創意微型實驗—微型濾紙色層分析 方金祥 創意微型科學工作室chfang1273@yahoo.com.tw 將顏色之三原色紅、黃、藍等三種顏色依照不同比例混合在一起時即可呈現出各種顏色來，市售彩色筆的顏色之多也是如此，如要將已混合在一起的彩色筆的顏色分開來，進而了解是由哪幾種顏色混合起來的，有些是可猜出來的，譬如橘色是由紅色和黃色混合而成的，綠色是由黃色和藍色混合而成的，紫色是由紅色和藍色混合而成的，但是黑色彩色筆到底是由那些顏色混合起來的就很難猜出來，若欲將混在一起的顏色加以分開，就必須利用科學的方法，如色層分析法。作者於民國八十一年八月曾在聯合報科學專刊寫了一篇動手做做看（揭開黑色彩色筆的奧秘，如附件一所示），也就是利用簡易微型色層分析法將黑色彩色筆出離出不同顏色來，本文將以橘色和黑色彩色筆為例，分別以手動圓形水平展開、自動水平展開及自動垂直上升展開等三種不同的微型色層分析法將其顏色分開以供作參考。 n  微型濾紙色層分析之原理 微型濾紙色層分析乃是利用濾紙與水來進行分離色素的一種色層分析法，其原理是依據畫在濾紙上之彩色筆的顏色被濾紙吸附（Adsorption）能力及在水中之分配（Partition）能力的不同，而產生在濾紙上有不同的移動速度及出現不同顏色及其所處的位置。 n  材料與藥品 塑膠培養皿（直徑9 cm）、塑膠培養皿（直徑14 cm）、濾紙（185 mm）、塑膠滴管、黑色彩色筆、橘色彩色筆、塑膠滴管、水。 n  微型濾紙色層分析實驗操作 微型濾紙色層分析展開法分成手動圓形水平展開、自動水平展開及自動垂直上升展開等三種方法： 一、 手動圓形水平展開 (一)   黑色彩色筆 1.        準備一個直徑9 cm的塑膠培養皿，如相片一所示。 相片一：塑膠培養皿 2.        用黑色彩色筆在一張濾紙的正中央處畫一個直徑約為2 cm的空心圓，如相片二所示。   相片二：黑色彩色筆（左）、濾紙正中央處畫一個空心圓（右） 3.        將畫好圓形之濾紙置放在塑膠培養皿的上方，如相片三所示。   相片三：濾紙置於塑膠培養皿上 4.        用塑膠滴管吸取水，並在濾紙上空心圓的中央處逐滴地滴入水，如相片四所示。     相片四：將塑膠滴管中之水逐滴滴於空心圓之中央處 5.        待第1滴水擴散之後再滴入第2滴水、第3滴水，以此類推，如相片五所示。     相片五：滴入之水擴散之後再繼續滴滴水 6.        當水滴入濾紙直至能看到彩色筆的顏色分開且呈現明顯的顏色來為止。 7.        待濾紙上之水乾了之後，再將置放於塑膠培養皿之濾紙取下來。 (二)   橘色彩色筆 1. 準備一個直徑9 cm的塑膠培養皿。 2. 用橘色彩色筆在一張濾紙的正中央處畫一個直徑約為2 cm的空心圓，如相片六所示。   相片六：橘色彩色筆（左）、濾紙正中央處畫一個空心圓（右） […]

創意微型實驗—微型變色自來水裝置與在化學教學演示上之應用 方金祥 創意微型科學工作室chfang1273@yahoo.com.tw 本文描述微型變色自來水龍頭裝置之設計，該裝置在密閉系統之下使水位較低的儲水槽中之水往較高於儲水槽上的水龍頭流出來，並可應用於一般酸鹼指示劑或天然酸鹼指示劑與由水龍頭流出來之酸鹼溶液，經過酸鹼中和之後的指示劑顏色變化之教學演示，使化學教學更為生動活有趣。 n  微型變色自來水及其變色之原理 微型變色自來水是利用大氣壓力和虹吸現象，使在密閉系統中之水由下往上流，再經由塑膠三通活栓之水龍頭流出。流出之水之所以會變色，乃是由於在水中分別加入酸與鹼性溶液及酸鹼指示劑，當由兩個微型水龍頭流出之酸性溶液與鹼性溶液碰在一起時，會即刻起了酸鹼中和反應，進而使酸鹼指示劑之顏色發生變化。 n  材料藥品與器材 1.        藥品：稀鹽酸（1 M）、氫氧化鈉溶液（1 M）、紫色高麗菜，如相片一所示。 相片一：紫色高麗菜 2.        材料：5號塑膠罐、塑膠密封罐、塑膠三通活栓、塑膠塞、100 mL塑膠瓶、5 mL塑膠滴管、透明塑膠軟管及橡皮管，如相片二所示。          