利用簡易光電比色法測定溴瑞香草酚藍的解離常數 廖旭茂*、林翊菲、陳淳煜 台中市立大甲高級中等學校 教育部高中化學學科中心 *nacl880626@hotmail.com 簡介   基礎化學(三)中提到可逆反應會因為反應物的濃度與溫度的變化，而改變反應行進的方向，而造成現象的可逆變化可以用勒沙特列原理來解釋。關於平衡常數的測定實驗，多年來都是以硝酸鐵與硫氰化鉀反應生成血紅色的硫氰化鐵離子，再以比色法求出相關溶液的濃度，藉此求出平衡常數。本實驗聚焦在課本化學平衡中平衡常數測定實驗的改良，以溴瑞香草酚藍(Bromothymol Blue，以下簡稱BTB)的解離平衡常數Ka的測量取代課本的硫氰化鐵的比色實驗，並與標準儀器分光光度計(UV-Vis)測量結果進行比對。BTB是常用中性範圍變色指示劑，實驗用量低，使用後可完全回收再利用的特性，可以降低環境造成負擔；靈敏但便宜的光電二極體取代昂貴的分光光度計，除減輕學校購置的財務壓力外，也可以讓學生透過麵包板的簡單電路，學習組裝簡易量測儀器，學習進階的比爾定律。  朝向設計低毒性化學藥品取代有毒藥品實驗、改進實驗流程和化學藥品可回收再使用的實驗設計，除了能印證課本的勒沙特列原理外，更能有效降低有毒物質的使用及排放，達到綠色化學永續經營的目標。     器材與藥品 一、器材： 每組需要：可攜式簡易型光電比色計(組件材料包括：光電二極體、可變電阻、LED燈泡、麵包板等)。比色管6根、塑膠滴管數支、電源供應器等，Vernier分光光度計1台(比較用)、pH計一台。  二、藥品： 溴瑞香草酚藍(Bromothymol Blue，以下簡稱BTB)、0.1M HCl(aq)、0.1M NaOH(aq)。      研究方法與步驟 一、 簡易光電比色計的原理： 1.       本實驗用電子元件套件購自易儀科技，相關原理可參考其出版的探究與實作一書[3]。光電二極體(photodiode SP-1KL)為光強度的偵測器，將通過樣品溶液的不同強度的光轉為電壓訊號；以紅、黃、綠、藍、白各色LED發光二極體為測試光源，找出最適合的光源；以黑色發泡板製成的比色液槽，作為放置塑膠比色管的容器；利用可變電阻控制LED燈光源的電流大小，避免燈泡被燒毀；因光電二極體輸出的光電流不大，故使用一個1MΩ的使用電阻調整光電二極體輸出的電壓。作法上先以蒸餾水作為空白測試，假設以可變電阻調整電壓約為V0伏特，當溶液的顏色變深時，通過的光電流會變小，輸出的電壓(假設為Vt)也會變小，溶液越濃時，量測的電壓值越小。同理，V=IR，在固定電阻情況下，光電二極體輸出的電壓V值可與光電流I成正比；套用比爾氏定律，溶液的吸收度A= – log ( It /I0) ( I0為光源的強度，It為光通過溶液後的強度)， 其中A = – log ( It /I0)亦可以A= – log ( Vt/V0)表示，下圖為光電比色計的核心機構圖。 圖1：光電比色的機構圖 2.       有關比色的方法都是遵循的Beer’s Law[4]，A代表吸收度，ε為吸光係數，為光通過的路徑長，c為溶液的濃度；溶液越濃，吸收度A越大。Beer’s Law如下式所示： …………[式1] 3.       此簡易型光電比色計，電源一般可使用電源供應器調整適當的電壓即可；亦可使用9V電池經過7805穩壓晶片及一個可變電阻，亦可提供穩定電源給Led光源。下圖為簡易型光電比色計的簡圖。   […]

