臺灣化學教育
Chemistry Education in TaiwanBlog Archives
導電塑膠聚苯胺的製備和測試 ／ 張芫睿、佘瑞琳
Monday , 6, May 2019 化學實驗室, 第31期/2019年5月 Comments Off on 導電塑膠聚苯胺的製備和測試 ／ 張芫睿、佘瑞琳導電塑膠聚苯胺的製備和測試 張芫睿、佘瑞琳* 國立臺灣大學化學系*shirlin@ntu.edu.tw n 前言 導電塑膠是一種新穎材料，有別於生活中一般作為絕緣體的塑膠，導電塑膠是一種能夠導電的高分子，它本身同時具有導體與塑膠此兩種南轅北轍的理化性質1。導電塑膠因材質輕和加工性佳而應用日廣，目前已發展出輕巧且適應性大的塑膠電池。導電塑膠又具有電致變色（electrochromism）特性，可在外加電場的作用下進行可逆的顏色與透明性變化。因此經過適當處理後可以製作成汽車的車窗玻璃，透過按壓一個按鈕，車窗由透明變成不透明，就能抵擋強烈照射的太陽光2。 本研究讓修習普通化學實驗的學生利用苯胺為單體，以化學氧化聚合和電化學氧化聚合二種方法合成導電塑膠聚苯胺。藉由量測聚苯胺的導電性和觀察聚苯胺之電致變色，瞭解這一新穎材料的製備方法與特性3-6。 n 原理與概念 目前已知作為導電塑膠的數種高分子如圖一所示。若分析這些高分子的結構，可歸納其主鏈（backbone）都具有共軛系統（conjugated system），此類高分子也稱為共軛高分子（conjugated polymer）。 圖一：常見的導電塑膠高分子結構 在化學中，共軛系統是連接的p軌域系統，在一分子中具有離域電子（delocalized electrons），這通常降低此分子的總能量並增加其穩定性。共軛系統通常表示為具有交替的單鍵和多鍵（雙鍵和三鍵）、孤對電子、自由基或碳正離子（carbenium ions）可以是系統的一部分，其可以是環狀、非環狀、線性或混合的。7此共軛系統是高分子能導電的第一要件。由於具共軛系統的高分子主鏈上有一連串原子的p軌域排列，而得以相互重疊，如圖二所示。連接的p軌域越多，使p軌域重疊的範圍增大，如此一來，當有自由電子在這條高分子主鏈上，在高分子的兩端施加電壓時，自由電子就能在這些區域順著電動勢（electromotive force）移動2。 圖二：共軛系統中各原子連接的p軌域 本實驗利用苯胺為單體，以過硫酸銨為氧化劑進行化學氧化聚合（見圖三）合成聚苯胺。另以電解法，將苯胺單體經電化學氧化聚合在導電玻璃上。藉由量測製備所得聚苯胺的電阻和串聯LED燈測試發光，驗證其導電性。本實驗同時觀察測試聚苯胺的電致變色之特性。 圖三：化學氧化聚合法製備聚苯胺 n 藥品、器材與材料 一、藥品 每組用量：0.4M苯胺鹽酸（C6H5NH2·HCl）溶液5mL、0.5 M過硫酸銨（(NH4)2S2O8）溶液5mL、0.5 M苯胺硫酸（C6H5NH2·1/2H2SO4）溶液7mL、95%酒精（C2H5OH）10mL、20%食鹽（NaCl）水溶液7mL、pH 2.5鹽酸水溶液20mL。 二、器材與材料 每組用量：直流電源供應器與鱷魚夾連接線1組、三用電表與鱷魚夾連接線1組、雙頭鱷魚夾連接線（10cm）1條、5mm透明帽LED燈1個、長條濾紙（2cm × 4 cm）1片、導電玻璃（2cm × 2 cm）1片、載玻片1片、導電用銅線2條、長尾夾2個、鑷子1支、50mL燒杯3個、30mL燒杯3個、計時器1個、直尺1支、膠帶10cm、吹風機1台。 三、藥品配製 l 0.4 M苯胺鹽酸溶液：秤取2.59 g（0.020 mol）苯胺鹽酸鹽（C6H5NH2·HCl，莫耳質量：129.59 g/mol），配製成50 mL水溶液。（注意：苯胺為毒性化合物，具刺激性，應戴乳膠手套操作）。 l 0.5 M過硫酸銨溶液：秤取5.70 g（0.025 mol）過硫酸銨（(NH4)2S2O8，莫耳質量：228.18 g/mol），配製成50 mL水溶液。 l 0.5 M苯胺硫酸溶液：秤取3.55 […]