相片二：塑膠罐、塑膠密封罐、塑膠三通活栓、塑膠塞、塑膠瓶、塑膠滴管、透明塑膠軟管及橡皮管 3.        器材：熱熔膠（槍），如相片三所示。   相片三：熱熔膠槍 n  微型變色自來水裝置之設計與組合 一、   塑膠密封罐與其蓋子上之附件 取自市售密封塑膠罐，在蓋子的直徑上有三附件，其一為較大的孔洞（直徑約7 mm），在此孔洞上附有一個可使其密封的塑膠塞子。另在蓋子上的正中央及其後方處各有1個小孔，小孔上分別有塑膠小側管，如相片四所示。   相片四：市售塑膠密封罐（左）及在其蓋子有3個孔洞，有2個小孔（右上和右中）和1個孔洞（右下） 二、   自來水儲存槽之設計與組裝 1.        將1支100 mL塑膠瓶的蓋子打開，然後用剪刀將蓋子之尖端剪掉0.3 cm，如相片五所示。   相片五：塑膠瓶與其蓋子 2.        打開密封罐蓋子上直徑約7 mm的孔洞上之塑膠塞，然後將塑膠瓶之蓋子倒插入密封塑膠罐蓋子上的孔洞中，並用熱熔膠將其固定之，如相片六所示。   相片六：用熱熔膠將塑膠瓶之蓋子倒插並固定在密封塑膠罐蓋子上的孔洞中 3.        於塑膠瓶之蓋子底下，接上一條長約30 cm之透明軟管（可至密封塑膠罐之底部），如相片七所示。 相片七：塑膠蓋子底下接上一條透明軟管 4.        用剪刀將100 mL的塑膠瓶底部剪開，然後再將其與固定在密封塑膠罐上之塑膠蓋組合起來作為自來水之水槽之用，如相片八所示。   相片八：剪開底部之塑膠瓶（左）與原蓋子組合起來供作水槽（右） […]

指導學生科學展覽和獨立研究的態度與方法 曾鶯芳 國立高雄師範大學附屬高級中學（退休教師） if1@tea.nknush.kh.edu.tw 其實，我比較喜歡稱「科學展覽」為「獨立研究」，因為獨立研究顧名思義就是研究者要有自己的想法，自己設計方法去解決問題，不是按照指導老師一個指令一個動作去完成研究。我更希望科展（獨立研究）不是只做一次或一屆，因為研究成果是無止境的，沒有做完之時，只有更深入發展的空間，如果能持以長期經營與持續不斷的研究態度，這對於研究者對研究主題及研究能力必定有更進步的瞭解與建立。 作者於教學之餘對化學之「探究與實作」甚感興趣，在退休之前曾指導過多位高雄師大附中學生進行校內獨立研究，並將其成果提出參加國內和國際科學展覽（詳見附錄） ，茲將本人指導學生科展與獨立研究之心得與經驗與各位化學界同好分享。 n  獨立研究流程 獨立研究有一定的流程，如圖1所示，並介紹各階段如下： 圖1：指導學生專題研究流程 一、   決定研究領域 研究主題的尋找需要先決定研究領域，不同型態的比賽所區分的領域各有不同。 (A)   全國中小學科學展覽會 ●   國中組和國小組，科別有：數學科、物理科、化學科、生物科、地球科學科、生活與應用科學科。 ●   高中職組，科別有：數學科、物理與天文學科、化學科、地球與行星科學科、動物與醫學學科（含微生物、生物化學、分子生物）、植物學科 （含微生物、生物化學、分子生物）、農業與食品學科、工程學科（一）（含電子、電機、機械）、工程學科（二）（含材料、化工、土木）、電腦與資訊學科、環境學科（含衛工、環工、環境管理）。 (B)    臺灣國際科學展覽會 ●   展覽科別有：數學科、物理與天文學科、化學科、地球與環境科學科、動物學科、植物學科、微生物學科、生物化學科、醫學與健康科、工程學科、電腦科學與資訊工程科、環境工程科、行為與社會科學科。 二、   收集分析資料 收集資料的方法如下： ●   找書本：包含教科書（如大學用書、教師手冊…等）、科學刊物及學術論文等。 ●   網際網路：由關鍵字及關鍵詞蒐尋開始；我最常請學生上「國立臺灣科學教育館」的「臺灣國際科學展覽會」及「全國中小學科學展覽會」網頁中觀摩「歷屆參展作品」，或「臺灣網路科教館」的「科展群傑廳」一樣可以找到歷屆科展的作品。甚或高階一點的尋找「國家圖書館」裡「資源查詢」中的「臺灣碩博士論文知識加值系統」。 ●   找專家：學校老師 （包括校內的科老師、大學教授等）、研究機構研究員（中研院、工研院、生技中心） 這階段的優勢條件是有強的外語能力。 