝殼、小枯木）放入鋪好錫箔紙的凹槽內，如圖5右所示。
圖5：在軟陶土上壓出一個凹槽（左）；將玉石放入鋪好錫箔紙的凹槽內（右）
3. 將熔融的錫金屬倒入錫箔紙的凹槽內，稍微掩蓋住玉石高度即可，如此一來玉石才不至於掉出來，如圖6左和圖6右所示。
圖6：倒入熔融錫在凹槽內，稍微掩蓋住玉石高度（左）；充滿藝術性的個性成品（右）
二、 師生創作秘訣
1. 製作石膏模過程不如想像中簡單，若石膏對水量的比率太多，硬化速率太快；石膏比率少，硬化速率慢，放入的種子或貝殼常會沉入石膏漿底部，造成脫模不易。
2. 熔融的錫金屬倒入模具內時，由於錫金屬內聚力大，稍為不慎就會倒入太多。特別是將錫金屬倒入石膏模具時，最好用美工刀在上方挖一個燒鑄小洞口，並以燕尾夾固定模板，再倒入錫，如圖7所示。
圖7：以美工刀刻出一個燒鑄口，可以避免空氣的進入
三、 成品展示及報告
1. 雖然粗製錫成品不盡完美，卻是自己獨一無二的創作，異材質結合錫金屬的創作不是很容易，有些玉石遇到高溫時會褪色，同時慎防玉石脫落。必要時可以將成品以研磨砂紙輪加工拋光，錫金屬表面會更平滑，質感也會提升，如圖8所示。
圖8：利用棉布輪安裝在電動工具上，加工拋光。
2. 高溫時熔融的錫也會氧化變黑，因此用量上要評估，避免浪費。
1. MIT探究實作，龍騰出版社，2016年12月。
2. Sam Kean著，消失的湯匙，大塊文化出版，2011年7月。
3. Sodium stannate, https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_stannate.
4. 王素華(1994, 譯者)，都是鈕釦惹的禍，台北:加珈出版社。
5. 保羅．史查森著，門德列夫之夢，究竟出版社，2003年3月。
6. 黃淑蘭，錫金屬創作上手指南，國家圖書館出版品，2015年4月。
7. 趙丹綺和王意婷著，金屬工藝入門─玩金術，練丹場珠寶金工工作室，2009年8月。
8. 錫，https://zh.wikipedia.org/wiki/錫。
創意微型實驗—微型環保禮炮
方金祥
創意微型科學工作室
[email protected]
氫氣槍或酒精槍是參與科學研習活動中學生的最愛之一，這兩支化學槍是使用同一支槍，只是其中之差異是所用的可燃性氣體不同而已，氫氣槍用的可燃物是氫氣而酒精槍用的是酒精蒸氣。學生在動手做實驗當中很想嘗試有聲音產生的現象，甚至聲音要大到有如爆炸聲才過癮，但是往往期待時又怕受到傷害，因此在早期的國編版國中理化教科書及現行國中自然與生活科技教科書中竟連有小小爆鳴聲的氫氣製造與檢驗的實驗就早已被刪掉了，本人覺得沒有讓學生親身體驗一下氫氣的製造與其檢驗實在很可惜，有鑑於此本人早於民國七十年代就設計一套非常簡易安全又快速的「微型氫氣製備裝置」，用來製造氫氣進而供給氫氣槍所需之可燃性氫氣。
n 過去的微型氫氣槍或酒精槍
本人過去曾以打火機或瓦斯點燃器、底片空盒子、塑膠注射筒、乒乓球、熱熔膠、導線以及電火布等組裝成簡易安全之「微型氫氣槍或酒精槍」，其作品如相片一～五所示。
1. 利用各式各樣的打火機與底片空盒子直接組合而成的氫氣槍或酒精槍，如相片一所示。
相片一：打火機與底片空盒子直接組合而成的氫氣槍或酒精槍
2. 利用打火機的壓電裝置、具有聲光之玩具槍與底片空盒子組合而的成氫氣槍或酒精槍，如相片二所示。
相片二：打火機與底片空盒子直接組合而成的氫氣槍或酒精槍
3. 利用打火機的壓電裝置與塑膠注射筒組合而成的氫氣槍或酒精槍，如相片三所示。
相片三：打火機與底片空盒子直接組合而成的氫氣槍或酒精槍
4. 利用打火機的壓電裝置直接與底片空盒子組合而成氫氣槍或酒精槍，如相片四所示。
相片四：打火機與底片空盒子直接組合而成的氫氣槍或酒精槍
5. 利用打火機中之壓電裝置與手杖組合而成的氫氣槍或酒精槍，如相片五所示。
相片五：打火機與底片空盒子直接組合而成的氫氣槍或酒精槍
n 微型環保禮炮之原理
「微型環保禮炮」，係利用打火機的壓電裝置之兩條導線，在一密閉容器（底片空盒子）中經按壓其壓電裝置後會由伸入密閉容器的兩條導線之尖端放電產生小火花，其小火花會將裝於密閉容器中之可燃性氣體（如氫氣、酒精蒸氣或乙炔氣體）於瞬間引爆，並產生極大壓力而將密閉器（底片空盒子）之蓋子彈飛出去時，隨即發出很一聲非常「ㄅㄧㄤˋ」的聲響，猶如施放禮炮之聲音。
n 微型環保禮炮之設計與製作
一、材料、藥品與器材
1. 材料：打火機、底片空盒子、熱熔膠、電火布（見相片六）
