創意微型實驗—微型氧氣製備裝置 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw 在國中和高中化學實驗中有關氧氣製備之實驗，其裝置是採用傳統式氣體製備裝置（相片一），此套裝置皆是由玻璃器材組成，由於組裝不易且實驗費時，耗用藥品也較多，易造成污染，實驗後清洗不易。因此本人設計改良而成一套「微型氧製備裝置」。此套裝置曾榮獲1997年中華民國第八屆發明與創新展覽會一等獎及特別獎（見附註一），並於1998年以「簡易氧氣製造供應器」獲得中央標準局新型第138233號專利（見附註二）。本裝置曾於1998年在高雄市教師研習中心舉辦之簡易化學實驗教具製作研習，以及本省南區和澎湖等八縣市及金門縣舉辦國中理化科減量減廢改良實驗推廣研習中加以製作與實驗，另於2001年至2002年間在教育部經費支助之下，特別選擇在屏東縣及高雄縣偏遠地區、離島及山地學校等八所國民中學舉辦校內師生研習活動，曾參與研習之教師與學生合計約有三、四百位，每位教師與學生均感到此一裝置器材簡單、製作容易、操作方便、效果正確，此外又可減少很多藥品之消耗，降低污染程度，真可謂之為一兼具有減量減廢環保理念之綠色實驗，實值得在進行活動取向之化學教學中加以推廣使用。於此特將「微型氧氣製備裝置」之設計與組裝過程與在化學教學上之應用詳述如下： 相片一：傳統式的氣體製備裝置 n  微型氧氣製備裝置之設計與製作 一、  材料、器材與藥品 （一）     材料與器材（相片二） 塑膠注射筒（35 mL）1支、注射針1支、通塑膠活栓（2-way stopcock）1個、塑膠培養皿1個、塑膠噴霧瓶1個、單孔橡皮塞1 個、橡皮管（內徑3 mm，長20 cm）1條、塑膠試管1支、熱熔膠（槍）1 組    塑膠注射筒（左）、塑膠噴霧瓶（中）、雙通塑膠活栓（右）   塑膠培養皿（左）、熱熔膠（槍）（右）   注射針（左）、塑膠試管（右） 相片二：使用之材料與器材 （二）     藥品（相片三） 雙氧水（20％ H2O2）50 mL、二氧化錳（顆粒狀）數粒    雙氧水（左）、二氧化錳（中）、顆粒狀二氧化錳（右） 相片三：雙氧水與顆粒狀之二氧化錳 二、  設計與製作過程 （一）     微型氧氣製備裝置之設計 利用1支塑膠注射筒、1個雙通塑膠活栓及1個塑膠噴霧瓶等簡易器材，設計一套製備氧氣之「微型氧氣製備裝置」，可將藥品分別存放於塑膠注射筒及噴霧瓶內，要製造氧氣時可隨時使其發生反應。 （二）     製作方法 1.      將1支35 mL塑膠注射筒之活塞拔出，然後在距離注射筒上方3公分處用鑽孔器挖一直徑約1.5公分之孔洞，作為反應管，如相片四所示。   相片四：拔出塑膠注射筒之活塞，並在注射筒上挖一孔洞 2.      用熱熔膠將塑膠噴霧瓶之噴嘴黏在塑膠注射筒之孔洞中，如相片五所示。   相片五：將塑膠噴霧瓶之噴嘴固定在注射筒之孔洞中 3.      將2個大小相同的2個塑膠培養皿背對背用塑膠帶固定起來，如相片六所示。   相片六：用塑膠帶將2個塑膠培養皿背對背固定起來 4.      […]

