理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—高中「亞鐵三明治：二茂鐵實驗」 瑪麗居禮科學營課程與實作 周芳妃*1、陳平2、鄭晉哲2、羅文琪2、范智傑2、呂家榮2 1.臺北市立第一女子高級中學  2.國立臺灣師範大學化學系 ffchou@gapps.fg.tp.edu.tw 前言 鐵與其化合物的應用與人類文明發展息息相關，與鐵元素有關的各種天然物或商業產品皆觸手可得。在大學普化課程與高中化學課程中，鐵元素及其化合物的相關知識是課程中介紹生活重要實例不可或缺的例子，例如：生產氨的哈伯法使用鐵做為催化劑；氯化鐵（FeCl3）是不少化學合成的重要引發劑；英國大笨鐘數字上的普魯士藍染料也含有（+2）和（+3）氧化態的和亞鐵氰化鐵（Fe4[Fe(CN)6]3）。現行課綱的高中選修化學介紹過渡元素之單元內容，以含有鐵元素的血紅素介紹配位化合物，示範實驗也以鐵離子與草酸根形成的錯合物為重點，這些現行課綱高中選修化學的範例皆已觸及有機物與金屬離子結合的化學領域。 本篇內容介紹的實驗設計乃整合2019年與2024年的「瑪麗居禮科學營」（前身為居禮夫人化學營）實驗課程（張昭鼎紀念基金會，2024），居禮營的實驗設計非常重視強調綠色化學原則，使用輕便可攜式且可重複使用的器材、藥品劑量也大量減少並避免產生難以處理的廢棄溶液。此實驗內容導入1973年諾貝爾化學獎的代表性化合物：二茂鐵（Ferrocene，C10H10Fe，簡寫為Fe(CP)2）或稱為二環戊二烯亞鐵（Dicyclopentadienyl iron），提供學生認識有機金屬化合物以及鐵離子之電子轉移變化，設計照光步驟讓學生觀察有趣的散射現象，並指導學生利用常見的積木和簡單電路元件組裝成測定裝置，以幫助學生學習定量分析的原理。 實驗先備知識 一、二茂鐵的簡介 （一）成為有機金屬化學領域里程碑的二茂鐵 二茂鐵是意外發現的一種有機金屬化合物，外觀為橙黃色固體，其化學結構有如夾心三明治，故暱稱為亞鐵三明治（見圖1）。1940年代聯合碳化物公司（Union Carbide）研究人員曾發現熱的環戊二烯（Cyclopentadiene，C5H6）蒸氣通過鐵管會出現堵塞管道黃色汙泥，1951年美國杜肯大學（Duquesne University）Peter L. Pauson和Thomas J. Kealy二人使用氯化鐵和環戊二烯基溴化鎂（cyclopentadienyl magnesium bromide，C5H5MgBr）進行實驗，雖未能得到預期產物，但意外得到一種非常穩定的橙黃色固體。同時，英國氧氣公司（British Oxygen）研究人員Samuel A. Miller、John A. Tebboth和John F. Tremaine三人將環戊二烯和氮氣的混合氣體通過鐵催化劑時，也獲得了橙黃色的固體。 之後，由Robert Burns Woodward、Sir Geoffrey Wilkinson和Ernst Otto Fischer經由各種鑑定證據而分別發現二茂鐵的三明治結構。基於這項發現，Fischer 甚至成功合成出二茂鈷和二茂鎳。二茂鐵的發現啟動環戊二烯基環（Cyclopentadienyl ring，C5H5）和過渡金屬的π鍵錯合物的化學，進而開創有機金屬化學的新領域。1973年，Ernst Otto Fischer和Sir Geoffrey Wilkinson因其於有機金屬化學領域開發具有三明治結構化合物的傑出貢獻而獲得諾貝爾化學獎。 圖1：二茂鐵的外觀與結構：（a）橙黃色固體 （b）結構式（c）球與棍型之分子模型 （引自英文維基百科：Ferrocene，2024） （二）可促進改善空氣品質的二茂鐵 二茂鐵加熱時容易分解，產生活性含鐵自由基。這些自由基可作為催化劑，在油料燃燒過程中引發鏈鎖反應，導致燃料分子更快氧化。二茂鐵的鐵基自由基可氧化煙灰顆粒，防止其形成和生長。二茂鐵也可降低油料的著火溫度，使油料更容易點燃，燃燒更完全。二茂鐵具有上述多種特性，使其成為有效的燃料添加劑，具有促進油料更快、更完全燃燒的優點，提高燃油經濟性且避免形成煙灰，實現更乾淨的燃燒，大幅減少一氧化碳、碳氫化合物和PM2.5微粒等有害污染物的排放。但是二茂鐵作為燃料添加劑，需搭配油料特性找出最佳濃度條件，其潛在缺點是過量添加’將使高溫引擎內的氮氣與氧氣化合，增加氮氧化物排放量。 二、實驗安全須知 二茂鐵的工業需求很大，生產成本低廉又售價便宜，頗適合推廣於營隊或專題實驗課程，但進行實驗設計與教學工作，務必檢查下列注意事項： （一）事先查詢二茂鐵的物質安全資料表，查看GHS（Global Harmonized System）標示 養成實驗前先查詢化學品的物質安全資料表的習慣，是學習善用化學品與保護實驗安全的基本工作。二茂鐵的物質安全資料表警示語為「危險」，其GHS標示有四項（見圖2）。 圖2：二茂鐵的GHS標示 （二）實驗避免事項 […]