藍印術的另類實驗與探討檸檬酸根的反應 施建輝 國立新竹科學園區實驗高級中學教育部高中化學學科中心schemistry0120@gmail.com n  趣味化學實驗：「藍印術」 高中化學於選修化學（下）無機化學這個單元，會介紹到以下內容：「鐵離子（Fe3+）與黃血鹽（K4[Fe(CN)6], potassium ferrocyanide）混合時會生成稱為普魯士藍（Prussian blue）的深藍色沉澱」，同時也會提及：「亞鐵離子（Fe2+）與赤血鹽（K3[Fe(CN)6], potassium ferricyanide）混合時也會生成深藍色沉澱，以往稱為滕氏藍（Turnbull’s blue），後來發現它的結構與普魯士藍一樣，因此通稱為普魯士藍」，如圖1所示。 圖1：黃血鹽與Fe3+反應或赤血鹽與Fe2+反應均生成普魯士藍 （圖片取自翰林出版社） 一、傳統的「藍印術」 這個反應一般應用於建築界的設計圖，稱為藍圖，由於藍圖的呈現需要經過陽光曝晒，因此一般稱為「晒藍圖」，所得到的藍圖稱為「藍晒圖」。筆者於新竹科學園區實驗中學任教時，曾於選修課加入這個實驗，稱為「藍印術」。「藍印術」的實驗步驟如下： 1.        溶液A：30 g赤血鹽（K3[Fe(CN)6]，又稱鐵氰化鉀）溶於100 mL水中。溶液B：40 g檸檬酸銨鐵（(NH4)3Fe(C6H5O7)2, iron(Ⅲ) ammonium citrate）溶於100 mL水中。 2.        取等量之溶液A與溶液B混合，塗在圖畫紙上，於暗處陰乾，即得感光紙。 3.        取另一張圖畫紙設計圖案並剪裁，將剪裁完成之圖案蓋在已塗有感光原料之圖畫紙上，進行曝晒，若陽光強烈，約2~3分鐘即可完成反應，得到普魯士藍之藍色沉澱，此一步驟於照相術中稱為「顯影」。 4.        移走蓋在上方之圖畫紙，以自來水小心沖洗下方之圖畫紙，將未曝光的感光原料從圖畫紙上移除，此一步驟於照相術中稱為「定影」。 5.        晾乾，即得「藍印術」作品。 6.        「藍印術」學生作品見圖2。   圖2：新竹科學園區實驗中學「藍印術」學生作品 二、周芳妃老師改良的「藍印術」 臺北市第一女子高級中學化學科周芳妃老師2013年於高中基礎科學教學研習會中，介紹新的「藍印術」的實驗步驟給研習老師，過程簡單，成果良好，簡介如下： 1.        溶液A：檸檬酸銨鐵25 g / 100 mL水。溶液B：鐵氰化鉀10 g / 100 mL水。感光液：A、B = 1：1的混合溶液。 2.        步驟 (1)     先取一個透明小塑膠袋，使用黑色油性筆在塑膠袋上畫一些圖案，作為遮光罩的圖案。 […]

科學模型與建模： 探討日本東京地區學生之模型本質的認識 宋元惟、邱美虹*、鍾曉蘭 國立臺灣師範大學科學教育研究所 *mhchiu@ntnu.edu.tw n  緒論 科學家經常透過建構模型來解釋真實世界的現象，並且透過模型的運用進行估算、預測等發展科技，改善人類的生活。模型在科學研究與科學學習中佔有相當程度的地位，因此學習模型的本質、表徵、功能等乃現今科學學習之重要趨勢。 日本的漫畫最早追溯至12世紀平安時代的《鳥獸戲畫》。漫畫即以圖畫傳遞故事，藉由圖形、圖畫來理解事物的習慣已經深入日本人的生活之中。運用圖形來說明概念這點更影響了日本的教科書的型式，書中經常能看到繪製精細的圖形。剖面圖、結構圖、精細的圖表、局部放大圖、模擬圖等，種類繁多的各式圖形，均具組成、構造、關係，正是構成模型的三項重要元素。日本的學生究竟對模型抱持著什麼樣的看法呢？本文將對此進行探討。 n  模型介紹 模型是實物的模擬，模型表徵實際世界（Giere, 2010）。Achinstein（1968；引自劉俊庚，2010），將模型依據表徵分為四個種類如下，本文作者再佐以圖形說明： 1.        真實的模型（Ture model）：等比例縮小模型，如精緻的塑膠飛機模型（見圖一）。 