綠色化學創意競賽 葉名倉1, *、繆慧娟2, * 1國立臺灣師範大學化學系 2工業技術研究院綠能與環境研究所 1, *cheyeh@ntnu.edu.tw 2, *cmiao@itri.org.tw n  設計理念 教育部三年前開始針對使用列管毒性化學物質的高中職校化學實驗進行替代研究，原先的構想只是單純的進行毒化物的替代而不修改原有的實驗步驟，但是在替代實驗研究的過程中，老師與學生們嘗試著調整用量、濃度，甚至設計實驗的器材，在在展現師生們傑出的綠色化學創新研發能力。因此，希望能設計一個競賽舞台來激發師生的創意，進而推廣減廢、物盡、低毒、保安、降輔、節能、再生、簡潔、催化、可解、監測、思危等綠色化學原則，共同打造實驗室的安全與環境的永續發展，將安全、環保、永續之綠色化學觀念建立於各個教學實驗中，期使學生能確實的感受到綠色化學之可行性與重要性。 於是教育部與行政院環境保護署於103年共同舉辦第一屆高中職「綠色化學（減毒減量）創意競賽」暨「大專校院綠色化學（減毒減量）創意示範觀摩」，活動海報如圖1所示。為推廣全國大專和高中職學生對綠色化學的興趣，並鼓勵高中生探索科學的精神和創造發明的潛力，培養學生靈活思考、多元學習的精神，提供高中職學生一個良性競爭的環境及成果發表的園地，並另邀請大專校院學生示範參與，提供高中職良性觀摩的機會。 圖1：綠色化學（減毒減量）創意競賽活動海報 n  綠色化學 美國環境保護署（Environmental Protection Agency, EPA）的Paul T. Anastas博士（見圖2左）和波士頓麻州大學的John C. Warner教授（見圖2中）所著的〈Green Chemistry: Theory and Practice（綠色化學：理論與實務）〉（Oxford University Press, 1998）（見圖2右）中列出「綠色化學」的十二個原則，現已為化學界普遍接受。最早在臺灣推廣永續化學概念的台灣大學化學系劉廣定教授，於2002年首先在大學裡開設「永續化學概論」課程，並於2001年開始向高中新課程總綱規劃小組和大學化學相關學系建議將永續化學教育引入中學和大學教育。經過這些年的努力國內已有許多學校開辦永續化學相關課程，99普通高級中學課程綱要中基礎化學（二）亦增列「化學與永續發展」的章節，後續仍需大家共同努力將綠色化學的觀念儘早能透過教育植入民心。    圖2：Paul T. Anastas博士（左）、John C. Warner教授（中）以及〈Green Chemistry: Theory and Practice〉一書封面（右） （圖片來源：（由左而右）Paul T. Anastas, Wikipedia; John C. Warner, Princeton Chemistry Alumnus; Green Chemistry: Theory […]

綠色化學創意競賽：序曲—替代實驗的開發 繆慧娟1, *、周芳妃2、詹莉芬2、張永佶2、佘瑞琳3、謝幸娟4、黃潔瑩4 1工業技術研究院綠能與環境研究所 2臺北市立第一女子高級中學 3國立臺灣大學化學系 4臺北市立松山高級商業家事職業學校 *cmiao@itri.org.tw n  緣起 2006年11月，工業技術研究院綠能所團隊承辦教育部環保小組（資科司環境及防災教育科前身）化學品資訊化管理計畫，針對大專校院實驗室購買藥品的方式以及高中職以下學校無專責人員管理的現況，設計了一套簡便又能符合法規要求的「教育部化學品管理系統」，透過網際網路提供給全國各級學校免費使用。經由國立陽明大學在環安人員林晏夙小姐的努力推動下，全校使用此系統至今已持續8年。 2009年9月，因應學術機構運作毒性化學物質（以下簡稱毒化物）管理辦法修正公告，學術機構之運作單位運作毒化物，應逐月填寫毒化物運作紀錄申報表，並經委員會審核後，由學術機構採用網路傳輸方式，向毒化物所在地之主管機關申報前一年毒化物運作紀錄申報表。因此「化學品管理系統」升級為「化學品管理與申報系統」（網址：http://chem.moe.edu.tw/），並於2011年與環保署毒化物申報系統整合，學校實驗室只要落實填寫每日的毒化物運作紀錄，系統會自動彙整成全校的申報資料，學校負責申報的人員只要確認資料內容點選申報，即可同步將申報資料傳至環保署完成申報。