原子與電子理論的建立和發展（上） 李啟讓1*、陳文靜2 1國立屏東女子高級中學 2高雄市立高雄女子高級中學（退休） *li483739@yahoo.com.tw n  古希臘原子說 在科學發展史上，一個古老的問題是：「物質組成最小的單元是什麼？」從幾千年前，東西方的哲學家們，都在思考這樣一個問題：把一個物質持續不斷的分割下去，最後是否有最小的微粒？古希臘哲學家對於物質組成最小的單元這個問題，有兩派不同的看法。一派看法是：物質的組成最小的單元都是連續的微粒，可以無限分割下去，最後的最小單元是可分性。另一派看法是：物質組成最小的單元都是不連續的微粒，持續分割下去、最小的單元是不可分性。古希臘哲學家德謨克利特（Democritus，460~370 B.C.）（圖一）接受了物質組成最小的單元是不連續的，物質持續分割下去，最後的最小單元是不可分性的觀念。德謨克利特稱最小單元為「ατομ」，就是「不可分割」的意思。近代日本人引進西學，將最小單元稱之為「原子」。德謨克利特進一步提出：宇宙萬物，都是由多樣多種極小原子所構成。德謨克利特認為原子是一種不可分割、內部沒有空隙可分割的最小單元。但原子在空間中不停的運動時，不同的原子會因為互相碰撞組合成不同的物質，而形成了宇宙萬物。古希臘原子說提出後，經歷約2000年始終沒有經過實驗的驗證，而停留在虛玄的思辯中，因此古希臘原子說只是一種臆測性的原子說。 圖一：古希臘哲學家德謨克利特 （圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Democritus） n   原子論的出現 直到1803年英國人道耳頓（John Dalton，1766~1850）（圖二）歸納「質量守恆定律」、「定比定律」和「倍比定律」等實驗結果提出原子論，道耳頓原子論的內容包括：(1)所有物質都是由原子所組成，原子是不可再分割的最基本粒子。(2)同一種元素的原子，具有相同的質量及性質，不同種元素的原子，其質量和性質不同。(3)不同元素的原子能以簡單的整數比結合成化合物。(4)化學變化是化合物中的原子重新排列組合，原子的種類、數目不變。 化學新時代是從道耳頓原子論提出後開始，原子論使化學發展從微觀物質結構去揭示巨觀化學現象的本質。也為化學家提供了解決實際問題的重要理論基礎，化學上已經發現的化學計量的經驗定律，如質量守恆定律、定比定律、倍比定律、原子量都能用原子論加以解釋。 圖二：英國人道耳頓 （圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/John_Dalton） n  從原子到分子 法國化學家給呂薩克（Joseph Louis Gay-Lussac，1766~1850）（圖三）進行氣體反應實驗時發現，用2個體積的氫氣和1個體積的氧氣化合，得到2個體積水蒸氣，反應式[式1]如下： 氫氣（2個體積） ＋ 氧氣（1個體積） à 水蒸氣（2個體積）…… [式1] 給呂薩克經由實驗結果提出氣體化合體積定律：氣體物質在定溫定壓下反應時，反應物和生成物的體積恆成一簡單的整數比。 圖三：法國化學家給呂薩克 （圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Louis_Gay-Lussac） 道耳頓試著用原子論解釋氫氣與氧氣化合生成水蒸氣，出現兩種可能性的解釋： 可能性一：在相同溫度相同壓力下，同體積的氣體含有相同原子數觀點，以圖四可解釋反應體積比應該是2：1：2，但是原子被分割違反道耳吞原子論。 圖四：以同體積的氣體含有相同原子數觀點解釋所產生的矛盾 （圖片來源：教育部教學資源，https://isp.moe.edu.tw/resources/search_content.jsp?rno=1677532） 可能性二：由所有物質都是由原子所組成觀點，依圖五所示以原子論來推論此反應體積比應該是2：1：1，但不符合實驗結果2：1：2，使道耳頓原子論陷入困境。 