臺灣化學教育

化學的填字遊戲？

蔡蘊明

國立臺灣大學化學系
[email protected]

n  前言

國際純粹及應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC）與國際純粹及應用物理聯合會（International Union of Pure and Applied Physics, IUPAP）在去年（2015）末宣佈，已經成功的證實四個原子序數為113，115，117，和118的新元素之存在，因此化學元素週期表的第七行（或第七週期）正式宣告填滿，如圖一所示。

圖一：化學元素週期表第七週期宣告填滿

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

週期表向來是與化學緊密連結的圖騰，此消息一出，讓化學難得的在各大報章上博取了不少的版面，但激情過後，我們要問，這對化學到底有何影響？化學追求的會是一個像填字一般的遊戲嗎？這種淪落於膚淺的認知不是化學的專利，君不見民眾對生物的認知好像也只是基因密碼的破解，對物理的認知好像只是基本粒子的追求，何其一般。因此，站在一個化學人的立場，讓我們來探索一下這個領域真正在追求的是什麼。

n  簡介

為了方便理解本文，先對核化學的常見表達方式做簡單的說明。化學家會在元素符號的左下角註明其原子序，亦即該元素核內質子的數目，符號的左上角則註明其核內質子與中子合計的數目，稱為質量數。例如：紀念科學家波爾的元素bohrium（Bh, ），以Bh為其元素符號，Bh的一個同位素可用  表示，意指其原子序數為107，核中除了107個質子外，還有155個中子（同位素係指二核種具有相同的質子數但不同的中子數），質子與中子數目之合就是質量數。另請注意，在討論核的變化時，通常不會註明核外的電子數目以及是何種化學型態（化合物）。

n  融合

通常在鈾元素（原子序數為92）之後的元素，稱為超鈾元素，大都是透過人工合成的，為不穩定的並具放射性，會衰變成其它核種，每一個特定的核種會具有其獨特的衰變方式，一步步衰變至一個穩定的元素，這一系列的衰變稱為衰變鏈（decay chain）。

第一個超鈾元素是在1940年在美國加州大學柏克萊分校的兩位物理學家Edwin Mattison McMillan與Philip Hauge Abelson所製造的，他們以中子（）撞擊氧化鈾（鈾238）得到鈾-239，如式[1]所示，而鈾239接著衰變成為錼（neptunium-239）並釋放出beta-射線（），如式[2]所示。

 +   à     [1]

 à  +     [2]

在錼衰變的過程中，核內中子釋放出帶負電的電子而轉變成帶正電的質子，因此原子序數增一而質量數不變。

以上的合成方法是透過不帶電的中子撞擊核，這種融合較為容易，而許多超鈾元素是經過核融合來製備的，也就是以一個核去撞擊另一個核，但由於質子帶正電，因此核具正電，使得核融合因為正電的相斥而非常困難，需要非常高的能量，基本上是透過線性加速器或環形加速器將某離子加速，以極高的能量撞擊塗佈另一核種的靶來引發核融合。例如原子序為114的鈇（flerovium；元素符號為Fl），是在1999年透過鈣-48（）撞擊鈽-244和242（, ）的靶所得到的，其中質量數289的同位素（）最穩定，其半衰期為2.7秒。在此核反應中，鈣的原子序（20）加上鈽的原子序（94）就等於鈇的原子序（114）。

若是以較輕的核種為加速的離子去撞擊重核種的靶，得到的核融合產物會以較高的能量狀態存在，這稱為熱融合（hot fusion）。因為融合產物處於高能狀態，很容易進行核分裂產生原子序小的核種，因此使得熱融合只能合成到原子序106者為止。但後來發現若用較重之核種的離子作為撞擊者（例如鈣），撞出的融合產物會處於較低的能量狀態，被稱為冷融合（cold fusion）。

這屬於高能物理的研究領域，概念上好像很簡單，而喜歡看科幻電影的讀者可能注意到「鋼鐵人」影片中，主角天才科學家史塔克為了尋找強大能源，認為需要一種新的元素，是而一天之內架起一套加速器，三兩下就製造出了一個了不得的新元素，放在胸前以供駕馭那套鋼鐵服裝。但在現實的層次，要建立一部加速器是需要億級以上的經費（這當然難不倒史塔克），更要花上數年的時間來建造，每年至少上千萬的經費來維護，能夠運轉之後必須耐心的打靶，撞個十天半月才能得到數“顆”新的核種並不令人意外，但要確認是否撞出新的元素還需要很漫長的時間去解讀分析收集所得的資料，整個過程絕非科幻電影所描述的那般神奇，科學家需具有的耐心和毅力在這個領域彰顯無疑，更不用說這些超鈾元素都是具有放射性的，處理時要極度的小心，要能放在心窩還能在天空飛翔戰鬥，根本是神話了！

實際上，現今有財力和能力執行核融合實驗的地方屈指可數，其中最著名者包括位於蘇俄Dubna（杜布納）的Joint Institute for Nuclear Research（簡稱JINR），美國加州柏克萊附近的Lawrence Livermore National Laboratories（簡稱LLNL），位於德國Darmstadt（達姆城）的Institute for Heavy-Ion Research（簡稱GSI），以及日本的理化研究所（RIKEN）。

n  分析與鑑定

上述提及，要產生新的元素需要無數次的撞擊，可以想像會產生各種各樣的物質，因此如何從複雜的背景訊號中尋找極少量新的元素，成為新技術開發的強大動力。大致說來，要有技術將性質接近的核種分離，此外這些新元素都很不穩定，需要有精密的探測裝置，追蹤各種粒子的運動路徑，包括其位置時間及分裂狀況，量度其動能及各種性質，透過核衰變鏈中的母–子（parent-daughter）關係來推測與核對，這必須從實驗時收集到的龐大資料中去搜尋和解讀。理論學家也要透過計算去事先預測及事後推算，因此除了在加速器線上的實驗之外，另需強大的電腦運算裝置和人才來合作。實際上，當實驗完成之後常需要數年的時間來處理數據，因此不難注意到新聞記者會公佈發現新元素，到真正在科學期刊上發表，常有幾年的落差。

由於整個過程極端的複雜，因此科學家極端重視的實驗複製變得非常重要，而這個複製需要在不同的實驗室來完成，也因此等待證實又需數年的時間，整體從發現新元素到被國際組織認證花上十年也不為過，真所謂十年鐵杵磨成繡花針。例如上述的鈇（Fl）是1999年在蘇俄杜布納的JINR首先發現，到了2009年才得到美國Lawrence Berkeley National Laboratory （LBNL）的證實。

一旦被IUPAC及IUPAP認證之後，首度發現該元素的單位就被賦予了命名權（包括代表符號），那是至高無上的榮譽，也是另一新聞的焦點。例如本次造成轟動的一個新元素113的首發單位是日本的RIKEN，這是史上第一次日本得到此項榮譽，也是亞州的第一次，許多人預測其名稱可能為“japonium”。實際上以國家為名的還有原子序數為95的americium，不難猜出是以美國為名。再以上述的鈇為例，一直要到了2011年才獲得IUPAC及IUPAP的認可正式進入週期表，而隔年（2012）年得到flerovium的名稱。剛由IUPAC及IUPAP承認的那四個新元素，預期元月底會正式進入IUPAC公佈的新週期表中，預計再過半年會訂出這幾個新元素的名稱，除了新元素113的命名權屬於RIKEN之外，新元素115與117則屬於共同合作的JINR，LLNL和美國的Oak Ridge National Laboratory來命名，而新元素118的命名則是由俄國的JINR與美國LLNL來做。

n  新元素的化學

說明至此，其實都是核物理和核變化，貴為化學週期表的一員，新元素的化學何在？從化學的立場來看，這當然是更重要的一環，但是要研究新元素的化學性質極其不易，尤其是原子序數超越100而被稱為超重元素（super-heavy elements）者，通常都具有很短的半衰期，更不用說得到的數量又少，這使得研究其化學性質和反應非常困難。

如果真能得到足夠量的新元素，化學家會希望先將之還原，取得電子構造，游離能，原子半徑，熔點，密度，穩定存在的離子價數，化學活性，以及能生成的化合物和其價鍵數等等資訊。這些資訊要拿來與理論計算所得的推測做比較，以檢驗理論的正確性。我們知道週期表是按照元素的化學性質來安排的，因此新元素的性質是否在各方面仍然遵守此一規則，是科學家極欲知道的，例如新元素117應屬於鹵素類的化合物，那麼實際上的化學性質是否真的如此呢？

理論學家很早就透過計算推測具有質子數為114，中子數為184附近的元素，會有一個所謂的“穩定區”（island of stability）存在，這也是科學家期待證實的。然而目前能合成的是 ，可能是在穩定區的邊界，尚未能得到理論上最穩定的 。

