臺灣化學教育

創意微型實驗—微型濾紙色層分析

方金祥

創意微型科學工作室
[email protected]

將顏色之三原色紅、黃、藍等三種顏色依照不同比例混合在一起時即可呈現出各種顏色來，市售彩色筆的顏色之多也是如此，如要將已混合在一起的彩色筆的顏色分開來，進而了解是由哪幾種顏色混合起來的，有些是可猜出來的，譬如橘色是由紅色和黃色混合而成的，綠色是由黃色和藍色混合而成的，紫色是由紅色和藍色混合而成的，但是黑色彩色筆到底是由那些顏色混合起來的就很難猜出來，若欲將混在一起的顏色加以分開，就必須利用科學的方法，如色層分析法。作者於民國八十一年八月曾在聯合報科學專刊寫了一篇動手做做看（揭開黑色彩色筆的奧秘，如附件一所示），也就是利用簡易微型色層分析法將黑色彩色筆出離出不同顏色來，本文將以橘色和黑色彩色筆為例，分別以手動圓形水平展開、自動水平展開及自動垂直上升展開等三種不同的微型色層分析法將其顏色分開以供作參考。

n  微型濾紙色層分析之原理

微型濾紙色層分析乃是利用濾紙與水來進行分離色素的一種色層分析法，其原理是依據畫在濾紙上之彩色筆的顏色被濾紙吸附（Adsorption）能力及在水中之分配（Partition）能力的不同，而產生在濾紙上有不同的移動速度及出現不同顏色及其所處的位置。

n  材料與藥品

塑膠培養皿（直徑9 cm）、塑膠培養皿（直徑14 cm）、濾紙（185 mm）、塑膠滴管、黑色彩色筆、橘色彩色筆、塑膠滴管、水。

n  微型濾紙色層分析實驗操作

微型濾紙色層分析展開法分成手動圓形水平展開、自動水平展開及自動垂直上升展開等三種方法：

一、 手動圓形水平展開

(一)   黑色彩色筆

1.        準備一個直徑9 cm的塑膠培養皿，如相片一所示。

相片一：塑膠培養皿

2.        用黑色彩色筆在一張濾紙的正中央處畫一個直徑約為2 cm的空心圓，如相片二所示。

 

相片二：黑色彩色筆（左）、濾紙正中央處畫一個空心圓（右）

3.        將畫好圓形之濾紙置放在塑膠培養皿的上方，如相片三所示。

 

相片三：濾紙置於塑膠培養皿上

4.        用塑膠滴管吸取水，並在濾紙上空心圓的中央處逐滴地滴入水，如相片四所示。

   

相片四：將塑膠滴管中之水逐滴滴於空心圓之中央處

5.        待第1滴水擴散之後再滴入第2滴水、第3滴水，以此類推，如相片五所示。

   

相片五：滴入之水擴散之後再繼續滴滴水

6.        當水滴入濾紙直至能看到彩色筆的顏色分開且呈現明顯的顏色來為止。

7.        待濾紙上之水乾了之後，再將置放於塑膠培養皿之濾紙取下來。

(二)   橘色彩色筆

1. 準備一個直徑9 cm的塑膠培養皿。

2. 用橘色彩色筆在一張濾紙的正中央處畫一個直徑約為2 cm的空心圓，如相片六所示。

 

相片六：橘色彩色筆（左）、濾紙正中央處畫一個空心圓（右）

3. 將畫好圓形之濾紙置放在塑膠培養皿的上方。

4. 用塑膠滴管吸取水，並在濾紙上空心圓的中央處逐滴地滴入水，如相片七所示。

 

相片七：塑膠滴管中之水逐滴地滴入空心圓中

5. 待第1滴水擴散之後再滴入第2滴水、第3滴水，以此類推。

6. 當水滴入濾紙直至能看到彩色筆的顏色分開且呈明顯的顏色來為止，如相片八所示。

相片八：彩色筆的顏色分開來

7 待濾紙上之水乾了之後，再將置放於塑膠培養皿之濾紙取下來。

二、自動水平展開

(一)      黑色彩色筆

1.        取一個直徑14 cm的塑膠培養皿，並加入水約3 mm高度後備用，如相片九所示。

相片九：塑膠培養皿

2.        用黑色彩色筆在一張濾紙的下方處畫一個畫一小弧形，如相片十所示。

相片十：濾紙的下方處畫一個畫一黑色小弧形

3.        用剪刀在小弧形的下方剪開，然後向下摺90^o，如相片十一所示。

 

相片十一：小弧形的下方剪開（左）、剪開之濾紙向下摺90^o（右）

4.        將濾紙置於上述加有水的塑膠培養皿上，並使其下摺之濾紙下端浸入塑膠培養皿之水中，則塑膠培養皿中的水會由於毛細作用，自動沿著下摺之濾紙向上升，然後再往水平方向擴散，並將黑色中之成分慢慢推開，如相片十二所示。

  

相片十二：水經毛細作用自動沿著下摺之濾紙向上升然後再往水平方向擴散

(二)       橘色彩色筆

1.        取一直徑14 cm的塑膠培養皿，並加入水約3 mm高度後備用，如相片十三所示。

相片十三：塑膠培養皿

2.        用橘色彩色筆在一張濾紙的下方處畫一個畫一小弧形，如相片十四所示。

相片十四：濾紙的下方處畫一個畫一橘色小弧形

3.        用剪刀在小弧形的下方剪開，然後向下摺90^o，如相片十五所示。

相片十五：小弧形的下方之濾紙剪開後濾紙向下摺90^o（右）

4.        將濾紙置於加有水的塑膠培養皿上，並使其下摺之濾紙下端浸入塑膠培養皿之水中，則塑膠培養皿中的水會由於毛細作用，自動沿著下摺向上升，然後再往水平方向擴散，並將橘色中之成分慢慢推開，如相片十六所示。

  

相片十六：水經毛細作用自動沿著下摺之濾紙向上升然後再往水平方向擴散

三、自動垂直上升展開法

(一)   黑色彩色筆

1.        取一塑膠培養皿，並加入水約3 mm高後備用，如相片十七所示。

相片十七：加入水的塑膠培養皿

2.        將一張圓形濾紙剪成10 x 8 cm的長方形，並用黑色彩色筆在距離濾紙下端1.5 cm處畫一條線，如相片十八所示。

 

 相片十八：濾紙下端1.5 cm處畫一條黑線

3.        將畫有黑線條的長方形濾紙對摺再對摺，然將其撐開，如相片十九所示。

相片十九：將對摺的長方形濾紙撐開

4.        將對摺並已撐開的長方形濾紙垂直置於裝有水的塑膠培養皿上待其展開，如相片二十所示。

 

相片二十：濾紙垂直置於塑膠培養皿上待其展開

(二)   橘色彩色筆

1.        取一塑膠培養皿，並加入水約3 mm高後備用，如相片二十一所示。

相片二十一：加入水的塑膠培養皿

2.        將一張圓形濾紙剪成10 x 8 cm的長方形，並用橘色彩色筆在距離濾紙下端1.5 cm處畫一條線，並將長方形濾紙對摺再對摺後撐開約120^o角，如相片二十二所示。

相片二十二：將對摺的長方形濾紙撐開

3.        將對摺並已撐開的長方形濾紙垂直置於裝有水的塑膠培養皿上待其展開，如相片二十三所示。

 

相片二十三：濾紙垂直置於塑膠培養皿上待其展開

(三)   雙色彩色筆

1.        取一塑膠培養皿，並加入水約3 mm高後備用，如相片二十四所示。

相片二十四：加入水的塑膠培養皿

2.        將一張圓形濾紙剪成10 x 8 cm的長方形，並用分別黑色與橘色彩色筆在距離濾紙下端1.5 cm處各畫出一條線，並將長方形濾紙對摺後撐開約120^o角，如相片二十五所示。

相片二十五：長方形濾紙對摺後撐開約120^o角

3.        將對摺並已撐開的長方形濾紙垂直置於裝有水的塑膠培養皿上待其展開，如相片二十六所示。

 

相片二十六：濾紙垂直置於塑膠培養皿上待其展開

n  微型色層分析實驗結果

將黑色及橘色彩色筆分別畫在圓形濾紙或長方形濾紙上後，依手動圓形水平展開、自動水平展開及自動上升展開等三種微型色層分析展開法展開之結果分述如下：

一、手動圓形水平展開

(一)      黑色彩色筆

當水逐滴滴入置於塑膠培養皿上方之濾紙上的黑色空心圓時，水會經由毛細作用以水平向四周擴散，直至能看到彩色筆的顏色明顯地被分開，直至可以看出黑色彩色筆被分出藍色、黃色及紅色來且成圓環狀，其中紅色在濾紙上被水帶動得最快，因此紅色呈現在濾紙的最外圍，其次是黃色呈現在濾紙的中間，而被帶動得最慢的則是藍色呈現在濾紙的內圈。

由此一黑色彩色筆由分出來所呈現的色層分析圖（簡稱層析圖）之顏色， 可知黑色彩色筆的顏色是由藍色、黃色及紅色等三種顏色所組成的，如相片 二十七所示。

   

