微量化學實驗：波以耳定律的微量實驗 李錡峰、楊水平* 國立彰化師範大學化學系 *yangsp@cc.ncue.edu.tw n  前言 本實驗的主題—波以耳定律—在102課程綱要微調中被編列於高中基礎化學（三）的物質狀態之氣體定律，屬於一項重要的課程內容，其化學計算尤為重要，唯在99課綱中並沒有編列此定律為實驗。在107課程綱要（草案）中，波以耳定律被歸類在主題—「物質系統—氣體」和次主題的學習內容—「CEc-Ⅴa-3理想氣體三大定律與理想氣體方程式」之中，在學習內容說明中提到可以演示實驗說明三大定律。 本實驗企圖開發波以耳定律的微量化學實驗，包含定性觀察實驗和定量測量實驗，提供給高中自然組化學選修的教師演示實驗和學生動手做實驗的參考。 n  原理和概念 波以耳定律（Boyle’s law）是由英國科學家羅伯特·波以耳（Robert Boyle, 1627~1691），在1662年根據實驗結果發現：「在密閉容器中的定量氣體，在恆溫下，氣體的壓力與體積成反比關係。」這是人類歷史上第一個發現的定律。馬略特（Mariotte）在1676年發表在《氣體的本性》論文中提到：「一定質量的氣體在溫度不變時其體積與壓力成反比」。波以耳和馬略特是各自分別獨立確立此定律，因此在英語國家，這一定律被稱為波以耳定律，而在歐洲大陸則被稱為馬略特定律[1]。波以耳定律的實驗裝置，如圖一所示。波以耳定律的氣體動力論的微觀說明，如圖二所示。   圖一：波以耳實驗裝置圖 （圖片來源：The Gas Laws, http://goo.gl/VUYyn0） 圖二：波以耳定律的氣體動力論的微觀說明 （圖片來源：The Gas Laws, https://goo.gl/uP8a4c） 波以耳定律描述為在定溫時，定量氣體的壓力（P）與其體積（V）成反比關係，可用公示[1]或[2]表示：     [1]     [2] 根據波以耳定律的實驗結果，可以用四種函數表示，如圖三所示： 圖三：四種函數表示波以耳定律 n  過去實驗設計與本次微量設計構想 一、  過去實驗設計 我們發現在臺灣至少有兩項傳統的波以耳定律的定性實驗，其一為利用注射筒連結底片盒，透過擠壓使底片盒蓋發射出去；放五個吹好的小氣球到一個可抽氣真空密封罐中，抽出罐內的氣體，可見到氣球逐漸長大，並互相擠壓的有趣畫面[2]。其二為一個手動抽氣裝置連接到一個塞住橡皮塞形成密閉系統，在瓶中放入刮鬍刀泡泡，抽出罐內的氣體，可見到泡泡逐漸長大，這實驗以影片方式呈現[3]。 我們也發現在臺灣至少有一項傳統的波以耳定律定量實驗，其係利用長型玻璃管、橡膠及水，架設一組密閉裝置，如圖四所示。該實驗設計上具有方便觀察的特色，教學上也涵蓋趣味性、知識性及合作性，唯器材較龐大、不易取得。其實驗操作方式是將一定量氣體封閉於玻璃管上方，用手指蓋住下方管口，爾後，將手指稍微鬆開。玻璃管內向下的壓力為與大氣壓力達成力平衡，封閉的氣體體積會增加，以致氣體壓力減小，觀察不同的氣體體積的變化與壓力的關係[4]。 圖四：波以耳定律的定量實驗示意圖 我們發現一部影片，提到波以耳定律的定量微量實驗，由美國Flinn Scientific, Inc製作，先利用小型滴管內裝紅色水，再用節流夾密閉此滴管的開口，然後用書本重壓滴管擠壓處，觀察紅色水在滴管的移動距離。用放置書本的本數（氣體的壓力）對移動距離（氣體的體積）作圖，可得知波以耳定律的壓力與體積的粗略定量關係[5]。 二、  本次微量實驗設計構想 (一)在定性實驗方面 本實驗波以耳定律的微量定性實驗之設計構想是，使用注射針筒和氣球製作而成，如圖五所示： 圖五：波以耳定律的微量定性實驗裝置 根據波以耳定律，當密閉針筒內的推拉桿不推入或拉出時，氣球內的壓力（P1）與原本針筒內的壓力相同，也與外界的大氣壓力相等，設此時氣球的體積為V1。當推拉桿向外拉時，針筒內的壓力變小，使氣球內的空氣壓力（P2）變小，以致氣球的體積變大，設此時氣球的體積為V2。亦即，當推拉桿向外拉時，氣球內部的體積從V1變到V2（V1 < V2），氣球的壓力從P1減少到P2（P1 > P2）。 (二)在定量實驗方面 本實驗波以耳定律的微量定量實驗設計構想是，使用電子秤、注射針筒、橡皮塞及施力的手所組成，如圖六所示： 圖六：微量定量實驗的裝置 […]