「大象牙膏」變成「碘沖天泡」 倪行健 臺中市立長億高級中學 nsc100100@gmail.com n  前言 如果每一個實驗都發展成為一個小型的科展，會不會更有趣？每位學生都像是一位小科學家，他們會不會更有成就感？ 因此，我就將研習自化學學科中心假豐原高中所辦，施建輝老師主持，楊水平教授所演示的「阿拉丁神燈暨大象牙膏」，引進自己的實驗課程，讓各組學生自己自製設備，如圖1~3所示。透過控制變因實驗法，在不同的操縱變因下，進行「大象牙膏」實驗，並觀察、記錄其現象，最後還要討論其因果並發表分享。    圖1：學生自製「大象牙膏」裝置的零件 圖2：學生自製「大象牙膏」的裝置 後來，為了節省藥品的消耗，因而改良為「小象牙膏」（「碘沖天泡」）的微型實驗，如圖2所示，這是一方面為環保，另一方面是碘化鉀（KI）並不便宜。但是，這就少了學生自製設備而且能夠大量噴發牙膏泡的驚艷樂趣，真是兩難呀！ 圖3：「小象牙膏」（「碘沖天泡」）設備及其零件，(a)管子的長度不同（左）和(b)管子的長度不同（右） n  設備與變因說明 「大象牙膏」（圖1）：操縱變因為管子的長度。控制變因為雙氧水濃度（倒入保特瓶）、碘化鉀、碳酸鈉及沙拉脫的量（置入側管錐形瓶）。 「小象牙膏」（「碘沖天泡」）（圖3）：(a)操縱變因為管徑的粗細。控制變因為管長、雙氧水濃度（吸入針筒並由試管的側支注入）、碘化鉀、碳酸鈉及沙拉脫的量（置入側支試管）。(b)操縱變因為管子的長度。控制變因為管徑、雙氧水濃度（吸入針筒）、碘化鉀、碳酸鈉及沙拉脫的量（置入側支試管）。 n  藥品與用途說明 1.      雙氧水（hydrogen peroxide）：30%（本實驗的主角，其分解反應式：2H2O2 → 2H2O + O2） 2.      碘化鉀（potassium iodide）：白色粉末，當作催化劑（碘離子，I−才是本反應的真正催化劑） 3.      碳酸鈉（sodium carbonate）：白色粉末，強鹼物質（在強鹼的條件下，I−不會變成I2，才能維持I−的催化反應，並且生成H2O及O2。在酸性下，I−則會變成I2，無法生成O2。），說明如下： (1)   在酸中（過氧化氫溶液具弱酸性），碘離子被雙氧水氧化產生碘分子（難聞的且有黃色的I2），不會產生氧氣，如反應式[1]所示。由於酸的量不多且酸的強度不高，本實驗僅產生少量的I2。 H2O2(aq) + 2I─(aq) + 2H+(aq) → I2(aq) + 2H2O(l)    [1] (2)   為抑制碘分子的生成，本實驗加入強鹼的碳酸鈉。在強鹼中，過氧化氫才能維持I−的催化反應，相關反應如反應式[1]～[5]所示。其中反應式[2]中CO32─(aq)來自Na2CO3(aq)，反應式[5]在I─的催化下，生成水或水蒸汽和氧氣。 H2O2(aq) + 2I─(aq) + 2H+(aq) → I2(aq) + 2H2O(l)    […]

趣味化學玩具：神奇鐵磁流體的玩法與合成 黃蕙君*、邱姿蓉 國立大甲高級中學 *m97242016@mail.ncue.edu.tw n  影片觀賞 本文介紹神奇的磁性流體（ferrofluid）兩種玩具，分別購買於東京科學技術館和台北誠品書局，適用於年齡12歲以上的對象，本影片提供兩項玩具演示的趣味過程，並在文章中介紹奈米鐵磁流體的成分、合成方法及其背後的科學原理。 影片網址：鐵磁流體的合成（Synthesis of ferrofluid），http://youtu.be/_Fa2-MDPusc。 n  簡介 神奇的奈米磁性流體是由奈米磁顆粒、界面活性劑以及承載溶劑所組成的，1960年代中期，美國航空太空總署（NASA）科學家Papell經由長時間的研磨磁鐵礦，形成超微粒子，混合超微粒子與界面活性劑，使界面活性劑吸附於顆粒表面，並讓磁性微粒分散於溶媒中，而研發出磁性流體。磁性超微粒子的研發，解決了在零重力狀態下，火箭液態燃料輸送控制、太空衣可動部位的真空閉密材料等問題（見參考資料1）。