圖一：塑膠飛機模型 （圖片引自：http://yuji.moe-nifty.com/blog/2011/08/post-d079.html） 2.        適當的模型（Adequate model）：表達重要特徵的模型，如紙飛機，只展示了機翼與大致上的結構（見圖二）。 圖二：紙飛機 （圖片引自：紙飛機的天空，交織著卓志賢的夢想，第63期，2008/03/27。） 3.        變形的模型（Distorted model）：以不同比例同時呈現的模型，如原子結構在表現出原子與原子核的大小差異，以及放大原子核部分解說原子核是由質子與中子組成（見圖三）。 圖三：原子模型 （圖片引自：http://www.asyura2.com/12/bd61/msg/347.html） 4.        類比模型（Analogue model）：教學上將水流與電流做類比，此為類比模型的使用（見圖四）。 圖四：水流與電流的類比模型 （圖片引自：外山宗治，効果的なイメージ化を図る理科学習，改良自：平成13年啓林館教科書理科1分野） Gilbert和Boulter（2000）、Buckley和Boulter（2000）、Harrison和Treagust（2000）、吳明珠（2008）、周金城（2008）、林靜雯和邱美虹（2008）等許多學者根據模型的本體地位、表徵、本質、功能等，將之區分成數個種類，邱美虹（2008）的整合型研究以本體論、認識論與方法論三個面向的理論基礎探究學生對於模型本質的觀點（見圖五）。此架構說明認識模型本質應兼顧模型的本體意義、模型的表徵以及用途或功能，從三面向方能理解模型本質的全貌。 圖五：學生模型觀點的三面向示意圖（邱美虹，2008） 科學家建立模型用以說明現實世界的現象，除了電流的水流類比模型外，像是歐姆定律使用V = IR的數學式呈現三個變數之間的量化關係，幫助我們除了理解變數之間的關係，更能進行預測、推理。道爾頓的原子說主張原子不可再分割，建立了一顆原子為最小粒子的原子模型。而此模型在湯木生陰極射線實驗中，發現不同原子之金屬板仍可獲得相同結果，代表不同的原子有共同的更小粒子，推翻的道爾頓的粒子模型，建立葡萄乾麵包模型（西瓜模型）等。而拉塞福以湯木生的模型進行檢驗，在α射線實驗中發現少量大角度反射，發現原子核，提出行星模型。由上述例子，我們可以發現科學建構模型以說明、解釋現實世界，並在新的證據出現後，藉以修正舊有的模型。 1991年Grosslight等的研究結果顯示：(1).科學家擁有較高的建模能力；(2).模型的定義可分為三個層次，Lv1：模型是玩具，是與真實物品有相對應關係的複製品；Lv2：模型是模擬真實世界的實體物體，不是理論或想法；Lv3：理論或想法，或是用來表徵某些物體或事件。用來發展和驗證想法，這些想法通常是抽象的，不是實體的描述。而這三層定義顯示了受試者對模型的理解程度。理解程度越低者，在模型的運用上較理解程度高者停留在較為基礎的運用。對模型的理解程度越高，越能深入了解科學。 n  研究方法 本研究以問卷進行研究，使用的問卷修改自邱美虹（2015）國科會計畫的模型本質認識問卷，修改並翻譯成日文版，經一位日本科學教育現職教授與7名日本研究生確認，翻譯內容與原文表達的意思無誤。 本研究問卷主要分為五個問題，以三項理論為架構進行設計，分別為本體論、認識論、方法論。問題一是以認識論與一部分本體論進行設計，作答方式為可單可複選，選項由1-A至1-O共15題；問題二是以本體論中的模型改變與一部分的模型本質，以李克氏量表測量，認同度最高5分，最低1分；問題三則是關於建模歷程的問題，亦以李克氏量表測量；問題四是方法論中模型功能的部分，作答方式為可單可複選，選項由4-A至4-H共8題，以及外加4-I自填；問題五則是取自劉俊庚（2011）所設計，以Grosslight, Unger, Jay & Smith（1991）提出的三個層次所設計的問題。 研究對象為日本東京地區某公立中學，學生158名；同地區公立高中，理科學生83名；同地區公立大學，大學生文科61名、理科61名。 n  結果分析 本文僅就問題一和問題四進行分析。問題一的試題內容如圖六所示，受試者需選出自己所認定的模型，並且在下方寫上判斷為模型的理由。 圖六：問題一的試題內容 按年級區分後，問題一的作答情形之統計結果如圖七～圖十所示。 圖七：日本中學生在問題一的分佈百分比 圖八：日本高校學生在問題一的分佈百分比 […]