圖五：依據所有物質都是由原子所組成觀點推論與實驗結果不吻合 （圖片來源：教育部教學資源，https://isp.moe.edu.tw/resources/search_content.jsp?rno=1677532） 道耳頓原子論與給呂薩克氣體化合體積定律的學術爭論引起義大利科學家亞佛加厥（Amedeo Avogadro，1776~1858）（圖六）的極大興趣，他仔細的分析雙方的論點的論據，終於找到問題的癥結，提出分子論的假說。他認為分子是由特定種類與數目的原子構成，分子是保有物質基本性質的最小粒子。 圖六：義大利科學家亞佛加厥 （圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Amedeo_Avogadro） 他並提出亞佛加厥假說：在同溫、同壓下，同體積的任何氣體含有相同數目的分子，假說延伸：在同溫、同壓下，反應時氣體體積比＝反應時氣體分子數比，亞佛加厥以分子的概念成功解釋了氣體化合體積定律。以氫氣與氯氣反應生成氯化氫為例，如圖七說明：道耳頓原子論認為氫氣與氯氣都是由一個原子組成，而亞佛加厥分子論認為氫氣與氯氣都是由兩個原子組成，兩種理論在解釋給呂薩克氣體化合體積定律出現不同的結論。 圖七：亞佛加厥假說的圖示 （圖片來源：翰林文化，基礎化學一） 亞佛加厥分子論對原子論做了繼承與發展，使我們發現了另一個新的物質微粒叫做分子。亞佛加厥引入分子概念，把分子與原子既區分開來，又相互發生關聯，推動了化學的發展。 n  原子也是可以分割的 “原子不可分”的古老觀點，這種信念被十九世紀末一個接一個的科學發現打破了，主要是放射性物質和電子的發現。英國物理學家湯姆森（Sir Joseph […]

原子與電子理論的建立和發展（下） 李啟讓1*、陳文靜2 1國立屏東女子高級中學 2高雄市立高雄女子高級中學（退休） *li483739@yahoo.com.tw 【承《原子與電子理論的建立和發展（上）》】 n  波耳的氫原子模型 拉塞福原子模型認為電子繞核做圓周運動，如同行星繞著太陽運轉一樣。隨著科學的發展，依據古典電磁學理論，當電子繞原子核做圓周運動時，必然產生向心加速度，電子就會不斷輻射電磁波而釋放能量，使電子做螺旋運動，最後墜落在原子核上（圖十二）。但事實上，大部分的原子是相當安定的，與自然的事實不符合，因此必須重新修正原子模型。 圖十二：電子在核外運動的示意圖 （圖片來源：龍騰文化，選修化學上） 丹麥物理學家波耳（Niels Henerik David Bohr，1885~1962）（圖十三）認為：按照拉塞福原子模型，原子結構問題和天體問題很相似，然而詳細的考慮就會發現到，在一個原子和一個行星體系之間是存在一個很根本的區別。原子必須具有一種穩定性，這種穩定性顯示出一種完全超出力學理論之外的特點。 圖十三：丹麥物理學家波耳 （圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Niels_Bohr） 在1913年，波耳為了解釋氫原子放射光譜是具有特定波長的譜線，因而提出氫原子模型，其中兩個基本假設如下： 第一個假設：氫原子的電子只能在原子核外特定距離的軌道做圓周運動，此時電子不輻射電磁波而呈穩定態。 每一個符合第一個假設之條件不同軌道運動的電子，都給予一個n值，n = l、2、3⋯都相當於一個穩定態。這些軌道由內向外分別以n = l、2、3⋯⋯等正整數表示。n = 1 的軌道最接近原子核，其半徑最小，是能量最低的能階；n值愈大的軌道，離原子核愈遠，半徑愈大，能階的能量愈高。氫原子在各能階中所具有的能量，可以下列公式[式3]表示： E n= – 2.179 x 10-18/n2 (J)  ，n = l、2、3⋯  [式3] 第二個假設：電子從高能階（nH）[式4] 躍遷回到低能階（nL）[式5]，電子將以電磁波的形式釋出能量（∆E）[式6]。 EH = – 2.179 x 10-18/nH2 (J)    [式4] EL = – 2.179 x […]