   

相片二十七：黑色彩色筆以手動圓形水平展開所呈現的圓環狀層析圖

(二)      橘色彩色筆

當水逐滴滴入置於塑膠培養皿上方之濾紙上的橘色空心圓時，水會經由毛細作用以水平向四周擴散，直至能看到彩色筆的顏色明顯地被分開，直至可以看出橘色彩色筆被分出黃色及紅色來且成圓環狀，其中黃色在濾紙上被水帶動得最快，因此黃色呈現在濾紙的外圍，而黃色而被帶動得較慢的呈現在濾紙的內圈。

由此一橘色彩色筆由分出來所呈現的層析圖之顏色，可知橘色彩色筆的顏色是由黃色和紅色等等兩種顏色所組成的，如相片二十八所示。

   

  

相片二十八：橘色彩色筆以手動圓形水平展開後所呈現的圓環狀層析圖

二、自動水平展開

(一)   黑色彩色筆

當塑膠培養皿中之水經毛細作用由下摺之濾紙上升至黑色彩色筆的小弧形顏色時，水會再經由毛細作用向前端以水平擴散，直至能看到彩色筆的顏色明顯地被分開，即呈現出黑色彩色筆被分出藍色、黃色及紅色來且成扇形狀，其中紅色在濾紙上被水帶動得最快，因此紅色呈現在濾紙的最外上扇形，其次是黃色呈現在濾紙的中間扇形，而被帶動得最慢的則是藍色呈現在濾紙的內圈扇形。

由此一黑色彩色筆由分出來所呈現的層析圖之顏色，可知黑色彩色筆的顏色是由藍色、黃色及紅色等三種顏色所組成的，如相片二十九所示。

   

  

相片二十九：黑色彩色筆以自動水平展開後所呈現的扇形狀的層析圖

(二)   橘色彩色筆

當塑膠培養皿中之水經毛細作用由下摺之濾紙上升至橘色彩色筆所畫的小弧形處時，水會再經由毛細作用向前端以水平擴散，直至能看到彩色筆的顏色明顯地被分開，而呈現出橘色彩色筆被分出黃色及紅色來且成扇形狀，其中黃色在濾紙上被水帶動得最快，因此黃色呈現在扇形的上層上，而紅色則呈現在扇形的下層。

由此一橘色彩色筆由分出來所呈現的層析圖之顏色，可知橘色彩色筆的顏色是由黃色及紅色等兩種顏色所組成的，如相片三十所示。

  

相片三十：橘色彩色筆以自動水平展開後所呈現的扇形狀的層析圖

三、自動垂直上升展開

(一)      黑色彩色筆

當塑膠培養皿中之水經毛細作用由濾紙下端慢慢上升至黑色彩色筆所畫的直線處時，水會再經由毛細作用以垂直上升並加以擴散，直至能看到彩色筆的顏色明顯地被分開，即呈現出黑色彩色筆被分出藍色、黃色及紅色來且成水平一字形，其中紅色在濾紙上被水帶動得較快，因此紅色呈現在一字形上的最上層，其次是黃色呈現在一字形上的中間層，而藍色則呈現在一字形的最下層。

由此一黑色彩色筆由分出來所呈現的一字形層析圖之顏色，可知黑色彩色筆的顏色是由藍色、黃色及紅色等三種顏色所組成的，如相片三十一所示。

   

   

相片三十一：黑色彩色筆以自動上升展開後所呈現的一字形層析圖

(二)      橘色彩色筆

當塑膠培養皿中之水經毛細作用由濾紙下端慢慢上升至橘色彩色筆所畫的直線處時，水會再經由毛細作用以垂直上升並加以擴散，直至能看到彩色筆的顏色明顯地被分開，而呈現出橘色彩色筆被分出黃色及紅色來且成水平一字形，其中黃色在濾紙上被水帶動得較快，因此黃色呈現在一字形的上層上，而紅色則呈現在一字形的下層。

由此一橘色彩色筆由分出來所呈現的層析圖之顏色，可知橘色彩色筆的顏色是由黃色及紅色等兩種顏色所組成的，如相片三十二所示。

   

  

相片三十二：橘色彩色筆以自動上升展開後所呈現的一字形層析圖

(三)      雙色彩色筆

當塑膠培養皿中之水經毛細作用由濾紙下端慢慢上升至畫在濾紙下方左邊的黑色彩色筆直線處，此刻也同時水也上升至畫在濾紙下方右邊的橘色彩色筆直線處時，塑膠培養皿中之水會再經由毛細作用以垂直上升並加以擴散，直至能看到彩色筆的顏色明顯地被分開，在左邊的呈現出黑色彩色筆被分出藍色、黃色及紅色來且成水平一字形，其中紅色在濾紙上被水帶動得較快，因此紅色呈現在一字形上的最上層，其次是黃色呈現在一字形上的中間層，而藍色則呈現在一字形的最下層。而在右邊的則呈現出橘色彩色筆被分出黃色及紅色來且成水平一字形，其中黃色在濾紙上被水帶動得較快，因此黃色呈現在一字形的上層上，而紅色則呈現在一字形的下層。由此一畫在同一水平直線上之黑色及橘色彩色筆，由分出來所呈現的層析圖之顏色，可知黑色彩色筆的顏色是由藍色、黃色及紅色等三種顏色所組成的，而橘色彩色筆的顏色是由黃色及紅色等兩種顏色所組成的，如相片三十三所示。

   

  

相片三十三：畫在同一水平線上之黑色和橘色以自動上升展開後所呈現的一字形層析圖

n  微型色層分析之特點

1.        微型濾紙色層分析法器材簡單，不須用到藥品，只需一般水及塑膠培養皿即可。

2.        操作容易又安全有趣，極適合學生親自做實驗。

3.        在幾分鐘之內，即可看出彩色筆的顏色被分離出來。

n  微型色層分析使用時應注意之事項

1.        微型色層分析所用的塑膠培養皿，在置放濾紙前其圓周上必須保持乾燥沒有水分。

2.        進行手動圓形展開法時，必須將水逐滴滴入空心圓之正中央，待水擴散之後再滴第2滴第3滴….。

3.        進行自動水平展開法時，必須將下摺濾紙與塑膠培養皿中之水保持接觸狀態，才能使水連續經由毛細作用將水吸往上面水平之濾紙。

4.        進行自動垂直上升展開法時，必須將濾紙對摺再對摺，然後稍微撐開才使濾紙直立於塑膠培養皿內之水中，而不致於濾紙吸水後軟掉而傾倒下去。

n  結語

本文中所設計的微型濾紙色層分析，不論是採用手動圓形展開法或自動水平展開法或是自動垂直上升展開法，黑色彩色筆皆可分出藍色、黃色及紅色等三種顏色，由此可知本文中所採用之此一廠牌的黑色彩色筆是由藍色、黃色及紅色所組成，如相片三十四所示。而橘色彩色筆可分出黃色及紅色等分二種顏色，可知此一廠牌的橘色彩色筆是由黃色及紅色所駔成，如相片三十五所示。其中如果不同廠牌之黑色彩色筆，用這三種微型色層分析展開法所分離出來的顏色不一定完全相同，甚至有些廠牌的黑色彩色筆是分不出顏色來的。而不同廠牌之橘色彩色筆，用這三種微型色層分析展開法所分離出來的顏色皆會相同。因此微型色層分析法應用在彩色筆顏色之分離時，既簡單又快速，既方便又有趣，尤其此法可將神秘的黑色彩色筆分離出漂亮顏色來，將更能引起學生對色層分析的學習興趣，使化學之教學過程更生動、活潑、有趣，俾使教與學達到最佳的效果。

相片三十四：黑色彩色筆用三種微型色層分析展開法所分離出來的色彩層析圖

相片三十五：橘色彩色筆用三種微型色層分析展開法所分離出來的色彩層析圖

n  附錄

八十一年八月九日聯合報科學專刊「動手做做看」。

 

國中學生進行有趣的酯化反應實驗

黃義傑^1, *、張自立²、辛懷梓²

¹臺北市立龍門國民中學
²國立臺北教育大學自然科學教育學系
*[email protected]

n  前言

自然與生活科技應重視學生進行實驗的品質，即杜威主張做中學的觀念，學生經由動手做實驗看到不一樣的現象、能了解操作技巧、儀器使用方式並能撰寫實驗報告。至少，科學實驗是會吸引學生目光，有趣的科學實驗會讓學生驚呼連連，在他們身上默默的種下科學種子，相信對於化學人才的培養是很有助益的。

國中自然與生活科技課程（簡稱自然科）在八年級下學期，會向學生介紹一個很著名的化學實驗「酯化反應」，由於自然科在八年級下學期課程有很多實驗（有物理實驗與化學實驗）且時間安排比較緊湊，以翰林版本來說，會把酯化反應放在示範實驗中，其實動手做的學習一定比教師口述式教學還有印象，在此分享自己教學上的實務經驗給有興趣的教師參考，讓學生親自動手做聞聞看酯類的不同味道。

n  教學對象

由於酯化反應會使用濃硫酸，有一定的實驗危險性，本次課程教學的對象設定是八年級下學期的學生，他們對於基礎的化學實驗有一定的熟悉與認識，也能在教師的指導下安全地使用化學藥品與操作本次的實驗設備。