硫酸銅晶體的結構探討：內容更正和進階探討 施建輝 國立新竹科學園區實驗高級中學教育部高中化學學科中心schemistry0120@gmail.com n  更正啟事 本人於《臺灣化學教育》第三期撰寫之文章〈硫酸銅晶體的結構探討〉，近期上課與學生分享時，學生提出一些問題，本人當場意識到我犯了嚴重錯誤，因此趕緊寫這篇更正版，以免誤導讀者，甚至造成引用者發生更嚴重的問題。以下是更正後內容和進階探討，請各位指教。 n  無水和五水合硫酸銅晶體和粉末的外觀 無水硫酸銅（CuSO4, copper(II) sulfate anhydrous）粉末的顏色呈無色，如圖1所示。五水合硫酸銅（CuSO4‧5H2O, copper(II) sulfate pentahydrate）晶體呈現藍色，而粉末狀則呈現藍綠色，如圖2所示。   圖1：無水硫酸銅（CuSO4）粉末（右）及其粉末滴加水後（左）的外觀 （圖片來源：由左而右，https://en.wikipedia.org/wiki/Copper(II)_sulfate，https://simple.wikipedia.org/wiki/Copper(II)_sulfate）   圖2：五水合硫酸銅（CuSO4‧5H2O）晶體（左）及其粉末（右）的外觀 （圖片來源：由左而右，https://en.wikipedia.org/wiki/Copper(II)_sulfate，https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Copper(II)-sulfate-pentahydrate-sample.jpg） n  內容更正：五水合硫酸銅晶體的結構 一、   第三期的原文描述到：結合兩個硫酸銅的硫酸根誤植為上下各1個，如圖3所示。這樣的結構會導致硫酸銅（CuSO4）所帶的結晶水之個數是錯誤的。計算其結晶水如下： 1.        原圖：以圖3的左半邊的銅離子（Cu2+）來看，它的上下方各有1個硫酸根（SO42−），但其中的一個硫酸根與其他銅離子共用。因此，此處的銅離子的硫酸根個數為1，符合五水合硫酸銅（CuSO4‧5H2O）晶體化學式中Cu2+：SO42−＝1：1。此外，此一銅離子的周圍有4個配位鍵結的水分子（H2O），完全屬於這個銅離子。 2.        原圖的延伸。以圖3的整張圖來看，位於中間上下各有1個水分子，它們與結構的左右兩邊以氫鍵結合在一起。此2個水分子中，左方的銅離子分到1個水分子，加上4個配位鍵結的水分子，共計5個水分子，「似乎」符合「五水合」這個名稱。然而，錯誤就是發生在此！因為晶體會往四周延伸，因此延伸至左右的部份又有四個水分子，與這兩個結構以氫鍵結合在一起，這四個水分子以黃色表示，如圖4所示。這樣一來，每個銅離子再分到1個水分子，水分子的總個數是6個而非5個，硫酸銅晶體化學式將是CuSO4‧6H2O。因此，圖4之結構圖也是錯的。 圖3：第三期原文描述的五水合硫酸銅晶體之結構圖（左），這張圖的結構式不正確。 圖4：延伸後的五水合硫酸銅晶體之結構圖（右），這張圖的結構式仍然不正確。 二、   更正：結合兩個硫酸銅的結晶水應只有1個。硫酸銅晶體的化學式與所帶結晶水個數的計算如下： 1.        以圖5的來看，銅離子與硫酸根結合的結晶水個數與圖3相同。