化學教室活動：感温貼片DIY—膽固醇型液晶的製備 連經憶 國立嘉義大學應用化學系*kelly@mail.ncyu.edu.tw n  前言 一、符合教室活動的實驗條件 「在教室裡進行化學實驗」，聽起來不太可能哦，做過實驗的學生都知道，化學與物理實驗不同，化學實驗常用到溶劑和化學藥品，操作時一定要小心，避免化學藥品噴濺，實驗後的器皿清洗更不可馬虎，以免影響下次實驗結果，因此一般認為化學實驗要在特定的實驗室，有耐酸鹼、抗腐蝕的實驗桌才能進行，實驗桌旁邊就有水槽，萬一發生意外才能及時應變。如果有足夠的空間且經費充裕，化學實驗當然最好在有專業設備的化學實驗室中進行，但往往囿於現實，在設備不完善的情況下，教師們仍需努力尋求合適的教材，克服困難，讓學生在教室中也能做實驗。 除了示範實驗之外，教師可以在教室演示，如果學生也能在教室內動手操作，實驗教學場域得以延伸，增加學生由「做中學」的機會。化學實驗因受到危險的限制，要讓學生能在教室中操作實驗，需以「在實驗室中操作的實驗」為基礎，加以改進，能在教室中操作的實驗需符合以下的條件。 l  使用到實驗器材種類及數目不要太多，或太過複雜，因教室課桌椅桌面較小，如能將器材微小化，進行微型實驗更佳。 l  實驗時所選用的藥品需特別注意劑型、用量、及安全性，儘量避免使用強酸、強鹼、及強氧化還原劑等；避免使用大量的液體，如果可能，以固態的試劑取代，以免因桌面空間小，造成翻倒、潑濺的意外。所使用的試劑量越少越好，以免產生大量的廢液，同時也較符合綠色化學的操作原則。 l  儘量選用不需要加熱的實驗，如需加熱，加熱時間不宜太長，而且宜使用沒有明火的加熱器材如電磁加熱攪拌器、電磁爐或熱風吹風機。 l  儘量避免採用會產生大量氣體、熱、或發出氣味的實驗，因教學場所並無抽氣櫃等設備，如果教室內空氣不流通，即便是芳香的氣味，當濃度達一定程度以上，對某些學生而言也可能成為難聞的味道，造成不必要的危害。 l  實驗操作步驟不宜太過繁雜，這樣才能避免上述的情況，有利於實驗教學之推廣。 二、簡介膽固醇型液晶的製備 利用膽固醇的衍生物製備液晶是由美國威斯康辛大學材料科學與工程跨領域教育中心（UW Materials Research Science and Engineering Center Interdisciplinary Education Group; UW MRSEC IEG），依據Brown和Wolken在1979年出版的書1，及Elser和Ennulat在1976年發表的文献2所開發出的實驗，加熱分子結構與膽固醇類似的衍生物，混合均勻後降温，形成液晶的狀態3,4，所用的藥品皆為固體，加熱時間短，隨著温度的改變又有豐富的顏色變化，做好的液晶材料可以做成簡易的感温貼片，測量體温的高低，如實驗硬體未臻完善，這個實驗是非常適合用來做為教室中的演示活動。 膽固醇型液晶之製備適用的範圍十分廣泛，從小學高年級學生，到大學一年級學生皆可操作，只需依年齡和時間調整原理解說的深淺，及動手操作的層次，如時間有限，學生年齡層徧低，可以事先製備好液晶材料，學生直接取膽固醇型液晶做成感温貼片。對於國中以上的學生，可以讓参與者自行混合、加熱及製備液晶材料；如参加人員為高中和大學生，可以在講解時加入鏡像異構物的概念，介紹對掌性（chiral）化合物及其性質，因所用的膽固醇衍生物具有掌性中心（chiral center），是具有對掌性的化合物。對於不具備化學實驗經驗的初學者而言，這個實驗可以作為入門的體驗實驗，操作過程中學生可以認識實驗器材、學習器材正確的使用方法、學會如何用酒精燈加熱、觀察、及建立實驗誤差的概念。 與一般教學用化學實驗所需的試劑相比，膽固醇衍生物的價格較高，但經修改後降低化合物使用量，除避免不必要的浪費，符合綠色化學的操作原則外，同時也使實驗材料的成本下降。