科學家對超重元素有興趣的一個原因在於它們具有非常高的核電荷，這使得核與核外電子之間的引力很強，尤其是內層軌域之電子，運動的速率將趨近於光速，預期會產生明顯的“相對論效應”（relativistic effect），內層軌域的電子會非常貼近核，並會使得價軌域的電子不穩定，這可能會使得這類元素具有不尋常的物理和化學性質，那會不會使得它們在週期表上的位置必須調整呢？對理論科學家而言，這個領域是挑戰量子力學與相對論如何融合的場所，但許多問題的答案需要實驗科學家持續的努力。

現在先讓我們看看這最新認證的四個明星元素發現的過程。

n  新元素113

在2004年的時候，俄國的JINR與美國LLNL合作的研究人員宣佈在合成新元素115的時候，觀察到其衰變鏈中包括了另一新元素113，不過2011年時，IUPAC 與IUPAP組成的委員會認為他們提出的證據不夠充分。同時在2004與2005年，日本RIKEN的超重元素實驗室研究人員，以加速的鋅離子（₃₀Zn）撞擊塗佈了鉍（₈₃Bi）的靶，得到了充分的證據顯示  的存在，因為此新元素113的名稱尚未定，此處讓筆者以IUPAC所訂的命名法則由Uut來表示，此符號中的英文字母u代表數字1，而英文字母t代表數字3，其113的意義望文而生。

經過六次的alpha-衰變，最終得到 ，如式[3]所示。此處所謂的alpha-衰變是指分裂出alpha-粒子，亦即氦核（），脫去六個alpha-粒子使核中少去12個質子，產生具有101個質子的鍆（mendelevium, Md）是可以推測的。這並非在紙面上算算即可，這個新的核必須分離並導入一個裝置，嚴謹的檢驗這個衰變鏈中的每一個產物，透過已知的核種的半衰期檢驗產生鍆所花的時間。

  à    à    à    à    à    à      [3]

在RIKEN的實驗是從2003年九月開始的，一直進行了553天才得到三顆Uut，個中辛苦不言而喻。在2012年，RIKEN的研究者報導他們又第四度的得到相同的結果，於2015年末，終於得到國際組織認可。

n  新元素115

上述已經提到2004年有關新元素115的發現，該組研究人員是以鈣離子（）去撞擊 ，找到四個衰變鏈與新元素115有關，在此以Uup為此新元素的符號（p代表數字5）。有三個衰變鏈是  在維持了約0.1秒之後丟出alpha-粒子產生 ，然後在約20秒內透過四次alpha-衰變得到 ，非常有趣的是此一超重元素dubnium（Db）的同位素268之半衰期竟可達約一天。他們另觀察到一顆  在約半秒之內經過四次alpha-衰變，接著進行迅速的核分裂。

在此系列研究中由於可得到半衰期很長的 ，在未來應有機會仔細研究其各方面的性質，以及為何如此的穩定。

2013年，瑞典 Lund university的研究人員使用德國GSI的設備複製了上述的實驗，也因此使得此新元素修成正果。

n  新元素118

在此以Uuo為此新元素的符號（o代表數字8），此元素的發現有些轉折，早在1999年，美國LBNL的研究人員宣佈透過氪（）離子撞擊鉛（）得到了 ₁₁₈Uuo，然而在2001年他們又宣布回收當初發表的論文，因為他們在2000及2001年企圖複製該實驗時未能成功，同樣在德國和日本的研究人員也無法複製，回頭檢驗1999年的實驗結果時卻找不到相關數據，在當時很難不懷疑是有人竄改了數據，是轟動一時的事件，此一事件也凸顯了在不同研究單位重複實驗的重要性。

不過俄國的JINR與美國LLNL於2002年開始合作的研究，以鈣離子（）去撞擊 ，在經過數千小時的撞擊之後成功的得到一顆 ，它經過三次alpha-衰變，接著迅速進行進一步的核分裂。這次研究人員非常小心地在2006年複製了實驗的結果，另得到了兩顆，而於同年正式公佈。

n  新元素117

目前IUPAC暫以Uus 為此新元素的符號（s代表數字7），是這第七週期中最後一個被發現的元素。這個里程碑的到達是在2010年宣佈的，合作的單位包括了JINR，LLNL與美國Oak Ridge National Laboratory，Vanderbilt University，以及在拉斯維加斯的University of Nevada。因此即便IUPAC尚未認可，翻看一些最新版的普通化學教課書放在第一頁的化學元素週期表，其實已將第七行填滿。

他們以鈣離子（）去撞擊 ，得到了  和  這兩個同位素以及觀察到它們獨特的衰變鏈。同組人馬在2012年又成功的複製了同樣的結果，而於2014年在德國GSI的加速器，另外一組研究人員也證實了此新元素的存在。

n  結語

是的，化學元素週期表上的第七週期已經填滿，但這個人類的成就其實在2010年就已經達成，最近國際學會IUPAC與IUPAP又成功的掀起了一番熱議。雖說填滿，但是否歸位尚為未定之數，這是因為這些原子序數大於100的超重元素，由於核內具有極多帶正電荷的質子，可能會影響它們的化學性質，而元素週期表乃是按照其化學性質分門別類，那麼這些新元素是否仍會遵守舊理論的預期而表現其性質，仍須檢驗。苦於這些新元素產量的稀少，加上其不穩定性，要想研究它們的化學性質，是更艱鉅的挑戰。

誠然，科學研究的一大動力就在探索未知，觀察萬物和各種精心設計的實驗結果創造了各種理論，在這個核化學和物理的領域裡，已經對超重元素有許多的預測，新的實驗結果要回過頭來檢驗現行的理論，這樣的循環就是科學知識向前邁進的不變過程。

為了探索新的元素，新的分析方法會因而建立，更敏感更快速的感測裝置必須發明，過去有太多的例子顯示，這些進展終將擴展到其它的領域而有所貢獻。

或許你∕妳沒有發現，第八週期的競逐早就開始了！這篇文章起於一個問號，在這終了，我們最後要問：化學元素週期表是否會有終點呢？

n  參考資料

1.    Discovery and Assignment of Elements with Atomic Numbers 113, 115, 117 and 118. IUPAC. 30 Dec. 2015. http://www.iupac.org/news/news-detail/article/discovery-and-assignment-of-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118.html.

2.    Transuranium element. Encyclopaedia Britannica. Britannica Academic. Encyclopædia Britannica Inc., 2016. Web. 20 Jan. 2016. http://academic.eb.com/EBchecked/topic/603220/transuranium-element.

3.    P. Ball. New Chemistry Revives Elementary Question. Nature, 2016, V 529, 129.

4.    M. Jacoby. New Superheavy Elements Created. C&EN, 2004, V 82 (6), 7.

5.    E. K. Wilson. Element 113 Spotted Again. C&EN, 2012, V 90 (40), 52.

6.    Lucky number 113 RIKEN Research, 2016. Web. 5 Jan. 2016. http://www.riken.jp/en/research/rikenresearch/highlights/7120/

7.    E. K. Wilson. IUPAC Approves Element Names. C&EN, 2012, V 90 (24), 36.

8.    M. Jaco. Elements 116 and 118 Retracted. C&EN, 2001, V 79 (32), 10.

9.    J. Kemsley. Element 115 Detected Again. C&EN, 2013, V 91 (35), 13.

10.  E. K. Wilson; J. Kemsley. Element 117 Created. C&EN, 2010, V 88 (15), 9.

11.  J. Kemsley. Element 117 Repeat. C&EN, 2014, V 92 (19), 28.

12.  M. Jacoby. Element 118 Detected, With Confidence. C&EN, 2006, Web. 17 Oct. http://cen.acs.org/articles/84/web/2006/10/Element-118-Detected-Confidence.html.

13.  M. Jacoby. Heavy Weights Yield to Computation. C&EN, 2002, V 80 (50), 11.

14.  J. Kemsley. Seventh Row of the Periodic Table is Now Complete with Addition of Four Elements. C&EN, 2016, V 94 (2), 6.