打火機 底片空盒子 熱熔膠 電火布 尖錐
相片六：實驗所需材料
2. 藥品：鎂帶、碳化鈣（CaC2）、稀鹽酸（3 M HCl）、酒精（見相片七）
鎂帶 碳化鈣 稀鹽酸 酒精
相片七：實驗所需藥品
3. 器材：微型氣體製備裝置（見相片八）、塑膠橡皮筋槍（見相片九）
相片八：製備氫氣與乙炔之微型氣體製備裝置
相片九：塑膠橡皮筋槍
二、微型環保禮炮之組裝
(一) 塑膠橡皮筋槍上「單擊發之微型環保禮炮」之組裝
1. 將打火機中之壓電裝置取出，並接出2條導線，如相片十所示。
相片十：打火機中之壓電裝置
2. 用熱熔膠將1個底片空盒子固定在1支塑膠橡皮筋槍之前端正下方。
3. 用尖錐將1個底片空盒之底部正下方挖2個小孔。
4. 用熱熔膠將1個壓電裝置，固定在並聯式塑膠橡皮筋槍（見相片九）原板機之前端。
5. 將壓電裝置之2條導線加以延長出來，再將2條導線分別插入底片空盒子之底部之2個小孔中約1 cm長，使2條導線之末端等長，然後用熱熔膠將其固定並使其與底片空盒子之間密閉起來，即完成「單擊發的塑膠橡皮筋槍上之「單擊發塑膠橡皮筋槍式之微型環保禮炮」，如相片十一所示。
相片十一：單擊發塑膠橡皮筋槍式之微型環保禮砲
(二) 塑膠橡皮筋槍上「雙擊發之微型環保禮炮」
1. 將2支打火機中之壓電裝置取出，並各別接出兩條導線（見相片九）。
2. 先將2支塑膠橡皮筋槍，用熱熔膠並黏起來而成並聯式塑膠橡皮筋槍。
3. 用熱熔膠分別將2個底片空盒子，固定在並聯式塑膠橡皮筋槍前端之左右兩側。
4. 用尖錐分別在2個底片空盒之底部適當處各個挖2個小孔。
5. 用熱熔膠分別將2個壓電裝置，固定在並聯式塑膠橡皮筋槍原板機之前端。
6. 將2個壓電裝置之兩條導線，分別插入個2底片空盒之底部之2個小孔中約1 cm長，使2條導線之末端等長，然後用熱熔膠將其固定並使其與底片空盒子密閉起來，即完成「可連續雙擊發的塑膠橡皮筋槍上之微型環保禮炮」，如相片十二所示。
相片十二：可連續雙擊發的微型環保禮砲
(三) 塑膠橡皮筋槍上「三擊發之微型環保禮炮」
1. 將3支打火機中之壓電裝置取出，並各別接出兩條導線（見相片九）。
2. 先將2支塑膠橡皮筋槍，用熱熔膠並黏起來而成並聯式塑膠橡皮筋槍。
3. 用熱熔膠分別將3個底片空盒子，固定在並聯式塑膠橡皮筋槍前端之左右兩側及其下方等三處。
4. 用尖錐分別在3個底片空盒之底部適當處各個挖2個小孔。
5. 用熱熔膠分別將3個壓電裝置，固定在並聯式塑膠橡皮筋槍原板機前端3個適當處。
6. 將3個壓電裝置之2條導線，分別插入3個底片空盒之底部之2個小孔中各約1 cm長，使2條導線之末端等長，然後用熱熔膠將其固定並使其與底片空盒子密閉起來，即完成「可連續三擊發的塑膠橡皮筋槍上之微型環保禮炮」，如相片十三所示。
相片十三：可連續三擊發的微型環保禮炮
7. 可連續三擊發的塑膠橡皮筋槍上之微型環保禮炮，亦可供作原塑膠橡皮筋槍之功能，可連續將8條橡皮筋打出去，如相片十四所示。
相片十四：可連續打出8條橡皮筋
(四) 可連續「五擊發之微型環保禮炮」
1. 準備1個大型塑膠蓋子及一張紅色半圓形厚紙板，如相片十五所示。
相片十五：塑膠蓋子（左）及紅色半圓形厚紙板（右）
2. 將5支打火機中之壓電裝置取出，並各別接出兩條導線（前相片九）。
3. 用熱熔膠分別將5個底片空盒子，固定在塑膠蓋子（見相片十五）之前端，如相片十六所示。
相片十六：固定在塑膠蓋子上之5個底片空盒子
4. 用尖錐分別在5個底片空盒之底部適當處各個挖2個小孔。
5. 用熱熔膠分別將5個壓電裝置，固定在塑膠蓋子內側5個適當處，如相片十七所示。
相片十七：固定在塑膠蓋子內側之5個壓電裝置
6. 將已固定在塑膠蓋子內側之5個壓電裝置之2條導線依序分別插入5個底片空盒之底部之2個小孔中，然後用熱熔膠將其固定並使其與底片空盒子密閉起來，如相片十八所示。
相片十八：5個壓電裝置之條導線插入5個底片空盒之底部之2個小孔中
7. 用熱熔膠將一張紅色半圓形厚紙板（見相片十四）固定塑膠蓋子內側下方，將5個壓電裝置的下方遮住，即完成「可連續五擊發之微型環保禮炮」，如相片十九所示。
相片十九：可連續五擊發之微型環保禮炮
n 微型環保禮炮之操作
微型環保禮炮依在底片空盒子內之可燃性物質而異，微型環保禮炮可分成氫氣禮炮、酒精禮炮以及乙炔禮炮等三類，其操作法分別說明如下：
一、氫氣禮炮
1. 氫氣禮炮顧名思義所用的可燃性物質是氫氣（H2）。
2. 利用微型氣體製備裝置（見相片八）來製造氫氣，其步驟如下：