教育部化學品管理與申報系統，如圖1所示： 圖1：教育部化學品管理與申報系統網站首頁 2010年9月，高中以下學校運作毒化物，因藥品採購年代久遠或管理人力不足，欠缺申請登記備查資料或採購核可文件，造成藥品廢棄時因文件不足導致無法聲明廢棄；有時廢棄數量過少或缺乏處理經費等原因，也增加學校辦理廢棄物處理作業困難。在教育部的積極協調與各縣市教育局處協助下，目前使用列管毒化物的學校已由444校遞減為241校，減少了46%。 n  替代實驗 2012年1月，我們開始思考若從實驗的源頭設計不使用列管毒化物，不僅能降低學生接觸高危害性化學品的風險，也能避免學校因違法而受罰。於是教育部召開「高中職及國中小課程中使用危害物質之替代方案」第一次專家諮詢會議，會議中決議邀請北一女中周芳妃老師團隊協助進行高中化學實驗使用毒化物的替代實驗，研究施行方法步驟： 1.        研擬實驗流程 2.        進行實驗試作 3.        完成交互實驗 4.        撰寫實驗報告 5.        審查實驗報告 6.        進行實驗或修改 7.        完成實驗報告 8.        進行專家諮詢會議 9.        提供替代實驗報告給教育部參考 後續在北一女中周芳妃老師、詹莉芬老師、張永佶老師和王美琴小姐、台灣大學佘瑞琳老師團隊與松山工農王麗華老師、謝幸娟老師和黃潔瑩老師及其學生們的協助下，共計完成了14個替代實驗。替代實驗的研發團隊如圖2~3所示：   圖2：替代實驗的研發團隊 圖3：替代實驗的研發團隊 研發團隊開發十四個替代實驗的名稱及其具體成果如下： 1.        平衡常數與勒沙特列原理／替代列管毒化物：使用氯化亞鈷水溶液替代列管毒化物鉻酸鉀和二鉻酸鉀。 2.        化學電池／減量減廢：所有試劑體積減少為原實驗的0.1倍，且此試劑可以保存重覆使用。 3.        鋅銅電池／減量減廢：所有試劑體積減少為原實驗的0.1倍，且此試劑可以保存重覆使用。 4.        氧化還原之滴定／替代列管毒化物：使用過錳酸鉀替代列管毒化物二鉻酸鉀。 5.        含氯漂白水與鹽酸的不相容反應／認識實驗安全：以日常生活中市售商品設計實驗，學習認識含氯漂白水與鹽酸的不相容反應，並學習簡易消除毒性氯氣的方法。 6.        醇、醛、酮性質之探討／替代列管毒化物：使用低於24%的甲醛替代列管毒化物37%的甲醛。替代列管毒化物：使用過錳酸鉀替代列管毒化物二鉻酸鉀。 7.        簡單電解實驗／減量減廢：原使用試管試驗，現改用點滴實驗，實驗結果明顯且大幅降低藥品用量和廢污產量。替代列管毒化物：使用辛烷替代列管毒化物環己烷。認識實驗安全：使用塑膠針筒取代U型玻璃管，操作上較安全。 8.        […]

綠色化學創意競賽： 臺灣師大附中學生設計微量的沉澱實驗 廖靜宜*、王威傑、周秉滽 國立臺灣師範大學附屬高級中學 *home114113@yahoo.com.tw n  參加活動緣起 我（通訊作者）從事教職滿20年，希望學生將化學學習當作是一件有趣的事，而化學實驗的進行就是最能夠引起學生興趣的方法之一。尤其是擔任學校數理資優班的化學老師及專題研究老師，除了化學知識的加深加廣，訓練基本的實驗操作和積極安排各項實驗，都是兩年的專研課程中很重要的一環。不管是課本內的實驗，或者是從期刊和網路上所搜尋到的有趣實驗，都是每周四下午在化學實驗室中例行事務，這是學生和我自己最期待的課程。而課程中所學習到的內容，漸漸累積以後，就開始積極參加一連串的科學競賽、科學展覽……。學生參與科學競賽過程之中，必須了解實驗原理並設計實驗，再針對實驗過程所遇見的各樣問題找出解決之道，這樣的訓練，除了培養分工合作的團隊精神，並且能夠影響學生未來的重要能力，絕非紙筆測驗所能達成！ 去年參加了北一女中所舉辦的綠色化學研習會，會中介紹了幾個關於綠色化學的重要概念，以及對於高中化學實驗減毒、減量的改良，化學和環保結合的概念感到相當有趣，在主辦單位大力宣導第一屆「綠色化學創意競賽」活動開跑下，於是找了幾位高一數理資優班剛剛分組，選擇了化學專研的學生，開始做這樣的活動。 n  從實驗手冊讀起到喜獲支援 學生一方面從高中的實驗手冊開始讀起，一方面尋找網路上可參考資料，經過討論，組成了五個小組接受了這樣的挑戰。