當外加磁場時，磁性流體會隨著磁力的大小，產生高低不等的突出峰，近年來各大博物館都會展出結合音樂旋律、燈光效果的磁性流體的科學小劇場，最有名的是於2009高雄科學工藝博物館推出，由日本藝術家兒玉幸子打造的「Morphotower 變形尖塔」裝置藝術，參觀過的人莫不鼓掌、讚嘆。 近年來，更有業者應用磁性流體原裡，投入益智玩具市場，這些玩具操作簡易，除新鮮、驚奇之餘，且富含科學知識。本文除介紹兩種磁性流體玩具外，也介紹合成鐵磁流體的合成方法，並相互比較其中的差異性。 n  藥品與器材 一、   磁性流體玩具：圖1為兩種磁性流體玩具，圖左的鐵磁粒子溶於有機溶劑中，溶液成棕黑色，購買於東京科學技術館；圖右的鐵磁粒子置於蒸餾水的封閉玻璃罐中，購買於台北誠品書局。   圖1：兩種磁性流體的外觀 二、   合成材料包括：0.25 M的氯化鐵（Iron(III) chloride, ferric chloride）、0.25 M的硫酸亞鐵（Iron(II) sulfate, ferrous sulfate）、0.5 M的氨水、25%的氫氧四甲銨（Tetramethylammonium hydroxide, TMAH or TMAOH）、油酸（Oleic acid）、乙酸乙酯（Ethyl acetate）、蒸餾水、強力磁鐵、滴定管、磁攪拌器、攪拌磁石。 n  實驗步驟 一、神奇磁性流體玩具的操作 1.      打開玩具（圖1左圖）包裝盒，拿出吸管，於裝有磁性流體的離心管內吸取少量的黑色液體，注入培養皿中，接著放置強力磁鐵至於培養皿下，觀察液面上的變化。隨即移走磁鐵遠離培養皿，觀察磁性流體的變化。相關變化如圖2所示。 圖2：磁性流體的突出峰效應明顯，具有良好的流動性。 2.      玩具（圖1右圖）的磁性流體放置在裝有蒸餾水的玻璃罐中，可藉由磁鐵吸引，將液體狀的磁性流體吸附到玻璃罐壁上，觀察磁性流體的變化。接著取出兩個強力磁鐵，在罐體兩側不同距離吸引磁性流體，觀察磁性流體拔河、相互牽引的效果。隨即將磁鐵移開玻璃管壁，觀察磁性流體的狀態。相關觀察結果如圖3所示。 圖3：在兩側強力磁鐵的吸引下，水中的磁性流體呈現拉鋸狀態。 二、鐵磁流體的合成 1.      取8毫升的0.25 M硫酸亞鐵溶液和16毫升的0.25 M氯化鐵溶液，倒入錐形瓶中（或燒杯中），緩慢地滴入50毫升的0.5 M氨水，並以磁攪拌子均勻攪拌，同時觀察溶液顏色的變化。滴定過程溶液顏色的變化如圖4所示。 圖4：滴入氨水前溶液的顏色（左），滴入氨水後溶液中有黑色生成物（右）。 2.      […]

泰雅族的醃苦花魚 傅麗玉 國立清華大學師資培育中心 lyfu@mx.nthu.edu.tw 苦花魚（圖1）只能在低溫完全無污染的溪流中生存。苦花魚本身的生態與泰雅族生活世界的自然觀是合而為一的。因此它的泰雅語名字qulex tayal的意涵就是「泰雅族的魚」。醃苦花魚（圖2）和醃肉是泰雅族非常重要的傳統文化食物，具備深遠的文化意涵。只有在重要節慶祭典或接待貴賓時，才能吃到。醃苦花魚與醃肉的技術更是泰雅族傳統的食物保存技術，其中涉及豐富的科學原理。 圖1：苦花魚的外型與身體部位名稱（「飛鼠部落」網站提供） 圖2：人間美味的泰雅醃苦花魚（傅麗玉攝，2014年12月） n  醃苦花魚的方法 醃製苦花魚只可選用新鮮的苦花魚。在處理的過程中，雙手及一切容器必要保持乾淨，否則將無法做出醃苦花魚。醃苦花魚製作步驟如下： 1.          將苦花魚除去內臟，洗淨瀝乾，用鹽醃一到二天。