化學與藝術的融合：藍苒˙藍染的化學世界 江慧玉1、姚月雲2 臺北市立第一女子高級中學化學教師 1 hychiang@gapps.fg.tp.edu.tw、2yyyao@gapps.fg.tp.edu.tw   ■         前言 108課綱的多元課程導向，學生學習的知識不再侷限於課本內容，向外延伸擴及的是更多素養、能力與態度的養成，使學生具備解決問題的能力來面對生活及未來的挑戰。在化學學科領域中，動手做實驗一直是學生最感興趣的部分，尤其是具有「變化」現象的實驗，例如顏色變化或是產生氣體、沉澱、爆鳴聲等，在在都能引起學生熱烈的討論與嘗試。在95、99課綱時代，我們曾以「Color CHEM」為主題，規劃一系列操作課程，學生在每一個具有顏色變化的反應中獲得驚喜、習得認知，這樣的課程也逐漸衍伸、融入在現今的各式多元課程中，如探究與實作、多元選修、微課程等。本校高一多元選修「綠野仙蹤－綠色化學百寶變與創意小論文設計」，在周芳妃老師的指導下，每位學生都會展現出她們「藍印術」的絕美作品（如圖1），這個結合藝術與化學的實作實驗，是一項跨科跨領域的經典展現（快速有效的藍印術方法可參閱周芳妃等(2016)）！ 圖1 學生藍印術作品(圖片由周芳妃師提供) 藍印術中攫取目光的普魯士藍引發我們產生許多聯想：「無機顏料與有機染料有何差別？」、「顏料最早是從何處獲得？」、「天然的有機染料與合成的差異」…。在學期中邀請到跨科跨領域的臺灣師範大學化學系與美術系合聘教授—林震煌老師，講授一系列顏料的來源、製作及分類，並介紹運用化學技術如何修復文物，精彩的內容讓參與的數理科、文史科及美術科的教師嘖嘖稱奇、獲益良多。從教授介紹的內容啟發我們許多實驗概念與設計的想法，本文就以「藍色」為主軸，分述無機顏料普魯士藍和有機顏料靛藍的獲得及製作。 ■         藍染的歷史與技術         早期的顏料多是從天然礦石取得。公元6世紀末，藍色顏料主要是從青金石(Lazurite意為藍色；化學式為(Na,Ca)8[(S,Cl,SO4,OH)2|(Al6Si6O24)]）而來。運用研磨方式製成粉末後，再加入調和油即可作為藍色顏料（圖2）。由於此礦物的顏色深沉有如皇家氣質般的底蘊，被視作與黃金一般珍貴，且地殼中青金石的蘊藏量稀少，因此價格水漲船高。有鑒於此，化學合成顏料（如普魯士藍）與天然有機顏料（如靛藍）因此應運發展。普魯士藍(Prussian blue又名 Berlin blue 或 Paris blue；化學式為Fe4[Fe(CN)6]3)是最早發展出的合成染料（圖3），西元1704年，科學家混合草木灰與牛血欲製造出紅色顏料，卻意外獲得這個藍色的物質，現今的化學製備法則是多使用溶膠分散法，且運用於繪畫方面。 圖2天然礦物藍色顏料(林震煌，2021) 圖3 普魯士藍(Prussian_blue) (圖片引自https://en.wikipedia.org/wiki/Prussian_blue) ■         藍印術創作 在108課綱的配位化學課程中，介紹到普魯士藍的生成反應及其性質。在這個課程領域可安排學生操作草酸鐵鉀晶體生成的實驗，並進一步利用培養出的晶體以反應生成普魯士藍，施作「藍印術」的應用創作。此實驗流程方法如下： 將莫耳數比為3：1的K2C2O4(aq)與FeCl3(aq)均勻混合在燒杯中，再置入暗室避免照光，約15~20分鐘後取出，可觀察到瓶內有綠色晶體生成（圖4）。此實驗原理是以鐵離子為中心金屬離子、草酸根作為配位基，兩者反應形成六配位的八面體錯合物，如反應式1及圖5。 Fe3+(aq)＋3C2O42－(aq)→ [Fe(C2O4)3]3－(aq)     (1)   圖4 草酸鐵鉀晶體   圖5 [Fe(C2O4)3]3－結構         反應所生成的草酸鐵鉀具有高度光敏性；文獻（Pozdnyakov et. al., 2008）指出：科學家藉由光譜與奈秒閃光光解技術(nanosecond flash photolysis)，確認[Fe(C2O4)3]3－的光化學分解過程，其反應式如式(2)。草酸鐵錯離子[Fe(C2O4)3]3－在照光下會經由內部電子轉移，從結構中其一的配位基C2O42－轉移1個電子至Fe3+，形成初級自由基錯合物[Fe(C2O4)2(C2O4+•)]3－，同時將中心金屬Fe3+還原成亞鐵離子Fe2+，在此過程中亦會產生CO2-•及C2O4-•等自由基，因其產率僅[Fe(C2O4)3]3－光分解量的6%，故可忽略之。這個分子內電子轉移形成的自由基錯合物[Fe(C2O4)2(C2O4+•)]3－分解產生CO2-•自由基，由於CO2-•(aq)是個強還原劑(E0(CO2/ CO2-•)=-2.0V)，藉由擴散途徑與[Fe(C2O4)3]3－作用並還原Fe3+離子，此光分解過程之反應機構如下所示。  [Fe(C2O4)3]3－(aq)[Fe(C2O4)2(C2O4+•)]3－(aq)        [Fe(C2O4)2(C2O4+•)]3－(aq) →Fe2+(aq)+2C2O42－(aq)+ CO2-•(aq)＋CO2(aq) CO2-•(aq)＋[Fe(C2O4)3]3－(aq) → […]