本次進行酯化反應的學生為我自己帶的四個班學生，對於基礎的有機化合物單元有一定的概念，能分辨說明酸類與醇類的不同。此外，學生在進入實驗室之前也學習過酯化反應的原理，可以按照教師設計的實驗操作單進行實驗。

n  教學設計

簡單來說，酯化反應的原理是醇與酸的有機化學反應，生成酯和水。教學的設計簡單分為以下步驟，不需要多設計其他特殊的教具，用現有教學資源即可，不會增加教師教學負擔。

n  教學教案（簡案）

n  相關的注意事項

1.      在進行實驗前，必須再次告知學生酯化實驗有一定危險性，對於某幾位實驗操作技巧不純熟的同學要多次提醒。

2.      在實驗前，務必提醒各班只要攜帶文具與修正帶到實驗室，不用攜帶學生個人的課本，加上有水的緣故，個人的課本或是其他物品可能會因人為的不小心而弄濕。

3.      實驗進行時可以安排兩位同學輪流負責幫班上同學進行拍照，學生看到相機後，他們做實驗會特別認真進入狀況，也可以把照片與表現認真的同學作業放在教師部落格或是個人的臉書上面讓學生觀看。

4.      教師須多加走動注意學生發生的狀況，或是到各組協助實驗。

n  實驗操作單

酯Ester的製備     班級：         座號：         姓名：       

【原理】

酯化反應 ð 將酸與醇在濃硫酸的催化下，共熱脫水便可產生酯。

【器材與藥品】

試管（20 mL） 3支、燒杯（250 mL） 1個、量筒（10 mL） 共用、滴管 共用、乙醇（C₂H₅OH） 2 mL、正戊醇（C₅H₁₁OH） 2 mL、冰醋酸（CH₃COOH）、2 mL、濃硫酸（H₂SO₄） 5 mL

【實驗步驟】

A.      冰醋酸 + 乙醇

1.        量取2 mL的乙醇、2 mL的冰醋酸，加入試管中完全混合。

2.        教師協助學生，以滴管取3滴的濃硫酸，滴入試管中，隔水加熱到60℃，並用玻棒攪拌3到4分鐘，如圖1所示。

3.        以手觸試管摸檢查溫度，以手在瓶口搧風揮引氣體嗅聞。

4.        反應完成後加入5 mL冷水，搖動後觀察是否互溶或分層。

圖1：酯化反應裝置圖

B.       冰醋酸 + 正戊醇

本實驗步驟與「冰醋酸 + 乙醇」相同，只是用正戊醇取代乙醇。

【實驗報告】

1.        實驗操作單可以在學生實驗進行前給學生預習，教師也能在實驗前提醒學生安全注意事項，另外也要求學生在實驗完後能完成實驗的紀錄與心得。

2.        實驗操作單在教師批改完後，可以黏貼在活動紀錄本或是課本上，可以讓學生考前自行複習。

3.        教師批改完實驗操作單後，在發還給各班學生之前，教師先選出優良的作業分享給各班學生觀摩，讓學生學習他人的優點，並且把各班實驗照片給大家回憶，讓整個實驗更完整。

4.        必須要求學生要把實驗操作單於實驗進行完成後完成實驗心得部分，整個實驗紀錄與報告可以在一節課內完成。

n  酯化實驗活動照片

學生進行酯化反應的實驗室活動和各組學生操作實驗如圖2所示，進行酯化反應的實驗過程和學生手搧聞酯化產物的味道如圖3所示。

 

圖2：學生在實驗室進行實驗狀況（左）；各組學生操作實驗的狀況（右）

 

圖3：進行酯化反應的實驗過程（左）；學生手搧聞酯化產物的味道（右）

n  與課本實驗不同之處

1.      進行酯化反應時，教師可以故意多滴幾滴濃硫酸，此時試管下方會有課本沒有提到的狀況發生，教師可以與學生討論發生變化的原因。

2.        承上，教師可以故意離開一下，學生不久會發現試管下方的顏色會不見，教師又可以再提問學生發生變化的原因。

n  學生的回饋

我們設計一份問卷，調查並比較學生在進行實驗前與實驗後，對於進行酯化反應實驗的看法，回答問卷的學生共85人。

問題1：在進行酯化反應前，你覺得酯的樣子是什麼？

表一：學生回答問題1的答案統計

由表一可知，雖然學生在課堂上已學習理論，他們對於酯的性質還是有一些認知上的差異，再比較學生自己寫的實驗報告，發現學生對於酯化反應的狀況與他們所認知的是不一樣，而不是完全如同課本上說的。

問題2：在進行實驗前，你對於酯化反應這個實驗的態度？

表二：學生回答問題2的統計

由表二可以發現到學生在進行實驗前有高達98%的人是有高度意願來進行這個化學實驗，當然會有無意願的學生，可知酯化反應在大部分的學生心中是有興趣的，如果沒有做這個實驗的話，會讓學生覺得可惜。

問題3：進行實驗完後你覺得酯化實驗是？

表三：學生回答問題3的統計

由表三可知道，有94.12%的學生在進行實驗完後，對於酯化反應是還不錯的感覺，在學生的心中是一個有趣的化學實驗，在感官上的體會是與課本的敘述式不一樣的。雖然有4位學生回應的是其他的想法，基本上學生並不會排斥這個化學實驗。

n  學生的實驗心得

本次進行實驗學生班級有4個班，假設為SA班、SB班、SC班及SD班，下面將摘入各班幾位同學特別的實驗心得，分享給大家。數字為學生座號。

圖5：一位學生的實驗報告

SA01：這次實驗做出來的味道跟書本上的不太一樣，但我是覺得很成功，因為反應非常明顯，而且比起香蕉我比較喜歡蘋果。

SA06：我們這組的味道和課本不同，但的確是有水果味，而且成果超成功，同心協力的大家超讚的，比較實驗1與實驗2的味道，我喜歡實驗2的味道。

SA23：第一個實驗在濃硫酸及加熱過程中並無明顯之變化，而冰醋酸加正戊醇在加熱時有黃色散布在底部，並有一些氣體向上升起。我覺得兩者味道都不好聞，其中乙酸乙酯有點嗆鼻。

SB01：成功的那一刻有點興奮，雖然有點小狀況，但整體來說是很有趣的實驗呢！

SB15：原來酯類真的有特殊味道，不過與預想中的水果味不太一樣，不知道是不是商品都有加上其他東西。

SC09：很有趣，不過味道很重。看到有人打破玻璃杯，應該要小心，作為借鏡。

SC13：小時候吃夜市零食，蠻多這種味道，現在想起來突然好惡心。

SD36：第一次加水加太多，所以看不到明顯的分層，第二次加水的比上一次少了許多，所以看得出來明顯的分層，神奇的是，把它攪拌後，分層又慢慢的出現。

SD38：第一次的實驗不小心把試管弄破了，改做第二個實驗時有聞到香蕉的香味，我很喜歡。

這次酯化實驗的結果讓各班學生有不同的感官與刺激，學生的經驗不同，所能體會或是內化心中的程度也不一，經由他們的紀錄，可以了解孩子的想法，亦可印證本文一開始說的做中學觀念，沒有實際體會或是操作是無法說出化學實驗能帶給你的樂趣，不要讓化學變成死背的知識。

n  教師的教學反省

學生因為你的熱情與用心準備實驗，他們從無到有的觀念都是你建立起來，就如同本文的酯化反應實驗，雖然總共花的時間有一節課，似乎教學效率不好，而去補習班先學的孩子或許會有人覺得老師浪費時間，或是會覺得沒甚麼厲害之處，可是他們沒有聞過這些特殊味道，他們沒親自做過不同酯類，就不能體會科學的樂趣與奧秘。

n  結語

身為國中自然科教師常有教學成績的壓力，但是如果能與電學之父—法拉第一樣把化學實驗的樂趣帶給學生知道，內心多少會有一些成就感在，我想這就是自然的魅力所在。很開心自己任教的學生很喜歡化學實驗，當我幫學生在各種大小考試前複習實驗是很有感覺的。在此分享自己的教學經驗，相信你也可以。因此將實驗的過程以及成果撰寫成文章投稿至《臺灣化學教育》，如有任何指教與建議，也歡迎您來信分享。

n  謝誌

在此感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系104學年度第1學期化學特論周金城教授與全體同學在百忙之中提供許多建議並協助修改本文，讓本文可以更好，在此謹深摯謝忱。

n  參考資料

1.      酯化反應，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/酯化反應（104年6月）

2.      陳必榮（95年11月1日），WIDE_KM教師入口網，http://elearning.ice.ntnu.edu.tw/KM/Data/Teacher/5566/Data/教材/2023/1.doc（104年6月）

 

 