實驗前的準備工作較多是這個實驗較大的缺點，在減少化合物使用量的前提下，又要讓實驗結果具有一定的精確度，讓膽固醇液晶能在特定的温度範圍內變色，建議在事前先用精確度較高的天平秤好膽固醇衍生物、分裝在微量離心管中，操作時學生只要將化合物倒出、混合、轉移到試管中加熱即可，實驗組數如果較多，實驗前置作業就要花較多的時間。將化合物倒出，移轉到試管中的動作看似簡單，但是否能確實將所有化合物倒入試管中，不掉落桌面，或沾附在管壁上是關係到實驗成功與否的重要關鍵，對不常做實驗的學生而言，這樣的操作步驟就可能有些難度，進而影響最後的成果，藉由實驗結果討論，正是讓學生了解實驗操作的重要性、建立誤差概念最好的時機。如無法事先秤好膽固醇的衍生物，也可以讓學生自行秤取所需的藥品，唯秤量時需注意學生是否遵守綠色化學的原則，不要任意浪費藥品。 n  原理和概念 液晶（Liquid crystal）是一種物質的狀態，發現液晶狀態可以追溯到西元1888年，奧地利的化學家Friedrich Reinitzer為了決定一種膽固醇衍生物的化學式和分子量時，發現一種奇妙的現象，當他在測量膽固醇衍生物（安息香酸膽固醇酯或稱為苯甲酸膽固醇酯，cholesterol benzoate）的熔點時發現，這個化合物好像有二個熔點，當加熱到145.5°C時化合物呈現霧狀的液體，直到178.5°C時突然變為澄清透明液體。為確認這奇妙的現象並非因雜質所造成的，Reinitzer轉向德國的物理學家Otto Lehmann求教，進而發現霧狀液體的分子排列具有特殊的規則性，當温度升高時，澄清物質就像正常的液體般不具規則性，最後Lehmann了解霧狀液體為新的物質狀態並將其稱之為「液晶」。 能形成液晶的分子，通常具有特定的形狀，如桿狀或平板狀，當分子排列成類似晶體的整齊形態時，又可以因温度、壓力、濃度、溶劑、磁力、電力等因素而改變分子排列的方式。以本實驗的膽固醇型液晶為例，膽固醇分子與其衍生物具平板狀的結構（見圖一上），同層分子間為向列型排列，層與層間的分子互相平行，但各分子的長軸方向不同，代表在相鄰二層間分子的長軸夾著一個角度，兩個平面中分子長軸的方向相同時，這兩平面之間的距離稱為一個螺距（pitch）（見圖一下），螺距的長度隨温度的改變而改變，進而反射不同波長的光，產生不同的顔色，因此常用在温度感測器上。温度越高，螺距越短，當膽固醇衍生物排列成液晶的狀態，隨著温度的增加，呈現出的顏色依序為紅、橘、黃、綠、藍、最後為紫色5。膽固醇苯甲酸酯、膽固醇壬酸酯，及膽固醇油醇碳酸酯是常見可以形成液晶的材料（見圖一上），三者的主要差別在A環3號碳上所接的基團，其中膽固醇油醇碳酸酯與膽固醇壬酸酯具有長碳鏈基團，二者的熔點較膽固醇苯甲酸酯低（表一、三種膽固醇型液晶組成表）。美國威斯康辛大學材料科學與工程跨領域教育中心開發出的實驗教材中，每種液晶都含有這三種膽固醇的衍生物，可在不同温度範圍變色，膽固醇衍生物的總質量相同，但比例不同，藉由調整三者的比例，使液晶能在接近室温的範圍內改變顏色。膽固醇油醇碳酸酯的熔點最低，增加這個成份的比例，可以讓液晶在較低的温度下變色，膽固醇油醇碳酸酯的量越多，變色的温度範圍越低。單獨加熱膽固醇壬酸酯，熔化降温後也可以形成液晶，但變色範圍較高，不易用手的温度加熱，且變色過程快速，不易觀察，加入膽固醇油醇碳酸酯，會降低液晶變色的温度，如經費有限，可以省略膽固醇苯甲酸酯，但只含二種物質的液晶，其變色温度與文献提及之温度略有不同，需經測量才能決定。 圖一：膽固醇及其衍生物的化學結構（上）；膽固醇型液晶結構示意圖（下），淺棕色長方格代表膽固醇衍生物，藍色箭頭代表其長軸方向。 n  實驗器材與藥品 膽固醇苯甲酸酯（Cholesteryl benzoate, 5-cholesten-3-yl benzoate）、膽固醇壬酸酯（Cholesteryl pelargonate, Cholesteryl nonanoate）、膽固醇油醇碳酸酯（Cholesteryl oleyl carbonate）、試管、試管夾、試管架、酒精燈（或熱風吹風機）、竹筷、透明塑膠片、黑色塑膠片、秤量紙、冰浴。 […]