注意約每半天翻動魚一次，使鹽滲入魚中（圖3）。 圖3：苦花魚除去內臟並洗淨瀝乾 2.          將醃好的魚與打鬆的冷飯均勻的攪拌混合。若鹹度不足，則再加一些鹽。米飯不限定種類，但以在來米的保存效果最佳。若希望魚肉軟一點，可在冷飯中加入少許水分（圖4）。 圖4：醃好的魚與冷飯均勻的攪拌混合 3.          先在密封罐內底層鋪一層飯，將魚放入再鋪一層米飯，然後放入魚，以此類推。當接近瓶口時以飯封口，但需留一些空間（圖5）。 圖5：米飯與醃魚重疊堆積 4.          將罐口封死置於通風處，天氣較熱時放約半個月、較冷時放約一個月，即可食用（圖6）。 圖6：密封罐口 n  醃苦花魚的化學 泰雅族的老祖先醃製苦花魚的目的在於加長苦花魚的保存期限。影響魚肉保存期限的最主要原因是細菌。影響細菌成長的原因很多，例如溫度、水分、光線等。細菌的來源到處都有，尤其在魚死後，細菌便可以快速侵入魚肉中，使魚肉快速腐爛。如果能殺菌或阻止細菌成長，便可延長魚類的保存期限。魚肉經高溫加熱可以殺菌。細菌的發育需要水分，當水分減少到50％以下後，細菌的發育能力就逐漸衰退，而當水分減至40％以下時，可阻止大多數細菌的發育能力，但還不能殺死細菌，必須長期乾燥才有可能使細菌死亡（陳燕南，1989）。 雖然食鹽本身防腐的效果不強，也沒有殺死細菌的能力，但是高濃度（15％以上）的食鹽溶液則具有阻止細菌繼續發育的功效。不同細菌對食鹽的抵抗力不同，因此只使用食鹽並不能完全阻止細菌發育（陳燕南，1989）。當食鹽進入魚肉時，魚肉質量發生變化，且肉質變硬。食鹽本身為化合物氯化鈉（NaCl），溶在水中成為鈉離子（Na+）和氯離子（Cl−），其中氯離子（Cl−）具有抑止細菌的作用（孫恆泰譯，1992）。 食鹽的濃度越高，食鹽進入魚肉的速度越快。沒有皮的魚比有皮的魚更容易使食鹽進入魚肉。用食鹽醃過的魚，因為食鹽溶解於魚皮表面的水分，形成一層飽和食鹽水，飽和食鹽水滲透壓高於細菌細胞，使得細菌的原形質萎縮，而達到阻止細菌繼續生長的效果。細菌在比它的原形質滲透壓低的溶液中，細菌本身細胞膨脹，吐出原形質；而在滲透壓比原形質高的環境中，原形質會萎縮。比較正常苦花魚與浸泡過濃食鹽水苦花魚的表皮與肌肉組織，可以明顯看到兩者的差異 （圖7、圖8、圖9、圖10）。無論是原形質萎縮或膨脹，均可破壞細菌的功能（陳燕南，1989）。因為原形質萎縮，水分也減少，通常鹽醃後的魚皮質地變得較硬，因此，魚皮較厚的魚，鹽醃後魚皮質地變得比較硬，可以因個人口味喜好，選擇醃製不同種類的魚。 圖7：未經醃製的苦花魚表皮組織（傅麗玉提供） 圖8：經醃製的苦花魚表皮組織（傅麗玉提供） 圖9：未經醃製的苦花魚肌肉組織（傅麗玉提供） 圖10：經醃製的苦花魚肌肉組織（傅麗玉提供） 泰雅族採用冷的米飯與鹽醃過的苦花魚交互重疊堆積，米飯經過一連串自然發酵過程產生醋酸，將食鹽醃過的苦花魚輕微酸化，產生更好的防腐效果，風味更好的醃魚。米飯經過發酵作用所產生的酸具有保護魚肉的作用，但因為效果有限，因此必須依賴食鹽延長保存期限（施明智，1993）。如此，可以阻止不良的細菌生長，又同時能保留好的細菌，同時阻止一些在食鹽中更容易繁殖的細菌（孫恆泰，2002）。米飯的主要成分是澱粉，澱粉在酸性溶液中，經能水解產生葡萄糖，其過程如下（李敏雄，1995）： 要注意有些細菌屬於嗜鹽性病原菌，在食鹽的環境中反而更容易繁殖，引起食物中毒（林慶文，1983）。亞硝酸鹽和硼酸能有效阻止細菌發育，保存魚肉的效果很強，但硼酸毒性強，亞硝酸鹽已被證實會引發癌症。