化學學科行動學習翻轉式教學實例分享 翁榮源 靜宜大學應用化學系 zyown@pu.edu.tw 全國教育界都在瘋迷翻轉式教學，非常榮幸地在2014/12/6能聽到台北市麗山高中藍偉瑩老師的分享，尤其是她所使用的翻轉化學教學實例演練，更讓我們在大學教化學的老師汗顏，正好下學期的基礎化學課程就可以派上用場。雖然整個過程沒有用新科技的輔助，但是流程中充滿了行動學習的巧思，非常值得化學老師效法以及發揚光大。 n   第一個概念：碰撞學說（翻轉教室工作坊藍瑋瑩老師實作內容） 圖一：花媽相撞 （圖片來源：http://blog.yam.com/Deflit/article/68436506） 藍老師首先使用的是花媽相撞的圖片（圖一）進行分組合作學習，每個問題討論五分鐘將結果寫在白色圖畫紙上以供討論，最令人激賞的是藍老師所使用的學思達教學沒有用加分&抽籤等技巧，透過小組討論時老師的觀察結果挑選最適當的學生上台進行逐步的觀念解析及引導。從兩個人相撞如何使對方受傷為起點，開始導入最有效的碰撞為頭對頭，只撞肩膀力量不夠，而且要死命的撞其要害。也就是碰撞理論中最重要的能量&方向的概念。過程中藍老師故意地找錯誤答案同學上台說明，藉以扭轉大家的錯誤觀念，最後再引導出產物形成的原因，說明鍵結的斷裂與形成觀念。過程中兼具了問題引導與合作學習的知識建構痕跡，當然最重要的是所有與會同學都深入的瞭解了化學反應的碰撞理論，尤其是同組有點科學白癡的國文老師都點頭稱讚不已，足以證明類似的化學教學翻轉行動確實能徹底改善學習過程。 本次藍老師教學的重要對話如下： 1.        要撞頭 2.        要大力撞 3.        要撞對人 4.        撞到軌道重疊、互相吸引、降低能量、穩定狀態 5.        龍交龍鳳交鳳，最後Br-Br終成眷屬 6.        增加濃度可以增加個體數目，加熱可以增加個體運動能量 一、粒子模型 綜合藍老師的翻轉化學教學，整體的學習過程我們一致發現有三個特點： 1.        小組成員討論時，一般的組員不瞭解問題的內涵，但透過小組的溝通就知道到底是怎麼一回事，這是一般上課時較難做到的。 2.        點到上台發表答案的同學是故意找錯誤答案小組，從其解釋中發現正確答案的方向。 3.        事先準備好上課單元的主要內容，在小組報告引導過程逐步加入知識，讓學生自己建構出知識。 4.        知識本身都是由學生口中說出來，而不是老師直接敘述完成。 發生了反應的碰撞。滿足有效碰撞的條件： 能量：足夠的動能（sufficient KE）（至少要等於低限能）。 位向：方向要正確（correct alignment）。 二、  碰撞學說內容 (a)      化學反應的發生必須反應的粒子互相接近並發生碰撞才能發生反應，這種理論稱為碰撞學說。 (b)     碰撞不一定能產生化學反應，只有極少數的碰撞引起反應，大部分的碰撞只是反應粒子間的互相碰撞，但並未引起反應即分開。 (c)      能引起反應的碰撞情形稱為有效碰撞。 三、  有效碰撞的條件 (a)      碰撞之粒子必須具有足夠的能量。粒子的動能必須超過低限能，在一定溫度下，粒子具有一定的平均動能，但個別粒子的動能並不相等，而是從低能至高能呈曲線分布，其中只有分布於低限能右邊的粒子才具有足夠的能量，產生有效碰撞。 (b)     碰撞時粒子必須具有適當的位向。反應粒子碰撞時，因能量不足或是位向不適當，即使碰撞次數再多，也不能引起化學反應，這樣的碰撞稱為無效碰撞。 n   第二個概念：酒精燃燒（靜宜大學應化系翁榮源教授分享） 在介紹有機化學單元與生質乾淨能源時使用。 […]