(1) 將微型氫氣製備裝置之塑膠注射筒取下來，並將塑膠罐之蓋子打開。
(2) 在塑膠罐中加入30 mL的3 M稀鹽酸，然後將塑膠蓋子組合起來。
(3) 將1支25 mL塑膠注射筒之活塞拔出，並將一段5 cm長之鎂帶折成1 cm後丟入塑膠注射筒中，然後將活塞在塞回塑膠注射筒中，如相片二十所示。
相片二十：將一小段鎂帶投入塑膠注射筒中
(4) 將裝有鎂帶的塑膠注射筒與裝有稀鹽酸之塑膠罐組合起來，如相片二十一所示。
相片二十一：裝有鎂帶的塑膠注射筒接在裝有稀鹽酸之塑膠罐上
(5) 將塑膠注射筒之活塞往上抽至塑膠注射筒的最高點，當稀鹽酸被抽入塑膠注射筒之同時，稀鹽酸會即刻與塑膠注射筒中之鎂帶起化學作用而產生氫氣（H2），如相片二十二所示。其反應如式[1]所示：
Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g) [1]
相片二十二：利用微型氣體製備裝置來製造氫氣
(6) 產生之氫氣會將稀鹽酸（含作用產物氯化鎂）排入塑膠罐中，直到氫氣充滿整支塑膠注射筒時反應便會自動終止，收集在塑膠注射筒中之氫氣即可供作氫氣禮炮之可燃性氣體之用。
3. 從微型氫氣製備裝置上已收集滿氫氣之塑膠注射筒取下來。
4. 將微型環保禮炮上之底片空盒子之塑膠蓋子取下。
5. 手持微型環保禮炮使底片空盒子開口朝下，裝有氫氣之塑膠注射筒朝上並將塑膠注射筒之前端插入底片空盒子中約2 cm，將塑膠注射筒中之氫氣迅速地打入10 mL於底片空盒子中，然後迅速將底片空盒子之塑膠蓋子蓋上，如相片二十三所示。
相片二十三：將10 mL氫氣打入底片空盒子中
6. 手持微型環保禮炮朝向無人處或對空擊發，在底片空盒子中之氫氣會即刻引爆而產生很大的壓力，至將塑膠蓋子彈出並發出一聲非常「ㄅㄧㄤˋ」的聲響，猶如施放禮炮之聲音，如相片二十四所示。
相片二十四：持微型環保禮炮朝向無人處或對空擊發
7. 如將注射筒中之氫氣分別打入10 mL於可雙擊發、三擊發或五擊發之微型環保禮炮之各個底片空盒子中，經分別將2、3或5個壓電裝置按下，即可連續擊發並發出2、3或5聲非常「ㄅㄧㄤˋ」的禮砲聲響。
二、酒精禮炮
1. 酒精禮炮顧名思義其所用的可燃性物質是酒精蒸氣。
2. 將微型環保禮炮上之底片空盒子之塑膠蓋子打開。
3. 用1 mL的塑膠滴管吸取酒精，並滴1至2滴酒精進入底片空盒子中，然後迅速將底片空盒子之塑膠蓋子蓋上。
4. 手持微型環保禮炮朝向無人處或對空擊發，經酒精液體揮發成的酒精蒸氣會即刻引爆而產生很大的壓力至將塑膠蓋子彈出並發出一聲非常「ㄅㄧㄤˋ」的聲響，猶如施放禮炮之聲音。
5. 亦可用幾個紙杯擺設成標靶，然後手持微型環保禮炮朝向標靶瞄準射擊之更能增加其安全性及趣味性，如相片二十五示。
相片二十五：手持微型環保禮炮朝向標靶瞄準射擊
6. 如將滴管中之酒精分別滴入1至2滴於可雙擊發、三擊發或五擊發之微型環保禮炮之各個底片空盒子中，經分別將2、3或5個壓電裝置按下，即可連續擊發並發出2、3或5聲非常「ㄅㄧㄤˋ」的禮砲聲響。
7. 當發後迅即將擊再塑膠蓋子蓋住底片空盒子時，即可再擊發一次，依此動作只要滴入1至2滴酒精時最多可擊發6至8次。
8. 由於底片空盒子與塑膠蓋子間之密閉性很好，因此酒精滴入底片空盒子中經揮發成酒精蒸氣後，在一星期內隨時都可擊發。
三、乙炔禮炮（又稱電石禮炮）
1. 乙炔禮炮顧名思義其所用的可燃性物質是乙炔氣體。
(1) 利用微型氣體製備裝置（見相片八）來製造乙炔氣體，其步驟如下：
(2) 將微型氣體製備裝置之塑膠注射筒取下來，並將塑膠罐之蓋子打開。
(3) 在塑膠罐中加入30 mL的蒸餾水，然後將塑膠罐之蓋子組合起來。
(4) 將塑膠注射筒之活塞拔出，並將1至2粒碳化鈣（CaC2或稱電石）丟入塑膠注射筒中，然後將活塞再塞回塑膠注射筒中，如相片二十六所示。
相片二十六：將1至2粒碳化鈣丟入塑膠注射筒中
(5) 將裝有碳化鈣的塑膠注射筒與裝有蒸餾水之塑膠罐組合起來。
(6) 將塑膠注射筒之活塞往上抽至塑膠注射筒的最高點，當蒸餾水被抽入塑膠注射筒之同時，蒸餾水會即刻與塑膠注射筒中之碳化鈣起化學作用而迅速產生乙炔氣體，如相片二十七所示。其反應如式[2]所示：
CaC2(s) + 2H2O(l) → C2H2(g) + Ca(OH)2(s) [2]
相片二十七：利用微型氣體製備裝置來製造乙炔氣體