青蛙腿實驗與化學電池的發明

賴羿蓉^1, *、洪振方²

¹吳鳳科技大學幼兒保育系
²國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
*[email protected]

n  賈法尼的青蛙實驗

在1786年以前，當時尚無法產生穩定的電流，只有經由磨擦生電的「電火花」而已。話說1786年的某一天，義大利醫生賈法尼（Luigi Galvani, 1737-1798）在實驗室中解剖青蛙，只見他手中的解剖刀一刀下去切開青蛙的腰部，再一刀下去剝出了腰部的神經，然後拿起一把精巧的黃銅小鉤，一鉤穿了過去並順手將其掛在實驗桌上的一根橫鐵樑上。當賈法尼正準備再解剖第二隻青蛙時，忽見剛剛解剖的那隻青蛙抽動了起來。開始，賈法尼認為這可能是青蛙還沒死透的緣故，但過了一段時間之後，蛙腿仍持續的抽動著，絲毫沒有停止的跡象；此時，賈法尼開始覺得異常，於是又解剖了一隻青蛙，同樣的，也以銅鉤倒掛在橫鐵樑上，結果同前次一模一樣。經過反覆的觀察研究，他突然發現，這可能是電在作怪。於是，賈法尼提出一個大膽的假說—「電能是來源於活的肌肉」，並在不同的前提假設下進行各種實驗。最後，賈法尼推斷，使蛙腿抽動的電是來自青蛙自身的，而二種不同的金屬則是蛙腿放電的導體。他把這種電稱之為「動物電」，以區別於靜電。

圖1：Luigi Galvani（賈法尼）

（圖片取自：https://en.wikipedia.org/wiki/Luigi_Galvani）

圖2：賈法尼的青蛙實驗

（圖片取自：https://en.wikipedia.org/wiki/Luigi_Galvani）

n  伏打電堆的發明

1793年，賈法尼在英國皇家學會上發表了他的新發現，與會的學者無不表示喝彩與贊同。然而，在大家都接受並認同賈法尼的發現時，有位義大利帕多瓦大學物理學教授伏打（Alessandro Volta, 1745-1827），眼見做醫學解剖的賈法尼竟在皇家學會大談電學發現，他哪能服氣，因此，又自行重覆賈法尼的實驗，毫無疑問的，他亦得到相同的結果。當伏打正在納悶時，突然，他像想到了什麼似的立即又再一次的重覆賈法尼的實驗，只是這次他將實驗中的橫樑與掛鉤以相同的金屬製造，實驗的結果竟是一個出人意料之外的現象：青蛙腿立即停止了抽動。

圖3：Alessandro Volta（伏打）

（圖片取自：https://en.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta）

此一截然不同的結果深深地震憾了伏打，他因而推斷，蛙腿抽動的能量確實是來自一種新的電能，但這種電能並不是由動物細胞組織所產生的，而是與解剖時所使用的金屬的種類有極大的關係。換言之，並無所謂的動物電，蛙腿會發生抽動乃是因為鉤住青蛙腰部神經的鉤子與橫樑是二種不同的金屬（例如二種金屬分別為銅和鐵）所造成的。

賈法尼聽到了伏打的實驗結果之後，非常震驚，但他仍相信確實有動物電的存在，他也不願接受伏打的觀點。就這樣，賈法尼主張確實有動物電存在，而伏打則主張蛙腿抽動乃是因兩種不同的金屬接觸而產生的，二者均不甘示弱的各為自己的理論找尋證據，因而開始了一場科學論戰。首先在論戰中找到了證據的是賈法尼，他找到了一些電鰻，並發現這些魚所發出的電都是由魚本身所產生的。由此，賈法尼證實了自己的理論是正確的：動物電是動物自身所產生的，不是因兩種不同的金屬接觸而產生的；當然，他亦據此大大的批評了伏打的理論。顯然，此一發現對伏打確實是一大打擊，因為依據伏打所提出的推論根本無法解釋此一現象，但伏打並不因此而退縮，他在眾人的嘲諷下仍持著自己的推論繼續進行實驗。

由於伏打認為，蛙腿會抽動乃是因為兩種不同的金屬和蛙腿內的液體接觸所引起的，因此他以各種不同的金屬相互接觸，中間隔上濕的硬紙、皮革或其他海棉狀的東西，經由不斷嚐試及修改實驗之後，終於得到一個結果，即不論有無動物細胞組織，都會有電產生。

之後，伏打又更進一步改進了自己的設計。他首先以幾碗水代替蛙腿溶液做電解質（Electrolyte），然後把連接起來的幾種不同金屬片浸入水中，從而產生了電流。不久，伏打又對這裝置進行改進，將一個金屬鋅板（Zinc）放在一個銅板（Copper）上，再用一塊浸透鹽水的紙或呢絨板壓上，構成一個單元（Element）；再放上鋅板、銅板，如此重覆下去，十次、二十次、三十次….，由很多個單元堆積疊成一個柱狀，便產生了明顯的電流。即我們所稱的伏打電堆或伏打電柱，亦是今日電池的雛型。

圖4：伏打電堆

（圖片取自：https://en.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta）

n  科學理論不是永恆不變的真理

由上文可知，如果賈法尼沒有注意到蛙腿抽動的現象並對外發表，則此一現象可能至今仍被忽視；如果伏打沒有對賈法尼所提出的理論產生疑問，則將不可能有何特殊的發現；如果伏打受不了外界的冷嘲熱諷，而不能堅持自己的想法並停止實驗，則即使再多的人去重覆賈法尼的實驗，人們除了看到蛙腿跳動外，就不會再看到什麼了。此外，如果伏打不提出蛙腿為何會收縮的理論，就不可能發明伏打電堆，而在科學史上只不過是增加了一個怪異現象的記錄罷了。由此可見，科學理論的建立是始於問題的發現，且在解決此一問題的過程中，多半會再新生一些問題。針對相同的問題，不同的人往往會提出不同的理論，而真正能為人們所接受的理論，往往是能對這些問題做出最佳解釋者。

可能有人會問：「那麼，在這場論戰中，到底誰贏誰輸呢？」讓我們再仔細回憶一下這場論戰的主要論點，即賈法尼主張有動物電的存在，認為使蛙腿抽動的主要原因乃是因為動物電的關係；而伏打則主張並無動物電的存在，蛙腿之所以會抽動乃是因為兩種不同的金屬和蛙腿內的液體接觸所引起的。然而，在論戰的過程中，賈法尼確實找到了證據證明確實有動物電的存在（例如電鰻）；而伏打也依其所提出的理論發明了伏打電池。若我們以動物電是否存在的觀點來評判這兩種理論，則可發現，賈法尼所主張之確實有動物電存在的觀點是正確無誤的；而我們若以化學電池的觀點來評判這二種理論，則似乎伏打所持的觀點才是正確的。由此可見，科學家們在面對同一現象時，常會因所持的觀點不同而發展出不同的理論。

現在，我們已經有一套非常完整關於電池的理論。不過，在觀察肌肉、神經和動物機體的電流這一方面，新的假說仍然不斷的取代舊的假說，我們仍然不曾完成賈法尼的第一個實驗，但我們已完成了伏打的發現。原來的爭端集中在一個問題上：動物身體內真有電嗎？有所謂「動物電」這種東西嗎？時至今日，這樣的問題大致上已經不再是問題了。但是，為了尋求這問題的答案，伏打卻因而發明了電池。在這個歷程中，我們可以清楚的看出，在科學發展的進程上，並不僅僅是單純的發現問題及解決問題而已，每每會在解決原來問題的過程中，又發現了另一個問題。而科學理論的誕生，往往是由於該理論能對所有的問題做出最佳解釋，且具有最強的說服力者。當然，一個科學理論形成之後，並不表示該理論即為不變的真理，這個理論往往會因新的現象的發現而被修改，甚至會被另一個新的理論所取代。由此可知，科學理論並無絕對的對與錯，更不是永恆不變的真理，我們只能藉由不斷創造新的科學理論，使人類能更瞭解自然界的種種現象，並對其做出更加合理的解釋。

結合微電影於製作豆腐和植物染實驗中—
創意影片拍攝心得分享（上）

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  緣起：我的少女時代

十年前意外接到教育部高中化學學科中心（以下簡稱學科中心）雅雯邀請加入其工作團隊，憶起第一次參加會議時的戒慎恐懼，一個如此強大的學科中心指派的任務可能非同小可，脖子上的毛都快豎了起來，資深大家長龔自敬老師除了將階段性工作事項一一說明外，還播放了學科中心資深教師製作的創意實驗影片，專業的裝扮和實驗設備，前輩實驗動作十分精準，口齒清晰三言兩語就能把實驗精髓完整呈現，內心折服外，潛伏多年的雄心及表演慾也激出渴望的火花，遠目少女時期的自己—運動舞社社長，從劇本編寫、組編舞曲、編舞、到成為表演者，沉寂多年，隨著時光之河容顏及熱情已成乾枯的典藏，如今有了伸展的舞台，內心熱血流竄，即使賣老臉也應兩肋插刀賣力演出，一方面深思創意實驗影片以研發實驗為主，太搞笑恐會失焦，太正經又擔心鄉民在點閱YouTube時，一看到學科中心的招牌音樂就直接按叉忽略，枉費學科中心教育普羅大眾的美意，因此尺寸拿捏端看個人本事。

初期拍攝主題以研發創新實驗為主，筆者平日除了教學就是喜歡蒐集各種稀奇古怪實驗，一次偶然機會跟學生分享拍攝影片經驗，他們覺得很新鮮，想參與拍攝，也因此有了主題呈現的表演方式。實驗準備、試做都是由學生負責，拍攝當天大家集思廣益，學生時期情景重現，小幸運的是，這些孩子雖然來自普通班，卻是靈活手巧的孩子，他們創意無限，也因為此次影片拍攝，他們發現自己，找到自己，意外促成這幾個學生日後參與全國化學創意闖關比賽都有十分傑出的表現。

本文共提供兩則實驗內容及其影片，主要是以家庭化學實驗為主，所謂家庭化學實驗是指在家裡做化學實驗，使用的藥品和器材可以從家裡取得，購自五金行、百貨行、文具店、藥局等，或取自廢棄物，而不使用化學實驗室的場地以及藥品和器材。但因拍攝方便起見此兩個實驗都在實驗室中進行，一是學科中心2012年創意闖關比賽影片「關公賣豆腐」，以三國時期大將關公原先是賣豆腐的小販切入主題，介紹豆漿是膠體溶液，當遇到生石灰或硫酸鈣時會達到蛋白質等電點而沉澱，呈現古人的生活智慧。另一則是2014年拍攝的「神奇的植物染」，片中小男孩所使用布為棉布，洋蔥是染劑原料，當小男孩使用了乞丐給的〝神奇豆子〞時，染布效果大增。過程中主要強調出媒染劑對於染布的神奇功效，並介紹其原理。

n  影片觀賞

一、  關公賣豆腐

本實驗影片是2012年化學學科中心拍攝，提供其製作的詳細過程。

影片網址：https://www.youtube.com/watch?v=EjQpbEoxcRI, YouTube.