這五個題目居然很幸運地有三件通過了初審，到國立臺灣師範大學化學系進行複審報告，算是在數資班化學專研的第一場正式校外競賽。 最後獲得銀牌獎的這一組學生，其實最要感謝的是臺灣大學化學系，在訓練數理資優班的課程上，我參考了台大的普化課程，並且請益臺灣大學化學系的佘瑞琳老師，佘老師的願意傾囊相授實驗技巧，還願意借用藥品給我們，獲得相當多的支援。學生靈活巧妙地在這個實驗上展現出綠色化學的重要意義，最後還能在頒獎的會場上有條理地介紹這次的作品設計跟大家，讓我真正覺得我是以學生為榮，看到學生能在科學領域上的成長並受到肯定，對我來說是最大的喜悅！ n  設計理念與改良 一、  得獎作品 l   作品名稱：溶解度法則實驗之減量。 l   參賽學生：王威傑、周秉滽；指導教師：廖靜宜。 l   得獎名次：高中組綠色化學（減毒減量）創意競賽銀牌獎。 二、  設計理念 在高中的化學實驗課程中，學生需要熟記沉澱表才能夠在「化學尋寶」這類實驗題材解題，這個實驗涉及陰、陽離子的沉澱反應和鑑定分析，有助於刺激學生活用既有的化學知識，並培養學生分析和解決問題的能力。在高中化學或是國中科學奧林匹亞的國手訓練營中，也常將「化學尋寶」和離子鑑定分析列為培訓課程。「離子沉澱反應」是現行高中課綱中《基礎化學》的應修內容，103學年度以前，編於《基礎化學（一）》，屬於學科能力測驗自然科第一部分之命題範圍。自103學年度起，因應課綱微調，編於《基礎化學（二）》，屬於學科能力測驗自然科第二部分之命題範圍。回顧歷年的學測自然科試題，「離子沉澱反應」出現的頻率相當高，單題或題組型式都有，測驗的內容不限於基礎知識，透過命題者的巧思，不僅測驗考生基本的科學知識和概念，進而測驗考生分析、應用與推理的能力。 每次上課講到沉澱表，總是希望學生能夠先將它背熟，但學生覺得背這樣的表是一件非常痛苦的事，有些老師會利用口訣來幫助學生記憶，但是還是很容易忘記，不如利用實驗讓學生們能夠眼見為憑，增加印象讓沉澱表更加容易記憶。不過此實驗不僅要耗費大量的藥品，實驗後還需要清洗大量的試管（見圖一），所以我們希望設計微量卻又可以清楚觀察離子沉澱的實驗！ 圖一：常見的沉澱物（取自照片） （圖片來源：翰林版基礎化學(二)課本第一章p. 14） 三、  設計的目的和過程 （一）設計目的 本實驗的設計目的：(1)減少實驗產生廢液，(2)減少需要清洗容器之數量，(3)減少實驗所需空間。 （二）研究方法（見圖二） (1) 配製各類的金屬陽離子硝酸鹽溶液（例如硝酸鉀、硝酸銀等） (2) 配製各類的陰離子鈉鹽溶液（例如氯化鈉、硫酸鈉等） (3) 舊方法與新方法的觀察與比較。 圖二：研究方法概念圖 （三）研究過程 A.        原課本實驗步驟 1.        配製各種陰陽離子的溶液，濃度皆為1 M，分別如圖三和圖四所示。 圖三：陰離子溶液 圖四：陽離子溶液 2.        在試管內，混合各類的陰離子溶液與陽離子溶液，觀察沉澱並記錄，如圖五和圖六所示。 圖五：先使用原方法並測定廢液的產生量。 圖六：觀察並記錄產生沉澱的結果 3.        […]

綠色化學創意競賽： 光華高中學生改良電解水實驗方便觀察離子移動 陳恆毅*、陳怡仁、周育柔、陳冠綺、林千程 臺南市立光華高級中學 *yiyi945@gmail.com n  參賽緣由 自從我（通訊作者）從事教職以來，引導學生將所學知識應用在實驗上，就是我的教學理念之一。為此，即便課務繁忙，我仍積極帶領學生組隊參加各項科學競賽，包括遠哲科學趣味競賽、化學創意闖關比賽、思源科學創意競賽、科學展覽等。每次學生參與科學競賽，我指導他們親手設計並操作實驗，並針對實驗過程所遇見的各樣問題找出解決之道，這正是影響學生未來的重要能力，絕非紙筆測驗所能達成！ 某次看到綠色化學創意競賽的宣傳海報，對於結合化學和環保的概念感到相當有趣，於是找了幾位高二多元智慧班的學生進行討論，並決定要設定題目來進行研究。學生很有意願接受挑戰，同時我們也覺得這是一個很有意義的活動。從一開始的實驗取材我們就選擇天然材料，並且以可以重複使用的設備作為實驗器材。如此，綠色環保的口號，便能在生活和教學中落實。 