決定研究領域之後，開始大量閱讀有興趣的文獻資料，慢慢縮小範圍至鎖定某一研究主題，然後搜集相關文獻資料以確立研究方向；如果在此階段一直無法鎖定研究主題，則必須回到上層（決定領域）重新來過。 三、   構想階段 構想階段主要的目的是決定進行研究的目的（為什麼做？）、稍微訂定研究的方向（大致的題目）（做什麼？）以及了解相關資源。 科展主題「創意」是重點，而創意有兩類：「主題的創意」與「方法的創意」。 四、   決定研究方向與進行實驗 這階段的目的是獲得實驗數據，步驟如下： ●   按「研究計畫書」的步驟進行實驗。 ●   由初步數據/結果 開始做判斷，並時時檢視實驗方法與假說是否要修正、實驗結果與目前的認知是否有出入，亦即要不斷地與實驗目的及架構做比對。同時每一實驗要有對照組且至少須三次重複，以確定結果的再現性。 ●   繼續資料蒐集與分析。 五、   整理數據 這階段儘量用“數字”說話（If you […]

創意微型實驗—微型質量守恆裝置 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw 利用本文所設計之並聯式塑膠注射筒，以橡皮管連接，將其組裝成一密閉系統之微型質量守恆裝置，並在兩支並聯式注射筒中進行化學反應，在反應前後分別加以稱量，以驗證質量守恆（不滅）定律。 n  微型質量守恆之原理 當化學反應達到平衡時，各反應物與各生成物間的係數比與分子數的變化量比值會相等，這些比值也會等於各反應物與各生成物間的莫耳數的變化量比值，因此在化學反應中反應前與反應後之總質量應不會改變，此稱為質量守恆定律（Law of conservation of mass），或稱質量不滅定律。本文中將以酸鹼中和反應和氧化還原反應為例來驗證質量守恆（不滅）定律。 n  藥品、材料與器材 1.        藥品：檸檬酸、小蘇打粉、廣用指示劑、碘液、硫代硫酸鈉等。 2.        材料：本實驗所用之材料，有10 mL塑膠注射筒和橡皮管等，如相片一所示。   相片一：橡皮管（左）與10 mL塑膠注射筒（右） 3.        器材：本實驗中所用之器材為攜帶型數字顯示天平和熱熔膠（槍），如相片二所示。   相片二：攜帶型數字顯示天平（左）和熱熔膠槍（右） n  微型質量守恆裝置之設計與組合 1.        用熱熔膠在2支10 mL塑膠注射筒之上下固定成「並聯式塑膠注射筒」，如相片三所示。 相片三：並聯式塑膠注射筒 2.        取一條長約7 cm之橡皮管，將其兩端分別接在並聯式塑膠注射筒前端上，即完成「微型質量守恆定律裝置」之組裝，如相片四所示。    相片四：橡皮管（左）、並聯式塑膠注射筒（中）以及微型質量守恆定律裝置（右） n  實驗操作 1.        將連接在並聯式塑膠注射筒上的橡皮管拔離。 2.        分別在注射筒前端各別接上一支去掉針尖的注射針，並分別插入測試溶液中抽反應物溶液各5 mL，然後再將注射針拔離，分別用一粒塑膠塞塞住並聯式塑膠注射筒備用。 3.        將並聯式塑膠注射筒上之塑膠塞分別拆離，然後將橡皮管兩端分別接在並聯式塑膠注射筒上。 4.        將攜帶型數字顯示天平之蓋子打開並歸零之，如相片五所示。   相片五：將天平蓋打開（左），並加以歸零（右） 5.        然後再將並聯式塑膠注射筒置於天平上秤量之，並記錄反應前之質量。 6.        反應前之質量秤完後，再從天平上取出並聯式塑膠注射筒，並緩慢地將其中一支注射筒中之溶液推擠至另一支塑膠注射筒中，當兩種溶液碰在一起時，便會即刻起化學反應，然後再將其置於天平上秤量之，並記錄反應後之質量。 7.        […]