綠色化學實驗模組的設計與應用-1：電化學模組 廖旭茂 台中市立大甲高中 教育部高中化學學科中心 nacl880626@hotmail.com n  影片觀賞  本實驗影片由國立大甲高級中學提供，微型電化學電池與綠色電解蝕刻的使用介紹。 影片網址：https://youtu.be/takvuhMvthU, YouTube. n  簡介     綠色化學實驗隨著環保意識的抬頭，在全球掀起了一股風潮，從實驗藥品減量、實驗廢棄物減少排放，到有毒化學實驗藥品的取代等等，在在都是化學教育工作者努力的目標。國高中的電化學實驗課程中，無論電化學電池（electrochemical cell）或電解電池（electrolytic cell），通常會涉及有毒重金屬鹽類的使用，以及有毒廢液的排放，加上實驗器材繁瑣，實驗準備與善後工作往往造成老師不少的負擔。 “One of the things that I’ve been focused on as President is how we create an all-hands-on-deck approach to science, technology, engineering, and math… We need to make this a priority to train an army of new teachers in […]

大型印台和銅板電化學蝕刻製作 廖旭茂 台中市立大甲高中 nacl880626@hotmail.com n  影片觀賞 本實驗影片由大甲高中提供。 影片網址：https://youtu.be/550XCWugER8, YouTube. n  簡介 利用電解蝕刻法(Electrolytic Etching)，在外通直流電下，讓不易氧化的金屬或合金在電解質溶液中被電解氧化成離子，進而使金屬表面出現具有凹凸對比的立體圖案。目前也有幾種微型的電解蝕刻教具，應用在中學的教學上，而廣受歡迎[1][2]。 「所有的IDEA都是來自需求」，筆者任教的學校去年完成了一座大型的戶外裝置藝術_搖滾巴克球2.0，為了在不鏽鋼底座烙印紀念logo字樣，原打算使用金屬雷射來雕刻，惟量體過大，特殊加工價格過高，遂打消了原有的方案。後來想到電解蝕刻法，原有的可攜式的微型蝕刻工具顯然派不上用場，於是開始著手大型蝕刻印台的開發，歷經數月才完成。下圖1和圖2為搖滾巴克球外觀與logo蝕刻過程。 圖1 搖滾巴克球裝置藝術外觀 圖2 電化學蝕刻過程 大型的電解蝕刻，除可在銅或合金上進行藝術創作外，亦可設計為特色選修課程教學活動。學生可以事先以奇異筆在金屬板材勾勒出線條，再繪製圖案；或透過雷射印表機將選定的圖案印到光面紙上(如貼紙用的離型紙)，以電熨斗熱轉印到金屬板上；亦可以先設計好的文字或圖案的數位檔，利用割字機輸出卡典西得膠膜。最後將此金屬板置於沾濕電解液的不織布下，通入直流電，大型印台的導電平台與電源負極連接，未被碳粉或奇異筆墨遮蓋的部分(卡典西得上鏤空的部分 )與直流電正極連接，鏤空部分隨即被氧化侵蝕凹陷，被遮蓋的部分，則維持不反應；電解蝕刻結束再將碳粉或筆墨清洗乾淨，完成蝕刻活動。 n  藥品與器材 本實驗所需相關材料，如圖三所示。 1.          雷射切割機 2.          電鑽平台含3.3 mm鈷鋼鑽頭(不鏽鋼板導孔用) 3.          螺絲攻含4 mm 鑽頭 4.          8 mm壓克力板 5.          矽利康膠 6.          Φ=4 mm (長16 mm)不鏽鋼圓頭螺絲及螺母 7.          雙頭鱷魚夾電源線紅黑各一條 8.          厚2 mm，長10 cm×寬10 cm正方形不鏽鋼板（或黃銅板）一塊 9.          砂紙（400#）一張 10.      壓克力膠一罐 11.      A4離型紙(熱轉印用)一張 […]