化學教室活動：庶民的分子廚藝教室 郭益銘1, *、鄭惠華2 1中華醫事科技大學環境與安全衛生工程系2巧比諾有限公司*kuoyiming@gmail.com n  前言 一、分子廚藝讓廚房變實驗室 1985年，法國科學家Herve This與物理學家Nicolas Kurti，正式為共同研究的「分子廚藝」（molecular gastronomy）定名，位於西班牙的El Bulli餐廳是「分子廚藝」的創始店，主廚安德里亞（Ferran Adria）顛覆傳統廚藝，「眼見為憑」已非真理，每一口都是驚喜，還被英國權威雜誌「餐館」（Restaurant）二度評選為全球最佳餐廳。分子美食就是廚師利用各種奇異工具，通過物理或化學的變化，把食材的味道、口感、質地、樣貌完全打散，讓後再重新「組合」成一道新菜，讓傳統的菜肴變得充滿新鮮感，給我們不斷帶來驚喜。 二、熟悉知識卻不曾體驗的學生 現今的課程編排，一個國小學生要學習的科目和細項相當多，因此教育現場實際操作實驗的時間和內容均受到侷限，教師在備課上，除採購物料與準備教材，甚至於在安全考量上，都必須花費比較多的時間。而當今孩子因為科技的進步與家庭的保護下，很多孩子在實作的基本能力上也缺乏實際體驗。更報導指出學童的食育力下降【中華日報新聞網，2018】（見圖1），只會吃「白香蕉」的窘境，一時間發現，熟讀澱粉糊化理論的學生，居然連煮飯要放水這件事情都感到猶豫。 圖1：董氏基金會調查成果發表狀況 （圖片來源：中華日報新聞網，http://goo.gl/TkYLhA） 三、關懷偏鄉縮小落差 2013年起我們在一般地區以及偏鄉和弱勢地區推動「科學小食神」及「點心吃什麼」等科普專案，我們普遍發現學生在生活能力與科學理論的結合上是脫節的。優勢家庭的孩子即使成績優異，能侃侃而談澱粉糊化、蛋白質變性等化學理論，但是在家政領域裡，煮飯不放水、喝鹹豆漿堅持不想放醋，都讓我們感受到實作的需求。而偏鄉弱勢地區由於家長的教育陪伴力量薄弱，閱讀及學習興趣低落，孩子不認識食品添加物，也無人引導觀察生活中食物的化學變化，生活的應變能力與科學的學習無法同時提升。 n  材料與工具 本次實驗所需的材料與工具如下：市售鬆餅粉（通常內含泡打粉與中筋麵粉）、葡萄汁（自製或市售均可）、檸檬汁（自製或市售均可）、電熱烤板或烤箱、叉子、量匙、容器、攪拌棒、盤子。 n  實驗流程、問題提問與觀察引導 1.        酌量取出鬆餅粉，不添加水逕行放在烤板上或烤箱內加溫1-2分鐘，此時詢問同學，鬆餅粉是否會變成鬆餅？ 教師角色：引導學生觀察鬆餅粉，確認並未變成鬆餅（見圖2），在進入下一階段觀察。 圖2：未加水鬆餅粉加熱後狀況 2.        鬆餅粉加到水裡，不加熱，是否會變成鬆餅？ 教師角色：引導學生觀察鬆餅粉與水混合後，是否有糊化現象，抑或僅為單獨澱粉略為膨脹顆粒懸浮於水中，並確認其並不會變為鬆餅（見圖3）。 圖3：加水鬆餅粉未加熱後狀況 3.        鬆餅粉加到水裡混合攪拌後，並加熱，觀察其是否變為鬆餅。 教師角色：引導學生觀察鬆餅粉與水攪拌均勻後，在加熱過程中，其漸漸糊化的現象，在水分漸漸蒸發後將轉變成可口的鬆餅，且鬆餅上有許多小孔洞（見圖4），可詢問其原因，並引導入小蘇打粉與酸性物質反應後產生二氧化碳的反應。   