二、  神奇植物染

本實驗影片是2014年化學學科中心拍攝，提供其製作的詳細過程。

影片網址：https://www.youtube.com/watch?v=40J1tKBW5xs, YouTube.

n  器材及藥品：

加熱板 1 台、保鮮膜 、玻棒 1 支、燒杯（500毫升） 1 個、燒杯（250毫升）  1 個、培養皿  3 個、餐巾紙 1 張、豆漿、硫酸鈣（食品材料行有販售） 1 克、洋蔥表皮 10克（約兩顆的量）、5%的明礬（KAl(SO₄)₂‧12H₂O）水溶液（食品材料行有販售） 。

n  實驗步驟

一、  關公賣豆腐

1.        配製硫酸鈣飽和溶液：取50毫升的蒸餾水，加入適量的硫酸鈣，建議比例：硫酸鈣與水的重量比例是1：7。

2.        取一個250毫升的燒杯，放入豆漿（無糖豆漿較佳），隔水加熱至80℃。再加入硫酸鈣飽和溶液，稍加攪拌後靜置十分鐘。

3.        靜置10分鐘（必要時可以先加熱再靜置），為加速豆腐沉澱生成，可以再以冷水浸泡5分鐘，加速冷卻。此時豆漿分成兩層，上層為水，下層沉澱物質即為豆腐。

4.        將上層澄清液倒掉，將豆腐倒入鋪有保鮮膜的培養皿，可以餐巾紙輕壓液面吸水。

5.        豆腐成型後小心倒出。蒸發皿內的豆腐倒在鋪有保鮮膜的桌面。下圖為完成作品圖。

圖1：手工豆腐示範實驗結果（左），豆腐成型後出現粗浮渣（右）

【評審評分注意事項】

1.        提醒學生可善用實驗室中的器材，除了「創意實驗說明」不得提醒學生實驗技巧。

2.        只要在時間內成型就算及格，如果在時間內仍呈現水狀，無法順利倒出，就是不及格。

3.        豆腐成型，但出現粗浮渣，得分70分。

4.        豆腐成型，無出現浮渣，得分90分。

5.        豆腐成型完整，無出現浮渣且質感細緻，得分100分。

二、  神奇植物染

1.        配製5%明礬溶液：23克的明礬加入水，直至溶液總重250克。

2.        取一個500毫升的燒杯，內裝水約八分滿，剝開兩顆洋蔥的表皮，約10克重，加入燒杯中，於加熱板上加熱10分鐘後，過程中以玻棒不時攪拌，洋蔥表皮的色素溶於水中至溶液的顏色呈黃色為止。

3.        將一塊折捲成圓柱形，以橡皮筋固定的方形棉布，放入熱的溶液中，靜置10分鐘。

4.        將2.3克的明礬粉，加水至250毫升，配製5%的明礬溶液作媒染劑備用。

5.        10分鐘後，在綿布取出，鬆開橡皮筋，置入裝有明礬溶液的燒杯中，以鑷子夾著綿布在溶液中漂洗，3分鐘後染色隨即完成。

n  安全注意及廢棄物處理

l  本實驗的製作過程有殘留的明礬溶液等，請依實驗室廢棄物規定，統一回收處理。

n  原理與概念

一、  關公賣豆腐

豆漿為含有多量蛋白質的黃豆水溶液，是一種膠體溶液；蛋白質為胺基酸所組成，胺基酸具有羧基（carboxyl）及胺基（amino）兩種官能基，當在不同的pH值環境下時，羧基與胺基為布忍斯特–羅瑞的酸與鹼，可分別擔任提供質子、接受質子的角色，故為兩性物質；若胺基酸在某一pH值的溶液中，其淨電荷為0，且在電場中不移動時，我們稱這pH值為它的等電點（isoelectric point，又稱pI值）；以丙胺酸（Alanine）為例，其等電點pH = 6.00。丙胺酸在不同的酸鹼溶液中，其結構式的變化如2圖所示。

圖2：丙胺酸在不同pH值下，官能基結構的變化

天然蛋白質的種類很多，由於不同蛋白質的胺基酸組成的種類及數目不同，當蛋白質分子位於等電點時，其正負電荷數量相等，膠體粒子間的靜電斥力消失，所以分子之間極易相互碰撞凝聚而沉澱，溶解度下降。不同蛋白質等電點是不同的，例如黃豆水溶性蛋白質的等電點約為4.3，小麥的麵蛋白質的等電點約為6.5。相反而言，當溶液的pH值低於或高於pI值時，膠體所帶淨電荷必為同號，彼此之間有相互排斥力，穩定存在水中，因而較不會發生凝聚現象。

天然蛋白質之性質，會受到很多因素（如光、熱、酸、鹼、有機溶劑、金屬離子等）的影響而改變，此性質的改變稱為變性。利用鈣、鎂離子使黃豆之水溶性蛋白質凝聚而製造豆腐，就是一種變性反應。

本實驗中加入生石灰（CaO）或石膏（CaSO₄），是利用鈣離子與蛋白質膠體形成難溶性鹽類而凝聚沉澱。加入食醋、橘子汁而凝聚沉澱，即利用其等電點。至於加入食鹽、醬油不凝聚，是因為未達等電點，加入糖不凝聚，則是因為糖為非電解質之故。

二、  神奇的植物染

明礬，通常是鉀明礬的簡稱，學名為硫酸鋁鉀，化學式為KAl(SO₄)₂･12H₂O。為硫酸鋁與硫酸鉀的複鹽，常用於自來水的淨水（凝聚劑），及媒染劑。什麼叫作媒染劑？原來當纖維缺乏與染色劑之間的親和力時，染色時顏色會不明顯，這時需用一種藥劑，作為纖維與染料間的媒介，以達到染色的目的，這種藥劑稱〝媒染劑〞。常用的媒染劑分為天然的和合成化學的，前者如鐵銹、烏梅、稻草灰、木灰、茶花…等。後者如醋酸酮、醋酸鋁、醋酸鐵、明礬等。而本次實驗染色的洋蔥表皮內含有色素檞皮黃酮，當纖維上的檞皮黃酮與媒染劑的鋁離子發生配位共價作用時，會形成金屬錯合物，此即鋁的媒染作用。此錯合物吸收光線並反射時，會使顏色變得更加鮮艷（因為光譜變得尖銳 且吸收的光更多）。除了布的顏色更加鮮艷以外，經明礬水溶液浸泡後，染料的附著力會比原本只浸泡洋蔥表皮的水溶液還要更加穩固。

〔續《結合微電影於製作豆腐和植物染實驗中—創意影片拍攝心得分享（下）》〕

結合微電影於製作豆腐和植物染實驗中—
創意影片拍攝心得分享（下）

劉曉倩

國立彰化高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]

〔承《結合微電影於製作豆腐和植物染實驗中—創意影片拍攝心得分享（上）》〕

n  微電影拍攝心得

一、  創意不設限

隨著大眾生活忙碌，使用平板和手機的習慣頻繁，微電影（Microfilm）儼然成為一般民眾消遣娛樂的主流，所謂微電影其實是「微型電影」的簡稱。指的是運用在各種新媒體平台上播放，適合在移動狀態或短時間休閒狀態下觀看的、具有完整策劃和系統製作體系支持的完整故事情節的「微（超短）時（30-300秒）」放映。這類短片週期製作時間不長，內容融合了幽默搞怪、時尚潮流、公益教育、商業定製等主題，可以單獨成篇，也可以系列成劇。

教育部於2013年因應主流，加強培養「會說會寫會玩會演科學故事的人才」，使科學、原理及意涵等艱澀知識，藉由影音、圖像等數位媒體與闖關活動創意方式，變成社會大眾容易閱讀吸收的資訊。希望透過學生擔任關主親手實作解說實驗原理，提昇科學素養，落實國內科普教育之推動與發展。