發光的「銅」心 廖旭茂 國立大甲高級中學教育部高中化學學科中心nacl880626@hotmail.com n  影片觀賞 本影片介紹演示實驗發光胺（魯米諾）溶液在銅線的催化下，所產生的螢光反應，並在文章中介紹光化反應的原理。 影片網址：發光的「銅」心，https://youtu.be/tpX6x7XfhPw n  簡介 發光胺（Luminol, C8H7N3O2）俗稱魯米諾，是一種白色近淡黃色的結晶粉末，是最常用的化學螢光劑之一，在鹼性的水溶液環境中，形成雙陰離子的魯米諾，遇到氧化劑（如雙氧水）產生的氧氣，反應生成激發態的3-胺基鄰苯二甲酸根離子（3-aminophthalate），隨後發出藍色螢光回到基態的3-胺基鄰苯二甲酸根離子，藍色螢光的波長為425 nm[1]。因為反應結果相當靈敏，通常用於命案現場血跡的追蹤，藉以判斷第一現場的位置，刑事鑑定上通常以氫氧化鈉配製成鹼性溶液並與雙氧水混合，當遇到血跡，血液中血紅蛋白的鐵會立刻催化雙氧水的分解，引發後續的光化學反應。本實驗參酌英國皇家化學會網站演示實驗內容[2]，改以銅線為催化劑，在乙二胺四乙酸四鈉（EDTA-4Na）與氨水的鹼性環境中，觀察魯米諾溶液的光化學反應，以及因為錯合反應所造成溶液的變化。相關詳細實驗步驟及原理，分述如下： n  藥品與器材 1.          A溶液：發光胺（Luminol, C8H7N3O2，魯米諾） 0.10克、2.0 M NH3 15毫升、乙二胺四乙酸四鈉（EDTA-4Na, C10H12N2O8Na4） 0.20克。 2.        B溶液：1.0 M H2O2 3毫升。 3.        同軸纜線（30公分長） 1條、單芯銅線（15公分長） 1條、培養皿 1組、濾紙（直徑9公分）1張、玻璃試劑瓶（20毫升）1個、燒杯（50毫升） 2個、玻棒1支、血清瓶（100毫升） 2個。 n  實驗步驟與結果 一、  實驗溶液配製及準備 1.        取一個50毫升的燒杯中，加入15毫升的2.0 M NH3中。接著，秤取0.10克的發光胺與0.2克的乙二胺四乙酸四鈉（EDTA-4Na）粉末，加入燒杯中，緩慢地攪拌使固體完全溶解，形成A溶液。A溶液中計約含30毫莫耳的NH3、0.55毫莫耳的發光胺、0.55毫莫耳的EDTA-4Na。另取3毫升的1M H2O2為B溶液備用，其中H2O2約計3毫莫耳。 2.        取一段約30公分長的同軸纜線，剝掉黑色的塑膠外層、網狀導電體、鋁箔及絕緣用的聚乙烯塑膠後，抽出銅線；再以尖嘴鑷子彎折出兩個大小不一的心形，備用。 3.        若有多餘的線材，可環繞鉛筆彎折成立體螺旋狀，備用；若線材不足亦可使用較粗的單芯銅線取代。圖1為彎折的銅線的式樣。 圖1：圖左方的心形是以同軸纜線彎折 二、  實驗演示 1.        演示方式一：新鮮配製完成的A、B兩溶液，緩慢地倒入一個預先鋪好濾紙的培養皿中，淹沒並覆蓋整張濾紙，隨即將兩個心形銅線放置在溶液中，觀察心形銅線周圍發生的變化；關閉電源，觀察螢光反應的發生，接著適度搖晃培養皿後靜止，觀察螢光的擴散變化。圖2和3為魯米諾在培養皿中的變化。 圖2：關燈下，出現心形螢光 圖3：反應一段時間後，心形銅線周圍溶液變為綠色 […]