n  激發學生潛能 此次參賽的學生來自光華高中的特色班級—多元智慧班，在一般的學業課程之外，另有特色課程「自主學習」、「數位學習」、「創意課程」，課程以專題導向式學習為基礎的學習（project-based learning, PBL）方式進行，故能激發學生的學習潛能，使入學成績PR值不如明星高中的學生，仍能在各項競賽與全國好手同台。這次，綠色化學組隊的學生能和全國名校學生一起切磋學習，甚至一起上台領獎，對學生來說是很重要的一次成功經驗。 我在帶領學生過程中有很深的感觸，如果老師能看到學生課業以外的多元能力，並給予學生機會、養分，學生會有自主積極的學習行為，不但在多元智慧班的自主課程時間進行實驗，還願意主動利用自己晚上跟假日時間留校把實驗完成，在這當中也學習到時間管理的重要性。一開始雖然要花以較多時間帶領學生去討論、設計實驗、注意實驗安全等等，不過只要學生學習到這套科學方法，之後就可以自己設計實驗、購買材料、配製藥品、進行實驗、結果分析…。看到學生能在動手做科學上獲得成長與成就，常常對自然科學產生更大的興趣，就會對這些學科花更多時間去研讀，另一方面學科成績上也有顯著的進步！看到學生除了在自然學科成績上有所成長，更對動手做實驗有實務的經驗，我覺得這才是完整的科學教育，能讓我有更多的能量與熱情再去帶領學生學習！ n  設計理念與改良 一、  得獎作品 l   作品名稱：觀察離子移動情形—以紫色高麗菜為指示劑改良電解水實驗。 l   參賽學生：周育柔、陳冠綺、林千程；指導教師：陳恆毅、陳怡仁。 l   得獎名次：高中組綠色化學（減毒減量）創意競賽銅牌獎。 二、  設計理念 高中的化學實驗課程中介紹到電解水實驗，電解時觀察正極產生的氫氣和負極產生的氧氣；之後分別取出兩極附近的液體，再以酸鹼指示劑（石蕊試紙、酚酞指示劑、廣用指示劑…）檢驗其酸鹼性。不過此作法只能知道靠近兩極端的酸鹼性，並無法觀察到離子移動的狀況。我們希望設計一種可以觀察電解水時離子移動狀況的實驗！ 在實驗器材和藥品方面，我們希望使用的是對環境沒有汙染的紫色高麗菜當作天然酸鹼指示劑，洋菜粉用來當作水溶液瞬間「凍結」起來的材質，導電材質是可反覆使用的惰性電極—石墨！本實驗所使用的器材都是日常生活用品在超商中就可以買到，而且操作簡單，試藥用量甚少，不具危險性。本實驗能達到教學的實驗目的，並符合綠色化學原則，落實永續教育的目標！ 三、  涉及的原理和概念 常見的電解水實驗，如圖一所示：電解的產物在陽極（+）產生氧氣且周圍的液體呈現酸性，如[1]所示；在陰極（–）產生氫氣且周圍的液體呈現鹼性，如[2]所示。 陽極（+）：2H2O(l)→ O2(g) + 4H+(aq) + 4e–    [1] 陰極（–）：2H2O(l) + 2e–→ H2(g) + 2OH–(aq)    [2] 圖一：常見的電解水裝置 利用天然的紫色高麗菜汁作為指示劑，高麗菜汁加到煮沸後的洋菜粉溶液，菜汁和洋菜粉溶液混合成果凍狀的固體，在此狀況下，混合的溶液不會再流動；陽極電解時產生的H+會往陰極移動，陰極電解時產生的OH–會從往陽極移動，由指示劑的顏色可觀察到兩者會在中間相遇；依果凍狀的菜汁顏色改變，透過紫色高麗菜的顏色與酸鹼值對照表（見表一），很容易得知電解水過程中的酸鹼值變化，如此即可觀察水中H+、OH–移動的狀況。 表一：紫色高麗菜的顏色與酸鹼值對照表 pH 1-2 3 4 5 6 […]

綠色化學創意競賽： 中和高中學生改良有毒的高錳酸鉀實驗 陳欣怡*、陳芊君 新北市立中和高級中學 *shinekudo@gmail.com n  教師教學反思 學生常常問我（通訊作者）：「為什麼要學化學？」，我起初總是回答：「生活上有許多可以用到化學的地方，你學好之後就可以好好應用。」但，每次上課學生總會問說：「老師，這題會不會考？」；「老師，這個要不要背？」；「老師，我們來考前猜題好不好？」…，這些問題讓我明白：「他們還是不懂學化學的功用和愉快」。因此，我嘗試在課堂上與學生討論時事，讓他們可以更加了解生活上的應用；把課本的實驗改變，讓他們方便了解原理與操作；設計專題課程〝新聞中的科學〞報告，除了讓學生們可以把所學的科學原理應用到生活上，更可以讓他們增加思考能力。另外，我也積極帶領學生組隊參加各項科學競賽，包括化學創意闖關比賽、旺宏科展、科學展覽、清華盃高中化學學科能力競賽…。