創意化學實驗—環保手動肥皂機 葉凡愉、周明毅、王冠智、沈明勳、黃琴扉* 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所*chinf1027@yahoo.com.tw n  前言 環境教育為目前我們極力推廣的教育理念，也希望此理念可以與各領域學科知識做結合，像是學生們在進行科學實驗課程時，也可以更有感地關心到他們的生活環境。其中，環保意識、水汙染防治的概念，更是要推廣到中小學的學生，以落實環境教育。國中理化有教導學生天然肥皂、合成清潔劑的原理與製程，天然肥皂的原料取得是比較環保，對環境的汙染低；使用過後排放到水中後是可以被細菌分解的，不會產生泡沫汙染。然而，合成清潔劑的原料取得為石化產品，在生產的過程中，對環境的傷害很大，並且排放到水中後會產生泡沫汙染。另外，市面上販售的合成清潔劑，可能還含有增稠劑、珠光劑、保濕劑、人工色素、香料、殺菌劑及防腐劑等化學添加物，因此，使用此種合成清潔劑，可能會導致洗劑殘留在皮膚上，侵入人體，並且可能會造成皮膚或肝腎的病變，對人體相當不好。 製作肥皂的方式大致上分為四種：熱製法、冷製法、再生法、融化再製法。目前國中理化實驗課大致上都使用熱製法教導學生製作肥皂。但是在實驗過程中，我們發現到：若是選擇不適當油品或者是加熱溫度過高，會產生不好聞的味道；然後最後製成的成品，也不太容易乾燥，這導致學生最終也不敢使用自己製做的肥皂。此種製作肥皂的方式，雖然學生學習到了實驗技巧，但如果實驗後就把成品都丟掉，那此實驗對環境是不友善的。有鑑於熱製法因需要加熱，對學生有危險性，加熱過程中，也有不好聞的氣味產生，因此我們選擇使用冷製法製作肥皂。冷製法做肥皂的過程，是無需加熱，並且不會有異味產生。但缺點就是要準備許多的容器裝原料，學生會覺得此實驗用到的器具過多，不好整理；然後需要用打蛋器攪拌四~五個小時，此過程是疲累而且無趣的。我們就此兩個缺點發想了一個「環保手動肥皂機」，希望可以藉此肥皂機，讓大家做起肥皂是輕鬆、簡單、環保，並且是有趣的。 為了提供一個更環保、更方便製作肥皂的器具，許多研究人員以及國、高中的學生都投入了環保手動肥皂機的研發。綜觀之前所有製作肥皂的實驗課程，是非常繁複，並且需要許多的器具，因此本文作者發想，是否可以製作一個一體成型的器具，只要使用這一個器具就可以輕鬆製作出肥皂，也不需加熱，所以我們就改良了身邊要丟掉的食物攪拌器，希望可以達到廢物利用的精神，開發出一個全新的「環保手動肥皂機」，然後再搭配本文作者研發之肥皂配方，就可以製作出天然、環保、又可以使用之手工肥皂。 n  裝置設計與製造肥皂 一、材料和藥品 廢棄的食物攪拌器（1公升） 1個、氫氧化鈉 75公克（購自五金行和化工原料行）、椰子油 125公克、棕櫚油 150公克、橄欖油 225公克、冰塊 150公克、電子磅秤 1個、量杯 1個、皂模 5個、紙碗 1個，如相片一所示。      相片一：所需材料和藥品（由左而右排列） 二、設計與製造過程 1.        先量出冰塊約150公克（±20公克），加入廢棄攪拌器中，如相片二所示。 相片二：將冰塊加入廢棄攪拌器中 2.        量出氫氧化鈉75公克，放入一個乾淨的紙杯內，如相片三所示。 相片三：氫氧化鈉75公克 3.        一邊攪拌冰塊，一邊慢慢少量加入氫氧化鈉（若一瞬間倒入，怕溫度突然升高），一直攪拌到氫氧化鈉完全溶解在水中，鹼水就製造完成，如相片四所示。   相片四：攪拌食物攪拌器中的冰塊並且緩辦加入氫氧化鈉 4.          當鹼水完成時，把攪拌器放置在電子磅秤上歸零，慢慢倒入棕櫚油（150公克）、橄欖油（225公克）、椰子油（125公克），如相片五所示。   相片五：油品由我們改良的食物攪拌器上方漏斗倒入 5.        開始手動攪拌，攪拌約20分鐘左右，當皂化混合液呈現黏稠狀即可（注意液體中若有浮油，表示攪拌不完全，需繼續攪拌），且避免皂化混合液中有氣泡，因為皂化成形時肥皂中會有空洞，如相片六所示。   相片六：攪拌完成的肥皂（內無空洞產生） 6.        當肥皂混合液完全攪拌成功時，再慢慢倒入皂模中，放置在陰涼處約一星期脫模，如相片七所示。 相片七：將肥皂混合液倒入皂模中 7.        依上述步驟，製作並且使用「環保手動肥皂機」，環保好用的手工皂就完成了。 n  原理和概念 一、皂化反應     油脂在鹼性溶液中加熱，發生水解反應，產生長鏈脂肪酸鹽（肥皂）和副產物甘油。肥皂分為鈉皂和鉀皂，通常稱鈉皂為肥皂。若鹼性物質使用氫氧化鈉，則生成鈉皂。若鹼性物質使用氫氧化鉀，則生成鉀皂。皂化反應如式[1]所示。 油脂 […]