圖4：加水鬆餅粉加熱後：成型狀況（左）；學生操作情形（右）。 4.        加入葡萄汁並已經烤好的鬆餅，觀察其顏色，另外在加入檸檬汁後，再觀察其顏色的變化。 教師角色：引導學生觀察鬆餅的顏色，詢問學生鬆餅粉為淡黃色，葡萄汁為紫色，紫色加黃色後應該呈現紫黃色，為何混合後會變成綠色？另外，添加檸檬汁後為何又變成粉紅色？藉此問題詢問再導入花青素於酸鹼中，顏色會變化的概念，並聯想至酸鹼中和所使用的石蕊試紙，以作為課程的延伸。    圖5：加水鬆餅粉在加熱後的外觀：加入葡萄汁和牛奶的鬆餅漿（左上）；沾上檸檬水的鬆餅漿烘烤（右上）；原味與葡萄口味鬆餅漿烘烤成型外觀，加上檸檬水的葡萄鬆餅漿偏粉紅色，未加上檸檬水的葡萄鬆餅漿烤過後偏綠色（下）。 n  問題引導與答案說明 1.        鬆餅粉為何會變成鬆餅？ 本次實驗時，先讓學生放置鬆餅粉於烤盤上，發現鬆餅粉即使經過高溫亦不會變成鬆餅，此係因澱粉糊化作用。澱粉分子為長鏈的葡萄糖分子的聚合物，澱粉分子之間以氫鍵方式交聯在一起。澱粉分子於常溫下不溶於水，僅能可逆地吸收水和輕微地溶解脹大，但隨溫度漸增，澱粉分子振動劇烈，造成澱粉分子之間的氫鍵斷裂，進而澱粉分子與較多的水分子結合。由於水分子的進入造成長鏈的澱粉分子的分離，增加澱粉分子結構的無序性、減少結晶區域，溶解脹大並分裂形成均勻糊狀溶液的特性，稱為澱粉的糊化（gelatinization）。 2.        烤鬆餅時孔隙從何而來？ 鬆餅成品有大量細微孔洞，顯示烘烤過程當中產生氣體，本次實驗所使用的鬆餅粉主要成份含中筋麵粉與泡打粉，中筋麵粉與水混拌加熱後會產生糊化現象，並凝結成鬆餅，而泡打粉主成分為小蘇打粉（Sodium bicarbonate, NaHCO3）、弱酸性物質如塔塔粉（cream of tartar）、磷酸二氫鈣（Monocalcium phosphate, […]

化學教室活動：創客設計Arduino pH計應用在酸鹼課程 馮松林1,2,*、陳映辛1,2 1國立竹山高級中學2教育部高中化學學科中心*cs991001@gm.cshs.ntct.edu.tw n  前言 目前很流行〝Maker〞一詞，強調實作的〝創客〞，被視為翻轉傳統觀念，讓大家從「想像」的大腦運作，具像到「動手做」，已成為影響未來競爭力的關鍵。Arduino板即是創客應用很廣的套件，在生活中有很多令人驚奇的應用實例，而化學本來就是動手做的科學，如果能在課堂上結合兩者，教導學生化學相關的創客基礎量測套件，讓學生自己動手設計，化學實驗就可能變成跨領域STEM（Science, Technology, Engineering, and Mathematics；科學、技術、工程及數學）實作的課程。 在化學教學中，酸鹼是非常基礎的化學概念，實驗室中應用pH計去檢測酸鹼的強度，是酸鹼概念具像化的操作，對學生學習酸鹼概念非常重要。本文將引導教師應用新的科技教學，介紹如何在課堂上結合Arduino UNO和pH計，融入創客精神在化學實驗中，讓學生學習結合Arduino UNO和pH計，應用行動套件去量測溶液的pH值。 n  教學準備 要以Arduino教學，自然在教學前要先懂得Arduino怎麼操作，很多教師可能會擔心不會操作，更不用談教學生了。事實上，Arduino原本就是設計給非電子專業的人使用，不到2小時的基本課程，教師就可上手，尤其在Scratch圖像式操作環境下。只要懂得輸入及輸出的操作，加上基礎電學的概念，就可以自由應用了。在網路上有許多教學資料可參考，不妨請學校中的高手支援，即可上場教學。 