鋁元素的趣味科學實驗 周金城 台北教育大學自然科學教育學系 ccchou62@tea.ntue.edu.tw 鋁元素的簡介 鋁是地殼含量中排序第三的元素，僅次於氧與矽。鋁也有很好的延展性，可以製成鋁箔，在生活中有許多的應用。鋁的活性比鐵大，但鋁製品卻不會像鐵製品整個氧化鏽蝕，這是因為鋁表面和氧氣結合氧化後所產生的氧化鋁，會緊密的結合在鋁的表面上，所以讓鋁的內部不會繼續發生氧化。十九世紀初，由於不易將鋁純化出來，導致當時鋁的價格比黃金還高。由於2019年是國際化學元素週期表年，筆者將兩個鋁元素相關的科學實驗撰寫出來，一個是化學實驗，另一個是物理實驗，這兩個實驗都適合讓國小學生操作，若能先閱讀實驗安全事項，並注意實驗過程，這兩個實驗是安全又好玩的實驗。       鋁元素的物理實驗簡介 第一個實驗是「磁鐵吸引鋁箔紙」，我們知道磁鐵與磁鐵可以互相吸引外，磁鐵也可以吸引鐵製品，但磁鐵不能吸引鋁箔紙。但是，鋁箔紙捲成空心管柱後，將強力磁鐵由垂直地面的鋁箔紙所捲成空心管柱中間自由落下，竟然會減緩掉落的速度，感覺就像強力磁鐵能吸引鋁箔所以減速落下一樣。國小三年級就有磁鐵單元，六年級有電磁作用，因此這個實驗很適合當作國小課程的延伸，讓學生進行探究與實作的活動設計，讓學生找出影響強力磁鐵落下速度變慢的原因探究，並可進一步引導學生思考已利用此一科學現象進行創意發想。 一、實驗原理 當磁鐵與線圈的相對位置快速改變時，磁鐵會誘發線圈產生感應電流，此線圈上的電流會產生一個磁場來抵抗原磁場的變化，這個稱為冷次定律(Lenz’s law）。若磁鐵快速靠近環形線圈，會產生相斥的感應磁場，而當磁鐵離開環形線圈時，會產生相吸的感應磁場，這其實是磁通量改變的結果(如圖一)。若是將線圈改成金屬管，就會使垂直地面掉落的強力磁鐵的落下的速度減緩，這就是應用冷次定律所造成的有趣科學現象。 將鋁箔紙捲成筒狀多層並垂直地面，由上端放入強力磁鐵自由落下，雖然磁鐵不會吸引鋁製品，但是掉落的強力磁鐵因冷次定律所產生吸引與反抗的磁場，產生讓磁鐵落下的速度減慢。若是鋁箔捲越多層，強力磁鐵落下的速度就會越緩慢。 圖1在環形線圈掉落的強力磁鐵速度減緩的原因示意圖 雖然前述的實驗原理對小學生來說有些複雜，但是實驗操作步驟與現象的觀察卻很容易進行。這個實驗在網路上常見到使用鋁管或是銅管來進行實驗，但是生活中要找到剛好粗細大小合適的鋁管或銅管並不容易。筆者早期測試時使用一兩張鋁箔紙發現沒有明顯的減速效果，曾經放棄這樣的設計。後來，有一次再度嘗試包覆鋁箔紙時，就想嘗試是否多包覆幾張長鋁箔紙會有明顯的減速效果呢?竟然發現包覆多張就可以觀察到強力磁鐵掉落時的減速效果。而且這樣的實驗還有一個優點，就是讓我們可以觀察到，當包覆越多層鋁箔紙，減緩的效果越明顯，這是直接使用鋁管或銅管沒有辦法觀察到的操縱變因。或許有人會想，使用鐵管是否可以觀察強力磁鐵掉落的速度減緩的更明顯呢?其實使用鐵管是觀察不到這個現象的，因為鐵管會和強力磁鐵緊緊的吸附在一起，根本不會掉落喔! 二、所需藥品與器材 1.      10×10 mm強力磁鐵兩個 2.      粗吸管兩根(珍珠奶茶吸管，管內直徑約1.2公分，長度大約22公分，內徑要略大於磁鐵，但不宜過大) 3.      鋁箔紙一捲 4.      剪刀 5.      碼表 圖2準備兩根珍珠奶茶吸管與兩個強力磁鐵 圖3準備比吸管稍短的鋁箔紙數張 三、實驗步驟 1.準備一根吸管及一個強力磁鐵。 2.將強力磁鐵對準吸管口，放開強力磁鐵使其自由落下，碼表記下時間。 