國小學生製作美麗的天氣瓶

李燕玲

國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班
新北市立新莊區光華國民小學
[email protected]

n  前言

自然與生活領域課程在國小階段的孩子對於化學相關的實驗學習實在不多，無意間發現了「天氣瓶」這個有趣又美麗的化學實驗，小學六年級上學期的自然課程正好有關於天氣的單元，以此為延伸學習課程，讓學生可以認識以前的天氣預報裝置，希望學生藉由天氣瓶的製作複習水溶液的相關概念並進行天氣瓶結晶的觀察與紀錄。

n  天氣瓶簡介

天氣瓶，又稱為風暴瓶（Storm Glass），是一種19世紀用來做天氣預測的工具（見圖一），知名天氣學家羅伯特·菲茨羅伊（Robert FitzRoy）在他的航海紀錄上，記錄了如何用天氣瓶來預測天氣。但是後來日本科學家長島和茂（Kazushige Nagashima）進一步研究證實影響天氣瓶中結晶型態的因素主要為環境溫度及溫度變化的速度，與氣壓、濕度、電場及磁場沒有關係，因此瓶內的結晶型態皆為隨機分布，並沒有天氣預測的功能，所以在進行教學時盡量不要強調天氣預測的功能，以免誤導學生。

圖一：天氣瓶

（圖片來源：作者製作）

天氣瓶內結晶的變化，主要是由於溶液內的樟腦、硝酸鉀、氯化銨在水與乙醇混和溶劑內的溶解度會隨著溫度變化。配方中的硝酸鉀、氯化銨及純水主要是促使樟腦晶核的形成，因此瓶中見到的是樟腦的結晶；當溫度變化的時候，三種物質的結晶析出、溶解速度有交互作用。而溫度的變化速率，則會影響結晶的成長大小與結構，當溫度下降的速度較快時（例如：放入冰箱冷藏室），因為有許多晶核形成，會有許多小的樟腦結晶，最後就像雪花一樣（樟腦晶體與冰一樣是六方晶系），而溫度下降的速度很慢時，沒有形成晶核，結晶會慢慢往四周成長，最後像葉子或樹枝狀。

n  天氣瓶參考配方和實驗器材

網路上可以找到的天氣瓶配方有兩種，一種於溫度較低的環境會有明顯結晶，一種則為適合夏季時製作的配方，本次因應教學進行的時間，筆者使用冬季配方，為讓學生觀察天然樟腦粉的含量是否影響結晶高度或形狀，因此將學生分為兩組製作天氣瓶，一組的天然樟腦粉設定為10 g，另一組則為8.5 g，其餘配方和實驗器材則相同。

此次實驗藥品在一般化工原料行都可以買到，價錢上也算平易近人，因此可就近找化工行詢價後購買，甚至有天氣瓶製作組合包（大約150元，只有硝酸鉀、氯化銨及天然樟腦粉，其他材料及器材必須自行準備，且成品約只有80~85 mL），若只是少量製作也可作為選擇；至於盛裝的容器則因藥品有輕微腐蝕性，所以盡量使用玻璃瓶，蓋子則須避免是金屬材質，可到一般五金生活百貨尋找適合的容器，筆者在台北後火車站附近看到不少賣瓶瓶罐罐的商家，玻璃瓶種類眾多、造型各異其趣、容量也有許多選擇，比較容易滿足需求，不妨到此尋寶。

一、冬季配方

硝酸鉀（Potassium Nitrate） 2.5 g（500 g大約170元）、氯化銨（Ammonium Chloride） 2.5 g（500 g大約80元）、天然樟腦粉（Camphor Powder） 10 g（250 g大約250元）、蒸餾水（純水） 33 mL （可以使用泰山純水）、藥用酒精（95% Ethyl Alcohol，Ethanol） 40 mL（500 mL大約75元，在藥局也可購得）（資料來源：城乙化工，http://www.meru.com.tw/index.php）

二、夏季配方

硝酸鉀（Potassium Nitrate） 2.3 g、氯化銨（Ammonium Chloride） 2.3 g、天然樟腦粉（Camphor Powder） 4.4 g、蒸餾水（純水） 16 mL （可以使用泰山純水）、藥用酒精（95% Ethyl Alcohol, Ethanol） 40 mL（資料來源：親子手作DIY，http://pinbox.tw/box/10149）

三、全班器材

紅黃藍水性染料 一組（大約50元）、電子磅秤（最小可秤0.1 g） 一台、溫度計 一支、鍋子（隔水加熱） 一個、微波爐 一台

四、每組器材和藥品

玻璃燒杯兩個（分1、2號杯）、攪拌湯匙 一支、手套 四個、口罩 四個、含蓋可密封玻璃瓶四個，約100 mL（塑膠瓶蓋，一個約20元）。

※採四人一組分組製作及配合玻璃瓶容量，因此筆者將每組配方以五倍的數量先行量配妥當後裝在夾鏈袋中讓學生使用，如圖二所示。

圖二：燒杯、攪拌湯匙、手套、口罩、玻璃瓶、硝酸鉀、氯化銨、天然樟腦粉

n  教學流程

教學準備：教師先行製作天氣瓶數瓶，以便展示給學生觀看。

一、   引起動機

1.        教師將先行製作完成的天氣瓶帶至教室引起學生的興趣，如圖三所示。

2.        教師向學生簡單說明天氣瓶原理與製作方法，並表示將帶領學生製作個人的天氣瓶。

圖三：教師製作天氣瓶數瓶

二、   發展活動

活動一：溶解

1.        以簡報檔複習溶解的概念。

2.        介紹飽和溶液和結晶的概念，如圖四左所示。

活動二：介紹天氣瓶

1.        介紹天氣瓶。

2.        介紹蠶豆症，如圖四右所示。

 

圖四：結晶概念介紹（左）；蠶豆症的介紹（右）

活動三：製作天氣瓶

1.        介紹天氣瓶的製作與原理。

2.        依序發下實驗器材及藥品，如圖五所示。

3.        讓學生進行天氣瓶的製作，如圖六～七所示。

4.        學生製作天氣瓶的成品，如圖八所示。

圖五：天氣瓶製作方式及實驗器材

  

圖六：小組進行天氣瓶製作

 

圖七：混合後的溶液進行隔水加熱（左）；加入色料並分裝完成（右）

 

圖八：天氣瓶成品（左）；天氣瓶置於教室一隅觀察（右）

三、   綜合活動

活動四：天氣瓶的觀察與紀錄

1.        介紹天氣瓶結晶的形狀。

2.        指導學生如何進行觀察與紀錄。

3.        學習單的填寫與心得分享。

n  學生天氣瓶觀察紀錄及學習單

筆者配合此次課程設計的「天氣瓶觀察紀錄學習單」共分為兩個部分，上半部為溶解及結晶概念、天氣瓶製作流程的填答，在課程進行後，立即讓學生填寫完畢，可檢視學生是否專心聽課，從學生填寫的結果發現大致都能全部答對，少數學生有錯字的情形，如圖九左所示。下半部則為本次教學重點的觀察紀錄及觀察心得，在製作課程進行後兩週左右才進行第一次觀察紀錄，因必須等待天氣瓶中的結晶穩定，又逢今年冬天氣候偏暖，天氣瓶中的結晶遲遲沒有明顯變化，筆者利用課餘大約10分鐘的時間，先請學生將日期、當天預測溫度、觀察當時的溫度寫下後，再讓學生將各自的天氣瓶取回（提醒學生勿過度搖晃天氣瓶，以免影響結晶形狀及高度）觀察形狀、量測高度後完成記錄，如圖十所示。在此之後，筆者利用天氣明顯變冷的時間，讓學生進行觀察，完成12次的觀察記錄大約花費一個月的時間，但每次的觀察不需花費太多時間，因此筆者都是利用課程進行後零碎的時間，並不會耽誤其他課程進行。筆者要求學生在最後的觀察心得部分至少寫下兩點發現及對課程以一到五分進行評分，越喜歡分數越高，多數學生都給了四到五分，從心得分享中也發現學生多數是喜歡此次課程的，如圖九右所示。

 

圖九：天氣瓶觀察紀錄學習單（左）；學生的天氣瓶觀察紀錄學習單（右）

  

圖十：2015.11.25，當時氣溫24℃（左）；2015.11.26，當時氣溫21℃（中）；2015.12.17，當時氣溫15℃（右）

n  學生課後回饋

筆者任教的學校位於新北市新莊區，為一所緊鄰工業區且超過100個班級數的大型學校，其中有三分之一強的學生人數為跨區前來就讀，家長的社經背景大多為工商類就業人口，多數平日忙於工作，因此學生較少機會可以接觸類似的化學實驗。筆者執教的班級中有30位學生，包含16名男生及14名女生，班級當中有一位罹患蠶豆症的學生（透過新生兒篩檢即可得知，導師在開始帶領學生時便會有相關資料，若是科任教師在實施本課程之前應先詢問清楚），因此在課程中加入關於蠶豆症的介紹，希望透過課程讓學生更了解如何與此類患者相處。而該名學生在天氣瓶製作時則必須暫時離開教室，由其他學生協助製作完成。以下為學生在完成相關課程之後的回饋摘要整理。

