利用手機App及雷切技術開發 高中化學探究與實作課程— 水中結晶紫的吸附去除與濃度測定 劉燕孝、廖家榮、趙君傑 臺北市立建國高級中學 yhliu2@gl.ck.tp.edu.tw ¾ 課程設計概念 一、結合水汙染議題，將課本比色法實驗應用於解決生活問題 高中課綱中的比色法實驗1，屬於基礎化學(三)化學平衡一章的範疇，利用鐵(Ⅲ)離子(Fe3+)和硫氰根離子反應生成血紅色的硫氰化鐵(Ⅲ)錯離子(FeSCN2+)，而溶液中鐵離子在低濃度時呈淡黃色，硫氰根離子為無色，但反應所生成的硫氰化鐵(Ⅲ)離子，莫耳吸收度高，血紅色極深，色深隨管內溶液的高度與濃度而改變。比色時，兩溶液濃度不同，須調整溶液的深度至兩溶液的顏色深淺相同為止。 而隨著「快速時尚」風潮席捲全球，文獻指出，全球17至20％的工業廢水汙染來自紡織染整業，染整業的廢水包含約72種有毒化學物質，其中有30種無法去除2；因此，我們希望以染料廢水為議題，引導學生利用課本比色法實驗切入染料所造成的汙染檢測。   二、發揮創客精神，應用雷射切割技術，自行設計製作比色裝置 然而，高中生的實作能力訓練較少，大多是在學理探討。我們希望藉由此模組能有助於高中學生更容易跨進「自造」領域，向生活科技科及網路創客學習AI(Adobe Illustrator)等設計軟體，經不斷摸索、反覆討論與修正，設計並產出自製的比色裝置，構造簡單，組裝容易，操作簡便，產製原料本成低，易於推廣，預留寬廣的設計發展空間，將來可結合更多的課本實驗。設計完畢後，使用校內生活科技教室的雷射切割機，輸入所設計的AI設計檔案，產製迅速，可依學生人數需求而隨時大量製造。   三、生活裝置應用於科學，利用手機及Apps偵測 利用感測元件軟硬體(如：分光光度計)可將人為判斷色度的主觀誤差因素降到最低，但一般市售分光光度計價格高，對於欲進行獨立研究或探討議題的高中生而言，恐無法負擔，為解決此問題，本模組的發展，醞釀而出。由於手機普及，學生又往往偏好其娛樂性，所以，我們引導學生善用身邊易取得又不離身的手機，除了運用其LED提供比色法的光源外，並將顏色與濃度的關係轉變為量化的數據，進行科學研究。我們先篩選數種符合功能需求的應用軟體，引導學生自行選擇，比較各種Apps的功能，熟悉其使用方法，引領學生將手機用於科學的學習用途上。 本團隊採用手機為硬體，搭配易於下載取得的免費應用程式(Apps)，搭配雷射切割製作的輔助裝置，將原本的「肉眼觀測」，改為利用手機及Apps的「偵測」，偵測待測溶液的RGB值或lux值(單位面積的光通量)，有效而穩定地提供量化數值，偵測簡便，再現性高，有利於數值分析與進一步的探討與研究。   四、應用手機或電腦軟體量化分析，培養學生數據處理的能力 本課程設計中，包含了利用手機或電腦軟體分析處理實驗數據的教學，經由作圖分析，了解各種活性炭的吸附特性等。我們在課程中也介紹了一些手機中方便好用的Apps，可供同學現場進行數據的紀錄及作圖，找出圖中的趨勢線，進而以Apps求出數據間的相關係數，可讓同學更懂得如何善用手機的強大運算能力，也讓同學能在實驗的空檔，更容易利用時間迅速而精確地處理數據。 較複雜的數據關係分析，如：濃度與lux值或像素的R、G、B值等關係的探究，也可以回到使用手機Apps或電腦的excel程式，同學須觀察原始數據，思考可能的數學關係，進行不同的數據轉換，如：取倒數、取log等，才能取得較佳的回歸關係。在這個過程中，學生也實際參與了科學性質的發現，了解課堂上的知識與定律，是如何透過實驗數據分析歸納而得。   ¾ 課程開發目標 一、應用雷射切割技術，設計、產製並組裝自製的比色裝置。 二、改變攪拌時間，利用市售活性炭，對結晶紫溶液，進行吸附實驗。 