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。   […]

綠色膠黏，交聯：硼砂的取代調查 廖旭茂*、王玉睿、梁書銘 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 n   影片觀賞 本實驗影片由大甲高中提供，綠色交聯成品的體驗過程介紹。 影片網址：https://youtu.be/jyNZPxNz6NM, YouTube. n 簡介     在中小學的實驗課堂裡或科學社團活動中常利用透明PVA膠水(Polyvinyl alcohol，簡稱PVA, 聚乙烯醇)或白膠(Polyvinyl acetate，簡稱PVAc，聚醋酸乙烯酯)，跟不等量的硼砂產生交聯作用，可以製作黏彈性不一的異形(putty，另稱橡皮泥)或QQ球1；或在其中加入四氧化三鐵粉末(Fe3O4)，製作可被磁鐵所吸引，逗趣的磁力異形2，但這個熱門又耳熟能響的科學玩具卻隱含著一個被輕忽的風險–硼砂。2017年就曾經報導過，新竹有學童就誤食了同學私下買來製作「史萊姆」的食用級硼砂，而緊急住院的案例3。     硼砂(Na2B4O7·10H2O)，生活中廣泛地被使用在食品防腐、眼科醫藥、肥料，以及蟑螂的餌劑中；成人若攝入用1~3 公克硼砂即可能中毒，15~20 公克有致命危險；孩童則因為代謝效率較慢，食用5 公克可能造成死亡4。鑒於硼砂潛在的風險，本文將探討比較小蘇打(NaHCO3)、三偏磷酸鈉Na3(PO3)3與硼砂和膠水與白膠的交聯作用，並描述利用小蘇打取代硼砂，製作史萊姆異形、磁力異形、感溫變色異形的製作方法外，也提供其成品有趣的演示影片，並且詳細地說明此實驗所涉及的原理與概念。   期盼透過本實驗文章的分享，能拋磚引玉，推前瞻化學教育素養–「綠色思維與風險意識」，讓中小學的化學實驗能真正達到趣味性、動機性、安全性，符合綠色化學原則，落實永續教育的經營目標。 n  器材與藥品 一、器材： 250毫升燒杯、10毫升量筒、成型模具(自製)、智慧型手機、數位拉力計-5Kg、電子天平、數位硬度計、密封袋#6 等。    圖1：由左而右依序為成型模具、拉伸力測量機台、簡易數位硬度計 二、藥品： 透明膠水(聚乙烯醇)、白膠(聚醋酸乙烯酯)、硼砂Na2B4O7、三偏磷酸鈉Na3P3O9、碳酸氫鈉NaHCO3、四氧化三鐵Fe3O4(s)、感溫藍31度、黃色絹印油墨。 下圖為各分子的結構式。     圖2：由左而右依序為白膠(聚醋酸乙烯酯)、透明膠水(聚乙烯醇)、硼酸根(硼砂水解物) n 硼砂可以被取代嗎？利用小蘇打、三偏磷酸鈉取代硼砂，與高分子作用，在不同條件下，依序調查聚合物的重量變化、硬度、單位長度拉伸力等物性變化。 一、交聯劑與透明膠水(聚乙烯醇，PVA)的作用調查 1.   交聯時間的不同：取出成型模具，倒入10克的PVA膠水，並加入0.08M的硼砂溶液10毫升，均勻攪拌後，將模具放入密封袋，靜置5分鐘後。依序進行重量測量、拉力測試、硬度測試。重複前面實驗，將靜置時間分別提高至1小時、1天、1星期。依序進行重量測量、硬度測試。 2.   承上，將交聯劑換成小蘇打、三偏磷酸鈉，重複上述實驗測試。下圖為拉力測試。 圖3：高分子的拉力測試過程 3.   交聯劑的濃度：取出成型模具，倒入10克的PVA膠水，並加入0.01M的硼砂溶液10毫升，均勻攪拌後，將模具放入密封袋，靜置5分鐘後。依序進行重量測量、拉力測試、以及硬度測試。重複前面實驗，將硼砂的濃度分別提高至0.02M、0.04M、0.08M，均勻攪拌後，將模具放入密封袋，靜置5分鐘後。進行單位長度拉力測試。 4.   承上，將交聯劑換成小蘇打、三偏磷酸鈉，重複上述實驗測試。 二、交聯劑與白膠(聚醋酸乙烯酯，PVAc)的作用調查 1. 交聯時間的不同：將透明膠水換成白膠，重複上述1~2實驗，調查白膠分別與硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉在不同反應時間下，重量、以及硬度測試下的變化。 2. 交聯劑的濃度：重複上述3~4實驗步驟，調查白膠分別與硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉在不同濃度下，單位長度拉力測試的差異。 三、綠色交聯作用在科學玩具上的開發：史萊姆、磁力異形、感溫變色異形的等科學玩具的製作。 1.   綠色史萊姆異形的製作：取50克透明膠水，一邊以攪拌棒攪拌，一邊緩慢滴入飽和小蘇打溶液，約加入20 毫升的小蘇打溶液後，即可取出，並在手中搓揉均勻，備用。隨後將聚合物壓平略呈四方形，可與另一位同學一人兩手，緩慢自四方形的四個角落往外拉伸成薄膜，測量薄膜最大展開的面積是多少？ […]