透過這些活動，除了可以讓他們擴展視野之外，在競賽過程所遇見的各樣問題，透過彼此互相討論和搜尋資料尋找解決之道，而所有的過程是為了讓學生明白：學習應用的能力才是重點，而不是考試的分數！ n  師生參與過程 於學校的網頁上看到「綠色化學創意競賽」的活動訊息，深感化學和環保作結合的概念是十分重要的，我們每次進行化學實驗時，除了學習知識和技能之外，可以為環境做些事，讓地球永續發展更是重要。於是找了我任教的高二科學班的學生進行討論，科學班的學生，在〝專題課程〞中，除了有各種實驗進行之外，還有新聞中的科學報告（見圖一）和校慶成果發表（見圖二和圖三）等。此專題課程的目標，除了訓練基本的實驗能力和加深加廣的課程之外，還期待他們能透過實驗學習研究精神與良好的研究態度；透過上台報告學習投影片製作能力、訓練台風與欣賞批判的能力；透過校慶的科學班成果發表，學習自己籌辦活動能力與知識分享和對週遭環境的關懷。這一切都是希望學生們不再只侷限於紙筆的學習，處處斤斤計較於分數與漠視環境的破壞。而是能夠讓學生能「學會各種能力，貢獻所學，熱愛自然與科學。」 圖一：專題課程—新聞中的科學報告 圖二：專題課程—校慶成果發表盛況 圖三：專題課程—校慶成果發表海報 我在帶領學生的過程中，最讓我有感的事不是找尋主題和設計實驗，而是最後決定方法和理論結果後，開始驗證自己的推論，在實驗過程中芊君同學（第二作者）並不是很順利，而她總能非常有毅力與耐心地把問題一一化解，看到學生在實驗中實事求是的態度、百折不撓的研究精神與不求回報的決心，我自嘆不如，而看到她的努力研究終於獲得肯定，更是替她開心。但最開心的是：她得獎的心態，雖然她沒能上台報告，但在台下她卻能與不認識的同學們交流分享彼此的實驗。我知道，我們未來又多了一位人才！更是期待，她未來可以在她自己的領域發光發熱。 n  設計理念與改良 一、得獎作品 l   作品名稱：踏破「鐵」鞋無「錳」處，得來全是環保術。 l   參賽學生：陳芊君；指導教師：陳欣怡。 l   得獎名次：高中組綠色化學（減毒減量）創意競賽銅牌獎。 二、   設計理念 在現今環保意識高漲的時代，化學常被認為是不環保的、危害環境和傷害身體健康的，這種刻板印象導致許多人聞〝化學〞色變，而這樣的競賽，讓我們學習思考如何保護環境和認識正向的化學。 因此，在選擇要改良哪一個高中課本實驗時，我（第二作者）思考許久採用老師的提議改良「過錳酸鉀滴定草酸鈉」實驗，這是選自高三選修化學上氧化還原的教材，此實驗的目的是用來教導學生利用氧化還原滴定，求未知物濃度或含量。原課本實驗為：利用已知濃度的過錳酸根離子在酸性下與未知濃度的草酸根離子發生氧化還原，達到當量點時，在計算未知濃度的草酸根離子濃度。既然是用來教學，那麼對環境以及操作者本身危害大的錳離子應該被替換，從原本實驗的過錳酸根離子改為鐵離子。此一改良降低了反應物的毒性，也因實驗的改良而消失，大大的降低了整個實驗的毒性。在查閱電位表之後，決定「使用常見且危害性小的鐵離子代替錳離子」。 三、   涉及的原理和概念 此反應中，草酸根離子會失去兩個電子，而鐵三價離子會得到一個電子，反應式如式[1]所示。藉由「氧化還原的得失電子莫耳數會相等」的關係，能列出關係式[2]：     [1] 氯化鐵濃度 × 氯化鐵體積 × 1 ＝ 草酸鈉濃度 ×草酸鈉體積 × 2    [2] 並且藉由關係式[2]，算出未知的草酸濃度。 以碘作為指示劑，當達到當量點時，多餘的Fe3+與I–發生反應形成碘分子，與洗米水中的澱粉當作指示劑，產生藍黑色錯合物。 四、實驗過程 實驗的概要裝置圖如圖四所示。 圖四：實驗概要裝置圖 本實驗的詳細過程如下： 改良一：過錳酸鉀溶液更換為氯化鐵溶液 1.        配製未知濃度的FeCl3溶液：秤取3.25克的FeCl3倒入燒杯中，再加入少許的蒸餾水使溶解。溶解後倒入1000.0 mL容量瓶中，加蒸餾水至刻度線為止。 2.        […]