三、以手機、Apps及自製比色裝置，代替傳統肉眼觀察(傳統方法)，測量結晶紫溶液的顏色深度，並製作迴歸曲線。 四、以利用手機、Apps及自製比色裝置，代替傳統肉眼觀察(傳統方法)，測量經活性炭吸附後的結晶紫溶液之濃度   ¾ 實驗課程內的反應原理與文獻探討 結晶紫3（crystal violet）或稱龍膽紫（gentian violet），也稱「甲基紫10B」，是一種三苯甲烷系染料，結構如圖1。 圖1. 結晶紫結構 活性炭主要是由木頭、木屑、水果殼或煤炭等物質經高溫（600℃ ~ 800℃）乾餾後，使其分解形成低分子量的碳氫化合物和多孔性的碳殘留物，再通以熱空氣或水蒸氣加以活性化。活性炭表面具有許多的毛細孔，這些毛細孔洞內表面及顆粒表面即是吸附作用之所在，這些表面的面積相當大，使得活性炭的比表面積(即總表面積/質量)非常大4。 經由比較或測量有色物質溶液的顏色深度，可確定待測成分含量的方法，稱為比色法(colorimetry)。將穿透有色溶液後的光強度，利用光電效應，轉變為電流強度，兩強度呈正比，以之進行比色的定量方法，稱為光電比色法。以比色法測定有色未知物的濃度時，是由二比色管的管口上方，向下俯視，觀察二溶液的顏色深淺，調整某管溶液的液深，直到二溶液的顏色深淺由上方俯視看起來相同為止，此時二溶液的濃度（C1與C2）與液深（h1與h2）成反比。 [1] 式[1]只能測出此二溶液的濃度比，欲求得溶液的確實濃度，必須選擇一已知濃度的標準溶液與其比色，即可依式[1]求得未知溶液的濃度。 比色法其原理為比爾–朗伯定律（Beer–Lambert law）5，是光穿透溶液時被吸收的基本定律，適用於所有波長的光，適用於所有會吸光的物質，如：固體、液體、氣體和水溶液。 以水溶液為例，一束單波長的光，在通過一定厚度的水溶液後，水溶液中的吸光介質吸收了一部分此單波長光的光能，會使透射光的強度較入射光弱。水溶液中吸光介質的濃度愈高，厚度愈厚，透射光強度的減弱愈顯著，其數學關係式為： 其中，A是吸光度(Absorbance)；It是透射光的強度；I0是入射光的強度；T是透射比或穿透度(Transmittance)；a是莫耳吸收係數(L‧mol-1‧cm-1)；b是光穿過水溶液的路徑長(cm)；C是水溶液中吸光介質的濃度(mol/L)。 當一束相互平行的單色光，垂直穿透含吸光物質的水溶液時，其吸光度(A) 與光穿過水溶液的路徑長(b)及水溶液中吸光物質的濃度(C)成正比。因此，二溶液的濃度（C1與C2）與其高度（h1與h2）成反比。 而目前飲用水色度檢測，是採用環保署所公告之「鉑鈷視覺比色法NIEA W201.52B」6。其原理為視覺比色法，將水樣和一系列不同色度之鉑鈷標準溶液進行視覺比對，測出水樣之色度，比對方式亦可以使用附有校正證明之玻璃製標準色盤進行。一個色度單位，係指1 mg鉑以氯鉑酸根離子（Chloroplatinate ion）態存在於1 L水溶液中時所產生之色度。在某些特殊情況下，可改變鉑和鈷之比例，以接近水樣之色調。   ¾ 實驗課程的教材內容 一、實驗目的： […]

利用手機及App開發化學探究與實作課程—高中奈米硫粒實驗反應速率的測定   劉燕孝、廖家榮 臺北市立建國高級中學yhliu2@gl.ck.tp.edu.tw n  設計緣起 高中課綱中的奈米硫粒實驗，屬於選修化學溶液一章的範疇，主要是將清潔劑添加到硫代硫酸鈉 ( Na2S2O3 ) 酸性溶液的反應系統中，以雷射筆照射系統中的溶液，藉由廷得耳效應來觀測水溶液中奈米硫粒成長的過程。另外，一般高中課本實驗手冊也提及，可調整反應試劑與清潔劑的濃度，來控制反應速率，在規定的時間內利用反應產生硫固體沉澱來遮住桌面上的記號來設計趣味實驗。