這是必須小心的。 n  參考資料 台灣總督府臨時台灣舊慣調查會（1996）。番族慣習調查報告書（第一卷）：泰雅族。台北：中央研究院民族學研究所。 李敏雄（1995）。發酵食品。食品化學第14章（國立編譯館主編）。台北：華香園出版社。 林慶文（1983）。肉品加工學。台北：華香園出版社。 施明智（1994）。食品學原理。台北：藝軒出版社。 孫恆泰譯（1992）。水產製造。臺北：徐氏文教基金會。 張中（2000）。食品科技奇葩。新竹：凡異出版社。 陳燕南（1989）。水產食品化學。臺北：正中書局。  

膠體溶液的帶電性與凝聚 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 schemistry0120@gmail.com n   疑難問題 在膠體溶液的單元中，有一段文字敘述：「金屬的氫氧化物帶正電，金屬的硫化物則帶負電」，為何兩者會帶電？為何帶有不同的電荷？ n  解答一：膠體溶液的帶電性說明 膠體（Colloid）溶液有三大特性，「帶電」是其特性之一。在教科書開放之前，由國立編譯館發行的化學課本裡，有一句話：「膠體溶液中，金屬的氫氧化物帶正電，金屬的硫化物帶負電」，困擾高中化學老師多年，近來又有老師問起，因此作者參考多本相關書籍，提供這個問題的解釋方式，供高中化學老師參考。 以硝酸銀（AgNO3）溶液與碘化鉀（KI）溶液混合為例，使其中某一溶液過量，過量之電解質溶液扮演穩定劑的角色，讓膠體溶液能穩定存在。碘化銀溶膠的帶電性說明如下。 當硝酸銀溶液與碘化鉀溶液混合時，銀離子（Ag+）與碘離子（I−）會生成有晶體結構的（AgI）m而形成「膠核」（colloidal nucleus）（圖1），膠核選擇性的吸附溶液中過量的碘離子（I−）而帶負電（圖2）。帶負電的粒子吸引溶液中帶正電荷的鉀離子（K+），被吸附的碘離子（I−）與鉀離子（K+） 稱為吸附層（Stern layer）（圖3），膠核與吸附層構成「膠體粒子」，又稱「膠粒」（colloidal particle）。因為膠體粒子吸附的碘離子（I−）數目大於鉀離子（K+），故此膠體粒子帶負電。帶負電的膠體粒子再以疏鬆的方式吸引鉀離子（K+），此為擴散層（diffuse layer），膠體粒子與擴散層構成「膠團」（圖4）。膠團即膠體溶液常被提及的「電雙層」（electric double layer），電雙層為電中性。AgI膠團的示意圖，如圖5所示。 課本提及的帶電性即為膠核與吸附層構成的膠體粒子所帶的電荷，上例因碘化鉀溶液過量，故此一膠體溶液帶負電；反之，若是硝酸銀溶液過量，則形成之膠體溶液帶正電。 圖1：膠核的形成 圖2：膠核吸附碘離子   圖3：再吸附鉀離子，構成膠體粒子 圖4：電雙層的形成 圖5：AgI膠團形成的示意圖 回頭說明為何「膠體溶液中，金屬的氫氧化物帶正電，金屬的硫化物帶負電」。 一、   氫氧化鐵溶膠：氯化鐵溶於水可製得氫氧化鐵溶膠，其化學反應式，如[1]～[4]所示： FeCl3(aq) + 3H2O(l) → Fe(OH)3(s) + 3HCl(aq)                [1] 其中鐵離子(Fe3+)是酸性陽離子，在水中會起水解，其水解過程如下： Fe3+(aq) + 3H2O(l) → Fe(OH)3(aq) + 3H+(aq)                  [2] Fe(OH)3(aq) → FeO(OH)(aq) + H2O(l)                               […]