當藝術遇見化學：結合七彩焰色實驗於藝術與文學的教學中 周芳妃1, *、張永佶1、詹莉芬1、吳淑芳1、陳祖望1、李盈萱2、吳和臻1、陳怡孜1 1臺北市立第一女子高級中學2上海華東臺商子女學校*ffchou@gapps.fg.tp.edu.tw; fangfei7680@yahoo.com.tw n  前言 五光十色的煙火常令人目眩神移，拍手叫好。當代創作藝術家蔡國強先生的作品中，結合了東方文化的美學和哲學，將煙火爆破與流放色彩做恣意不羈的創意奔流，發揮創意的熱情正是我教育轉型的典範，其內涵也孕育了探究與實作的精神。以「神奇酒精凍與七彩焰色實驗」的課程設計—利用隨手可得的物品和簡易安全的化學藥品，把探究創作帶進實驗室，提供學生動手作的探索學習，透過互動式的自我探索，學習物質的採量、微觀世界的變因討論、色彩煙火的成因等團隊合作的學習模式，透過自評與他評的評量方式，尋找科學與藝術美學的脈絡，最後透過學生的內心世界結合課程發想，提起五彩的色筆繪出自我的浪漫色彩。學生體驗學習化學的精采與樂趣以及發表的文學設計，或許無法像蔡國強先生的創作能帶來對社會的省思與實踐，但這絕對不僅是一堂欣賞化學變化與多彩焰色的化學課，更是結合科學、人文與藝術的學習之旅。 本課程設計希望在中學實驗室中或一般教室裡，以安全簡單的裝置操作實驗，就可以呈現繽紛多樣的七彩焰色。本課程設計包涵兩項實驗，如圖1所示。第一項實驗為神奇酒精凍，將易燃的酒精燃料製做成固態的酒精膠體，大大提高燃燒實驗的安全，符合綠色化學精神。第二項實驗為七彩焰色，利用安全的酒精凍作為燃料，只要加熱微量的氯化銅固體與少量紙張，便能讓煙火的場景重現。 圖1：五光十色的煙火表演與「神奇酒精凍與七彩焰色」實驗裝置 n  原理和概念 一、  神奇酒精凍實驗 臺北市立第一女子高級中學（北一女中）學生蔡孟儒等人在民國92年的全國科展得獎作品「芳香酒精帶著走—探討促凝劑對酒精凝膠之影響」，研究發現以適當濃度的冰醋酸水溶液與氫氧化鈣固體中和，配製產生醋酸鈣飽和溶液，搭配一些植物香精、多元醇類或醣類，可以成功製作出固態的芳香酒精凍。酒精凍的微觀系統中涵蓋了很多種粒子間的交互作用（見圖2），包括了離子鍵與分子間作用力，以及離子與分子間的溶合作用，當酒精凍各成份的濃度比例條件都很適當時，而且成分均勻混和，再加上適當的靜置時間，微觀系統的多種交互作用就可達到平衡，使液態的酒精與醋酸鈣溶液變成固態的膠體。 圖2：酒精凍的微觀系統中涵蓋了很多種粒子間的交互作用 二、  七彩焰色實驗 北一女中學生李映璇等人在1997年的國際科展得獎作品「Green Chemistry—當毛細管遇到煙火」，研究以一隻小小的毛細管裝置，完成化學課本中許多熱分解實驗，並應用開發七彩煙火配方。發現藉著酒精燃燒時的火焰高溫，可使氯化銅的銅(II)離子上的電子因躍遷而產生特殊的焰色。如果在可燃物中加入碳，使火焰中也有碳粒存在時（類似還原焰），銅(II)離子就被還原成銅(I)離子或是銅原子。若加入足量酒精，或是反覆加入酒精進行燃燒試驗，氯化物逐漸轉換為氧化物，整個過程多種價數和型態不同的銅化合物所產生的焰色，將漸漸改變。 在本實驗設計中，採用安全的酒精凍、衛生紙、氯化銅三種容易取得的配方，就可觀察到依序多變的火焰顏色。從一開始先看到酒精和衛生紙燃燒產生的淡藍色、黃色、橘黃色火焰。接著，銅(II)離子產生綠色火焰，隨著衛生紙碳化過程，有些銅(II)離子也逐漸還原到較低氧化數狀態，就可以逐漸觀察到焰色由綠光轉變到藍光、紫光、白光等多層次的彩色光譜。若想要觀察到紅色火焰，則可以加入微量氯化鍶或硫酸鋰。 n  實驗器材與試劑 一、  神奇酒精凍實驗 每組用量：氫氧化鈣（每份0.5 g）、15~20%冰醋酸（10 mL，裝入小滴瓶中）、酚酞指示劑（一些）、95%酒精（25 mL，外觀無色）、工業酒精（25 mL，外觀粉紅色，含水量不確定）、混合酒精（25 mL，以95%酒精與工業酒精1:1混合，再加色素染成橘色，含水量不確定）、玉米塑膠杯（30 mL、有5 mL刻度線、2個）、塑膠滴管（1支）、玻棒或塑膠棒（1支）。 二、  七彩焰色實驗 每組用量：酒精凍（10~25 mL，一顆）、火柴或打火機（1個）、衛生紙（1張）、鋁罐（1個）、氯化銅固體（約綠豆大小的量）或大約1 M氯化銅水溶液5 mL（可用實驗回收的1 M硫酸銅加入氯化鈉固體調製）。化學試劑與相關的GHS安全資料，如圖3所示。   圖3：器材和試劑 （圖片來源：deltaMOOCx化學鍵綠色化學實驗，https://www.youtube.com/watch?v=mvRq-gLwwtQ） n  實驗步驟 一、  神奇酒精凍實驗 (一) 實驗步驟 1.        取0.5 g（或任意1小匙）的氫氧化鈣加入杯中，再加入1滴的酚酞指示劑，然後在杯中漸漸滴入15~20%醋酸溶液，每5~10滴醋酸就暫停，先用玻棒攪拌20~30下，再繼續加入醋酸溶液，直到酚酞的粉紅色褪色，如圖4所示。 圖4：配製醋酸鈣飽和溶液 （圖片來源：deltaMOOCx化學鍵綠色化學實驗，https://www.youtube.com/watch?v=mvRq-gLwwtQ） 2.        […]