此實驗除了印證膠體溶液的性質，也利用添加清潔劑對反應速率的影響，介紹奈米科技中操控奈米粒子形成速率之基本技術(葉名倉等)。 過去的科展，曾對於這個實驗有諸多深入的探討(李浩維等；李祐慈)，其主題主要是探討此實驗的奈米硫粒形成機制，於不同反應物濃度下測量反應速率，進而求得反應級數等。由於此實驗藥品單純且反應效果明顯，非常適合結合基礎化學三的反應速率一章，印證及探討其中相關理論，朝科展及專題方向發展。然而朝科展及專題方向發展的關鍵，主要受限於測定反應速率的方法與設備。檢視過去本實驗相關的研究，受限於當時一般高中多無偵測的設備，多採用大學端的設備或組裝精密但昂貴的工作站器材，雖然效果良好，但不易普及到學生人人都能簡便地使用。 在課本奈米硫粒實驗中的第一部分，主要在觀察硫膠體形成過程與廷得耳效應的部分，僅請學生以定性方式記錄溶液出現明顯廷得耳效應，光束很亮就記錄「明顯」；若光束沒有很亮，記錄「不明顯」。課本實驗中的第二部分清潔劑濃度對反應速率的影響部分，則涉及反應速率定義的概念，其測定方法為請學生記錄完全遮住記號所需的反應時間。上述光源為紅或綠光的雷射筆，而判定反應結束的方法，不論實驗第一部分雷射光束變得「不明顯」，或第二部分奈米硫「完全遮住」記號所需反應時間的測定，兩者均請學生以碼表計時，容易因人為主觀判斷造成誤差。於是，每學期我們帶學生在實驗室進行本實驗時，最常聽到的話就是：老師！這樣算不算「不明顯」，或是，老師！這樣算不算「完全遮住」啊？ 這樣的教學現象困擾了我們許多年，直到智慧型手機與各種Apps軟體逐漸普及與成熟，於是我們重新思考調整既有的教學模式，轉而構思善用手機的資訊化及帶著走的優勢，此舉不但不須額外添購實驗器材，可提升實驗數據測量的精確性與再現性，更引導學生開啟另一扇窗，讓他們了解到原來手機也可以用來做化學實驗啊！   ¾ 課程開發目標 一、以手機及App代替雷射筆與肉眼觀察(傳統方法)，提高測量數據的精確性及再現性。 二、設計實驗測定反應速率與反應級數。 三、設計實驗探討清潔劑對反應速率的影響。   ¾ 實驗課程內的反應原理與文獻探討 硫代硫酸鈉溶液與鹽酸會反應產生奈米硫微粒， H+(aq) + S2O32-(aq) → S2(s) (膠體粒子) + HSO3–(aq)   (式1) 1946~1948年間，La Mer等提出其反應機制為： H+ + S2O32-⇌HS2O3–                                                                       (式2) HSO3– + S2O32-→[HSO3．S2O3]3-                                            (式3) [HSO3．S2O3]3-→ S2 + HSO3– + SO32-                                    (式4) 整體反應包含第一階段的S2與S8的生成，第二階段的成核，以及第三階段的團聚等三步驟。團聚後的奈米大小的膠體粒子，可散射光線產生一條明亮的光徑，此現象為廷得耳效應；爾後硫粒漸漸長大，使水溶液漸漸混濁而擋住光線使廷得耳效應消失，最後硫粒會凝聚沉澱。 如圖1所示，若將清潔劑添加在此反應中時，清潔劑分子中的親油基吸引硫粒、親水基與水互溶，而形成微胞(micelle)結構，將硫微粒包覆在微胞結構中而減緩硫粒子的長大，造成硫沉澱反應速率變慢，廷得耳效應存在的時間拉長，因此也可以測量硫粒沉澱物完全遮住反應燒杯下的號記所需花費的時間，探討清潔劑添加物對反應速率的影響(建中化學實驗手冊)。 圖1、奈米硫粒圖及與清潔劑分子形成微胞圖   ¾ 實驗課程的教材內容 一、實驗目的： (一)   […]