微量化學實驗：亞佛加厥定律的微量實驗 李錡峰*、楊水平 國立彰化師範大學化學系 *hijackwell@hotmail.com.tw n  前言 在102課程綱要微調中，亞佛加厥定律（Avogadro’s law）被列入於基礎化學（二）的氣體定律單元之中，不過，由於其與道耳頓的原子說以及其與給呂薩克的氣體化合體積定律有密切相關，因此在基礎化學（一）中，雖然未提到亞佛加厥定律，但是一些出版社列入此定律在教科書中。在107課程綱要（草案）中，亞佛加厥定律被歸類在主題—「物質系統—氣體」和次主題的學習內容—「CEc-Ⅴa-3理想氣體三大定律與理想氣體方程式」之中，在學習內容說明中提到可以演示實驗說明三大定律。 可惜的是，在舊課程綱要和新課程綱要（草案）中，並沒有納入亞佛加厥定律為實驗項目，為讓學生有機會操作此定律的機會，作者企圖設計一項簡單的亞佛加厥定律的微量實驗。本實驗力求使用無毒的且微量的藥品，且使用小型的器材，易於攜帶且可回收再使用，以符合微量化學的特色。 n  原理和概念 亞佛加厥（Amedeo Avogadro, 1776-1856）於1811年提出亞佛加厥假說（Avogadro’s hypothesis）。其假說認為：在同溫同壓下，同體積的兩個氣體有相同的分子數。亞佛加厥定律係由亞佛加厥假說演變而來[1]，亞佛加厥定律描述為：在恆定的溫度和壓力下，氣體的體積與分子數（或莫耳數）成正比。在數學上，此定律表示為：體積（V）= 常數（K）× 莫耳數（n）或體積與莫耳數為定值[1,2]，如式[1]所示。 本實驗設計一個密閉容器，在定溫定壓下，加入：(一) 0.010～0.10 g不同重量的小蘇打粉（NaHCO3）作為限量試劑。(二) 加入5.0 mL固定體積的食用醋（含CH3COOH）作為過量試劑。混合後發生化學反應而產生CO2氣體，如式[2]所示： NaHCO3(s) + CH3COOH(aq) → CO2(g) + CH3COONa(aq) + H2O(l)    [2] 根據式[2]得知，碳酸氫鈉（NaHCO3）的反應係數與二氧化碳（CO2）的反應係數相同，因此使用的碳酸氫鈉莫耳數等於產生的二氧化碳莫耳數。 n  過去實驗設計與本次微量設計構想 一、  過去實驗設計 我們發現至少有兩項已有的亞佛加厥定律的定性實驗，其一為利用氣球和寶特瓶製作一個密閉系統，利用氫氧化鈉溶液吸收在系統內的二氧化碳氣體分子，最後使氣球在寶特瓶內膨脹的有趣畫面[1]；其二為同時置入食用醋以及小蘇打粉在一個寶特瓶中，並套上氣球，觀察其產生的氣體充滿於氣球的變化，這實驗以影片方式呈現[3]。我們也發現一項此定律的定量實驗，使用250 mL的塑膠瓶和60 mL的注射針筒為主要器材，組合成密閉系統，製造二氧化碳氣體[4]。 二、  本次微量實驗設計構想 本實驗設計的亞佛加厥定律之定量實驗係以針筒和氣球製組合成一個反應產生氣體的密閉系統，並以食用醋及小蘇打粉作為產生的氣體來源，此二物質為沒有毒性的常用食品，且反應不會發生危險。 圖一：亞佛加厥定律的定量實驗裝置 根據亞佛加厥定律係指在同溫和同壓（同T、P）時，同體積的氣體含有相等數目的分子，亦即氣體的體積與莫耳數成正比，如式[1]所示：在一支大型針筒內，氣體體積先用一支中型針筒注入特定體積的氫氧化鈉溶液Vsb，其含莫耳數。再使用一支小型針筒，透過針頭，注入過量的體積為Vac的食用醋到密閉系統中，立即發生反應，產生二氧化碳氣體，使密閉系統的體積變為。然後，補償針筒內部的摩擦力所造成的體積差Vfri，可計算得知產生二氧化碳氣體的實際體積計算如式[2]所示： 產生二氧化碳的實際體積（） = 產生氣體後的刻度體積（） – 原先預留15.0 mL（） – 注入碳酸氫鈉溶液的體積（Vsb） – 注入食用醋的5.0 […]