參加2016 BCCE並發表普通化學實驗翻轉教學 ／ 佘瑞琳
Tuesday , 1, November 2016 國內外化學教育交流, 第16期/2016年11月 Comments Off on 參加2016 BCCE並發表普通化學實驗翻轉教學 ／ 佘瑞琳參加2016 BCCE並發表普通化學實驗翻轉教學 佘瑞琳 國立臺灣大學化學系shirlin@ntu.edu.tw n 美國化學教育雙年會 2016年7月31日–8月4日於美國北科羅拉多大學（University of Northern Colorado, UNC）參加兩年一次的美國化學教育雙年會（Biennial Conference on Chemical Education, BCCE），2016年BCCE為第24屆，網站在：http://www.unco.edu/bcce2016/index.html。BCCE是全美國化學教育學者二年一次的盛大集會，每次大會均有來自全美國大專院校教師、學生及中學教師參加。近幾年也有越來越多亞洲、澳洲、歐洲、非洲、加拿大等學者與會。以今年為例，有來自23個國家，超過2000位教育者參加（見圖一）。每次的雙年會輪流在全美國各大學舉行，主辦學校均卯足勁動員全校師生辦理此一盛會，而鄰近主辦大學的高中教師也都能就近參加。本人有幸在歷年教務長經費支持下，得於2008年開始參加BCCE。每一次都會報告化學系在課程或實驗方面的教學成果。每一場分組討論會都能和與會者有許多對談和教學交流，對美國的化學高等教育有更深刻了解，並獲得新的教學靈感與啟發。以下為歷次所參加BCCE雙年會之主辦學校及報告主題： l 2016年，美國北科羅拉多大學（University of Northern Colorado, Colorado），普通化學實驗翻轉教學。 l 2014年，美國密西根州河谷州立大學（Grand Valley State University, Michigan），乾冰示範實驗。 l 2012年，美國賓州州立大學（Pennsylvania State University, Pennsylvania），導電塑膠聚苯胺實驗。 l 2010年，美國北德州大學（University of North Texas, Texas），民生化學與永續發展通識課程。 l 2008年，美國印第安那大學（Indiana University, Indian），化學多媒體示範實驗網頁。 圖一：2016 BCCE以世界地圖展示各參與國（左）及以圖釘代表各國參加人數（右） n 論文投稿與發表 每屆BCCE主辦單位會先邀請各界學者自行擬定主題，報名籌組工作坊或分組討論會。例如今年靜宜大學翁榮源教授即提出一個翻轉教室的分組討論會，其主題為Flipped Classroom Application in the University Chemistry […]
綠色化學創意競賽：序曲—替代實驗的開發 ／ 繆慧娟、周芳妃、詹莉芬、張永佶、佘瑞琳、謝幸娟、黃潔瑩