問題1：經過這段時間的觀察，我發現了……

S04：天氣越冷，結晶越高越漂亮；天氣越熱，結晶越少。

S05：結晶會因為重力的關係造成高度越來越矮。

S09：結晶的形狀有很多種，也會隨著溫度變化。

S17：搖動過天氣瓶後，必須經過兩三天後天氣瓶的結晶才會穩定。

S27：即使當初小組內每個人使用的材料都一樣，但結晶的高度還是都不大相同。

問題2：你喜歡天氣瓶（    ）分，為什麼？

S02：我喜歡天氣瓶5分，因為我覺得天氣瓶裡的結晶好漂亮，又很特別，而且是個美麗的裝飾品。

S24：我喜歡天氣瓶5分，因為每天觀察到的結晶都不同，我覺得好有趣哦。

S28：我喜歡天氣瓶5分，因為天氣瓶可以讓我知道現在的溫度是冷還是熱。

S05：我喜歡天氣瓶4分，因為我覺得天氣瓶好有趣，但是我的結晶高度好像都比較矮。

S26：我喜歡天氣瓶4分，因為我覺得天氣瓶好漂亮，但是有時不是非常準確。

n  課程實施問題與注意事項

本次主要課程活動設計大約需兩節課的時間，第一節為複習溶解概念及介紹結晶與天氣瓶，複習溶解概念時學生大都能回答相關的提問，同時也能明白飽和溶液所代表的涵義，但筆者在進行「溫度降低使鹽的過飽和溶液析出鹽巴結晶」的操作並沒有完成，應該完成後續觀察或可利用相關影片協助學生更理解。經過學者研究發現天氣瓶並沒有預測天氣的作用，因此在教學過程中應盡量避免強調天氣瓶有預測天氣的功能，以免對學生產生誤導，可利用相關影片進一步釐清學生的觀念。

第二節則為天氣瓶實際製作及學習單討論與習寫。因實驗藥品有刺激性及輕微腐蝕性，在製作過程應避免讓學生直接接觸，所以全程須戴上口罩及手套，並將教室門窗打開使空氣流通，以免造成學生身體不適。此次製作天氣瓶時因考量實驗器材不足，因此將學生分為四人一組共同製作；筆者將藥品以等比例的方式先行配置並分裝完成，便於實驗操作。製作天氣瓶時，為避免學生操作過程發生錯誤，筆者將燒杯分為1、2號杯，先發下1號杯需要的材料（硝酸鉀、氯化銨及純水），待學生製作完後，再發下2號杯的材料（天然樟腦粉及乙醇），並指派學生依序製作，讓每位學生都有負責的工作。有學生在製作1號杯溶液時發現燒杯變得冰冰涼涼的，可簡單說明溶解的吸熱與放熱反應。

製作完天氣瓶後必須等待一週時間，於結晶穩定後再進行觀察記錄，後續記錄時間每次不超過10分鐘，可利用課餘零碎時間進行。觀察記錄天氣瓶結晶的高度需要扣掉瓶底厚度，學生容易忽略而直接從瓶底往上測量，因此必須指導及提醒。而今年冬天的氣溫常處於偏高的情況，比較不利於進行天氣瓶的觀察（沒有明顯的變化），因此筆者必須等到東北季風增強或大陸冷氣團南下時才讓學生進行觀察記錄，此次從開始進行教學到完成觀察記錄所花費的時間大約為一個半月。做觀察記錄時，學生對於結晶形狀常發出疑問，無法清楚界定結晶的形狀，筆者引導學生可以自行定義結晶的形狀，並沒有標準答案。經過學生的觀察發現使用10 g與8.5 g的天然樟腦粉對於天氣瓶的結晶的高度並無必然的影響，因為結晶高度會受到重力的影響而變低；但氣溫的變化確實會直接反映在結晶的高度上，氣溫愈低，結晶的高度愈高。此次製作的天氣瓶大多加入水性染料，導致有些顏色（如：紫色，因顏色過深）的天氣瓶比較不容易觀察，可以在觀察記錄都完成後再加入染料。最後「天氣瓶觀察記錄學習單」中對於學生反思及回饋的部分未加以規劃，可以增加這個面向的設計，讓學生思考從課程中的所得與困難之處，也可作為教學者進行教學檢討與改進的參考。

n  結語

國小階段的學生因為課程安排的關係，比較沒有機會接觸化學實驗，此次透過天氣瓶的製作讓學生自行完成一個絢麗又有趣的化學裝飾品，學生都顯得相當開心，在觀察的過程常常聽到學生驚呼連連，讚嘆天氣瓶的美麗與多變，希望透過這個教學活動讓學生更喜歡自然領域課程並懂得觀察生活周遭的各種現象。

n  參考資料

1.        天氣瓶配方：親子手作DIY。http://pinbox.tw/box/10149。

2.        天氣瓶，維基百科。https://zh.wikipedia.org/zh-tw/天氣瓶。

3.        許良榮。改良式天氣瓶。臺灣化學教育，第七期。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=6866

4.        蠶豆症：高雄醫學大學維基學習網（KMU Wiki）。http://goo.gl/HYdrw。

5.        天氣瓶製作影片：HOKK fabrica。一起動手D.I.Y打造屬於你的天氣瓶。http://hokkfabrica.com/make-your-own-storm-glass/。

6.        TVBS新聞。【科學不一樣】樟腦附著晶核上 溫度變化讓天氣瓶結晶。http://news.tvbs.com.tw/old-news.ht mL?nid=577886。

7.        古時候的天氣瓶裝置：Museum of the History of Science。http://www.mhs.ox.ac.uk/from-stormglass-to-weatherglass/。

n  附錄

附錄一、教學活動設計

附錄二、天氣瓶觀察紀錄學習單

    製作我的天氣瓶   姓名：        

※有些物質加入水中後，會很均勻的散布在水中，看起來像是消失了，這種現象稱為           。

※被溶解的物質稱為「             」，水稱為「             」當「溶質」溶解在「溶劑」中，就形成了「             」。

※從飽和溶液中凝結出具有一定的幾何形狀的固體的過程叫做            。

 

簡易氫氣燃料電池車的實作及其探索活動

張志聰

屏東縣立大同高級中學
教育部高中化學學科中心
*[email protected]

n  影片觀賞

雖然燃料電池是大學學測考題的常客，但是在高中化學課本中卻僅針對方程式介紹以及電壓、電解液等簡略介紹，並強調其在運作上需高溫、昂貴的貴金屬電極等缺點，讓人覺得燃料電池都是極其複雜且昂貴的裝置，僅能在實驗影片中才能看到。本實驗分享一種可以在一般教室中進行的簡易燃料電池車實驗，並可以讓學生進行一系列能源動力相關的實驗。

影片網址：https://goo.gl/lrCeBH, YouTube.

n  簡介

氫氧燃料電池是直接將化學能轉變為電能的氧化還原裝置，主要燃料以氫氣為主，透過氫氣與氧氣的電化學反應產生電能與熱能，且熱能遠低於一般燃燒石油所產生的熱值，過程中節省了轉換為機械能所需要的能量損耗，因此展現出比內燃機更高能量轉換率。

本實驗利用包覆不織布的碳棒作為電極，使用直流電（3 V）電解食鹽水取得氫氣和氧氣，而包覆在電極上的不織布可減緩氣體自水中逸出的速率；約電解3~5分鐘，即可累積足量的氫氣和氧氣吸附在電極之上。移除直流電源後，充滿氣體的碳棒即可組成簡易的燃料電池，接上裝有低電流馬達的小車後，可使其穩定行進約4公尺的距離，電池放電完畢後，只需再度以直流電進行電解，即可重複使用。

燃料電池之實作與探索活動，幫助學生認識「燃料電池」與其運作原理、能量轉換等有關能源議題，以下說明簡易氫氧燃料電池車的原理及製作過程。

n  藥品與器材

(一)藥品：氯化鈉（NaCl）、氫氧化鈉（NaOH）、碳酸氫鈉（NaHCO₃）、醋酸（CH₃COOH）自來水。

(二)器材：飽和食鹽水、膠帶、4 cm × 10 cm塑膠底板、輪胎組、鱷魚夾、3號電池座、快乾膠、馬達、不織布、碳棒、泡棉、長25 cm粗塑膠管、9 cm細塑膠管大齒輪、小齒輪、三用電表，如圖1所示。

圖1：製作簡易氫氣燃料電池車所需之器材

n  實驗步驟

一、氫氣燃料電池組裝

1.        利用不織布將碳棒包覆起來，多餘的不織布反摺後，以膠帶固定使其不會鬆脫，如圖2所示。

 

圖2：利用不織布包覆碳棒，並以膠帶固定不織布使不脫落

2.        取一塊泡棉，將包覆有不織布的碳棒穿過泡棉，如圖3所示。

 

圖3：兩根電極穿過事先鑽好小洞的泡棉

3.        取長25 cm的粗塑膠管底部以泡棉塞緊使不會漏水為原則，注入10%（重量百分比）食鹽水，食鹽水的高度離上方管口約2 cm，再塞入穿有電極的泡棉固定備用，即完成一個簡易的燃料電池，如圖4所示。※安全提醒：食鹽水濃度不可過高，否則電解可能產生有毒的氯氣，危害身體健康。