圖4放開強力磁鐵使其自由落下 3.將吸管外圈用逐層纏繞鋁箔紙，並逐次紀錄磁鐵落下的時間。  圖5鋁箔紙盡可能的平整捲於吸管上 圖6測量強力磁鐵在不同吸管中落下速度差異 4.將吸管外圈用鋁箔紙纏繞多圈，重複上述步驟。建議可以繞十幾層，繞越多層強力磁鐵落下減緩效果越明顯，而且鋁箔紙纏繞珍珠奶茶吸管越緊密越好。 5.可以取兩根吸管，一根有包覆鋁箔紙，另一根無包覆鋁箔紙，兩根吸管並排，吸管上端分別置入強力磁鐵並相吸住。當兩根吸管用力拉開時，就可以清楚看到兩個磁鐵落下的時間有明顯差異。 6.可以將兩個強力磁鐵相吸，比較兩個磁鐵與一個磁鐵放入吸管中掉落速度的差異。 四、教學注意事項 1.      第一次操作的吸管無包鋁箔，作為對照組。 2.      包覆鋁箔紙的吸管可形成環形導線的線圈。 3.      當強力磁鐵落下時，磁鐵移動之下方鋁箔管會產生相斥的感應磁場，會抵擋強力磁鐵落下造成的磁場變化；磁鐵移動之上方鋁箔管會產生吸引的感應磁場，下方產生排斥磁場，上方產生吸引磁場，造成強力磁鐵落下的速度減慢的原因。 4.      手拿吸管時，不要大力捏住吸管，這樣磁鐵落下變慢的原因不是因為冷次定律，而是因為吸管口徑變窄，倒致摩擦阻力變大所造成磁鐵落下變慢。 五、安全注意事項 1.          強力磁鐵相吸時力量很大，可能會導致手指的皮膚被夾傷，要小心使用強力磁鐵。 2.          強力磁鐵若由高處直接掉落地面，強力磁鐵可能會破裂，而破裂碎片邊緣可能會很鋒利導致手被割傷，因此由吸管落下的強力磁鐵在桌面上進行，且桌上放置軟布以減緩衝擊力量，避免強力磁鐵破裂。 […]

發現濃度對熱失控的誘導期和速率之影響： 一個發現學習的化學實驗（上） 楊水平 國立彰化師範大學化學系 *yangsp@cc.ncue.edu.tw n   簡介 (一)  熱失控 熱失控（Thermal runaway）發生當溫度升高時，因改變條件的情況而導致溫度進一步升高的一種方式，通常導致破壞性的結果，這是一種不受控制的積極回饋。換句話說，熱失控描述一種過程，該過程是藉由升高溫度而加速變化，因進一步升高溫度而釋放出大量能量的方式。 化學反應有時會引發嚴重的爆炸和火災的事故，這些化學事故有很多不同的原因，熱失控反應是爆炸和火災的主要原因之一。在化學和化學工程中，它與藉由溫度升高加速強烈的放熱反應有關。在電氣工程中，熱失控通常與增加的電流與功率消耗有關聯，此種熱失控與放熱反應也受到關注。熱失控可能發生在土木工程中，特別發生在大量混凝土固化而釋放出熱量不受控制時。在天體物理學中，恆星中的失控核聚變反應可能導致新星和幾種類型的超新星爆炸。全球暖化實在令人擔憂，全球平均增加高於工業化前基線3-4℃時可能導致地球的表面溫度進一步不受限制地增高，例如：釋放甲烷，此溫室氣體比來自濕地的CO2更有效地增高地表溫度，可能導致熔化永凍土和大陸邊緣的海底沉積物。1 熱失控是一種現象，其中化學條件和電池內的溫度上升極為快速。這是一種連鎖反應，電池溫度升高會加速電池中的化學反應並破壞電池。熱失控是一種災難性的情況，因為當電池無法排出其產生的熱量時，其組件會熔化，並釋放出不需要的氣體、熱量、煙霧和酸性物質，進而損壞相鄰的設備。鋰離子電池特別容易發生熱失控，其熱失控是電池內部化學反應和 / 或短路的複雜組合，其由來是電池內部或外部的過多熱量所引發。鋰離子電池不是典型的電氣火災，其化學反應產生額外的熱量，這導致正面回饋循環而進一步溫度升高，直到電池內沒有反應性試劑為止。