(7) 產生之乙炔氣體會將被抽入塑膠注射筒中之蒸餾水（含作用產物氫氧化鈣）排入塑膠罐中，直到乙炔氣體充滿整支塑膠注射筒時反應便會自動終止，收集在塑膠注射筒中之乙炔氣體即可供作乙炔禮炮之可燃性氣體之用。
2. 從微型氣體製備裝置上已收集滿乙炔氣體之塑膠注射筒取下來。
3. 將微型環保禮炮上之底片空盒子之塑膠蓋子取下。
4. 手持微型環保禮炮使其上底片空盒子之開口朝下，裝有乙炔氣體塑膠注射筒朝上，將塑膠注射筒之前端插入底片空盒子中約2 cm，然後將塑膠注射筒中之乙炔氣體迅速地打入10 mL於底片空盒子中，然後再迅速將底片空盒子之塑膠蓋子蓋上。
5. 手持微型環保禮炮朝向無人處或對空擊發，在底片空盒子中之乙炔氣體會即刻引爆而產生很大的壓力，至將塑膠蓋子彈飛出去，並發出一聲非常「ㄅㄧㄤˋ」的聲響，猶如施放禮炮之聲音，如相片二十八所示。
相片二十八：手持微型環保禮炮朝向無人處或對空擊發
6. 亦可用幾個紙杯擺設成標靶，然後手持微型環保禮炮朝向標靶瞄準射擊之，以增加其安全性與趣味性，如相片二十九所示。
相片二十九：手持微型環保禮炮朝向標靶瞄準射擊
7. 如將注射筒中之乙炔氣體分別打入10 mL於可雙擊發、三擊發或五擊發之微型環保禮炮之中各個底片空盒子中，經分別將2、3或5個壓電裝置按下，即可連續擊發並發出2、3或5聲非常「ㄅㄧㄤˋ」的禮砲聲響。
n 微型環保禮炮之操作注意事項
1. 利用微型氣體製備裝置製造出來的氫氣與乙炔氣體，因此二氣體皆較空氣輕，因此欲打入此氣體於底片空盒子中時，必須將微型環保禮炮的底片空盒子之開口朝下，而注射筒朝上並微微插入底片空盒子中，再將可燃性氣體打入約10 mL的量即可不宜太多。
2. 滴入之酒精量以1至2滴為宜不可過多，因酒精過多在擊發時於底片空盒子開口處會有小火團產生較為危險。
3. 為安全起見手持微型環保禮炮欲擊發時，必須朝著空曠處或前面無人處才可擊發。
4. 為防止擊發時底片空盒子之塑膠蓋子被彈飛出去，而造成危險或蓋子遺失，因此宜將塑膠蓋子與微型環保禮炮間用細繩綁住以增其安全性及方便性，如相片三十所示。
相片三十：塑膠蓋子與微型環保禮炮間用細繩綁住
n 微型環保禮炮之特點與用途
1. 特點
(1) 體積小攜帶方便。
(2) 操作容易安全有趣。
(3) 充當禮炮，聲音很「ㄅㄧㄤˋ」。
(4) 可連續擊發1至5發響聲，擊發後蓋子飛出去不會掉落地上，並可即刻蓋回底片空盒子備用。
(5) 橡皮筋槍型之環保禮炮，可兼有連續彈發4至8條橡皮筋之功能。
2. 用途
(1) 可隨身攜帶供防身之用。
(2) 可供作驅逐農田害鳥之用。
(3) 可充當婚禮中連續禮炮之用。
(4) 可充當田徑賽中之起跑槍響之用。
n 結語
本文中以底片空盒子、打火機的壓電裝置、橡皮筋玩具槍以及大的圓形塑蓋子等材料來設計，組裝成單擊發及可連續雙擊發、三擊發或五擊發、而能發出單響或雙響、三響或五響等非常「ㄅㄧㄤˋ」之禮炮聲，此禮炮不像一般的鞭炮或禮炮施放後會留下垃圾來，因此將其稱之為「微型環保禮炮」。此微型環保禮炮曾於2017年5月25日受邀至臺中市私立明道中學辦理化學科教師做探究與實作之主題之一、每位教師能都獨自組裝完成一套，大家經操作後都覺得此具有聲響的教具非常實用也很好玩且很有趣，如相片三十一所示。由於所用之可燃性物質不同，可分為採用氫氣為可燃性物質者稱之為「氫氣禮炮」，如用酒精為可燃性物質者則稱為「酒精禮炮」，如用乙炔氣體為可燃性物質者則稱之為「乙炔禮炮」，由於乙炔氣體是經由電石與水作用所產生之可燃性氣體，因此「乙炔禮炮」又稱之為「電石禮炮」。此三種禮炮由於體積小可隨身攜帶、只要預先將三種不同的可燃性物質放入裝置中密閉性非常好的底片空盒子中、即可隨時使用發揮如上所述的功能與效用。
相片三十一：臺中市私立明道中學辦理化學科教師研習「微型環保禮炮」探究與實作
n 參考資料
1. 方金祥著（1998），微型化學實驗設計與製作〈發明創新專利與學術論著得奬作品集〉，高雄復文出版社。
2. 方金祥（2014）， 創意微型實驗─微型氫氣製備裝置與氫氣槍。臺灣化學教育，第二期。
國內外化學教育交流（第二十期）
林靜雯
國立東華大學教育與潛能開發學系
n 七月內容摘要搶先看
一、2017中國化學年會
二、2016中國化學年會中與綠色化學相關的演講簡報分享
三、七月份，重要化學/化學教育相關研討會熱鬧登場
n 詳細介紹
一、2017中國化學年會
地點：國立嘉義大學蘭潭校區
日期：2017年12月1-3日
相關網址：https://www.u-sync.com/cms-user/site/news