圖4：燃料電池組完成圖

二、電解食鹽水收集氫氣及氧氣

1.        組裝完成的燃料電池並沒有正負極之分，需視電解後收集的氣體種類來決定正負極。預先將頂端泡棉上的碳棒調成一長一短，長端接電池正極進行電解，短端接電池負極電解，方便辨識電解完成後的正負極辨識，如圖5所示。

圖5：調整碳棒長短方便辨識充電後的正負極

2.        將電池盒上的黑色線路鱷魚夾（負極）與短端碳棒接上，再將紅色線路鱷魚夾（正極）與長端碳棒接上，打開開關進行電解食鹽水，觀察有何現象，如圖6所示。

圖6：電解食鹽水進行氣體收集

3.        電解約5分鐘後關閉電源，移除兩極的鱷魚夾後，以三用電表量測燃料電池兩極的電壓，如圖7所示。

圖7：測量燃料電池電壓約1.65 V

三、燃料電池車組裝

1.        將透明細塑膠管剪成長兩段，取其中一段塑膠管套入鐵質軸心，再套入大齒輪，輪胎固定在左右兩側，即完成前輪，如圖8左所示。然後，組裝另一段塑膠管形成另一輪胎套件，即完成後輪，再將2組輪胎套件分別使用快乾膠固定於塑膠底板備用，如圖8右所示。

 

圖8：組裝前輪（左）；組裝後輪（右）

2.        將圓形馬達的軸心套入小齒輪，塞到與馬達軸心切齊即可，如圖9右所示。

圖9：前後輪以快乾膠固定位置

3.        將馬達與前步驟的套件組合，使馬達的小齒輪與前輪的大齒輪可以嚙合，形成之前輪驅動車，如圖10所示。

 

圖10：小功率馬達（左）；嚙合馬達小齒輪與前輪大齒輪（右）

4.        將電解充電完成的燃料電池放上電池車，並將馬達上的正負極線路接上電池，即完成燃料電池車，如圖11所示。

圖11：完成燃料電池車

n  原理與概念

電化學的領域中，標準狀況下（1 atm、25℃、1 M），氫氧燃料電池的反應式及其對應的電位如式[1]~[3]所示：

陽極：2H₂(g) → 4H^＋(aq) + 4e^–     = 0.00 V    [1]

陰極：O₂(g) + 4H^＋(aq) + 4e^– → 2H₂O(l)     = 1.23 V    [2]

全反應：2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l)    ΔE⁰ = ＋ = 1.23V    [3]

雖然ΔE⁰ = 1.23 V＞0，表示這是一個可以自發的反應，但是這個反應的活化能很高，在一般不使用任何的催化劑或點火的情況下，氫氣與氧氣反應將很難進行反應。經實驗量測兩極的電位差約1.65 V，較氫氧燃料電池的理論值為高；電流強度約35 mA。

電解稀的氯化鈉水溶液時（硫酸鈉亦可），水中不停有氣泡發生，此氣泡為氫氣與氧氣，其正負極的反應式如下所示：

陰極（負極）：2H₂O(l) + 2e^─ → H₂(g) + 2OH^─(aq)    [4]

陽極（正極）：H₂O(l) → 1/2O₂(g) + 2e^─ + 2H^＋(aq)    [5]

全反應：H₂O(l) → 1/2O₂(g) + H₂(g)    [6]

當電解時，電子從電池的負極流出，水分子在陰極得到電子，發生還原反應；另一極，水分子發生氧化反應產生氧氣及氫離子，並放出電子，流回電池的正極。通電約5分鐘後，隨即將充滿氣體的兩碳電極與馬達連接，溶液中的氫氣在鹼性環境中發生氧化反應，失去電子，進入馬達，電能轉換程機械能，使馬達轉動 ；此時溶液中的的氧氣在酸性環境中得到電子發生還原反應，生成水。如此週而復始，直至氣體耗盡後，馬達隨即停止轉動。

n  探索活動學習單

活動（一）：組裝燃料電池並觀察充電和放電時的變化

拍下你的燃料電池裝置照片，觀察電池充電和放電前後電極與電解液的現象，並說明其原因。

（插入照片）

 

 

 

（說明原因）

活動（二）：燃料電池放電的電壓和電流的測定

停止電解後，氫氣和氧氣在電解液中放電，即有電壓。此反應的反應式：2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l)。再利用伏特計測量每30秒的電壓，連續5分鐘。測量初始電壓和電流詳細紀錄於表一。

表一：燃料電池放電的電壓和電流的測定

活動（三）：電解不同電解質和不同材質

1.        準備醋酸（CH₃COOH）、氫氧化鈉（NaOH）、碳酸氫鈉（NaHCO₃）…等不同酸鹼性電解質溶液，改變不同的電解質，測量並找出何種電解質溶液有最佳起始電壓。

2.        嘗試改變不同種類的碳棒電極，觀察不同種類的碳棒導電度及對氣體吸附的效果，例如：鉛筆芯、2B鉛筆、炭筆、備長炭等，進行相同燃料電池的操作，探究是否與碳棒有相同效果。

3.        如果上述電壓數值不佳，想想看是什麼原因造成這些影響？有什麼方法可以改善？

活動四：不同長度塑膠管對燃料電池電壓及續航力的影響

1.        準備10 cm、15 cm、20 cm等不同長度的塑膠管，製作燃料電池，找出何種長度的塑膠管有最佳起始電壓。

2.        將不同長度塑膠管製作的燃料電池接上電池車，測量電池車行進的距離，找出最佳電池重量與電壓的比例。

n  安全注意及廢棄物處理

l  本實驗使用完畢之電池車及電解液可重複使用，如長期不使用，可將電解液倒出後，按實驗室規定回收。

l  電解食鹽水的濃度不可過高，否則可能產生有毒的氯氣而危害身體健康。

n  參考資料

1.      氫氧電池，https://www.youtube.com/watch?v=0mxzbRqkAiA。

2.      高雄女中化學科主編（民98年），【能源的明日之星 燃料電池】，高雄市：高雄女中。

3.      方金祥（2004年），氫氧燃料電池之微型化設計及在電化學教學應用之研究，化學，62（4），547~554。

 

原住民族傳統烤肉作法與化學

傅麗玉

國立清華大學師資培育中心
[email protected]

臺灣原住民族的飲食文化與大自然緊密連結。人不是凌駕在萬物之上，而是與萬物共生共存在大自然。無論食物的來源是採集植物或獵取動物，無論是來自山林還是大海，原住民族都依循著一套充滿自然智慧的規範，依照大自然的時序與萬物的生養作息，只取所需的量，嚴禁與大自然爭奪食物，否則大自然將不再提供食物人類。傳統原住民族的生活中，烤肉是一件大事，平日大多以採集的野菜或糧食作物為主，只有在特殊的節慶或祭典時，男子必須進行狩獵，打到獵物才有機會肉食。

n  原住民族狩獵文化和烤肉做法

傳統原住民族文化中，狩獵是男子的工作，泰雅族男子在獵得第一隻獵物後，才能取得文面的資格。女性不可以參與狩獵。狩獵武器是男子的第二生命，不隨意讓他人碰觸，尤其女子不得碰觸，以免日後再也打不到獵物。各部落有所屬的獵場，不得進入其他部落的獵場，就算是打到的獵物跑進其他部落的獵場，也不可以闖入拿取獵物。狩獵的季節有嚴格規定，動物繁殖期（約四月到十月）不可狩獵。最佳的狩獵季節是秋冬，此時動物肥碩，氣溫低獵物不易腐壞，山上的蛇類冬眠，降低被蛇類咬到的風險。獵得的獵物一定帶回部落，參與狩獵者可以分得獵物之外，還要流一些與族人共享或分送給族人。對於只有老弱婦孺而無男子可狩獵的家庭，尤其要特別多給一些。把需要的東西給真正需要的人，才是真正的公平。一起烤食所獵得的肉食是部落共享獵物的一種方式。

原住民族部落中常見的烤肉方式是以竹籤的一端串肉放在炭火上，竹籤的另一端固定在地面。肉的油汁順著竹籤流到地面，不會滴到火焰上與火發生反應（見圖1）。烤肉前備好的炭火並以芭蕉葉覆蓋削好的竹籤（見圖2）。要翻面烤時，將竹籤從地面拔起，再反面插回去即可。原住民族不用鐵製的鐵叉子，更不用鐵網鐵架。烤肉不用醃料調味只抹少許的鹽巴。烤好之後才依個人口味，加放鹽巴。原住民族常在部落的涼棚中，一邊烤肉一邊聊天（見圖3）。在炭火上方的置物架和籐編器具因長期炭火煙燻而得以防腐更耐久（見圖4）。

圖1：原住民族部落的烤肉方式以竹籤串肉且另一端固定在地面，肉的油汁順著竹籤流到地面，不會滴到火焰上與火發生反應（傅麗玉攝，2006）

 