2018國際化學教育研討會： 微型實驗工作坊的交流與分享 廖旭茂 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 n  前言 啟程，是對路上的風景有所期待！回看過去-7月14日的臉書，我寫下了這些文字，或許這樣的文字才能真實傳遞當時的感受！ ICCE 2018 in Sydney 工作坊今天中午結束了，身體很疲憊，卻也亢奮…… 一個月前開始了「Experiencing the electrochemical lab kits designed for the secondary students in Taiwan」電化學實驗模組的準備工作，因為之前的活動訊息不是很透明，工作坊在哪進行也不清楚，於是必須在台灣模擬各種可能會發生的突發狀況，讓90分鐘的實驗工作可以順利進行；加上澳大利亞對於化學品以及廢棄物的管制相當嚴格，出發之前就被主辦單位要求填寫實驗風險影響評估，內心的忐忑不言可喻….      #7/10 下午開始在雪梨大學商學院報到註冊，雪梨大學內既古典又現代的建築群令人讚嘆，晚上是歡迎見面會，見到了幾位來自亞洲的熟面孔，日本、韓國、中國學者，以及風趣幽默的老教授–西澳的Bob Bucat！ #7/11所有利用實驗室開工作坊的學者們被要求一早到實驗室報到，參加實驗室的安全使用說明會，地點是位於化學院五樓的分析實驗室。因為能夠參觀一流大學的實驗室，而雀躍不已。化學院內管理員技術人員至少有四人，分配在不同樓層，辦公室像個藥局，有一個窗口，一個門，內部相當明亮寬敞，而且相當友善，跟大學時代飄逸著詭異、陰暗髒亂的狹隘空間大相徑庭！一進到實驗室門口就被要求穿實驗衣，及護目鏡，接著說明實驗室的空間配置，廢棄物的傾倒分類原則、逃生動線、滅火器的位置等。實驗室很乾淨明亮，幾乎沒有氣味，而且廢液並不是儲存在實驗室內，也會固定時間就有人原來清運，跟台灣一年一清完全不同！ 7/11早上、下午各有一場微型化學的工作坊，早上場是日本學藝大學Kamata教授的工作坊，Kamata son是日本微型化學的大咖，為人卻很低調含蓄，創新的手作實驗設計總是令人贊嘆不已，身為首席fans的我，早早去去佔位子，因爲大會會場在商學院，離化學院走路要10-15分鐘，加上資訊不明，活動延遲了十分鐘才開始！這次Kamata son 帶來了丹尼爾電池的新設計，讓人耳目一新，最棒的是這次帶著一位美麗活潑的美眉助手–大學部的畢業生，即將成為中學老師的她讓整個活動順暢不少，活動結束將實驗模組盒贈送給Kamata大師，也順便邀請他來參加7/13的工作坊！下午是另一位是在英國倫敦CLEAPSS擔任顧問的Bob Worley，Bob在全世界相當知名，應該是歐洲甚至全世界在微型化學最具影響力及知名的人物，來到雪梨之前通過幾次信，也相互Twitter 了，這次能目睹高人到廬山真面目，實在是開心，Bob的實驗設計很厲害，往往一滴溶液就能進行酸鹼、電解、沈澱等反應…..兩位大師的實驗相關細節，我會撰文在台灣化學教育期刊，供大家參考！ #7/12 沒有實作，大部分時間躲在旅館內準備，晚上在達令港晚宴，見證了澳洲只有葡萄酒是便宜的傳言，以及西方人晚宴的熱情…. #7/13………………………………… 很開心能夠與國立臺灣師範大學科學教育研究所的邱美虹教授、國立台北教育大學周金城教授及學科中心伙伴一起參加了今年七月中旬在澳洲雪梨大學舉辦的第二十五屆國際化學教育研討會（25th International Conference on Chemistry Education, ICCE 2018），大會中除了筆者的電化學實驗模組體驗外，另外還有兩場來自日本的Kamata教授及英國學者Bob的實作工作坊。趁記憶猶新之時，將親手做實驗Workshop的內容記錄下來，跟大家分享。   n  工作坊之前….. 一、填寫化學系的危害物的鑑定、風險評估與控制表格文件(HAZARD IDENTIFICTION, RISK ASSESSMENT & CONTROL, […]