2017中國化學年會由國立嘉義大學應用化學系承辦，訂於12月1至3日於嘉義大學蘭潭校區舉行。此次會議將以「尖端化學與產業永續發展」為主題，預估將有2000人次來自國內外的研究人員進行學術研究論文發表，分享最新研究成果。目前規畫12月1-2日為會議分組演講、壁報論文比賽與廠商圖書、儀器及藥品耗材展覽。12月3日為故宮南院半日遊，活動內容豐富，精彩可期。
二、2016中國化學年會中與綠色化學相關的演講簡報分享
綠色／永續化學網路資源共享網每年都會於化學年會後，會將當年講題中與綠色化學相關的演講簡報上傳，提供關心永續化學議題的讀者瀏覽簡報內容和下載使用。2016 年化學年會於國立中興大學舉辦，該次會議所整理出來投影片業已於今年二月上線，網址為：http://gc.chem.sinica.edu.tw/workshop/notes.php
內容簡列如下：
l 談基礎有機化學教學內容：國立臺灣大學化學系 劉廣定教授
l 借力使力將綠色／永續化學融入教材：中研院化學所 趙奕姼研究員
l 2030 年永續發展議程下的綠色／永續化學教育新思維：國立清華大學化學系 凌永健教授
l 國內循環經濟之發展瓶頸與因應之道：國立成功大學化學工程學系 陳志勇教授
l 綠色化學教育永續扎根─創意教材教法：國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所 黃琴扉教授
l 新興科技融入高中綠色化學教育─高中特色課程教學分享：國立彰化高級中學／全國化學學科中心分區組長暨研發教師 劉曉倩老師
三、七月份，重要化學/化學教育相關研討會熱鬧登場
七月份，多個重要化學/化學教育相關研討會熱鬧接力登場。首先，第46屆IUPAC世界化學大會與將於7月9-14日於巴西聖保羅舉行，這也是IUPAC世界化學大會第一次在南美洲舉行。本次IUPAC會議主題為以化學發展永續和多樣性（Sustainability & Diversity through Chemistry），台灣化學教育期刊主編、台灣師範大學科學教育研究所邱美虹教授為該會主講者之一。緊接著，7月23-28日，第17屆亞洲化學研討會9asian Chemical Congress)以及第19屆General Assembly of FACS聯合會議亦將在澳洲墨爾本登場。本次大會主軸圍繞在2020年代的化學對永續發展和其他挑戰的重視(Chemistry addressing sustainable development and other challenges of the 2020s。而7月26-28日，輪到第7屆東亞化學教育研討會（Network of Inter Asian Chemistry Educators, NICE 2017）登場。本次東亞化學教育研討會於韓國首爾的未來學校—昌德女中舉行，投稿截止日目前延展至6月15日，歡迎大家踴躍投稿與參加。
《臺灣化學教育》組織與成員
2016.05～2017.04（第13期～第18期）
發行單位：中國化學會（臺灣）化學教育委員會
發行人：陶雨臺理事長
顧問：王瑜、王文竹、李賢哲、林煥祥、洪振方、段曉林、連啟瑞、陳竹亭、陶雨台、傅麗玉、
彭旭明、黃萬居、葉名倉、趙奕姼、劉陵崗、蕭次融 （依姓名筆畫順序排列）
主編：邱美虹／國立臺灣師範大學科學教育研究所
執行編輯：楊水平／國立彰化師範大學化學系
專欄編輯：方金祥／國立高雄師範大學化學系、祥和園創意微型科學工作室
林如章／國立臺灣師範大學化學系
林靜雯／國立東華大學課程設計與潛能開發學系
周金城／國立台北教育大學自然科學教育系
祁明輝／台北市市立龍山國民中學
施建輝／國立新竹科學園區實驗、教育部高中化學學科中心
洪文東／美和科技大學
洪振方／國立高雄師範大學科學教育研究所
翁榮源／靜宜大學應用化學系
張一知／國立臺灣師範大學化學系
傅麗玉／國立清華大學師資培育中心
楊水平／國立彰化師範大學化學系
廖旭茂／國立大甲高級中學、教育部高中化學學科中心
鍾曉蘭／新北市立新北高級中學、教育部高中化學學科中心
顏瑞宏／高雄市立高雄高級中學、教育部高中化學學科中心
鐘建坪／新北市立錦和高級中學
（依姓名筆畫順序排列）
網站建置：周金城／國立台北教育大學自然科學教育系
網站管理：游輝宏／國家高速網路與計算中心
編輯助理：李宜諺／國立臺灣師範大學科學教育研究所
Logo設計：邱美虹／國立臺灣師範大學科學教育研究所
Banner設計：唐尉天／國立臺灣師範大學科學教育研究所