為避免學生拍片主題流於鬆散，學科中心蒐整各校學生實作課程教學優良示例與學科中心教學資源研發推廣小組研發創意趣味實驗，以提供參賽學生參考。

筆者的學生對於參加創意闖關比賽及拍攝影片興致一開始並不高，筆者先將闖關主題的詳細實驗步驟及實驗試做成果供學生參考，科學班利用專題課的科展空檔，普通班利用午休及社團活動時間，試做實驗及拍攝。印象最深刻的是其中一組學生所做的闖關題目是「水果酵素炸彈」（見圖3），逗趣的對白及生動的配樂，彷彿帶著魔法吸引了在場所有同學的目光。其中一位學生是設計專才，另外一位則是動漫迷，兩個不同專才領域的組合，在化學領域激盪出火花！

圖3：學生練習創意闖關比賽影片拍攝

透過一次又一次的拍攝過程激發多元思考，從怯生生的面對鏡頭，到以劇情串連實驗甚至以幽默的方式呈現刻板的實驗流程，學習團隊合作及邏輯思考之能力，進而完成闖關活動創作，享受操作實驗之樂趣。

二、  老師只是配角

「如果要拍個有關化學微電影，你會怎麼寫劇本吸引一般大眾去觀賞？」一次上化學課，跟大家聊到微電影時，一時興起問學生的看法。開放性的問題引起大家熱烈回響，化學實驗就像是一道最頂級的美味，「食材」（實驗藥品和儀器）可以由老師準備，但如何燒出好菜（實驗流程）讓顧客（鄉民）賞臉，就是主廚（學生）的本領了。

以下是幾位參與2014及2015年學科中心影片拍攝的學生訪談。

問：當初參與拍攝學科中心影片的動機是什麼？

郭承賢（簡稱郭）：覺得好玩，拍攝主題是「家庭化學」，因為家住鹿港菜市場旁，常會看到有小販賣洋蔥，聽老師說洋蔥表皮可以染色覺得很新鮮，想做看看，之後試做了其他果皮染色，但效果不如預期，尤其是火龍果顏色好紅，染布卻無法上色，覺得染布學問大不簡單，要做得好是真學問。

吳秉儒（簡稱吳）：設計實驗很新鮮，以前都是照著實驗紀錄本做，對於結果幾乎都可以預期，但是拍攝實驗影片不同，自己不僅對實驗原理和內容要熟悉，實驗步驟還要自己構思，覺得很有挑戰性。

梁佑任（簡稱梁）：想嘗試新的事物，上網查實驗資料，實驗數據整理及配合時事撰稿，覺得很有成就感！圖4、5、6及7為學生進行實驗影片拍攝過程。

圖4：2014年學科中心影片「神奇植物染」染布過程

郭碩修（簡稱修）：覺得微電影很潮，自己寫劇本當主角，很有趣！手工抄紙不如想像中好做，做了十幾次，常常不小心烤焦，因為研究主題的關係，所以特別上網查廣興紙寮發展史，了解台灣造紙業的興衰，覺得傳統產業真的很辛苦，需要政府支持及維護，並找出新的發展契機。

圖5：2014年學科中心影片「可以吃的手工抄紙」

王彥之（簡稱王）：以前看教學影片，不是很在意，這次有了拍攝機會，當然想去試試看，做實驗儘量找有把握的，想拍一些較有趣的主題，讓朋友及家人了解家庭中化學處處可見，親近化學可以讓自己活得更健康。

蕭然駿（簡稱蕭）：自己是被動被說服進來拍攝，但在跟其他組員討論時，覺得將課本生硬的主題設計成劇本很有挑戰性。本身個性較害羞所以常會忘詞，覺得演員真的不簡單！

問：在課業繁忙的高中生活中，如何完成事前準備工作？自己是否有類似的拍片經驗？拍攝當天有什麼感覺？

吳：劇本是自己上網看Youtube影片找靈感，到學校後與同組夥伴一起順稿，實驗試做是利用專題課完成，自己不是第一次演戲，國小演過灰姑娘，國中參與過成發及外交小尖兵，但到拍攝現場面對鏡頭還是會緊張，尤其是新民高中實驗室設備很乾淨也很專業，導演很親切又會帶戲，覺得自己要多加油些。

郭：國中時是童軍團，常有機會演戲，拍攝實驗影片時恰好是期中考前幾天，所以準備不多，但因為稿子是自己花了好幾個晚上完成，所以印象特別深刻，覺得很有成就感！

王：劇本是利用下課時間與夥伴像聊天的方式順稿，老師提供好幾個實驗主題概念，我們先做自己較有把握的部分，上網查資料，並且在家裡的鏡子前練習，儘量練到不刻意的感覺。

拍攝當天現場很專業，導演很會演戲也給了很多寶貴意見，他通常不會強迫我們怎麼演戲，所以氣氛很輕鬆，演起來也自在。

圖6：2015年影片「高分子聚合物迷思」拍攝（左），導演和剪輯師以專業鏡頭檢視拍攝（ 右）

梁：我們的劇本是配合時事撰稿，上網查相關的實驗內容和步驟，放學後利用通訊軟體聯絡並練習，有時利用LINE互相討論並順稿，我參與了兩次學科中心影片拍攝，雖然都是擔任搞笑的腳色，但拍攝主題不同，準備方向也不一樣，爾後看到YouTube實驗影片會更注意，對於其他老師拍攝的內容也會想多去了解。

修：我也是參與兩次的實驗影片拍攝，第一年拍攝時看到很專業的攝影機，不知道眼睛要看哪裡？導演很有耐心，會一次又一次的指導，第一次拍攝手工抄紙時，假裝踩到香蕉皮摔跤好幾次，結果影片剪輯完成時，居然被全剪光光，深深體會演員的甘苦。第二年拍攝時，導演一刀未剪，覺得自己已漸被肯定，覺得很開心！

圖7：2015年影片「魔法學老師吹毛求疵」拍攝（左），拍攝影片完大功告成師生合影（右）

問：影片剪輯完成後自己是否有推薦給家人和朋友觀賞，他們的看法如何？對於此類影片拍攝是否有些建議及心得？

吳：自己看了影片後，會希望影片趕快結束，哈哈～朋友說我的表情很有戲，但我知道他們很羨慕，能在學科中心的影片中出現覺得很驕傲，相信十年、二十年後會很懷念這段青春時光！以前刻板印象覺得學科中心影片都是老師在上課講解，所以在YouTube看到時都不是很注意，現在真正參與其中，發現其實其他老師拍攝內容十分有趣，而且題材生活化，對於普羅大眾了解化學很有幫助，我覺得宣傳很重要，希望透過大眾媒體廣為宣傳。

郭：能跟自己的好友一起拍攝真的很開心，同時也介紹給自己的家人及朋友一起去觀賞，覺得很有成就感，家人覺得「家庭化學」很有趣，希望學測完可以再去拍攝。

王：拍攝完自己不太敢看，覺得自己耍寶有些蠢，但一方面又很想讓同學去看自己的表演，未來想拍5~10分鐘長度的微電影，結合更多生活中的化學和搞笑的劇情，希望學測完可以全心全力來準備實驗劇本，為自已留下永恆回憶。

蕭：希望將來拍些結合時事的化學，尤其是有關油品檢測及食品添加物，讓一般人了解化學真的很重要，而且也很有趣！

修：同學幾乎都看過影片，覺得自己好像明星，明年希望有機會可以拍攝食安問題，覺得影片標題也很重要，會吸引一般人想去看，希望學科中心影片廣為宣傳，大鳴大放！

三、教師指導微電影拍攝心得—翻轉角色

在網際網路迅速發展的時代下，大眾使用網路的頻率也逐漸增高，尤其是青少年。在傳統媒體之外，網際網路提供了另一種廣告宣傳平台。這也使得微電影崛起，相對於一般傳統廣告，微電影以短片的模式將產品置入影片，利用影片中的演員、情節以及氛圍，更加深消費者對商品的印象。微電影沒有時效性、也不需要高額的傳播費用、直接利用YouTube就可以免費上傳影片，具有「病毒式傳播」的特性，同時微電影可以與觀賞者利用平台互動分享心得，有別於傳統廣告無法與消費者交流分享，吸引更多消費者注意，甚至達到廣告的目的。

化學微電影是除了臉書以外可以與讀者分享的有聲平台，有別於傳統教學實驗影片，同時也翻轉了傳統角色安排，以學生當主角，老師在輔導者的位置，畢竟真正的學習主體是「學生」，學生會比老師更了解時下年輕人想要知道的主題及表演方式。