學思達教學的啟示與登場— 我在十四年教學生涯之後的全面革新 羅勝吉 國立臺東高級中學 icometothee@gm.pttsh.ttct.edu.tw n  前言 一、與學思達的因緣際會 最近一年，在高中、國中及小學教學現場，吹起了一股「學思達」（自學、思考、表達）旋風。當這股旋風吹到台東時，我雖報名參加了中山女高張輝誠老師的學思達教師研習，心裡卻是百感交集：我心想這會不會只是另一個教改噱頭？中山女高行得通，我們學校行得通嗎？國文科適用這套教學法，化學科適用嗎？ 我不得不承認，我們都習慣留在舒適圈，很難被改變！但這套教學法若真能讓教師上課輕鬆，學生神采奕奕、精神專注，我又何樂而不為呢？因此，我在103年暑假下了一個勇敢的決定：我願意改變，並把過去自己以為懂得的先擺在一邊，進行我的另類化學實驗，找出「學思達教學」在高中化學科的具體操作策略。 二、單向口述式教學的效果有多差？ 首先，讓我們回顧美國學者艾德格‧戴爾（Edgar Dale）提出的「學習金字塔」理論：在初次學習經過兩週後，透過講授學習能夠記住內容的5%；透過閱讀學習能夠記住內容的10%；透過視聽媒體學習能夠記住內容的20%；透過教師示範學習能夠記住30%；透過參與討論、提問來學習能夠記住50%；透過從做中學能夠記住70%；若教別人或進行口頭報告則能夠記住90%。 張輝誠老師在講解學思達教學時亦使用此理論（見圖1），在研習中有一句話，一直到今天仍讓我覺得印象深刻：「學生在課堂中針對問題聊上幾句，也都比你從頭講到尾還要好！」我真汗顏，原來我若沒有搭配其他的教學活動，僅利用單向口述的方式進行講課（即便使用教學投影片），效果竟然這麼差！ 圖1：學習金字塔（引自張輝誠老師推廣學思達教學投影片） 三、其實學生一直都在自學 在改變教學方式的初期，有一個想法一直打擾我，就是「學生能夠自學嗎？」也許這也是大多數的教師不敢使用學思達教學法的主要原因。在大多數教師的心裡可能有一種想法，「我自己教比較保險吧！」 雖然這麼說對高中時期的數學老師是大不敬，但這的確是我坦然接受「學生能夠自學」的主要原因。高中時，數學老師的教學進度很快，一題還沒有學會，緊接著就是下一題，這逼得我只好在上課時自己看自己的，為了能夠追上老師的教學進度。 雖然這樣的學習很無奈，也很不安—很想認真聽老師講課，卻永遠跟不上老師的進度。遺憾的是，在我任教的初期，我依然使用這種方式對學生進行填鴨教育。 四、終於知道學生上課無法一直維持專注的真正原因了 我一直也不明白為何在學生口中幽默、風趣的我，只要講課超過15分鐘，學生大都無法像剛開始時那樣集中注意力：有的開始聊天，有的面露無奈，有的低頭沈思，甚至有的在偷滑手機或趴在桌上睡覺；但也有的體諒老師的心情，仍然看著我繼續講課。在學思達教師研習中，張輝誠老師提醒我們，請記住，一般人只有15至20分鐘的專注時間！目前一節課卻有50分鐘，若不藉著學習樣貌不斷的切換，怎能一直維持學生的專注呢？難怪從前我以單向口述的方式，從頭到尾講一節課，他們不從學習中逃走才怪！ 五、因為這樣做，才是真正對你們有利！ 暑假以前，我有時會問學生說，「最近回家有讀書的舉手」，「有花時間思考這個題目的舉手」，結果通常是寥寥無幾…因此我鼓勵他們，「要多花時間讀書」、「要多思考」、「要學習表達」，但又有幾個學生能夠做到呢？ 後來輾轉得知學生回家沒有辦法讀書或思考問題的真正原因，他們說，「上課時沒有學會，回家怎麼讀啊？」另外，「就算想問，也找不到了人問啊！」我很慚愧，原來這就是實情，不僅他們在課堂上沒能學會我所教的，而且下課後想問也找不到了人問… 我反問自己，「為什麼我不在課堂上就訓練學生讀書呢？」