綠色化學創意競賽： 花蓮高工學生研究二氧化錳的回收再利用 陳弘欽、詹秉澄、陳昭華、黃玄智* 國立花蓮高級工業職業學校化工科 *hale@msg.hlis.hlc.edu.tw n  教師指導心得 學生在11月底興奮地傳了簡訊告訴我（通訊作者）：「老師，我們綠色化學（減毒減量）專題製作獲獎了，謝謝老師！」，雖然僅是短短的得一句話，卻難以掩蓋學生獲獎的喜悅，以及被肯定的鼓勵，相信這對這群參與製作的學生絕對是正向的加分。擔任化學化工科的教師以來，一直以將學生所學的專業知識能應用在實驗上，並培養學生發現問題和解決問題的科學能力，作為教學最重要的理念，只要學生願意，一定盡全力協助到底。 花蓮高工化工科的學生是一群學業知識刺激較少、但非常純樸的孩子，除了入學的PR值明顯不如西部的學生之外，接受外來資訊的刺激亦是不夠，導致研究的主動性及積極度低落，需要老師更多的關注和協助。這一次有機會參加第一屆綠色化學（減毒減量）的專題競賽就是一種肯定，能獲獎更是加倍的鼓勵。但一路走來：搜尋資料、實驗研究、數據整理、結果呈現、與全國好手同台切磋，最後上台一起領獎，整個過程清楚地看見學生快速的成長與進步，積極參與實驗及研究（見圖一），這對學生來說絕對是一次成功的經驗，對指導老師而言亦是一次難得進化成長的機會。    圖一：參與學生認真研究討論實驗情況（相片人物：陳弘欽、詹秉澄） n  設計理念與研究 一、  得獎作品 l   作品名稱：真的不要把我丟掉！雙氧水分解實驗中催化劑二氧化錳的回收再處理。 l   參賽學生：陳弘欽、詹秉澄、陳昭華；指導教師：黃玄智。 l   得獎名次：高工組綠色化學（減毒減量）創意競賽銅牌獎。 二、  設計理念 利用二氧化錳催化雙氧水產生氧氣的實驗，是在學習化學知識中第一個接觸催化反應，利用二氧化錳在反應中擔任催化劑加速雙氧水分解為氧氣和水，但經實驗的結果及其他的參考文獻資料顯示，使用過的二氧化錳再次催化雙氧水產生氧氣的效能會變得非常差，因此使用過的二氧化錳往往不被再次使用，而直接依實驗室廢棄物管理規則以重金屬丟棄規定棄置。 而二氧化錳被歸類為「催化劑」，催化劑定義為在某反應步驟中參與反應，形成中間產物後，在接下來的步驟中又變回原物質。所以完成催化反應後催化劑的質量及組成理論上是不會改變的。就是這點讓我們感到好奇，既然它是催化劑那為什麼重複使用後催化效果會差距那麼大？所以我們對此來設計此次的實驗。 三、  實驗原理 過氧化氫可自發地分解而生成水和氧氣，反應式如式[1]所示。 雖然二氧化錳可以當此反應的催化劑，加快生成氧氣的速率，但是經過我們實驗後發現二氧化錳在催化過後再次進行催化的反應效能就會大幅下降，所以我們針對要如何回覆二氧化錳催化雙氧水效能這一點來設計實驗。其中有加入酸、鹼、還原劑、氧化劑到反應裡，有在二氧化錳催化雙氧水完後，用各種不同藥品清洗二氧化錳等。最後發現酸會抑制反應、鹼可以增快反應，而用酸來洗過二氧化錳後也可以有效的使二氧化錳回覆效能。 四、  研究過程 實驗一：探討二氧化錳未處理就回收使用的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係 1.        實驗器材：錐形瓶（100 mL）、量筒（2000 mL）、攪拌器、磁石、鐵架、固定夾、塑膠管、塑膠盤， 2.        架設實驗裝置如圖二所示。 圖二：二氧化錳催化雙氧水實驗裝置 3.        秤取0.3克的二氧化錳和3克的雙氧水（35％）。 4.        置入二氧化錳到有側管錐形瓶中，放入磁石，加入10 mL的去離子水，開啟攪拌機，加入3克的雙氧水後迅速蓋上橡皮塞。 5.        計錄時間和氧氣生成的體積。 6.        待反應完成後，把瓶內的液體倒入蒸發皿內，潤洗乾淨。 7.        加熱蒸發皿內液體，剩少許後放入105度℃的烘箱內，烘半小時，回收二氧化錳。 8.        重複實驗4次，取4次實驗的平均值。 9.        取第一次實驗回收的二氧化錳，重複4次步驟3.~7.。 10.    […]

端午吃粳粽說化學 傅麗玉 國立清華大學師資培育中心lyfu@mx.nthu.edu.tw 端午節剛剛過，想必許多人都吃了粽子。炎熱的天氣，難免想起小時候的端午節最愛吃的粳粽。我看過母親把一大盆的糯米用水浸泡，然後放入一種粉狀的東西，只要一點點就夠了，與糯米攪拌在一起，包到竹葉中。母親說米不能放滿，否則煮熟時，糯米會膨脹而漏出來。然後放入水中煮熟，冷卻後放在冰箱冰涼，就變成小巧晶透又冰冰涼涼的粳粽（見圖1）。吃粳粽的時候，可以沾上一層厚厚的砂糖，也可以拼命地沾糖漿大吃，甚至有時奢侈地淋上一大匙蜂蜜，那是難忘的人生幸福（見圖2）。我記得母親說那種粉叫做「粳粉」。兒時的我好奇地問過母親為什麼糯米會變成透明的粳粽，母親說是因為加入「粳粉」。