指導學生實驗影片拍攝幾年下來，發現他們的頭腦很活，對於實驗也很有主見，雖然沒有酬勞、沒有獎盃，更無關升學，但參與的學生都樂在其中，無須彰顯。也許對學生而言，能參與化學奧林匹亞選訓營是求學時期的夢想；然而對老師而言，彰顯的卻不只是帶著一些有才的學生成為國家代表選手而已，而是能看到學生在自己的引領下慢慢地進步，享受學習，熱愛化學，如同當年戴維博士發現了法拉第，如璞玉般耐磨而漸漸散發出耀眼的光芒！

n  參考資料

1.      明礬，國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯，科學Online科技部高瞻自然科學教育資源平台，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=2950。

2.      楊寶旺教授主編，化學（上）教學手冊，龍騰文化事業公司。

3.      李靜如、林菱、鄭佳汶及劉姝言，研究微電影及傳統媒體廣告對高中生的消費行為影響─以臺中女中學生為例。

4.      Alanine, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Alanine.

創意化學實驗—環保手動肥皂機

葉凡愉、周明毅、王冠智、沈明勳、黃琴扉*

國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
*[email protected]

n  前言

環境教育為目前我們極力推廣的教育理念，也希望此理念可以與各領域學科知識做結合，像是學生們在進行科學實驗課程時，也可以更有感地關心到他們的生活環境。其中，環保意識、水汙染防治的概念，更是要推廣到中小學的學生，以落實環境教育。國中理化有教導學生天然肥皂、合成清潔劑的原理與製程，天然肥皂的原料取得是比較環保，對環境的汙染低；使用過後排放到水中後是可以被細菌分解的，不會產生泡沫汙染。然而，合成清潔劑的原料取得為石化產品，在生產的過程中，對環境的傷害很大，並且排放到水中後會產生泡沫汙染。另外，市面上販售的合成清潔劑，可能還含有增稠劑、珠光劑、保濕劑、人工色素、香料、殺菌劑及防腐劑等化學添加物，因此，使用此種合成清潔劑，可能會導致洗劑殘留在皮膚上，侵入人體，並且可能會造成皮膚或肝腎的病變，對人體相當不好。

製作肥皂的方式大致上分為四種：熱製法、冷製法、再生法、融化再製法。目前國中理化實驗課大致上都使用熱製法教導學生製作肥皂。但是在實驗過程中，我們發現到：若是選擇不適當油品或者是加熱溫度過高，會產生不好聞的味道；然後最後製成的成品，也不太容易乾燥，這導致學生最終也不敢使用自己製做的肥皂。此種製作肥皂的方式，雖然學生學習到了實驗技巧，但如果實驗後就把成品都丟掉，那此實驗對環境是不友善的。有鑑於熱製法因需要加熱，對學生有危險性，加熱過程中，也有不好聞的氣味產生，因此我們選擇使用冷製法製作肥皂。冷製法做肥皂的過程，是無需加熱，並且不會有異味產生。但缺點就是要準備許多的容器裝原料，學生會覺得此實驗用到的器具過多，不好整理；然後需要用打蛋器攪拌四~五個小時，此過程是疲累而且無趣的。我們就此兩個缺點發想了一個「環保手動肥皂機」，希望可以藉此肥皂機，讓大家做起肥皂是輕鬆、簡單、環保，並且是有趣的。

為了提供一個更環保、更方便製作肥皂的器具，許多研究人員以及國、高中的學生都投入了環保手動肥皂機的研發。綜觀之前所有製作肥皂的實驗課程，是非常繁複，並且需要許多的器具，因此本文作者發想，是否可以製作一個一體成型的器具，只要使用這一個器具就可以輕鬆製作出肥皂，也不需加熱，所以我們就改良了身邊要丟掉的食物攪拌器，希望可以達到廢物利用的精神，開發出一個全新的「環保手動肥皂機」，然後再搭配本文作者研發之肥皂配方，就可以製作出天然、環保、又可以使用之手工肥皂。

n  裝置設計與製造肥皂

一、材料和藥品

廢棄的食物攪拌器（1公升） 1個、氫氧化鈉 75公克（購自五金行和化工原料行）、椰子油 125公克、棕櫚油 150公克、橄欖油 225公克、冰塊 150公克、電子磅秤 1個、量杯 1個、皂模 5個、紙碗 1個，如相片一所示。

相片一：所需材料和藥品（由左而右排列）

二、設計與製造過程

1.        先量出冰塊約150公克（±20公克），加入廢棄攪拌器中，如相片二所示。

相片二：將冰塊加入廢棄攪拌器中

2.        量出氫氧化鈉75公克，放入一個乾淨的紙杯內，如相片三所示。

相片三：氫氧化鈉75公克

3.        一邊攪拌冰塊，一邊慢慢少量加入氫氧化鈉（若一瞬間倒入，怕溫度突然升高），一直攪拌到氫氧化鈉完全溶解在水中，鹼水就製造完成，如相片四所示。

相片四：攪拌食物攪拌器中的冰塊並且緩辦加入氫氧化鈉

4.          當鹼水完成時，把攪拌器放置在電子磅秤上歸零，慢慢倒入棕櫚油（150公克）、橄欖油（225公克）、椰子油（125公克），如相片五所示。

相片五：油品由我們改良的食物攪拌器上方漏斗倒入

5.        開始手動攪拌，攪拌約20分鐘左右，當皂化混合液呈現黏稠狀即可（注意液體中若有浮油，表示攪拌不完全，需繼續攪拌），且避免皂化混合液中有氣泡，因為皂化成形時肥皂中會有空洞，如相片六所示。

相片六：攪拌完成的肥皂（內無空洞產生）

6.        當肥皂混合液完全攪拌成功時，再慢慢倒入皂模中，放置在陰涼處約一星期脫模，如相片七所示。

相片七：將肥皂混合液倒入皂模中

7.        依上述步驟，製作並且使用「環保手動肥皂機」，環保好用的手工皂就完成了。

n  原理和概念

一、皂化反應

    油脂在鹼性溶液中加熱，發生水解反應，產生長鏈脂肪酸鹽（肥皂）和副產物甘油。肥皂分為鈉皂和鉀皂，通常稱鈉皂為肥皂。若鹼性物質使用氫氧化鈉，則生成鈉皂。若鹼性物質使用氫氧化鉀，則生成鉀皂。皂化反應如式[1]所示。

油脂 + 水  長鏈脂肪酸鹽（肥皂）＋ 甘油    [1]

二、肥皂之分子結構

1.        組成：具較長碳鏈的脂肪酸鹽。

2.        結構：為界面活性劑，具有親油性與親水性的結構，如圖一所示。(1) 親油端（圖一左方）：長鏈烷基具親油性（或稱疏水性），可溶於油汙。(2) 親水端（圖一右方）：羧酸酸根尾端具親水性，可溶於水。

圖一：肥皂的分子結構

3.        脂肪酸：含有4～28個偶數碳的直鏈羧酸稱為脂肪酸，高等動、植物脂肪酸有偶數個碳原子，通常介於14～22個碳之間，並且沒有支鏈。高級脂肪酸是指超過12個碳以上的長鏈羧酸。

4.        「環保手動肥皂機」的三種配方：

5.        皂化價：依油脂不同所需要的氫氧化鈉毫克數也不同，需視油脂的「皂化價」來決定氫氧化鈉的添加量，「皂化價」亦即皂化１公克油脂所需要之鹼質的毫克數。下表為油脂的皂化價：

一、   各種油脂需使用氫氧化鈉的克數（以配方二為例）

※油脂的公克數  皂化價 = 氫氧化鈉所需公克數

1.        125 g椰子油需使用氫氧化鈉的克數 = 125 g × 191 mg/g × (1 g/1000 mg) = 23.9 g

2.        150 g棕櫚油需使用氫氧化鈉的克數 = 150 g × 142 mg/g × (1 g/1000 mg) = 21.3 g

3.        225 g橄欖油需使用氫氧化鈉的克數 = 225 g × 135 mg/g × (1 g/1000 mg) = 30.4 g

4.        依照計算，需使用氫氧化鈉的總克數 = 23.9 g + 21.3 g + 30.4 g = 75.6 g

5.        依照用量，實際使用氫氧化鈉的克數 = 75.0 g

6.        實際使用氫氧化鈉重量百分比 = (75.0 g / 75.6 g) × 100% = 99.2%

7.        「配方二」實際使用氫氧化鈉的克數（75.0 g）稍低於計算所需的氫氧化鈉總克數（75.6 g），實際使用百分比為99.2%，不到100%或超過100%。亦即，當皂化完畢後如此用量製得的肥皂會有少許的油脂（0.8%）存在而有潤滑感。製造肥皂需要「減鹼」或「超脂」，減鹼是在計算配方時，依需求而定，先扣除3-9%的鹼量，使皂化後仍有少許的油脂未與鹼作用而達到不乾澀的洗滌效果。

二、   脂肪酸莫耳數計量方法：每一莫耳脂肪酸，需一莫耳氫氧化鈉來皂化。

※脂肪酸莫耳數 = 氫氧化鈉莫耳數（氫氧化鈉的莫耳質量：39.99 g/mol）

1.        125 g椰子油的脂肪酸莫耳數 = 125 g × 191 mg/g × (1 g/1000 mg) / (39.99 g/mol) = 0.597 mol