Sunday , 12, July 2015 本期專題, 第8期 ／ 2015年7月 Comments Off on 綠色化學創意競賽：序曲—替代實驗的開發 ／ 繆慧娟、周芳妃、詹莉芬、張永佶、佘瑞琳、謝幸娟、黃潔瑩綠色化學創意競賽：序曲—替代實驗的開發 繆慧娟1, *、周芳妃2、詹莉芬2、張永佶2、佘瑞琳3、謝幸娟4、黃潔瑩4 1工業技術研究院綠能與環境研究所 2臺北市立第一女子高級中學 3國立臺灣大學化學系 4臺北市立松山高級商業家事職業學校 *cmiao@itri.org.tw n 緣起 2006年11月，工業技術研究院綠能所團隊承辦教育部環保小組（資科司環境及防災教育科前身）化學品資訊化管理計畫，針對大專校院實驗室購買藥品的方式以及高中職以下學校無專責人員管理的現況，設計了一套簡便又能符合法規要求的「教育部化學品管理系統」，透過網際網路提供給全國各級學校免費使用。經由國立陽明大學在環安人員林晏夙小姐的努力推動下，全校使用此系統至今已持續8年。 2009年9月，因應學術機構運作毒性化學物質（以下簡稱毒化物）管理辦法修正公告，學術機構之運作單位運作毒化物，應逐月填寫毒化物運作紀錄申報表，並經委員會審核後，由學術機構採用網路傳輸方式，向毒化物所在地之主管機關申報前一年毒化物運作紀錄申報表。因此「化學品管理系統」升級為「化學品管理與申報系統」（網址：http://chem.moe.edu.tw/），並於2011年與環保署毒化物申報系統整合，學校實驗室只要落實填寫每日的毒化物運作紀錄，系統會自動彙整成全校的申報資料，學校負責申報的人員只要確認資料內容點選申報，即可同步將申報資料傳至環保署完成申報。教育部化學品管理與申報系統，如圖1所示： 圖1：教育部化學品管理與申報系統網站首頁 2010年9月，高中以下學校運作毒化物，因藥品採購年代久遠或管理人力不足，欠缺申請登記備查資料或採購核可文件，造成藥品廢棄時因文件不足導致無法聲明廢棄；有時廢棄數量過少或缺乏處理經費等原因，也增加學校辦理廢棄物處理作業困難。在教育部的積極協調與各縣市教育局處協助下，目前使用列管毒化物的學校已由444校遞減為241校，減少了46%。 n 替代實驗 2012年1月，我們開始思考若從實驗的源頭設計不使用列管毒化物，不僅能降低學生接觸高危害性化學品的風險，也能避免學校因違法而受罰。於是教育部召開「高中職及國中小課程中使用危害物質之替代方案」第一次專家諮詢會議，會議中決議邀請北一女中周芳妃老師團隊協助進行高中化學實驗使用毒化物的替代實驗，研究施行方法步驟： 1. 研擬實驗流程 2. 進行實驗試作 3. 完成交互實驗 4. 撰寫實驗報告 5. 審查實驗報告 6. 進行實驗或修改 7. 完成實驗報告 8. 進行專家諮詢會議 9. 提供替代實驗報告給教育部參考 後續在北一女中周芳妃老師、詹莉芬老師、張永佶老師和王美琴小姐、台灣大學佘瑞琳老師團隊與松山工農王麗華老師、謝幸娟老師和黃潔瑩老師及其學生們的協助下，共計完成了14個替代實驗。替代實驗的研發團隊如圖2~3所示： 圖2：替代實驗的研發團隊 圖3：替代實驗的研發團隊 研發團隊開發十四個替代實驗的名稱及其具體成果如下： 1. 平衡常數與勒沙特列原理／替代列管毒化物：使用氯化亞鈷水溶液替代列管毒化物鉻酸鉀和二鉻酸鉀。 2. 化學電池／減量減廢：所有試劑體積減少為原實驗的0.1倍，且此試劑可以保存重覆使用。 3. 鋅銅電池／減量減廢：所有試劑體積減少為原實驗的0.1倍，且此試劑可以保存重覆使用。 4. 氧化還原之滴定／替代列管毒化物：使用過錳酸鉀替代列管毒化物二鉻酸鉀。 5. 含氯漂白水與鹽酸的不相容反應／認識實驗安全：以日常生活中市售商品設計實驗，學習認識含氯漂白水與鹽酸的不相容反應，並學習簡易消除毒性氯氣的方法。 6. 醇、醛、酮性質之探討／替代列管毒化物：使用低於24%的甲醛替代列管毒化物37%的甲醛。替代列管毒化物：使用過錳酸鉀替代列管毒化物二鉻酸鉀。 7. 簡單電解實驗／減量減廢：原使用試管試驗，現改用點滴實驗，實驗結果明顯且大幅降低藥品用量和廢污產量。替代列管毒化物：使用辛烷替代列管毒化物環己烷。認識實驗安全：使用塑膠針筒取代U型玻璃管，操作上較安全。 8. […]