學生在校時，有的是同學，「為什麼我不善用分組合作學習的方式，讓小師傅教小徒弟，合作求學問呢？」 另一方面，在傳統的教學中，其實很難掌握學生的學習狀況。在一次擔任高三模擬面試教師的過程中，我問了欲報考化學相關科系的學生一個問題，「請問什麼是官能基？」面對學生的答題狀況，起先是驚訝，因為幾乎沒有一個學生可以說出正確而完整的答案；後來我是感到相當羞慚，原來我們的教學成效這麼差！ 我自問，「為什麼要等到高三模擬面試這一天才來訓練學生的思辨與表達能力呢？難道不能在平時的教學活動中，就訓練學生這方面的能力嗎？」 因此，我告訴學生，「我將善用課堂中的每一分鐘，透過學思達教學活動，不但讓你們覺得上課有趣，完成所有的學習，並要訓練你們養成一生受用的能力。因為這樣做，才是真正對你們有利！」學生欣然的接受了，另類的化學實驗於焉展開。我也深信，「天天來，就厲害」，而且「訓練過後就會很不一樣！」 n  如何進行學思達教學？ 一、學思達概說 接下來就要跟大家介紹如何在高中化學科的課堂上進行學思達教學。 學：放手讓學生閱讀課本找答案，進行自學。 思：進行分組討論，提供學生思考、討論、合作的機會。 答：在組內教同學，或上台講解問題的答案，訓練學生表達的能力。 而學思達教學的成敗關鍵在於：事先分組、課前製作「以問題為主軸」的講義以及教師引導學生說出正確的答案。這三項若具備了，可說是已成功了一半。 因此，我將著重的說到這三方面： 1.      關於分組方面，我採用了林健豐老師「區分性ABC教學法」的概念，每組都要有上、中、下等不同程度的同學。進行分組討論時，以強帶弱，讓學習力強的學生有成就感，學習力弱的學生有參與感，各得到訓練。 2.      學思達講義的製作，用「問答題」形式，取代「選擇題」（見附件一）。主要原因是問答題才能引發好奇心，並刺激思考。由於進行學思達教學需要在課堂中進行閱讀、分組討論、上台回答問題等學習活動，因此必須教的少。至於沒教到的怎麼辦呢？放心，學生學會了，自然能夠舉一反三，進行加深加廣的學習。下列提供一些編寫講義的原則作為參考： (1)   清楚教學目標（參課綱、授課指引）。 (2)   瀏覽課文，並把課本的範例、練習題、習題等全部做過一遍。 (3)   找出核心概念。 (4)   利用核心概念繪製教學地圖。 (5)   製作問題引導式的講義。 3.      至於要如何引導學生回答問題呢？在這個過程中，教師的角色轉型為「主持人」與「追問者」。學生答不出來或答錯了，都非常重要，要逐漸引導讓他們想出答案！（切記不能講出答案）學生答對的，還要不斷追問，以幫助學生掌握重點、釐清觀念、思索更深的難題。最後統整所有的答案，再一次給學生正確解答。 二、學思達的具體操作模式 (一)整體授課模式 […]

創意微型實驗—微型化學噴泉 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw 蠟燭的燃燒實驗是眾所皆知的一項很有趣之化學實驗，其過程是將燃燒蠟燭固定在裝有少許水之小水槽中，然後用一個廣口瓶將其蓋住。當蠟燭逐漸熄滅後，可見到小水槽中之水會漸漸減少，甚至會不見了，此一過程看起來似很神奇。其實這就是因在廣口瓶內燃燒的燭火需要消耗氧氣來幫助蠟燭燃燒，一般而言乾淨的空氣中氧氣約佔有五分之一（20.94 ~ 20.95%），等到瓶子內的氧氣消耗至某一程度，再加上蠟燭燃燒時會產生不助燃的二氧化碳氣體及一些熱氣，終將燭火慢慢減弱，最後就會熄滅。在此一過程中，經些微冷卻、部分二氧化碳溶於水中以及氧氣減少等因素而導致瓶子內的壓力比瓶子外的壓力（一大氣壓）來得低。因此瓶子外邊水會受到瓶外大氣壓力的影響被壓入瓶子內，而使瓶子外面的水逐漸減少，甚至於全部進入瓶子內，看起來似乎把瓶子外面的水變不見了，此一現象是不是會覺得很神奇呢？ 