2.        150 g棕櫚油的脂肪酸莫耳數 = 150 g × 142 mg/g × (1 g/1000 mg) / (39.99 g/mol) = 0.533 mol

3.        225 g橄欖油的脂肪酸莫耳數 = 225 g × 135 mg/g × (1 g/1000 mg) / (39.99 g/mol) = 0.760 mol

4.        依照計算，使用油脂的脂肪酸總莫耳數 = 需使用氫氧化鈉的莫耳數 = 0.597 mol + 0.533 mol + 0.760 mol = 1.890 mol

5.        依照用量，實際使用氫氧化鈉的莫耳數 = 75.0 g / (39.99 g/mol) = 1.875 mol

6.        使用氫氧化鈉的莫耳數百分比 = (1.875 mol / 1.890 mol) × 100% = 99.2%

7.        「配方二」需使用油脂的脂肪酸總莫耳數（1.890 mol，過量反應物）稍高於使用氫氧化鈉的莫耳數（1.875 mol，限量試劑），這樣製得的肥皂會有少許的油脂（0.8%）存在而有潤滑感。

n  安全注意事項

l  氫氧化鈉為強鹼、腐蝕性藥品，實驗時應戴實驗用手套，避免直接接觸皮膚、眼睛，若不小心接觸，應該儘快用大量清水沖洗，沖洗15分鐘。

l  在調配鹼液過程中，因氫氧化鈉為強鹼性藥品，溶於水後會大量放熱，因此在此步驟要小心操作，避免被燙傷。

n  環保手動肥皂機之特點

「環保手動肥皂機」，可以讓連結課本上的學科知識，也可以讓老師教導實驗課程時，簡單、有趣、又方便。此「環保手動肥皂機」的發想是由廢棄的食物攪拌器來改良，完全符合環境保護，減廢減量等微型裝置與環境教育的整體概念，其特點如下：

l  器具廢物利用，組裝費用低廉。

l  裝置一體成型，課堂攜帶方便。

l  操作皆不沾手，實驗不需加熱。

l  天然肥皂製程，方法簡單有趣。

n  結語

所謂的環境教育是可以與各學科領域來做結合的，在自然科學實驗過程中，我們更需要讓學生有環境教育的概念，希望每個學生在學校的實驗課程不要對環境是不友善的，然後學習愛護環境、保護環境，並且運用學生的環境問題解決能力，思考如何降低實驗對環境破壞、環境汙染，進而開發一個可以簡化實驗過程以及對環境友善的「環保手動肥皂機」。

過去都是以傳統方法製作肥皂，熱製法：需要加熱、有安全疑慮、過程產生之氣味不好聞，學生製作出來的成品大多丟棄。冷製法：需要準備許多的器具，並且用打蛋器攪拌四~五個小時，導致學生會覺得此實驗是無趣的。為了解決上述一系列的問題，本文作者自行開發了全新的「環保手動肥皂機」，此環保手動肥皂機是由廢棄的食物攪拌器改良，製作方便簡易。由此環保手動肥皂機結合冷製法製作肥皂，簡化了繁雜的實驗，並且成功製作出可以使用的手工肥皂。

除此之外，環保手動肥皂機為一個一體成型的裝置，製作肥皂的過程，僅需要此一裝置即可，整組裝置攜帶方便，並且是廢物利用；實驗過程無廢棄物產生、不需加熱、安全性高，達到綠色化學的概念，讓學生、老師、一般民眾可以以這個裝置的發想，體驗到環境教育的核心價值，並也學習到了自然科學的理論。期盼本文的撰寫可以鼓勵此領域之研究人員、教師、學生、民眾等加入環境友善生活用品或教材教具的開發，一起為下一代孩子更完善的科學教育以及環境教育努力。

n  附註

本文之環保肥皂製造機，已獲得經濟部智慧財產局新型專利審核通過。

硫酸銅晶體的結構探討：內容更正和進階探討

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  更正啟事

本人於《臺灣化學教育》第三期撰寫之文章〈硫酸銅晶體的結構探討〉，近期上課與學生分享時，學生提出一些問題，本人當場意識到我犯了嚴重錯誤，因此趕緊寫這篇更正版，以免誤導讀者，甚至造成引用者發生更嚴重的問題。以下是更正後內容和進階探討，請各位指教。

n  無水和五水合硫酸銅晶體和粉末的外觀

無水硫酸銅（CuSO₄, copper(II) sulfate anhydrous）粉末的顏色呈無色，如圖1所示。五水合硫酸銅（CuSO₄‧5H₂O, copper(II) sulfate pentahydrate）晶體呈現藍色，而粉末狀則呈現藍綠色，如圖2所示。

圖1：無水硫酸銅（CuSO₄）粉末（右）及其粉末滴加水後（左）的外觀

（圖片來源：由左而右，https://en.wikipedia.org/wiki/Copper(II)_sulfate，https://simple.wikipedia.org/wiki/Copper(II)_sulfate）

圖2：五水合硫酸銅（CuSO₄‧5H₂O）晶體（左）及其粉末（右）的外觀

（圖片來源：由左而右，https://en.wikipedia.org/wiki/Copper(II)_sulfate，https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Copper(II)-sulfate-pentahydrate-sample.jpg）

n  內容更正：五水合硫酸銅晶體的結構

一、   第三期的原文描述到：結合兩個硫酸銅的硫酸根誤植為上下各1個，如圖3所示。這樣的結構會導致硫酸銅（CuSO₄）所帶的結晶水之個數是錯誤的。計算其結晶水如下：

1.        原圖：以圖3的左半邊的銅離子（Cu²⁺）來看，它的上下方各有1個硫酸根（SO₄²⁻），但其中的一個硫酸根與其他銅離子共用。因此，此處的銅離子的硫酸根個數為1，符合五水合硫酸銅（CuSO₄‧5H₂O）晶體化學式中Cu²⁺：SO₄²⁻＝1：1。此外，此一銅離子的周圍有4個配位鍵結的水分子（H₂O），完全屬於這個銅離子。

2.        原圖的延伸。以圖3的整張圖來看，位於中間上下各有1個水分子，它們與結構的左右兩邊以氫鍵結合在一起。此2個水分子中，左方的銅離子分到1個水分子，加上4個配位鍵結的水分子，共計5個水分子，「似乎」符合「五水合」這個名稱。然而，錯誤就是發生在此！因為晶體會往四周延伸，因此延伸至左右的部份又有四個水分子，與這兩個結構以氫鍵結合在一起，這四個水分子以黃色表示，如圖4所示。這樣一來，每個銅離子再分到1個水分子，水分子的總個數是6個而非5個，硫酸銅晶體化學式將是CuSO₄‧6H₂O。因此，圖4之結構圖也是錯的。

圖3：第三期原文描述的五水合硫酸銅晶體之結構圖（左），這張圖的結構式不正確。

圖4：延伸後的五水合硫酸銅晶體之結構圖（右），這張圖的結構式仍然不正確。

二、   更正：結合兩個硫酸銅的結晶水應只有1個。硫酸銅晶體的化學式與所帶結晶水個數的計算如下：

1.        以圖5的來看，銅離子與硫酸根結合的結晶水個數與圖3相同。再者，銅離子的周圍有4個配位鍵結的水分子，所有的結晶水屬於這個銅離子。

2.        更正說明：只有1個水分子與左右兩個結構以氫鍵結合在一起，左右各分到  個水分子。與圖4相似，將晶體往四周延伸，如圖6所示，因此延伸至左右的部份將又有1個水分子與兩個結構以氫鍵結合在一起，這樣一來，每個銅離子將再分到  個水分子，加上前述  個水分子，共1個水分子。再者，銅離子有4個配位鍵結的水分子和以氫鍵結合的1個水分子，得到水分子的總個數是5個，符合硫酸銅晶體的化學式：CuSO₄‧5H₂O。

圖5：更正後的部分結構圖，這張圖的結構式不完整。

圖6：更正後五水合硫酸銅晶體延伸的結構圖，這張圖的結構式才正確。

n  內容更正：五水合硫酸銅晶體受熱失去結晶水的過程

一、   CuSO₄‧5H₂O晶體加熱至102℃時

1.        第三期的原文描述到：與銅離子配位且不與其他配位基生成氫鍵的水分子，先脫離2個H₂O而生成CuSO₄‧3H₂O，如圖7（左）所示。

2.        更正說明：圖7（左）兩旁上方的兩個水分子（H₂O被框住的上方兩個紅框）在延伸結構圖中，與圖4相同，其實兼具配位鍵與氫鍵，與下方兩個水分子僅具配位鍵，兩種水分子的鍵結是不同的，因此不會在相同的溫度（102℃）同時失去。應該是結構式下方的兩個水分子僅具配位鍵，如圖7（右）所示。失去的這4個水分子，分屬兩單元的CuSO₄‧5H₂O晶體，每一單元平均失去2個H₂O，所以化學式為CuSO₄‧3H₂O。