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 […]

綠色法拉第–微型氣體蒐集裝置的設計與應用 廖旭茂*、廖心妍、林群曜 臺中市立大甲高級中等學校 *nacl880626@hotmail.com n  影片觀賞 實驗影片「綠色法拉第(二)：微型氣體蒐集裝置的設計與應用」於2016年10月拍攝，由臺中市立大甲高級中等學校提供。 YouTube影片網址：https://youtu.be/X6K8FQkg8AY n  簡介 電鍍產品廣泛應用在日常生活中，大至汽車用的鍍鋅防銹鋼板、機車美觀用的鍍鉻飾條、雨傘鍍鎳的傘骨，小至五金業的螺絲、耳環，甚至半導體製程；但電鍍廢液也往往造成很嚴重的汙染問題[1],[2]。在高中的課本中，長久以來都是藉著電解電鍍的實驗，探討電流強度I、通電時間t與電鍍金屬增加的重量W之間的線性關係，並求得法拉第常數F，進而印證法拉第電解定律[3]；但電鍍層上的金屬晶體容易剝落加上烘乾不易，往往造成實驗結果與極可觀的誤差。本文嘗試藉由自行設計的微型氣體收集裝置，固定電流強度I下，探討電解過程中氣體的體積變化ΔV與通電時間t的關係，並推算法拉第常數。結果顯示，氣體體積變化量ΔＶ與通電時間的相關係數達0.999，兩者呈線性的正相關，所求出法拉第常數與理論值間的誤差約+6.4%~-1.7%，亦相當準確。下圖為高中電鍍實驗中兩極的變化。                                                                                    圖1 電鍍實驗中陰極電鍍層金屬剝落的狀況 本實驗的微型氣體蒐集裝置，從生活的取材，僅使用數滴無毒的硫酸鈉溶液，電解時間更短、更節能，實驗所有的微量廢棄物，可利用鉛筆與一般的鑰匙，透過電解方法將化妝棉上微量的銅離子還原成銅，進行回收。 本實驗亦嘗試透過雷射切割機的輔助，超越手做極限，發揮現代maker的精神，將教具製作帶往更精準、更安全的方向。 n  藥品與器材 一、器材： 兒童塑膠積木、化妝棉、30mL塑膠注射筒、1mL塑膠吸量管、銅片、砂紙一張、長約20公分的紅與黑(或藍色)單芯線各一條、直流電源供應器、鐵架、塑膠PP(瓦楞)板、熱熔膠與熱熔膠槍一組、80W雷射切割機一台、5 mm厚透明壓克力板。 二、藥品： 0.5 M硫酸鈉(aq) 1 mL。 n  實驗步驟 以下介紹兩種微型氣體蒐集裝置製作，第一種是兒童積木版，第二種是雷射切割壓克力版。 一、微型氣體蒐集裝置製作一:兒童積木版 1.      首先取一支30mL塑膠針筒，拉出推桿備用。取兩片雪花狀塑膠積木片作為正、負極金屬片的載台；先將第一片積木片為負極載台(上方)，以熱熔膠將圓型金屬片黏著在一起，金屬片預計與一條黑色單芯導線焊連在一起 (圖2出現的金屬片為9V電池外殼裁修而成，本實驗可直接用0.5 mm厚的銅片取代)。 2.      重複上述步驟，第二片積木片為正極載台(下方)，金屬片預計焊連一條紅色導線。 3.      分別在注射筒最前端及筒身側邊，以螺絲釘鑽出兩圓孔。紅色的單芯線從針頭前端的圓孔穿出，而黑色單芯線從針筒側邊預先鑽好的小圓孔穿出。把推桿壓回，即完成微型氣體蒐集裝置。圖2為微型氣體搜集裝置的裝置圖。                                                                                                           圖2 圖左為正負極金屬載台裝置，圖右為針筒蒐集裝置圖 二、微型氣體蒐集裝置製作二:雷射切割壓克力版 1.      以游標尺測量30毫升注射筒的內徑，並在illustrator軟體中繪製正負極金屬載台設計圖後，以壓克力為材料，由雷射切割機輸出。下圖為正負極金屬載台設計圖。 圖3 圖左為壓克力正極載台，圖右為壓克力負極載台 2.      取長20公分長的單芯線，前端剝除約5公分長的塑膠外皮後，裸露電線尖端由兩極載台的背面的細孔穿入後，再由另一細孔穿出。長方形的雷雕區域即為金屬片黏貼處。取兩片尺寸為10 mm×15 mm 的銅片，經水砂紙磨光後，以酒精沖洗，乾燥後以熱熔膠黏貼於壓克力載台上。下圖4為壓克力載台。 圖4 穿線前後的壓克力載台及完成裝置圖 […]