圖2：備好的炭火（左）與以芭蕉葉覆蓋削好的竹籤（右）（傅麗玉攝，2009）

圖3：在部落的涼棚中一邊烤肉一邊聊天（傅麗玉攝，2009）

圖4：炭火上方的置物架與籐編器具因長期炭火煙燻而得以防腐更耐久（傅麗玉攝2009）

n  烤肉的相關化學反應—梅納褐變反應

烤過的肉會變黑褐色而且有一種香味就是因為梅納褐變（Maillard browning, Millard reaction） 的化學反應所導致的。梅納褐變反應是指在沒有酵素的情況下，還原糖的醛基與胺基酸的胺基所發生的反應。以肉類為例，肉類中的還原糖（一類碳水化合物）與胺基酸（蛋白質的組成單體）在加熱時發生一連串反應後，高溫會加速梅納褐變反應，在食物的表面可以看到所生成的棕黑色固體的大分子物質，稱為類黑精或類黑素（Melanoidin），同時產生數百種甚至一千種不同氣味的中間體分子，包括還原酮、醛以及雜環化合物，讓烤過的肉變得色香味俱全。梅納褐變反應最早是1912年法國化學家梅納（Louis Camille Maillard）所發現，直到1953年John Hodge等科學家才將這個反應正式命名為梅納褐變反應，Hodge所提出的梅納褐變反應歷程相當複雜（見圖5）。Maillard發現將胺基酸和糖類水溶液混合加熱後，會產生黃棕色溶液。但是，梅納的發現並未引起當時法國科學院的科學家的重視。直到食品工業逐漸發達的1950年代，肉類加工、食品儲藏、香精生產、中藥研究等領域，甚至有機體的生理和病理過程相關研究日益發展，梅納褐變反應才受到重視並且成為一項重要的技術。

圖5： Hodge提出的梅納褐變反應歷程

（圖片來源：維基百科，https://zh.wikipedia.org/zh-tw/美拉德反應）

經高溫加熱超過攝氏溫度130°C的含澱粉食物發生梅納褐變反應會產生丙烯醯胺（Acrylamide），其化學式CH₂=CHCONH₂。食用時要特別注意，因為WHO所屬國際癌症研究機（International Agency for Research on Cancer, IARC），根據動物實驗結果，將丙烯醯胺列為一種疑似致癌的物質。例如馬鈴薯和穀類所含的一種名叫天冬醯胺（Asparagine）的胺基酸含量較高，與馬鈴薯自身含有的大量澱粉一起加熱，會發生梅納褐變反應，生成丙烯醯胺。尤其澱粉含量豐富的馬鈴薯煎炸加熱所做的薯條、洋芋片、炸油條等都可能含有較高量的丙烯醯胺，甚至乳製品、肉類和魚類的油炸食物也都可能在高溫油炸過程產生丙烯醯胺（見圖6）。

圖6： 天冬醯胺與澱粉反應生成丙烯醯胺的歷程

（圖片來源：維基百科，https://zh.wikipedia.org/zh-tw/丙烯酰胺）

要注意的是，一般人很容易將焦糖化（caramelization）與梅納反應混淆。醣類在沒有胺基酸或其他含氮物質的情況下，加熱到120℃會開始脫水並裂解的過程稱為焦糖化反應。最常見的就是時下流行的焦糖烤布蕾。又例如不同種類的咖啡豆有不同含量的醣類，經過烘焙之後，會產生不同的風味。蛋炒飯在烹飪過程中，蛋汁與米飯表面在加熱時產生焦糖化反應，米粒會因脫水而變硬且粒粒分明。但是其他含有蛋白質氨基酸的肉類、魚肉與蔬菜等食物則不會發生焦糖化反應。

n  原住民族傳統烤肉與現代烤肉的比較

原住民族的烤肉方式非常簡單，只用竹籤而不是一般的鐵製的鐵叉子，更不用鐵網鐵架，而是以竹籤串肉。現代流行在烤肉或油炸肉時加入許多調味料或加澱粉。在高溫燒烤或油炸過程，添加在肉上的調味料與澱粉會因發生梅納褐變反應而產生丙烯醯胺。原住民族烤肉類單純只是肉類，不加其他物質，完全以食材的新鮮度與火候提升食物的美味，是比較健康的處理方式。此外，原住民族烤肉使用木炭，比較不會產生煙霧造成對食物與空氣的污染，且火力穩定，溫度夠高，足以烤出美味的食物（見圖7）。但無論是哪一種處理方式，肉類的食用都要適量，以免因為偏食而造成健康問題。傳統上，原住民族對於狩獵的時間、獵物物種、大小與數量都有嚴格的禁忌規範，所得的獵物採用分享、分擔與共食，即使食物再少也要分享，就是要大家都能有食物吃，都一起活下來。在此情況下，其實個人的肉食量遠低於蔬菜的食用量，是非常具有健康管理與生態保育的智慧。

圖7： 炭火上的烤肉色香味俱全（傅麗玉攝，2006）

n  參考資料

1.        古屏生（2011）。山裡來的健康原味。臺北：大寫出版社。

2.        左藤秀美（2004）。用科學方式瞭解「熱」的為什麼。臺北：大境文化。

3.        杉田浩一（2016）。料理好科學。臺北：馬可孛羅文化。

4.        Robert L. Wolke （2015） 原著What Einstein Told His Cook 2。鄭煥昇、黃作炎和洪慈敏譯。料理科學。臺北：采實文化。

5.        美拉德反應，維基百科，https://zh.wikipedia.org/zh-tw/美拉德反應。[2016/6/17]

6.          丙烯醯胺，維基百科，https://zh.wikipedia.org/zh-tw/丙烯酰胺。[2016/6/21]

7.          達西烏拉彎.畢馬（田哲益）（2001）。台灣的原住民–泰雅族。臺北：臺原出版社。

 

氧化物、過氧化物或超氧化物與其化學猜謎

施建輝

國立新竹科學園區實驗高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]

n  鹼金屬、鹼土金屬與氧氣反應的產物是氧化物、過氧化物還是超氧化物？

鹼金屬、鹼土金屬與氧氣反應時，能形成各種類型的氧化物，包括氧化物（oxide）、過氧化物（peroxide）或超氧化物（superoxide），表1是鹼金屬元素在過量的且乾燥的氧氣中燃燒的產物，可看到鋰生成氧化鋰（Li₂O），鈉生成過氧化鈉（Na₂O₂）和部分超氧化鈉（NaO₂），鉀、銣、銫分別生成超氧化鉀（KO₂）、超氧化銣（RbO₂）與超氧化銫（CsO₂）。

鹼金屬、鹼土金屬與氧氣反應時，何時生成氧化物、過氧化物或超氧化物？同一種金屬元素可否在不同條件下生成氧化物、過氧化物或超氧化物？這三種類型的氧化物中，超氧化物O的氧化數為，是一個分數，為何是分數？這些困擾高中化學教師多年的問題，筆者試著解析此一問題，希望提供教師們一個清晰的解釋。

n  氧離子（O²⁻）、過氧離子（O₂²⁻）與超氧離子（O₂⁻）的電子組態與其氧化數

1.        氧原子的電子組態為1s²2s²2p⁴，氧離子（O²⁻）多了兩個電子，故其電子組態為1s²2s²2p⁶。以氧化鋰（Li₂O）為例，這是一個離子化合物，由2個鋰離子（Li⁺）與氧離子（O²⁻）以離子鍵結合，在這個化合物中，O的氧化數為−2。

2.          氧分子（O₂）依據價鍵理論，其結構具有雙鍵、符合八隅體法則（Octet rule），如圖1所示。根據這個結構而言，氧分子應該是逆磁性（diamagnetism）。但是若將液態氧通過磁場，卻發現其被磁場吸引，如圖2所示，表示其具有順磁性（paramagnetism），應該具有未成對的電子，也表示價鍵理論無法真實的呈現氧分子的電子組態，故必須改以分子軌域（molecular orbital）的理論才能解釋此一實驗結果。以分子軌域理論來看氧分子，其價電子之MO為(σ_2s)²(σ*_2s)²(σ_2px)²(π_2py)²(π_2pz)²(π*_2py)¹(π*_2pz)¹，如圖3所示，可看到各有一個未成對的電子在π*_2py與π*_2pz，證實液態氧具有順磁性。

圖1：氧分子（O₂）的結構符合八隅體法則

圖2：液態氧的順磁性實驗

（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Paramagnetism）

圖3：氧分子（O₂）的分子軌域

3.        過氧化鈉（Na₂O₂）也是一個離子化合物，由2個鈉離子（Na⁺）與過氧離子（O₂²⁻）以離子鍵結合。過氧離子（O₂²⁻）為氧分子（O₂）得到2個電子，其價電子之MO為(σ_2s)²(σ*_2s)²(σ_2px)²(π_2py)²(π_2pz)²(π*_2py)²(π*_2pz)²。這2個電子由2個氧原子平分，每個氧原子得到1個電子，故過氧化物中O的氧化數為−1。

4.        超氧離子（O₂⁻）為氧分子（O₂）得到1個電子，其價電子之MO為(σ_2s)²(σ*_2s)²(σ_2px)²(π_2py)²(π_2pz)²(π*_2py)²(π*_2pz)¹。這1個電子由2個氧原子平分，每個氧原子平均得到  個電子，故超氧化物中O的氧化數為，這就是為何超氧化物的氧會有分數之氧化數的緣故。

n  鹼金屬、鹼土金屬的氧化物

1.        Li和鹼土金屬在O₂中燃燒生成氧化物，其反應如式[1]和[2]所示。

4Li + O₂ → 2Li₂O    [1]