中醫師早期幫病人拔罐的過程中，是用一種傳統的火罐法，也就是利用1至2根燃燒的火柴，迅速將其丟入小小的廣口瓶內，然後很快的將瓶子往病患有疼痛或有內傷的肌肉部位貼上去，等瓶內之火柴熄滅後，瓶子就會牢牢的被肌肉吸住，再過一會兒就會看到有疼痛或有內傷的肌肉在瓶口內會出現淤青的現象。本實驗主要目的是要讓學生來觀察火柴燃燒的另一神奇的現象，利用燃燒的火柴置入一個密閉的瓶子內，而使瓶子外面的水經由導管進入瓶子內而以噴泉的方式噴出，如同瓶內噴泉。 n  原理 燃燒的火柴使瓶子內會幫助燃燒的氧氣消耗一些及瓶子內氣體受到熱漲冷縮的結果，使瓶子內的壓力降低，由於瓶子內外有壓力差，因此能使瓶子外面的水被引入瓶子內，而水進入瓶子內是經由細小導管進入，再經由細小的噴口而噴出有如噴泉似的現象，因此將之稱為『微型化學噴泉』，其製作過程如下： n  藥品與器材 製作微型化學噴泉所需之藥品與器材，如相片一所示。 火柴 塑膠三角瓶 橡皮塞 橡皮管 注射針頭 塑膠三通活栓 相片一：製作微型化學噴泉所需之藥品與器材 n  微型化學噴泉之設計與製作過程 利用相片一中之塑膠三角瓶、單孔橡皮塞、磨平注射針、塑膠三通活栓及橡皮管等材料來組裝成一套「微型化學噴泉裝置」。 1.          將一個7號橡皮塞的中央處鑽一個小孔而成單孔橡皮塞，如相片二所示。 相片二：單孔橡皮塞 2.          把一粒塑膠三通活栓的側管切掉，並用熱熔膠將側管塞住而成塑膠雙通活栓，如相片三所示。   相片三：塑膠三通活栓（左），塑膠雙通活栓（右） 3.          將一支注射針頭的針頭尖端剪掉而成尖端磨平之注射針頭（比較安全），如相片四所示。 相片四：尖端磨平注射針頭 4.          將磨平的注射針頭插入單孔橡皮塞中，如相片五所示。 相片五：注射針頭插入單孔橡皮塞中 5.          在塑膠雙通活栓的下方接上一條15 ~ 20 cm長的橡皮管，如相片六所示。   相片六：塑膠雙通活栓的下方接一條橡皮管 6.          在塑膠雙通活栓的上方，再插入單孔橡皮塞上的注射針的塑膠接頭上，如相片七所示。   相片七：塑膠雙通活栓插入注射針的塑膠接頭上 7.          最後把橡皮塞塞在塑膠三角瓶的瓶口，如相片八所示。 相片八：橡皮塞塞在塑膠三角瓶的瓶口 8.          依上述步驟組合完成了一套「微型化學噴泉裝置」，如相片九所示。 相片九：組合完成的微型化學噴泉裝置 n  […]

創意微型實驗—微型氧氣製備裝置 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw 在國中和高中化學實驗中有關氧氣製備之實驗，其裝置是採用傳統式氣體製備裝置（相片一），此套裝置皆是由玻璃器材組成，由於組裝不易且實驗費時，耗用藥品也較多，易造成污染，實驗後清洗不易。因此本人設計改良而成一套「微型氧製備裝置」。此套裝置曾榮獲1997年中華民國第八屆發明與創新展覽會一等獎及特別獎（見附註一），並於1998年以「簡易氧氣製造供應器」獲得中央標準局新型第138233號專利（見附註二）。本裝置曾於1998年在高雄市教師研習中心舉辦之簡易化學實驗教具製作研習，以及本省南區和澎湖等八縣市及金門縣舉辦國中理化科減量減廢改良實驗推廣研習中加以製作與實驗，另於2001年至2002年間在教育部經費支助之下，特別選擇在屏東縣及高雄縣偏遠地區、離島及山地學校等八所國民中學舉辦校內師生研習活動，曾參與研習之教師與學生合計約有三、四百位，每位教師與學生均感到此一裝置器材簡單、製作容易、操作方便、效果正確，此外又可減少很多藥品之消耗，降低污染程度，真可謂之為一兼具有減量減廢環保理念之綠色實驗，實值得在進行活動取向之化學教學中加以推廣使用。