其實「粳粉」的成分的確是讓糯米變成透明的關鍵。台語說的「粳粉」就是鹼粉，台語發音的「粳粽」就是「鹼粽」。但是，為什麼加入粳粉，糯米就會變成晶透的鹼粽？粳粉是什麼成分？ 圖1：小巧的粳粽（傅麗玉攝，2015） 圖2：搭配蜂蜜享用晶透冰涼的粳粽（傅麗玉攝2015） n  當今普遍的粳粽做法 根據老一輩的說法還有筆者在市場的詢問，目前為了省時省工，已經很少採用古法製作鹼粽。當今粳粽的做法是先將糯米浸泡一或半小時，加上鹼粉攪拌均勻後，放著約十二小時才可開始用粽葉包裹，米量約七分滿，然後用竹葉將米包裹成粽子，用棉繩綁緊。但是要注意竹葉中不可以放滿米，以免因為米煮熟後體積膨脹而擠出來。煮沸一大鍋水，滴入少許沙拉油，放入鹼粽，水要蓋過粽子，以小火煮三至四小時，熄火再燜1小時。撈起粽子，讓粽子變涼，放到冰箱冷藏至 冰涼就可以吃了。 n  粳粉成份與粳粽相關的化學反應 葡萄糖分子互相「手拉手」（α-鍵）構成澱粉分子。但因為葡萄糖分子結合的構造不同，澱粉可分為直鏈澱粉和支鏈澱粉。糯米的澱粉有較多的支鏈澱粉分子結構（見圖3）。支鏈澱粉子與支鏈澱粉子的OH基彼此之間會形成許多分子內氫鍵，因而互相吸引。因此，相較一般的米飯，糯米飯的口感比較黏。 圖3：糯米澱粉的支鏈分子結構 粳粽的製作應用的是糯米的「澱粉糊化」反應。「澱粉糊化」又稱為「澱粉α化」，是指澱粉在水中加熱，澱粉顆粒吸水膨脹。未經加熱的生澱粉顆粒由規則排列的結晶區及具有親水性質但排列不規則的結晶區所組成。生澱粉經過加水加熱後，規則排列的結晶區的構造被破壞，澱粉顆粒吸水，澱粉顆粒體積變大，同時黏度增加而造成膨潤現象（swelling）。如果繼續加熱到60℃與80℃之間，支鏈澱粉的雙股螺旋結構會被解開，澱粉顆粒被破壞而形成半透明的膠體溶液，然後水分子再與葡萄糖分子以氫鍵結合，造成澱粉分子的體積膨脹甚至破裂，這個過程稱為「澱粉糊化」。「澱粉α化」讓大分子轉換為小分子，更容易食用。   另一種澱粉糊化的方法為「鹼糊化」或「化學性糊化」。直接加入鹼液如粳粉，在不加熱條件下，能加速澱粉產生糊化作用。澱粉加入鹼液可使澱粉分子分散（dispersion）和糊化，縮短澱粉的糊化分離時間。適量的鹼可以使粉狀在受熱分解時，吸收水份，產生黏彈性。加入鹼粉，可讓澱粉分子結構破壞，發生糊化反應。糊化後的澱粉，由於多糖分子吸水膨脹以及氫鍵斷裂，更容易被澱粉酶水解，進入人體後容易消化。粳粽的原料是糯米，主要的成分是澱粉。鹼性添加物能使糯米中的澱粉與蛋白質糊化凝結。因為米粒遇鹼後進行糊化，澱粉會快速膨潤，比上述用水浸漬所造成的膨脹程度更大，而且會變成一整塊QQ的物體，最後就不太看得到米粒的形狀（見圖4和圖5）。做鹼粽用的粳粉成分為碳酸鈉、碳酸鉀或氫氧化鈉，都是強鹼性的化學物質，具有腐蝕性，若直接食用，會嚴重地傷害人體。   圖4：鹼性的粳粉使糯米的澱粉快速膨潤，糊化凝結，米粒形狀被破壞而黏成一團，變成有黏彈口感的粳粽（傅麗玉攝，2015）   圖5：鹼性的粳粉使包紅豆餡的鹼粽糯米米粒和紅豆顆粒形狀被破壞而黏成一團（傅麗玉攝，2015） n  懷念粳粽最古老的做法 古早年代，人們用草木灰製作鹼水，以稻草梗燒成灰，溶於水中，等待沈澱，便可以得到天然的鹼水。在化學科技尚未普及的年代，台灣人做粳粽的過程非常繁瑣。首先要做的準備工作就是製作鹼水。先將硬木或稻草燃燒成木灰，在一個底部已經打洞的水桶的底部鋪上一層曬乾的乾淨稻草，倒入約半桶的木灰。將此裝有木灰的水桶放入另一個大的乾淨水桶中。倒入一些乾淨的雨水或泉水，確保水質是無污染的軟水。外面的水桶可以收集從內桶過濾出來的鹼水。將收集到的鹼水再倒回內桶，每天至少反覆收集三遍，連續至少三天，最後所得到的水就是天然的鹼水，含有一些碳酸鈉和碳酸鉀的成分，可用來製作鹼粽。適量的鹼會使支鏈澱粉受熱分解時，吸收水份，讓澱粉有更好的黏彈性，口感有嚼勁。鹼水也有防腐以及中和酸性的功用。只是使用天然的鹼水所做成的鹼粽，糯米的糊化程度較小，其內部還可以看到米粒和紅豆的形狀（見圖6）。當今天然的鹼水所做成的鹼粽非常稀少，筆者四處尋訪採用天然鹼水做鹼粽的店家，最終也只找到一家。 圖6：使用天然的鹼水所做成的紅豆鹼粽內部還可以看到米粒和紅豆的形狀（傅麗玉攝，2015） 使用粳（鹼）粽油、粳（鹼）粉務必千萬小心，粳油、粳粉都屬於強鹼性，添加少許到糯米中，雖然對人體無立即的傷害，但若直接誤食粳油、粳粉，其強鹼會造成食道嚴重傷害。