教師可選用應用最廣最便宜的Arduino UNO板（見圖一左），價格在200元左右，如加購完整學習套件整組大約1000元，上課時最好每位學生一組。至於pH計套件（見圖一右），價格在1200元左右，則可視經費之多寡購買，至少2人共用一個pH計。   圖一：Arduino UNO板（左），Arduino pH檢測計（右） 由於Arduino運作初期要連接電腦，因此上課地點要有電腦或筆電，並且在電腦中要先下載安裝具Scratch操作界面的mBlock程式[1]和Arduino IDE程式[2]等免費程式。 n  教學設計內容 應用Arduino量測套件融入酸鹼化學的教學，可以從引導學生認識及操控Arduino套件開始，再配合化學實驗技能的培養，教導學生應用Arduino套件做化學實作。教學時可視學生資訊能力，彈性應用以下五個歷程進行教學： l  創客技能：教導學生對Arduino操作有基礎認識。 l  化學創客：安裝pH計的趨動程式，連結Arduino與pH計，練習用pH計檢測酸鹼溶液。 l  實驗技能：讓學生學習配製酸鹼溶液，調配不同pH值的酸鹼溶液。 l  實驗實作：利用pH計，檢測酸鹼溶液的pH值。 l  綜合調查：讓學生比賽判斷日常生活物質的pH值。 一、  創客技能 Arduino板本來就是為非資訊專業人員所設計的控制板，易教易學，教學時不用教太多套件，從基礎概論開始，主要著重在學習程式界面的操作、如何輸出訊號做控制以及如何讀取套件獲得外部訊息等。建議的課程教學可按以下順序進行： 1.    Arduino的創意世界 以Arduino做自動控制，可以發揮很多創意，在YouTube上可以找到很多精彩實例，比如音樂樓梯[3]、水果鋼琴[4]等，藉此引發學生的創意及巧思。 2.    認識Arduino UNO Arduino UNO能夠做數位控制，主要是提供連結的數位腳位和類比腳位，要用Arduino操作就要認識所有腳位的位置和意義，每位學生最好都要有一片Arduino UNO，再逐一介紹認識板子上各種腳位及構造。 3.    Arduino IDE控制程式介紹 Arduino板要運作需要撰寫程式來控制，Arduino原廠提供一個控制程式，這個程式叫Arduino IDE […]

化學教室活動：自製光譜儀偵測臭氧吸收光譜 陳秀荷1、劉奇愛1、楊水平2,* 1國立彰化師範大學科學教育研究所2國立彰化師範大學化學系*yangsp@cc.ncue.edu.tw n  前言 光，是以波的形式傳遞。不論是從自然界中的太陽來的，還是人工製造的燈泡來的，一道光裡含有不同的波長。有些波長的光能使我們看見顏色，稱為可見光，不同顏色的光具有不同的波長，紅光的波長比藍光的還要長，而我們肉眼所見的日光，就是由許多不同的波長、不同顏色的光彼此混合所產生的。但這些混合在一起的各種波長，是否隱藏一些細微的秘密在其中呢？ 在19世紀初期，夫朗和斐（Joseph von Fraunhofer, 1787 – 1826）因著精湛的透鏡研磨工藝，開啟人們對太陽觀測的序幕，他整合當時的觀測，從太陽儀中記錄當時的光譜，細心地記錄光譜中的暗線，共畫出了五百七十多條的暗線。但在當時卻無法對這些暗線提出合理的解釋，直到1859年克希荷夫（Gustav R. Kirchhoff, 1824 – 1887）與本生（Robert Bunsen, 1811 – 1899）合作，使得這些暗線的秘密從彩色的光譜中被揭發出來。[1] 克希荷夫原先是物理學家，僅在研究之餘，與本生一起研究化學元素的光譜。當時是以純物質的在加熱下所發出的光進行紀錄並且觀察，這些純物質加熱的光譜，並非連續的，即使通過稜鏡也只會得到亮線，而非連續的光帶。而在一次對火災的研究中，引發他們對由光源推測元素的想法。