於此特將「微型氧氣製備裝置」之設計與組裝過程與在化學教學上之應用詳述如下： 相片一：傳統式的氣體製備裝置 n  微型氧氣製備裝置之設計與製作 一、  材料、器材與藥品 （一）     材料與器材（相片二） 塑膠注射筒（35 mL）1支、注射針1支、通塑膠活栓（2-way stopcock）1個、塑膠培養皿1個、塑膠噴霧瓶1個、單孔橡皮塞1 個、橡皮管（內徑3 mm，長20 cm）1條、塑膠試管1支、熱熔膠（槍）1 組    塑膠注射筒（左）、塑膠噴霧瓶（中）、雙通塑膠活栓（右）   塑膠培養皿（左）、熱熔膠（槍）（右）   注射針（左）、塑膠試管（右） 相片二：使用之材料與器材 （二）     藥品（相片三） 雙氧水（20％ H2O2）50 mL、二氧化錳（顆粒狀）數粒    雙氧水（左）、二氧化錳（中）、顆粒狀二氧化錳（右） 相片三：雙氧水與顆粒狀之二氧化錳 二、  設計與製作過程 （一）     微型氧氣製備裝置之設計 利用1支塑膠注射筒、1個雙通塑膠活栓及1個塑膠噴霧瓶等簡易器材，設計一套製備氧氣之「微型氧氣製備裝置」，可將藥品分別存放於塑膠注射筒及噴霧瓶內，要製造氧氣時可隨時使其發生反應。 （二）     製作方法 1.      將1支35 mL塑膠注射筒之活塞拔出，然後在距離注射筒上方3公分處用鑽孔器挖一直徑約1.5公分之孔洞，作為反應管，如相片四所示。   相片四：拔出塑膠注射筒之活塞，並在注射筒上挖一孔洞 2.      用熱熔膠將塑膠噴霧瓶之噴嘴黏在塑膠注射筒之孔洞中，如相片五所示。   相片五：將塑膠噴霧瓶之噴嘴固定在注射筒之孔洞中 3.      將2個大小相同的2個塑膠培養皿背對背用塑膠帶固定起來，如相片六所示。   相片六：用塑膠帶將2個塑膠培養皿背對背固定起來 4.      […]

創意微型實驗—微型化學花園 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw 生物體在良好的環境下會生長，然而在它的生長過程中我們並無法在很短時間內觀察到它的生長與變化。沒有生命的物體（如含有過渡金屬鹽類之化學藥品）在適當的環境中也會生長，有些在一分鐘之內就可看到它長大，而且在1~5分鐘的短時間之內便可以觀察到它的成長過程、變化與生長出來的形狀。 利用化學藥品如過渡金屬鹽類在一裝有水玻璃(Water Glass，矽酸鈉)溶液的透明小玻璃瓶中，過渡金屬鹽類不但不會溶解反而會慢慢地生長成類似海底美麗的珊瑚狀（化學珊瑚），此一化學珊瑚之形狀有如海底之景觀，故稱之為「海底世界（Seabed World）」，又稱為「化學花園（Chemical Garden）」。其製作方法如下： n  材料與藥品 製作微型化學花園所需的化學藥品與材料有透明的小玻璃瓶、水玻璃（矽酸鈉）、硫酸銅、硫酸鎳、氯化亞鈷及細沙等，如相片一所示。 相片一：製作微型化學花園所需的化學藥品與材料 ＊注意：1. 藥品不可用手觸摸，萬一碰到藥品應馬上用水沖洗乾淨。                 2. 為了安全，請戴上塑膠手套來用小刮杓來添加藥品。                 3. 氯化亞鈷晶體在空氣中容易潮解，使用完後要立刻將瓶蓋蓋緊。 n  原理 過渡金屬鹽類在水玻璃溶液中不會被溶解，而當過渡金屬鹽類表面與水玻璃溶液接觸時，過渡金屬鹽類中之銅離子、鎳離子、鈷離子等會與水玻璃溶液中之鈉離子進行陽離子交換，離子交換後便形成銅、鎳、鈷之矽酸鹽類薄膜，此一薄膜具有半透膜之性質，它只容許水玻璃溶液中細小的水分子透過半透膜滲透進入，當水進入半透膜至超過其滲透壓後半透膜便會裂開，致使內部新鮮之過渡金屬鹽類又與水玻璃溶液接觸，此刻過渡金屬離子又即刻與水玻璃中溶液之鈉離子進行陽離子交換，然後再度形成新的薄膜（半透膜），又再度容許水玻璃溶液中之水分子透過此半透膜進入，當水進入半透膜再度超過其滲透壓後，半透膜又會裂開又再度形成新的薄膜，依此類推，一直重複此一過程，就讓在水玻璃溶液中的化學藥品（過渡金屬鹽類）漸漸地長大而成化學珊瑚，不同過渡金屬鹽類之藥品長的速度和形狀都不一樣，看起來就如同海底的珊瑚景觀，因此就稱此化學珊瑚為「微型化學花園」，又可稱做「奇妙的海底世界」。 