加水來電：鎂電池 廖旭茂1, 2, *、廖心妍1、黃家均1、林群耀1 1國立大甲高級中學2教育部高中化學學科中心*nacl880626@hotmail.com n  影片觀賞 本文介紹介紹幾樣來自日本和中國的鎂加水電池。本影片提供購自日本科學未來館的鎂電池的元件介紹、組裝過程、運作等步驟，並在文章中介紹鎂電池陰陽極的反應、發電的科學原理。 影片網址：加水來電：鎂電池，https://youtu.be/pzWj2iwDuiI。 n  簡介 最近有一則可充電式的鎂電池的媒體報導：「由國立成功大學材料科學及工程學系洪飛義教授所組成的鎂電池研究團隊，已經獲得突破性進展，與傳統鋰電池的容量相較提高了8到12倍，充放電的效率提高5倍，以電動自行車來說，傳統鋰電池充飽電約需3小時，若改用新研發的鎂電池約充電36分鐘即大功告成。新ㄧ代鎂電池除了電容量高外，又較安全，即使車輛相撞，不像鋰電池，並無爆炸的危險。惟可充電式鎂電池使用的電解液，材料價格不斐，貨源掌握在他國手中，電解質化合物的合成，尚待突破。」（自由時報，2014-10-16）。 相較於可充電式的鎂電池，不可充電式的一次性鎂電池已悄悄進入我們的生活，日本技術發展的進度最快，因應突發的地震等天災，日本的古河電池株式會社（Furukawa Battery，簡稱FB）與凸版印刷（Toppan）聯手，推出紙盒包裝家用的鎂電池—MgBOX，以鎂金屬為負極，使用非貴金屬系列的碳素電極為正極材料，強調只要加水，就可為智慧型手機充電30次，或提供緊急照明等備用電源[1]。在中國亦有相關的產品的推出，還提供可替換的負極鎂板零件供消費者選擇。根據文獻探討，負極鎂在電解質中腐蝕過程所造成的極化現象，一直與鎂電池放電的效能有很大的關聯[2]。本文章提供簡易鎂電池的製作過程，以及在不同電解質下，電池放電效能比較。 n  藥品與器材 市售鎂電池兩種、20 × 55 × 0.5 mm鎂合金片、0.5 M硫酸鈉溶液、活性碳粉、化妝棉、糖果鐵盒、3 mm透明壓克力片、長尾夾、二氧化錳、海藻酸鈉、電壓感測器、電流感測器、Vernier數據收集分析平台。 兩種市售鎂電池包括購自日本科技未來館的的可組裝的鎂電池套件一組、購自淘寶網的水用照明電池。 1.        「鎂電池可組裝套件」一盒，其中包括組裝說明圖、外包裝盒、鎂金屬片（負極）、電解層、觸媒催化層、不鏽鋼片（正極），吸管、LED燈泡。相關套件如圖1所示。 圖1：鎂空氣電池套件 2.        「水用照明電池」一盒，不須自己組裝，直接在罐底加水處加水，透明壓克力中間有一LED燈泡。 圖2：加水電池手電筒 n  實驗步驟與結果 一、  日本市售鎂電池組裝和觀察 1.        取出塑膠袋內的各元件，依說明書的圖片上所載順序排列。圖示說明如圖3所示。 圖3：M為鎂片（負極）、P為分隔紙（電解層）、X為催化層、S為不鏽鋼片（正極） 2.        將四組單電池，依照圖3的順序依序疊合後，以黑色膠帶黏著固定，隨後將盒內所附的LED的金屬腳正確與電池的正負極相連接（LED長腳為正極與不銹鋼片連接，短腳為負極與鎂片連接），並以膠帶環繞固定。相關組裝如圖4所示。   圖4 鎂電池的組裝 3.        將組裝好的電池組合，LED燈泡朝前，放入塑膠圓筒中後，加入約3 mL的自來水，蓋上底蓋，觀察燈泡點亮的情況。隨後以三用電表量測電壓值。四個串連鎂電池測得的電壓約為3.2伏特。圖5為加水過程及燈泡點亮情形。   圖5：鎂電池注水孔的加水（左），點亮情形（右） 4.        以三用電表量測電壓值，量測完畢，5分鐘後，並撕開膠帶，一一攤開各層觀察金屬片。比較結果：反應後的鎂金屬表面呈現灰暗色。圖6為鎂金屬表面反應前後比較。 圖6：反應過的鎂金屬片有明顯發生腐蝕的現象（左），尚未反應的金屬片（右） 二、中國市售鎂電池的觀察 1.        取出中國市售的加水鎂電池，撕開電池的底部透明膠帶後，在加水孔加入約2~3 mL的自來水，貼上貼紙封住加水孔，觀察燈泡點亮的情況。圖7為鎂電池加水過程及點亮狀況。 […]