2-4 在2001年9月11日紐約世界貿易中心因兩架商業客機被恐怖分子劫持，在蓄意襲擊後而導致雙子塔倒塌。美國航空公司的11號航班墜毀在北塔大樓，而聯合航空公司的175號航班則墜毀在南塔大樓。雙子塔的倒塌摧毀其他建築群，坍塌的塔樓的碎片嚴重破壞或摧毀十幾個其他相鄰的附近建築物。在襲擊發生後不久，許多結構工程師和專家與媒體進行討論，描述他們認為導致塔樓倒塌的原因。加州大學柏克萊分校的結構工程教授Abdolhassan Astaneh-Asl解釋說道，火災中的高溫削弱大樓的鋼樑和柱子，導致它們變得〝柔軟和糊狀〞（soft and mushy），最終它們無法支撐整個大樓的結構而倒塌。西北大學土木工程和材料科學教授Zdeněk Bažant發表一份文件草案，簡要分析世界貿易中心大樓倒塌的原因。Bažant認為，來自火災的熱量是一個關鍵因素，導致核心和周邊的鋼柱在失去承載能力和屈曲之前發生減弱並經歷變形。一旦特定地板上超過一半的柱子彎曲，就不能再支撐架空結構，使得結構完全坍塌。Bažant後來也發表這一份分析的擴展版本。其他分析由麻省理工學院土木工程師Oral Buyukozturk和Franz-Josef Ulm進行，他們描述了崩潰機制。5 世界貿易中心北塔大樓火災釋放的能量相當於1.9千噸TNT爆炸的能量；南塔大樓釋放的能源相當於717噸。大量的能量可能會嚴重削弱建築物的框架。6 (二)  熱失控誘導期 在化學動力學中，一個誘導期（induction period）是一個初始階段緩慢的化學反應，在誘導期後，反應會加速。忽略誘導期可能導致失控反應。熱失控誘導期的結束是熱失控行為開始的量度。化學反應誘導期的時間長度可以藉由下面的方法追踪反應系統的溫度，以實驗方式來測得。對於熱失控的化學反應，圖一是一個化學反應時間與溫度之關係的典型結果。找出熱失控誘導期時間長度的步驟為：(1)繪製溫度對反應時間的圖，得到最佳趨勢曲線；(2)在曲線上繪製兩條外推直線（水平線和切線）；換言之，在最佳趨勢曲線上繪製一條趨近的水平線，並且透過在最佳趨勢曲線上高於溫度0.5℃和1.0℃的兩點畫一條直線的切線（此直線是溫度對時間曲線的近似切線）；(3)這兩條外推直線有一交叉點，確定交叉點在橫坐標上所對應的時間，這就是誘導期的時間長度（以tip表示）。7 圖一顯示tip = 260 sec。 圖一：熱失控誘導期和熱失控速率的典型圖 本實驗使用鹽酸與鋁箔進行反應，如式[1]所示。 6HCl(aq) + 2Al(s) → 3H2(g) + 2AlCl3(aq)    [1] 利用不同鹽酸濃度和誘導期的倒數之數據，在畫出最佳的趨勢線後，可以找出最低反應的[HCl]之值，以[HCl]0表示；以及有效的鹽酸濃度，以[HCl]effect表示。其繪製步驟為：(1)繪圖tip‒1對[HCl]；(2)繪製最適合於數據點的線性迴歸線，並取得迴歸方程式；(3)確定線性迴歸線與tip‒1 = 0相交的點上的[HCl]值，並定義該值為反應最低的[HCl]之值，以[HCl]0表示；(4)定義有效的鹽酸濃度，以[HCl]effect表示，計算式為：[HCl]effect = [HCl] ‒ [HCl]0；以及(5)使用速率定律常數k，描述tip‒1與[HCl]effect之間的關係，並計算平均的k值。7 (三)  熱失控速率 化學反應的速率定律式（rate law equation）是結合反應速率與反應物的濃度或壓力和常數參數（通常為速率係數和部分反應級數）在一起的方程式。對於許多反應，速率是由冪次定律（power law）得到，例如：一般化反應式，如式[2]所示；其反應速率的定義，如式[3]所示；其速率定律式的表示，如式[4]所示。8 A […]