n  微型化學花園的製作過程 1.          在透明小玻璃瓶內倒入少量的水玻璃，約瓶身的1/5或1~2 c m的高度，如相片二所示。 相片二：玻璃瓶內倒入少量的水玻璃 2.          加水至九分滿，蓋緊瓶蓋後，再搖盪均勻，如相片三所示。 相片三：加水搖盪均勻 3.          分別依序加入上述三種藥品。 (1)     取一小刮杓藍色的硫酸銅晶體加入到水玻璃溶液中，如相片四所示。 相片四：加一小刮杓的硫酸銅晶體到水玻璃溶液中 (2)     取一小刮杓綠色的硫酸鎳晶體加入到水玻璃溶液中，如相片五所示。 相片五：加一小刮杓的硫酸鎳晶體到水玻璃溶液中 (3)     取一小刮杓紅色的氯化亞鈷晶體加入到水玻璃溶液中，如相片六所示。 相片六：加一小刮杓的氯化亞鈷晶體到水玻璃溶液中 4.          待三種藥品完全加入，經約1~2分鐘之後，再加入一小刮杓的細沙到水玻璃溶液中，如相片七所示。 相片七：加一小刮杓的細沙到水玻璃溶液中 (4)     旋緊瓶蓋後，靜置並觀察瓶子內之化學藥品在水玻璃溶液中的變化情形。 n  實驗結果 1.          分別各取一小刮杓藍色的硫酸銅晶體、綠色的硫酸鎳晶體及紅色的氯化亞鈷晶體等三種過渡金屬鹽類，依序加入水玻璃溶液中，然後靜置於桌面，在一分鐘之內所加入之藥品會開始慢慢地成長，經過一至十分鐘後，在瓶子中長出來的化學珊瑚，其形狀很像海底中之珊瑚非常漂亮，其生長情形如相片八所示。 相片八：過渡金屬鹽類在水玻璃溶液中不同時間內之成長情形 […]

創意微型實驗— 微型氯氣製備裝置及在化學教學上之應用 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw   利用一粒塑膠三通活栓及2支塑膠注射筒組合成一套多功能的微型氣體製備裝置，此套裝置可應用在不需要經加熱過程，即可反應製造出氣體的簡易多功能微型氯氣製備裝置，並可兼製備氯氣（Cl2）及乙炔（C2H2）等二種氣體。微型氯氣製備裝置可應用在化學實驗教學及演示趣味化學實驗—水中火泉（或稱水中煙火），以微型實驗教具來教化學原理與認識化學，可提升中學化學之學習動機、興趣與教學成效。 n  材料與藥品 材料：塑膠注射筒（25 mL） 2 支、塑膠三通活栓（Top 3-way stopcock） 1個 藥品：濃鹽酸、漂白水（或次氯酸鈉）、碳化鈣（電石或電土） n  微型氯氣體製備裝置之設計與製作 一、實驗裝置設計與製作 1.        準備一個塑膠三通活栓，如相片一所示。 相片一：塑膠三通活栓 2.        接1支 25 mL 的塑膠注射筒在塑膠三通活栓的上方。 3.        再接另 1 支 25 mL 的塑膠注射筒在塑膠三通活栓的側方。 4.        接在塑膠三通活栓上之 2 支 25 mL 的塑膠注射筒是互相垂直，而組成一簡易安全之「微型氯氣製備裝置」，如相片二所示。 相片二：微型氯氣製備裝置 二、實驗步驟 此套微型氯氣製備裝置操作非常簡單，每位學生皆可在上課中人手套，可兼製備氯氣（Cl2）及乙炔（C2H2）等二種氣體，本文將介紹利用此兩種氣體在水中之特殊反應來演示與操作趣味化學實驗—水中火泉（或稱水中煙火），實驗過程不一定要在實驗室中進行，在一般教室中自己的座位上或戶外場所皆可讓學生親自動手操作。其詳細製備與演示過程分述如下： (一)      氯氣（Cl2）的製備 1.        取 2 支 25 mL 的塑膠注射筒及一個塑膠三通活栓備用。 2.        […]