《臺灣化學教育》組織與人員／2014.05～2015.04 （第1期～第6期）
《臺灣化學教育》組織與人員／2015.05～2016.04 （第7期～第12期）
《臺灣化學教育》第十九期（2017年5月）
目 錄
n 主編的話
u 第十九期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕
n 本期專題【專題編輯／鐘建坪】
u 類似科學家的科學探究活動—科學展覽／鐘建坪〔HTML｜PDF〕
u科學展覽：從我國科學展覽的歷史看化學科的科學展覽／陳虹樺〔HTML｜PDF〕
u科學展覽：誰的國際科展—一位高中科展指導教師的疑惑／張堯卿〔HTML｜PDF〕
u科學展覽：帶領學生走在科展的這條路上／江慧玉〔HTML｜PDF〕
u科學展覽：指導科展自我省思與成長／陳佩琪〔HTML｜PDF〕
u科學展覽：科學展覽製作對我的啟發／張致嘉〔HTML｜PDF〕
u科學展覽：從10年後看當年參加科學展覽的歷程與心得分享／張清菁〔HTML｜PDF〕
u科學展覽：5年之後反思科學展覽對我的影響／潘建彰〔HTML｜PDF〕
n 教學教法／多元教學法【專欄編輯／劉曉倩】
u液面上的華爾滋 清潔劑液面的彈跳現象 ／劉曉倩〔HTML｜PDF〕
n 化學實驗／化學實驗含影片【專欄編輯／廖旭茂】
u 可攜式積木電解蝕刻教具的設計及應用／陳孟男、廖心妍、林群曜 〔HTML｜PDF〕
n 生活化學／多元文化化學【專欄編輯／傅麗玉】
u 原住民族樹皮衣與化學／傅麗玉〔HTML｜PDF〕
n 課程教材／化學課程與教材【專欄編輯／翁榮源】
u 翻轉教室在基礎化學課程實施的經驗談／翁榮源〔HTML｜PDF〕
n 學生園地／化學教育題材【專欄編輯／施建輝】
u 分子的電偶極矩與分子結構對稱性之關係／洪敬明 〔HTML｜PDF〕
第十九期 主編的話
邱美虹
國立臺灣師範大學科學教育研究所教授
美國國家科學教學研究學會（NARST）甫卸任理事長（Immediate Past President）
國際純粹化學與應用化學聯盟（IUPAC）執行委員會常務委員
中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員
[email protected]
n 致謝
傳統上，我們總是將〝致謝〞置於文末；一反過去，此次我將其置於正文之前，以表達我深深的謝意。《臺灣化學教育》2017年五月號（第19期）是本期刊邁入第四年的第一期，過去1000多個日子感謝編輯團隊的用心經營、作者群們的熱心撰稿、審查委員的嚴謹把關、讀者群的大力支持，使本期刊得以在穩定中發展。本期刊至今已發表390篇文章、286萬人次造訪，感謝所有投入此項工作的各界人士，也期待大家持續給予鼓勵與支持，使本期刊可以服務更多對化學教育感興趣的人士、教育工作者、政策制定者、以及學生。
n 專題文章方面：科學展覽
國立臺灣科學教育館（簡稱科教館）創建於民國45年，因負責推動全國中小學及大眾科學教育，遂於民國49年開始辦理「全國中小學科學展覽會」，迄今每年參與科展的各級學校作品早已超過萬餘件，每年投入此項科展活動之師生業已多達十餘萬人，對國內科學教育的普及化影響甚鉅（國立臺灣科學教育館，2017）。民國71年臺灣受美國邀請參與其主辦的國際科技展覽競賽，科教館亦負起選拔與輔導學生參賽之重責，歷年來科教館帶動各級學校師生利用學校課餘時間進行實驗、探究問題、尋找答案，成果輝煌。自民國91年起增加「臺灣國際科學展覽會」，藉此活動與國際參賽師生有更密切的交流與觀摩的機會，也因此國內學生的作品陸續在國際舞台上得以發光，學生以得以有嶄露頭角與增廣見聞的機會。
科展競賽活動初期通常僅是某些在校內科學表現較為突出的學生有機會參與培訓與競賽，但是這樣的作法不僅無法達到科普的目的，也難免會被詬病，因此後來也逐漸回歸到當初設立科展的初衷，既然是以提升全民的科學實驗與探究的精神，就應讓所有的學生有參與的機會，因此各級學校便在校內鼓勵所有學生動腦動手玩科學，充分提供學生參與的機會，也期待藉此可以區別科學「績」優生與「資」優生。數十年下來，透過參與國內與國際科展的結果，也為國內發現與培養許多深具科學研究潛能的人才，並已在學術上有所成就；但也有些雖未走上化學的學術路線，但是從其中領悟到做學問與做事的道理—格物致知，何嘗不是此科普活動的至高目標呢！這些成果背後有許多促成美事的人士，而學校教師仍是重要的推手與伯樂。