克希荷夫與本生找出夫朗和斐的觀測紀錄，與他們已知的化學元素光比對，有了驚人的發現！他們發現「暗線的位置」竟然可以對應上「已知元素光譜」的亮線位置，包括氫、鈉、鎳、鈣及鐵。因此，克希荷夫就藉此推論，太陽上存在的元素，就是吸收太陽光的這些波段的能量，生成了這些肉眼可見的暗線。後世就把這光譜上五百七十條的暗線，稱為夫朗和斐線（Fraunhofer lines）[2]，如圖一所示，圖一並未完整展現所有的夫朗和斐線。 圖一：太陽光譜與夫朗和斐線一樣，可以肉眼觀測到。 （圖片來源：Fraunhofer lines, https://en.wikipedia.org/wiki/Fraunhofer_lines.） 太陽光譜中的黑線是由於太陽表面上或更上面的氣體所引起的，它們吸收一些發出的光。 每種氣體（如氦氣，氫氣，氧氣等）都有一組非常特定的波長，可以吸收太陽光。若照射一些光線通過一些冷氣體（cold gas）和棱鏡，並記錄吸收光譜（absorption spectrum），則可以肯定地說出這氣體是什麼（見圖二），這在化學上被稱為吸收光譜學（absorption spectroscopy）。美國宇航局（NASA）的好奇號（Curiosity）探測器使用光譜儀來確定火星上存在什麼氣體和化合物。[3] 圖二：照射光線通過冷氣體和棱鏡可觀察到吸收光譜 （圖片來源：Spektrum Slunce, https://goo.gl/aGqu4d.） n  大氣層中的臭氧 地球表面的大氣層以垂直高度分為四層，由地表向外，分別是對流層（地表以上約12公里）、平流層（約從對流層頂向上至55公里）、中氣層（55-85公里）以及增溫層（100公里以上）。我們生活在對流層的底部，雲、雨、霧等常見的天氣現象發生在此層。空氣不穩定，常隨人類活動而有所變化，如霧霾、沙塵暴……。而我們所熟悉的臭氧，是在平流層「保護」我們免於紫外光的傷害。然而，臭氧實際上並不永遠像保護的天使，關鍵取決臭氧所在的「高度」。當臭氧靠近我們時，保護的功能反倒對我們成了「傷害」。當臭氧出現在靠近我們的對流層的底部，會刺激人體的呼吸道，並引起皮膚過敏。 「對流層臭氧」和「平流層臭氧」來源並不相同。對流層中的臭氧如同惡魔般傷害人類的身體，在陽光的照射下，來自汽車或工業排放的氮氧化物（NOx）汙染物發生光化學反應而產生臭氧（O3），還有其他有機化合物，如揮發性有機物（volatile organic compounds, VOC）和非甲烷總烴（non-Methane Hydrocarbon, NMHC），也可以參與這反應鏈，在有羰基物質或酮類時進一步形成臭氧（見圖三）。[4] 隨著太陽光照的強度越強，對流層中的氮氧化物汙染物的光化學反應越充分，在地表量到的臭氧濃度就會越高，由清晨靠近中午時漸漸攀升，在中午時達到一天的高峰。[5] 不僅如此，在對流層頂部臭氧是溫室氣體中的一種，將地表要放出至太空的熱量吸收下來，加劇全球暖化。以上的證據都顯出對流層的臭氧對人類健康與環境的不友善。[6] 圖三：對流層臭氧的形成途徑 （圖片來源：Tropospheric ozone, http://goo.gl/GnbaPJ.） 然而，在平流層中的臭氧卻扮演天使的角色，吸收太陽光中大部分的UV光（紫外光），保護人類和其他生物免受高能量UV光的影響，如皮膚癌、白內障及農作物的傷害等問題。平流層的臭氧是來自O2接受UV光產生自由基連鎖反應而生。形成臭氧後，又可以再次吸收UV光分解成O2。這樣的連鎖反應不斷吸收紫外光，減少紫外光到達地球表面的量，使地球上的人類免受紫外光的危害，像天使一樣在天空上保護著人類。而這層有效的保護層，也就是臭氧層。 n  空氣品質指標與臭氧吸收光譜 一、空氣品質指標 […]