微量化學實驗：製作五彩焰色試驗棒 賴亭伶1, *、陳斾玎2 1國立中興高級中學 2國立花蓮女子高級中學*jamielai@mail.chsh.ntct.edu.tw n  前言 介紹高中基礎化學（一）第2章原子中電子的排列（依據102微調版課程綱要基礎化學（一）第2章原子中電子的排列；107新課程綱要高中化學必修內容）時，總是會提到能階與電子躍遷，並討論這個過程中不同元素會放出不同色的光，即為絢爛煙火的發光原理。單純口頭講解對學生而言依然抽象，本文想以仙女棒的概念出發，透過在線香上附著不同成分金屬鹽類，製造彩色焰色棒，讓學生可透過肉眼看到顏色，進而理解煙火的發光原理。 n  焰色的原理 原子中的電子會存在於原子核外不同能階，最穩定時的狀態稱為基態（ground state），當原子吸收能量後，其電子會被激發至更高能階，稱為激發態（excited state），此時的電子處於不穩定狀態，會以電磁波之形式釋放能量，最後回到基態，整個過程稱為電子躍遷（electronic transitions）。 透過儀器測量出電子躍遷的電磁波波長(或頻率)並依照大小順序排列，可以繪製出光譜，並以波長大小區分為紫外光譜、可見光譜、紅外光譜。當躍遷過程的波長處於可見光範圍時，就變成我們肉眼看到的顏色。不同原子（或離子）其原子核外能階間能量差不同，發生電子躍遷時放出的可見光顏色亦不同，因此可以藉此顏色判別所含有元素種類，即為焰色試驗（flame test），這也是煙火具有不同顏色火花的原理。 一般的焰色試驗會將待檢測樣品放在惰性金屬絲（例如金）上，以本生燈（藍色火焰）加熱，由於樣品中雜質常含有鈉元素（其焰色為黃色），會干擾觀察，因此焰色試驗會使用鈷藍色玻璃來過濾掉黃光，使樣品的焰色能清晰地呈現。 本實驗結合煙火的構想，從仙女棒出發，摻入不同鹽類或離子，製作可放出不同色光的五彩焰色試驗棒。為減低黃光的干擾，本實驗的部分照片會以藍色玻璃紙包覆相機鏡頭拍攝。 n  藥品與材料 1.        藥品：硝酸鉀（KNO3）、鎂粉（Mg powder）、氯酸鉀（KClO3）、氯化銅（CuCl2）、氯化鈉（NaCl）、氯化鍶（SrCl2）、硫酸銅（CuSO4）、氯化鋇（BaCl2） 2.        材料：線香、糯米漿糊 3.        器材：刮勺、硏缽、攪拌棒、手套、打火機 n  設計構想 參考市面上仙女棒中含有的成分（硝酸鉀、氯酸鉀、硝酸鋇、鎂粉、鐵粉、鋁粉、碳粉），我們想設計出簡易且微量的彩色仙女棒。經過測試，發現除了主要燃料硝酸鉀和氯酸鉀外，金屬粉末鎂粉、鋁粉及鐵粉，燃燒時可以產生火花和白光等效果，由於本實驗不需火花效果，且鋁粉和鐵粉燃燒緩慢，對彩色仙女棒燃燒幫助不大，因此將兩粉末刪除；雖然鎂粉可以幫助燃燒，但是劇烈的白光會干擾焰色的呈現，因此在本實驗中刪減鎂的用量。而一般仙女棒還會添加硝酸鋇、碳粉，由於此兩項成分燃燒時放出綠色和橘光亦會干擾焰色觀察，因此予以刪除。 在使粉末附著的黏著劑採用糯米糨糊，乃因其燃燒時不會如一般膠水產生難聞氣味，且較一般黏著劑使用澱粉加水配置來得方便許多。 n  製作過程 經過實驗測試，我們以硝酸鉀、氯酸鉀、鎂粉三種成份（取用的重量比為25：12：3）配製出作為焰色試驗棒燃燒基底之混合物質（底下簡稱為基底），並且呈現焰色的鹽類與此基底，以重量比1：1混合。表一為各種焰色燃燒物含有之成分整理，表一內的藥品量約可製作3~5枝五彩焰色試驗棒。 表一：焰色試驗棒的成分含量比例 焰色╱成分 黃 青綠 紅 藍綠 綠 含有成份 氯化鈉4克 氯化銅4克 氯化鍶4克 硫酸銅4克 氯化鋇4克 基底重量 硝酸鉀2.5克、氯酸鉀1.2克、鎂粉0.3克（總重4克） 微量的五彩焰色試驗棒的製作步驟如下： 1.        基底部分：秤量基底的藥品並均勻混合，如圖一所示。（注意：混合成分含有硝酸鉀，故製作步驟中所有混合過程盡量以攪拌代替研磨） 圖一：基底的藥品(從左至右分別為硝酸鉀、氯酸鉀及鎂粉，硏缽內為三者粉末混合) 2.        摻入各種焰色之成分：準備五杯不同的焰色鹽類粉末4克，並與4克的基底混合（見圖二），小心將各杯拌勻。 […]