本期專題以科學展覽（簡稱科展）為主，此次邀請新北市錦和高級中學鐘建坪老師擔任特約主編。鐘老師長期投入科展活動，在校內積極推動學生動手做實驗並探究實驗中的科學原理，此次由他負責邀集在科展活動上帶領學生有相當成果或經驗的老師╱業界人士以及曾參與過科展的學生為文，為讀者呈現科展的風貌與成果。鐘建坪在其〈類似科學家的科學探究活動—科學展覽〉說明探究是科學的本質，學生藉由做科展去了解科學志業；陳虹樺從科教館從業人員的角色說明科學社教機構長期推動科學展覽的使命；張堯卿、江慧玉、陳佩琪三位教師長期指導學生參加科展的教師分享其對科展活動的執著與價值，充分展現出個人對教學的熱誠與高度的使命感，幫助學生發現興趣並成就學生，令人佩服；學生參加科展競賽的目的與經驗，如人飲水冷暖自知，各不相同。本期由三位學生張致嘉、張清菁、潘建彰分享其個人的收穫，這些故事值得與他人分享。
n 專欄文章方面
最後常態性文章，有劉曉倩老師的〈液面上的華爾滋〉一文介紹學生從蜂蜜線捲問題出發所進行的科學探究實驗，並延伸到洗碗精的繩捲纏繞現象，根據其黏滯性和電導度歸納出可能影響的因子與產生的效應。陳孟男老師、廖心妍、林群曜所著〈可攜式積木電解蝕刻教具的設計及應用〉一文開宗明義就問了兩個有趣且具挑戰性的問題，「廢棄的乾電池除了交由清潔隊回收處理還可以有什麼用途呢？」和「這些電池元件可以有那些用處呢？」，讓人不禁想一讀為快，該文配合實驗影片，可以幫助讀者很快地掌握實驗的原則完成動手做實驗的部份，若在中間再加入一些活動思考問題可以是未來在12年國民教育中一門很好的〈自然科學探究與實作〉課程。翁榮源教授的〈翻轉教室在基礎化學課程實施的經驗談〉，點出教學現場的改變先移教師教學態度的轉變為出發點，一旦教師有意「翻轉」，課堂的教與學就會起化學變化，期待更多現場老師能從心境的轉變開始，學生自會隨著教師的教學與期待而有所改變。實習教師洪敬明從參與「高中基礎科學研習營」中察覺兩位化學教師對丙烷分子極性的不同解釋，撰寫〈分子的電偶極矩與分子結構對稱性之關係〉一文說明其對分子極性本質的觀點，第一種為高中課本常見的鍵偶極向量加成法，第二種是分子幾何結構對稱法介紹群論以說明分子對稱性與極性的關係，他還進一步討論「透過計算化學方法，定性模擬丙烷的電偶極矩與分子結構之關係」和「利用群論分析分子的對稱性，推測分子是否具有電偶極矩」。這些論點和討論凸顯不同階段所使用的解釋理論的限制性與適用範圍。
n 參考資料
1. 國立臺灣科學教育館（2017），資料來源：https://twsf.ntsec.gov.tw/Article.aspx?a=37&lang=1。
類似科學家的科學探究活動—科學展覽
鐘建坪
新北市立錦和高中國中部理化科教師
引言
雖然小學曾參加過班級舉辦的科學展覽(以下簡稱科展)活動，但是印象並不深刻，只依稀記得當時自己完成的是將報章雜誌的資料彙整而成的書面報告。立志為人師表之後，對科展活動的想法開始加深，更深入的體認是在碩士班時期確實投入科學研究的創新發展工作，藉由找尋問題、思索解決之道、設計相關的實驗、收集與分析數據，嘗試找出適切的解釋模型作為未來研究的預測工具。現在回想起來當時科學研究的生活非常規律，每天就是實驗室與宿舍之間的往返路程，但是從思索問題與解決問題而獲得的樂趣，卻是讓自己非常地滿足。
正式成為教師之後，不僅希望學生從課堂中獲取科學知識，更期待學生能夠從實際科學研究歷程中獲得解決問題的樂趣。於是，自己從實習階段開始除了任教國三班級之外，幾乎每年皆會培訓學生進行科展研究活動。而帶領學生的心態亦從實習階段是為了證明自己的培訓能力以考取正式教職至目前是希望學生能夠從中獲得科學研究的美妙體驗。
科展屬於一項接近科學家研究的探究實驗活動，在學習面向上它符合探究學習的特徵(NRC, 2000)。如圖1所示，參與科展歷程中的學生需要提出科學取向的問題，要能根據問題廣泛地收集證據，需要從證據中形成解釋來回答問題，接著需要能評價自己和他人的解釋，並且進行溝通與辯護所提出的解釋。因此，藉由實際參與的歷程，學生自身的想法會逐漸成熟並提升相關的探究能力(鐘建坪，2013)。
圖1 學生科學建構的探究與反思回饋歷程 (引自鐘建坪，2013)
實際上，學生參與科展的歷程中教師扮演相當重要的角色。依據教師介入的程度區分，科展活動往往是屬於引導至開放性的探究活動。教師主要擔任引導者的角色引領學生探索整個科展歷程。為維持教師與學生的動能，教師在帶領學生時需要有一套適切的運作模式提升學生參與動機以及讓學生能夠實質參與科學探索歷程。當開始進行實驗之後所遭遇到的種種難題，皆可能使師生感到困惑，此時更需要師生相互共構進行思辨以解決遭遇的難題，而此獲得解決的途徑正是師生參與科展的重大樂趣之一(見圖2)。