製作天然柚香清潔劑   黎渝秀 國立中央大學附屬中壢高級中學candy@clhs.tyc.edu.tw    n  前言 108課綱籌備以來，「自然科學探究與實作」、「多元彈性選修」一直是新課綱的核心精神之一。民國九十六學年起，本校優質化校務經營計畫「從A至A+全面優質」願景下，課程多元創新的學園—在高二課程開設一節彈性選修，提供學生在高二選組後，可以再依自己的興趣加深加廣的學習；緣此，作者依自然組學生程度開設「化山論見」彈性選修。學生課前需熟知實驗原理和步驟，依此撰寫實驗流程圖（即實驗預報），課堂中讓學生親自動手實驗，觀察現象，發現問題，解決問題，進而提出自己的想法，並將所學化學知識與生活中用品結合。 在中秋節時期，市場上販賣很多的柚子，散發淡淡的柚子香ー除了果肉多汁美味外，丟棄的果皮是否可再利用？這門課的學生討論熱烈，於是立即上網搜尋：柚子皮可製作成零食，也可入菜，富含天然精油成分，可提煉成香味劑和化妝品，柚皮風乾就可驅蚊，泡在酒精一周，就能當防蚊液…等。經由討論後，我們決定製作天然柚香清潔劑。 n  文獻探討 1.         檸烯[1] (1)     薴烯，又稱檸烯（Limonene；俗稱檸檬油精），化學式為C10H16，其結構式如圖一所示。 (2)     它是一種環狀單萜烯，室溫下容易揮發，廣泛存在於各種柑橘屬果皮及香精油。 (3)     用途：溶劑、清洗劑、除膠劑、調香劑、生物燃料和殺蟲劑，可溶解發泡聚苯乙烯（保麗龍） 圖一：薴烯的結構式 2.         常見柑橘皮精油的含量及其主要成分[2] 常見柑橘皮精油的含量及其主要成分，如表一所示。 表一：常見柑橘皮精油的含量及其主要成分 （資料來源：香氣分析：氣相層析法探討柑橘類精油成份組成）[2] 3.         椰子油起泡劑[1] (1)     椰油醯胺丙基甜菜鹼（cocoamidopropyl betaine,CAPB）是由椰子油和二甲基氨基丙胺衍生的密切相關的有機化合物的混合物。 (2)     CAPB是在一端含有長烴鏈和另一端含極性基團的脂肪酸醯胺，如圖二所示。這允許CAPB作為表面活性劑和洗滌劑。它是由四級銨陽離子和羧酸鹽組成的兩性離子。 圖二：椰油醯胺丙基甜菜鹼的結構式 (3)     用途：廣泛用於中高級洗頭水、沐浴液、洗手液、泡沫潔面劑等和家居洗滌劑配制中；是製備溫和嬰兒洗頭水、嬰兒沐浴液、嬰兒護膚產品的主要成分；在護髮和護膚配方中是一種優良的柔軟調理劑；還可用作洗滌劑、潤濕劑、增稠劑、抗靜電劑及殺菌劑等。 (4)     推薦用量：洗頭水和沐浴液中為3-10%；美容化妝品中為1-2%。 (5)     常見的幾種起泡劑都可以互相搭配做出各種膚感的清潔產品。 l  椰子油起泡劑和弱酸性起泡劑起泡效果較佳，但沒有滋潤功效，敏感性肌膚慎重選擇。 l  氨基酸起泡劑和無淚配方的兩性起泡劑最溫和，發泡效果亦十分顯著。 n  實驗架構圖[3] 本實驗的概要步驟，如圖三所示。 圖三：本實驗的概要步驟圖 n  實驗器材 1.         公用器材（一組3人用量）：95%酒精350 mL、30%椰子油起泡劑350 mL、食鹽7.5 g、甘油（丙三醇）120 mL、紗布。 […]