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chfang1273@yahoo.com.tw 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） […]

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*huangphy@gmail.com 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。 步驟 內容 補充說明 一 教師在課堂上把化學反應的通式寫在黑板上，對於國中學生而言，酯化反應的原理是容易理解。 搭配課本上的圖片來說明講解酯化實驗。 二 推薦各校教師可以使用各家版本的電子書，電子書搭配的實驗動畫或是示範影片，這些均為免費的教學資源，教師在教學上可以用盡情使用。 可以結合步驟一，增加教學的有趣程度，提升學生對實驗的期待。 三 進入實驗室進行實驗與完成指定作業。 藥品先準備好放在教室前方的準備桌上，以利實驗流暢。 四 酯化反應的實驗以濃硫酸當作催化劑，當各組的器材、藥品等準備好後，教師到各組去協助滴濃硫酸。 各組需要特別找一個組長特別幫教師注意各組的操作安全。 五 設計的一份簡單的實驗操作單，只有A5的大小（A4紙的一半大小），這張的好處是可以讓學生依照步驟檢查實驗器材，各組只要按照步驟進行酯化反應的實驗。 實驗操作單請見下面的「實驗操作單」。 六 回到課堂上要請各組學生發表自己的想法，教師也可以進行實驗檢討或課後討論與分析。 教師可以把寫得很棒的作業分享給各班，讓學生互相觀摩學習 備註：每個步驟時間可以依照教師與各個班級學生的互動情形進行調整，我們實際進行教學時，各班的情況都不盡相同。 n  教學教案（簡案） 單元名稱 酯化反 應 教學對象 八年級學 生 教學重點 認識酯化反應原理與酯化實驗操作 教學活動 教材教具 評量 時間 一、實驗前 1. 認識酯化反應原理。 2. […]

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sharon@apps.ghes.ntpc.edu.tw 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） […]

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*e8322033@msn.com 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。 […]

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lyfu@mx.nthu.edu.tw 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） […]

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schemistry0120@gmail.com 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）。 表1：鹼金屬元素在O2中燃燒的產物 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(σ2s)2(σ*2s)2(σ2px)2(π2py)2(π2pz)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(σ2s)2(σ*2s)2(σ2px)2(π2py)2(π2pz)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(σ2s)2(σ*2s)2(σ2px)2(π2py)2(π2pz)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 + […]