往年曾有民眾誤食「粳（鹼）粽油」造成食道嚴重傷害的不幸事件。如果可以多花一些時間，採用古老的方法製作鹼粽，應該是比較安全的。 n  參考資料 1.        吳嘉麗（2004）。化學、食品與社會。台北：中國化學會出版。 2.        左卷健男（2005）。圖解化學超有趣。台北：世茂出版社。 3.        鹼粽，維基百科，http://zh.wikipedia.org/zh-tw/鹼粽 [2015/2/17] 4.        Homemade Lye from Wood Ash, http://www.aselfsufficientlife.com/homemade-lye-from-wood-ash.html [2015/2/19]  

創意化學實驗—親生活環保電池 黃琴扉*、梁騏霖、劉嘉茹 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所 *chinf1027@yahoo.com.tw n  前言 環境教育是目前全世界亟欲推行的教育理念，而其中，節能省碳、節能省電的概念更是日常生活中環境教育的重點。能源與供電是近代人類發展與生活進步的重要驅動力，在日常生活中，人們可以利用能源來使冰箱運轉而保存食物，可以使電燈發光而提供夜間照明，也可以利用石油等能源，提供工廠的運作與汽車的驅動；由此可見，能源與供電對現在人類的生活有不可取代的地位。以日常生活中常見的1.5伏特乾電池（碳鋅電池）而言，其可應用於日常生活中的手電筒照明、時鐘及鬧鐘的轉動、小型電動工具的驅動等，然而乾電池屬於一次性電池，用完即需要回收，使用後會造成許多廢棄物的堆積與環境污染，而乾電池中的電解液若使用不當或放置過久，也會滲出鋅殼外層，導致化學物質外漏的危害，另外，鹼性電池使用氫氧化鉀當電解液，雖然可延長使用時間，但使用後仍需要回收，同樣造成廢棄物堆積與環保問題，而鹼性電解液若不小心外漏，更對人體皮膚造成腐蝕等危害。 目前市面上也有販售許多可充電電池，其電壓也維持在1.5伏特左右，使用的便利性與一般乾電池相似，更提供了可充電的優勢，因此降低了廢棄物的產生，也可以再次循環使用，但是其充電來源是採用家用供電系統進行充電，因此仍是耗費了家用供電能源。再者，充電電池的充電時間往往高達6-8小時，因此對於急需用電的民眾來說是非常不方便的，因此仍有可改善的空間。總結上述，目前的乾電池或充電電池，都需要採用化學物質當導電液，乾電池屬於一次性電池，用完即丟，造成廢棄物堆積，也不能重複使用，而充電電池雖然可以充電後再重複使用，但是其充電來源是家用供電能源，因此並沒有達到實際節省能源的功用。 為了提供一個更環保、更省能的電源，許多研究人員，甚至學生的科學覽展都投入了水果電池的研發。然而，綜觀水果電池的各類研究，大多數均嘗試在改良不同金屬片搭配後電壓大小，或利用不同的果汁、搭配不同濃度，進行相關研究報告。換句話說，傳統的水果電池製作方法，都是以不銅金屬片，插在不同的水果上面，進行電壓或電流的測試，其在操作時果汁的汁液會四處流動，而操作完畢後，那顆水果也無法再利用了；於是，每次要製作水果電池時，就必須再切一顆水果，然後弄得到處都是汁液，非常不方便，導致傳統水果電池的推廣性降低，實用性也降低。為了解決上述一系列的問題，本文作者自行開發了全新的「親生活環保電池」，其設計與組裝詳細說明如下。 n  原理和概念 電化學反應的原理如式[1]~[3]所示。 陰極半反應（銅線，正極）：2H+(aq) + 2e–→ H2(g)     E°（標準還原電位） = 0.00 V    [1] 陽極半反應（鋁線，負極）：Al(s) → Al3+(aq) + 3e–    E°（標準氧化電位） = +1.66 V    [2] 電池總反應：2Al(s) + 6H+(aq) → 2Al3+(aq) + 3H2(g)    △E°（電位差） = +1.66 V    [3] n  裝置之設計與製作 一、   材料和藥品 鋁線（4公尺） 1條、廢棄電線（15公分） 2條、鱷魚夾 4個、廢棄粗銅線（2公尺）1條、菜瓜布（不限顏色） 1塊、廢棄中藥罐（含藥罐蓋子，100 mL） […]