圖2 師生共構示意圖
本期專題簡介
中華民國中小學科學展覽為每年舉辦一次的三種層級(學校、地方政府以及全國)科學競賽活動，首先由中小學自行辦理科學展覽活動推選出優秀作品進行縣市競賽，再從縣市競賽選拔出優秀作品薦送至全國參展。每年實際投入科展研究的老師與學生將近10萬餘人，影響範圍廣泛。另外，從民國91年起國立科學教育館更將原先「參加國際科學展覽活動」更名為「臺灣國際科學展覽會」，開始拔擢國內具有潛力的中學生前往世界各地參與國際科學競賽，強化國際科技教育的合作及交流以培育未來科技人才(國立科學教育館，無日期)。
關於科展議題的內容非常之多，本專輯希望從國立科學教育館的角色、國際科展的帶領、全國科展的帶領、縣市科展的帶領以及學生實際參與科展多年之後的經驗反思，讓讀者對於科學展覽的歷史脈絡、教師帶領技巧以及學生所獲得的啟發有初步的認識。
首先，由科教館教育人員陳虹樺館員介紹科學教育館在科展活動的任務與角色，並且說明國際科展與全國科展中化學科科學展覽中常見的問題與建議。其二，臺北市麗山高中張堯卿老師介紹國際科展的帶領經驗，並認為持續帶領學生進行科展研究的最大動力就是能夠從中與學生共同成長。同時，他亦從科展的意義反思目前國際科展的現況。其三，由臺北市第一女中江慧玉老師從特定的科展作品介紹如何帶領學生進行化學科展，依序從主題的確立、實驗操作、數據整理、海報編排與口頭報告，從高中實驗室躍上全國科展殿堂的歷程。其四，由新北市樹林高中陳佩琪老師介紹自己帶領學生的方式以及反思自己指導科展的經驗歷程。展望學生能夠從中獲得科學探索的樂趣而非是一項競賽活動。其五，由如荼科技股份有限公司創辦人張致嘉先生分享他個人在10年前參與科展得到的科學學習體驗，並分享科展經驗帶來的價值。其六，臺北市立聯合醫院張清菁職能治療師亦從10年後反思當時實際參與科展歷程的體驗與給自己帶來的改變。其七，由東海大學潘建彰同學反思5年前自己實際投入科展活動的歷程與反思，以及從中獲得的相關啟發。
結語
科展活動是科學教育的根基，它強調過程技能以及高階批判思考能力的學習。深為教師的我們應該思索如何發展學生本位的引導模式，讓學生能夠從科展歷程中獲得相關探究能力，並藉以鼓勵學生著重在科學探索的樂趣而非只是競賽成果。
一、科學教師需要發展以學生本位的帶領模式
帶領科展並不是只有科學班或是資優班教師的工作任務，事實上從本期作者們的分享中可以觀察到科展的參與並非一定要頂尖的學生才行，而是需要找到自己帶領學生進行科展探究活動的模式，才能樂此不疲與學生共同成長。
二、將競賽式的科展活動延伸至同儕研究的分享
完成一件科展作品從開始思索題目至完成書面報告等工作，往往需要半年、一年甚至更長的時間。當學生準備充分地參與競賽時，往往會因為競賽結果不如預期而造成內心的沮喪。或許心態上的調整是最佳的良方，此時教師可以提供機會讓學生彼此分享科展成果(例如：邱彥文，2014)，讓學生從彼此的分享中，重新體認製作科展並不單單為了競賽，而是要讓自己從中獲得探索科學的樂趣。
三、實際參與科展活動的學生確實有所收穫
科展的探索活動實際上帶給學生一個契機，藉由實際投入的歷程學習相關科學概念、探究技能以及思索科學本質。本專欄藉由三位當年實際投入科展探究活動學生的反思回顧可以知道科展活動對他們各自帶來的影響。從學生獲得的內容來看，科展的參與確實是一個值得持續投入的主題。
參考文獻
National Research Council. (2000). Inquiry and the National Science Education Standards. Washington, DC: National Academic Press.
國立科學教育館(無日期)。科展資訊管理系統。2017年5月19日，取自https://twsf.ntsec.gov.tw/Article.aspx?a=108&lang=1#
邱彥文(2014)。少年科學家的武林大會—2013年國中學生科學探究聯合發表會。台灣化學教育，3，353-360。網址：http://chemed.chemistry.org.tw/?p=3070
鐘建坪(2013)。縣市層級之科學展覽活動應該提供參賽作品具體建議。師說，233，51-58。