圖7：加熱至102℃失去的結晶水（左，原文），加熱至102℃失去的結晶水（右，更正）

二、   CuSO₄‧3H₂O　晶體加熱至113℃時

1.        第三期的原文描述到：與銅離子配位且與其他配位基生成氫鍵的水分子，隨之脫離2個H₂O而生成CuSO₄‧H₂O，如圖8（左）所示。

2.        更正說明：在113℃時，失去的應該是兼具配位鍵與氫鍵的水分子，也就是中間的4個H₂O（被紅框框住者），如圖8（右）所示。失去的這4個水分子，分屬兩單元的CuSO₄‧3H₂O晶體，每一單元平均失去2個H₂O，所以化學式為CuSO₄‧H₂O。

圖8：加熱至113℃失去的結晶水（左，原文），加熱至113℃失去的結晶水（右，更正）

三、   CuSO₄‧H₂O　晶體加熱至258℃時

1.        第三期的原文描述到：與硫酸根離子生成氫鍵的水分子，隨之脫離1個H₂O而生成不帶有結晶水的白色硫酸銅（CuSO₄），如圖9（左）所示。

2.        更正說明：加熱至258℃時，失去的是以氫鍵結合兩個硫酸銅晶體的水分子（被紅框框住者），如圖9（右）所示。失去這個H₂O後，化學式就從CuSO₄‧H₂O變為CuSO₄，也就是沒有結晶水、白色的硫酸銅。

圖9：加熱至258℃失去的結晶水（左，原文），加熱至258℃失去的結晶水（右，更正）

n  進階探討

上述的更正圖示之說明為2D平面，不易看出並瞭解此化合物的結晶立體結構。下面以結晶學的3D立體圖示，進階地探討無水硫酸銅和五水合硫酸銅的球棒模型（ball and stick model）和原型結構（prototypical structure）以及單位晶格（unit cell）內的各原子的數目。

一、   無水硫酸銅晶體的結構及其單位晶格

讓我們從3D球棒模型和原型結構來看無水硫酸銅晶體的結構。圖10（左）為無水硫酸銅3D球棒模型，圖10（右）則為3D原型結構，兩圖內的長方體代表無水硫酸銅的單位晶格。其硫酸根（SO₄^2-）與銅離子（Cu²⁺）個數計算如下：

3.        從1和2可得，銅離子個數：硫酸根個數 = Cu²⁺：SO₄^2- = 4：4 = 1：1，符合無水硫酸銅的化學式CuSO₄。

圖10：無水硫酸銅晶體的3D球棒模型（左）和3D原型結構（右）。左圖中的黃色圓球代表硫原子，紅色圓球代表氧原子，橘紅色圓球代表銅離子。右圖中的黃色四面體代表硫酸根，棕色八面體的中央圓球代表銅離子。

（圖片來源：由左而右，https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Copper(II)-sulfate-unit-cell-3D-balls.png，http://www.webelements.com/compounds/copper/copper_sulphate.html）

二、   五水合硫酸銅晶體的結構及其單位晶格

讓我們從3D球棒模型和3D原型結構來看五水合硫酸銅晶體的結構。圖11（左）為五水合硫酸銅3D球棒模型，圖內的長方形代表五水合硫酸銅晶體結構的重複單位，圖11（右）則為3D原型模型，圖內的長方體代表五水合硫酸銅的單位晶格。以下分別以3D球棒模型與3D原型結構計算五水合硫酸銅晶體各原子的個數。

以圖11（左和中，中圖為左圖的局部放大）球棒模型的長方形而言，此圖中的黃色圓球代表硫原子，紅色圓球代表氧原子，灰色圓球代表氫原子，橘紅色圓球代表銅原子。其硫酸根（SO₄^2-）、銅離子（Cu²⁺）及水分子（H₂O）個數計算如下：

1.        長方形中有2個硫酸根；

2.        銅離子的個數，計算如下：

圖11：五水合硫酸銅晶體的3D球棒模型（左和中，中圖為左圖的局部放大）和3D原型結構（右）。左和中圖的黃色圓球代表硫原子，紅色圓球代表氧原子，灰色圓球代表氫原子，橘紅色圓球代表銅離子。右圖的黃色四面體代表硫酸根，紅色八面體的中央圓球代表銅離子，灰黑色折狀物代表水分子。

（圖片來源：由左而右，https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Copper(II)-sulfate-pentahydrate-c-axis-xtal-2007-CM-3D-balls.png, http://www.webelements.com/compounds/copper/Cu-1_SO4-1_OH2-5.html）

n  參考資料

1.        James E. Huheey, Inorganic Chemistry: Principles of Structure and Reactivity, 3^rd Edition.

2.        無機元素化學（2010），第二版，科學出版社。

3.        Copper(II)-sulfate-unit-cell-3D-balls, Wikimedia, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Copper(II)-sulfate-unit-cell-3D-balls.png.

4.        Copper: copper sulphate, Webelements, http://www.webelements.com/compounds/copper/copper_sulphate.html.

5.        Results, How Are the Crystals Judged? 2016 Wisconsin Crystal Growing Contest, http://xray.chem.wisc.edu/WICGC_2016.html.

6.        Copper: copper sulphate pentahydrate, Webelements, http://www.webelements.com/compounds/copper/Cu-1_SO4-1_OH2-5.html.

7.        https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Copper(II)-sulfate-pentahydrate-c-axis-xtal-2007-C.

國內外化學教育交流（第十一期）

林靜雯

國立東華大學課程設計與潛能開發學系
[email protected]

n  內容摘要

一、化學教育重要研討會期程: 16^th ACC、2016 BCCE、24^th ICCE、46th IUPAC World Chemistry Congress

二、IUPAC的重要資訊—週期表加入新元素

n  詳細介紹

一、化學教育重要研討會期程

A.        The 16th Asian Chemical Congress, 16^th ACC（第十六屆亞洲化學大會）

地點：達卡，孟加拉

日期：2016年3月16-19日

相關網址：http://www.16acc.org/about_acc.php

摘要投稿截止日：2015年8月31日

早鳥報名優惠截止日：2015年9月30日

ACC大會由亞洲化學聯盟（Federation of Asian Chemical Societies, FACS）每兩年舉辦一次，FACS係亞太地區28個國家的化學協會所組成，目標在集結亞太地區之科學家進行最新研究活動之交流，以建立一穩固科學社群致力於服務此地區人民。本次ACC大會主題為「人性的化學（chemistry for humanity）」，透過科學與技術之進步改善人類的生活。

B.         2016 Biennial Conference on Chemical Education, 2016 BCCE（2016年化學教育雙年會）

地點：北科羅拉多大學，美國

日期：2016年7月31-8月4日

網址：http://www.unco.edu/bcce2016/

摘要投稿截止日：2016年2月28日

早鳥報名優惠截止日：2016年6月2日

BCCE 2016是全球化學教育最大型的會議之一，其中包含超過一千篇發表、工作坊與展示。本次在格里利（Greeley）市舉行，預估今年有一千位以上的高中、大學化學教師參加，享受在化學的學習氛圍，探索科羅拉多州和洛磯山脈。

C.        The 24^th International Conference on Chemistry Education, 24^th ICCE（第24屆化學教育之國際研討會）

地點：古晉，沙勞越，馬來西亞（Kuching, Sarawak, Malaysia）

日期：2016年8月15-20日

相關網址：http://www.icce2016.org.my/                                                                                           

摘要投遞截止日：2016年4月30日

詳細訊息將於稍後公佈於網站。

ICCE為國際純化學和應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC）兩年一次的化學教育研討會，本次ICCE會議舉辦在美麗、青翠、且擁有多元族群、文化與國際化的綠色城市－古晉，將吸引近600位世界各地，不論是當地或海外之科學教育學者參加，其中也包含學校教師與學生的項目與活動。

D.        The 46^th IUPAC World Chemistry Congress, IUPAC-2017（第46屆IUPAC世界化學大會）

地點：聖保羅，巴西

日期：2017年7月9-14日

相關網址：http://www.iupac2017.org/

詳細訊息將於稍後公佈於網站。

本次IUPAC會議主題為以化學發展永續和多樣性（Sustainability & Diversity through Chemistry），會議內容探討分析與食品化學、化學合成、化學工業創新、化學教育…等十二項豐富範疇。

二、IUPAC的重要資訊—週期表加入新元素

IUPAC於2015年12月30日證實並宣布四個新元素（其原子序分別為 113、115、117及118）加入第七週期。而這四個元素加入後，也使得元素週期表成為完整排列的七個週期。值得一提的是，日本理化學研究所取得113元素的命名權，而這也即將是第一個被亞洲科學家命名的化學元素。詳情請見下面網頁：

http://www.iupac.org/news/news-detail/article/discovery-and-assignment-of-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118.html