2M + O₂ → 2MO （M為Be、Mg、Ca、Sr、Ba）    [2]

2.        Na與Na₂O₂反應，可得氧化鈉（Na₂O），其反應如式[3]所示。

2Na + Na₂O₂ → 2Na₂O    [3]

3.        K、Rb、Cs與硝酸鹽（MNO₃）反應，可得氧化物，其反應如式[4]所示。

10M + 2MNO₃ → 6M₂O + N₂ （M為K、Rb、Cs）    [4]

n  鹼金屬、鹼土金屬的過氧化物

鹼金屬、鹼土金屬（除Be外）都能生成相對應的過氧化物，但是製備方法各異，敘述如下。

1.          過氧化鋰（Li₂O₂）：LiOH·H₂O與H₂O₂反應，經減壓、加熱脫水製得，其反應如式[5]所示。

2LiOH·H₂O + H₂O₂ → Li₂O₂ + 4H₂O    [5]

2.        過氧化鈉（Na₂O₂）：在除去二氧化碳（CO₂）的乾燥空氣通入熔融鈉中，控制空氣流量和溫度，即可製得過氧化鈉（Na₂O₂），其反應如式[6]所示。

2Na + O₂ → Na₂O₂    [6]

說明：過氧化鈉會與二氧化碳反應，生成碳酸鈉（Na₂CO₃）與氧氣，其反應如式[7]所示。

2Na₂O₂ + 2CO₂ → 2Na₂CO₃ + O₂    [7]

3.        其餘鹼金屬之過氧化物（M₂O₂）難以用製備過氧化鈉（Na₂O₂）的方式製得純過氧化物，因為這些過氧化物很容易進一步氧化為超氧化物（MO₂）。其製備方式為在低溫下，通氧氣於這些金屬的液氨溶液中製得，其反應如式[8]所示。

2M + O₂  M₂O₂ （M為K、Rb、Cs）    [8]

4.        過氧化鎂（MgO₂）無法以Mg與氧氣反應獲得，只能在液氨溶液中製得，其反應如式[9]所示。

Mg + O₂  MgO₂    [9]

5.        過氧化鈣（CaO₂）的製備方式是先製得八水合過氧化鈣（CaO₂·8H₂O），再經脫水而得。八水合過氧化鈣的製備是以CaCl₂·6H₂O、H₂O₂、氨水為原料反應而得，其反應如式[10]和[11]所示。

CaCl₂·6H₂O + H₂O₂ + 2NH₃ + 2H₂O → CaO₂·8H₂O + 2NH₄Cl    [10]

CaO₂·8H₂O  CaO₂ + 8H₂O   [11]

6.        過氧化鍶（SrO₂）與過氧化鋇（BaO₂）則是以SrO和BaO與O₂在一定條件下反應製得，其反應如式[12]和[13]所示。

2SrO + O₂（2×10⁷Pa）  2SrO₂    [12]

2BaO + O₂（1×10⁵Pa）  2BaO₂    [13]

n  鹼金屬、鹼土金屬的超氧化物

鹼金屬（除Li外）、鹼土金屬（除Be與Mg外）都能生成相對應的超氧化物，其製備方法敘述如下。

1.        通O₂於Na、K、Rb、Cs的液氨溶液中製得，其反應如式[14]所示。

M + O₂  MO₂ （M為Na、K、Rb、Cs）    [14]

2.        K、Rb、Cs於過量的O₂中燃燒製得，其反應如式[15]所示。

M + O₂（過量） → MO₂ （M為K、Rb、Cs）    [15]

3.        也可將加壓的O₂和Na₂O₂在高溫下反應製得超氧化鈉（NaO₂），其反應如式[16]所示。

Na₂O₂ + O₂ (1.5 × 10⁷ Pa)  2NaO₂   [16]

4.        超氧化鈣、超氧化鍶與超氧化鋇由相對應的過氧化鈣、過氧化鍶與過氧化鋇和H₂O₂在真空下加熱製得，其反應如式[17]所示。

MO₂ + 2H₂O₂  M(O₂)₂ + 2H₂O （M為Ca、Sr、Ba）   [17]

n  過氧化物與超氧化物的用途

1.        鹼金屬的過氧化物中，以過氧化鈉最常見也最實用。過氧化鈉與水或稀酸反應會生成H₂O₂，H₂O₂又可立即分解，其反應如式[18]~[20]所示

Na₂O₂ + 2H₂O → H₂O₂ + 2NaOH    [18]

Na₂O₂ + H₂SO₄ → H₂O₂ + Na₂SO₄    [19]

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂    [20]

因此過氧化鈉可以做為氧化劑、漂白劑與供氧劑。

2.        超氧化物主要的用途是做為氧化劑與供氧劑。如果使用超氧化鉀充填在呼吸面罩中，能發生反應，其反應如式[21]和[22]所示

4KO₂ + 2CO₂ → 2K₂CO₃ + 3O₂    [21]

4KO₂ + 4CO₂ + 2H₂O → 4KHCO₃ + 3O₂    [22]

其反應釋放出的氧氣可供面罩配戴者呼吸。在特殊場合，例如礦坑、水面下、高山上或高空飛行等，這種特殊面罩是非常有用的。

n  化學猜謎的回顧與分享

高中化學在「氧化還原反應」這個單元中會提到氧化數的觀念，在氧（O）的部份，會介紹過氧化物與超氧化物，有學生會問：何時會生成過氧化物？何時會生成超氧化物？任課教師若沒有事先準備，還蠻容易被學生們當場考倒，筆者也遇過學生問起這個問題，一時之間確實無法清楚地回答學生的問題，後來翻閱幾本相關化學書籍，才對這個問題有比較清楚的概念。之後，陸續有其他教師問起這個問題，才決定撰寫這篇文章提供教師們參考。

一、化學猜謎：某一化學物質（兩個字）

筆者於化學的教學方面，曾開創「化學猜謎」的活動，兼具知識性、挑戰性與趣味性，進行方式以3~4位同學組成一組，以組為單位回答問題，答案寫在答案卷上，如表2所示。

表2：化學猜謎的答案卷

「化學猜謎」的實施過程，每一謎底播放六張投影片，說明如下：

(1)     第1張投影片：謎底是某一化學物質，有兩個字，每一個題目有4個提示，如圖5上左所示；

(2)     第2張投影片出現第1個提示，如圖5上中所示，給各組20秒的時間討論，並將討論後的答案寫在答案卷中第1題的第1個空格，若不知答案為何，在該空格打「û」；

(3)     第3張投影片出現第2個提示，如圖上右5所示，同樣給各組20秒的時間討論，討論後，若覺得原先答案正確，則在第2個空格打「ü」，若覺得原先答案錯誤，則在第1個空格的答案上打「û」，並將正確的答案寫在第2個空格；

(4)     依此類推，第3個提示，如圖5下左所示；第4個提示，如圖5下中所示；謎底揭曉，如圖5下右所示。

(5)     給分原則：若每題10分，出現第1個提示答對者給10分，出現第2個提示答對者給6分，出現第3個提示答對者給4分，出現第4個提示答對者給2分，完全錯誤的不給分。

  

  

圖5：化學猜謎的題目設計原貌（上左）；第1個提示（上中）；第2個提示（上右）；第3個提示（下左）；第4個提示（下中）；謎底揭曉（下右）

二、化學猜謎：某一化學物質（四個字）

運用這篇文章的主題，設計化學猜謎的題目，如圖6所示。

  

  

圖6：化學猜謎的題目設計原貌（上左）；第1個提示（上中）；第2個提示（上右）；第3個提示（下左）；第4個提示（下中）；謎底揭曉（下右）

完成此一化學猜謎的題目後，本人會進行機會教育，告訴學生們化學藥品不是媒體的報導總是負面消息，它們其實是可以用來救人的。在礦坑工作的礦工經常面臨礦坑崩塌的危險，若礦場主人能珍惜為其工作的礦工的安全與寶貴的性命，應該要讓每位礦工攜帶裝有超氧化鉀的面罩進入礦坑，若真的不幸遇到礦坑崩塌，戴上這種特殊面罩，其內的超氧化鉀將會提供氧氣並吸收二氧化碳，提供的氧氣能讓礦工們呼吸並維持生命，吸收二氧化碳則避免二氧化碳濃度太高而窒息。因此，我會向學生們強調，今天大家學到的是一種神奇的化學藥品—超氧化鉀。

接著進行氧化數的教學，介紹超氧化鉀中氧的氧化數。經過這樣的教學安排，學生們的學習意願明顯的提高。

n  參考資料

1.        劉新錦、朱亞先、高飛編著，無機元素化學（第二版，2010），科學出版社。

2.        劉翊綸主編，基礎元素化學（第一版，1992），高等教育出版社。

3.        嚴宣申、王長富編著，普通無機化學（第二版，1999），北京大學出版社。

4.        宋其聖主編，無機化學學習筆記（第一版，2009），科學出版社。