再者，銅離子的周圍有4個配位鍵結的水分子，所有的結晶水屬於這個銅離子。 2.        更正說明：只有1個水分子與左右兩個結構以氫鍵結合在一起，左右各分到  個水分子。與圖4相似，將晶體往四周延伸，如圖6所示，因此延伸至左右的部份將又有1個水分子與兩個結構以氫鍵結合在一起，這樣一來，每個銅離子將再分到  個水分子，加上前述  個水分子，共1個水分子。再者，銅離子有4個配位鍵結的水分子和以氫鍵結合的1個水分子，得到水分子的總個數是5個，符合硫酸銅晶體的化學式：CuSO4‧5H2O。 圖5：更正後的部分結構圖，這張圖的結構式不完整。 圖6：更正後五水合硫酸銅晶體延伸的結構圖，這張圖的結構式才正確。 n  內容更正：五水合硫酸銅晶體受熱失去結晶水的過程 一、   CuSO4‧5H2O晶體加熱至102℃時 1.        第三期的原文描述到：與銅離子配位且不與其他配位基生成氫鍵的水分子，先脫離2個H2O而生成CuSO4‧3H2O，如圖7（左）所示。 2.        更正說明：圖7（左）兩旁上方的兩個水分子（H2O被框住的上方兩個紅框）在延伸結構圖中，與圖4相同，其實兼具配位鍵與氫鍵，與下方兩個水分子僅具配位鍵，兩種水分子的鍵結是不同的，因此不會在相同的溫度（102℃）同時失去。應該是結構式下方的兩個水分子僅具配位鍵，如圖7（右）所示。失去的這4個水分子，分屬兩單元的CuSO4‧5H2O晶體，每一單元平均失去2個H2O，所以化學式為CuSO4‧3H2O。   圖7：加熱至102℃失去的結晶水（左，原文），加熱至102℃失去的結晶水（右，更正） 二、   CuSO4‧3H2O　晶體加熱至113℃時 1.        […]

透過變因探討「紙」色層分析 倪行健 臺中市立長億高級中學 nsc100100@gmail.com n  前言 筆者試著以「是否一定要遵循實驗手冊按部就班（step by step）地操作實驗？」的想法，取代食譜式的實驗程序，嘗試不局限於「在封閉容器中」、「使用濾紙」、以及「實驗室內的溶劑當展開液」的濾紙色層分析實驗，放手讓學生有自己不同的想法融入此實驗之中。 各組學生在實驗前先討論、設計，思考在不同材質的紙上（見圖1），點上不同品牌、不同性質（油性或水性）的不同色筆（見圖1），放入不同的展開液中（見圖2），觀其層析狀況（見圖3），並紀錄之（見附件一和附件二）。因此，筆者將濾紙色層分析的「濾」字去掉，暫稱為「紙」色層分析。 圖1：各組學生自行引用不同的紙材和色筆進行層析 圖2：展開液部分由老師提供、部分由學生自己攜帶或提出要需求 筆者思考：濾紙色層分析一定要用濾紙、制式的展開液…等等嗎？讓學生有更多的參與感，有更多自己想法融入色層分析實驗中，在不同變因下，出現那些不同的實驗結果，並且嘗試解釋其原因。在定性的實驗過程中，除了融入學生的創意、想法及設計元素，首先還可以讓學生試著預測（prediction），各種不同色筆可能隱藏那些顏色（見圖3）的色素；在不同的展開液中，哪一種展開液的分離效果較佳？…等等。然後，學生開始實驗（experimentation）、觀察（observation）、紀錄（record）。最後，討論與結論（discussion & conclusion）。這種教學更能增添趣味與和變化？並讓相互觀摩的機會？這不也是一種自學、思考、表達的「學思達」呢？ 圖3：在相同的材質紙上，點上相同各色的色筆，在不同展開液中層析的狀況 n  進行實驗 一.  實驗名稱：「紙」色層分析—誰的分離效果較佳？ 二.  實驗原理：色層分析法係利用混合物在固定相及移動相中，因溶解度的不同而有不同的分布，亦即為利用不同的親和力來進行分離。 三.  實驗目的 1.    能利用混合物在固定相和移動相中，因溶解度的不同而有不同來分離混合物（色素）。 2.    瞭解混合物在固定相和移動相中，因溶解度的不同而有不同以達成分離混合物的原理。 3.    培養小組合作和討論的習慣，形成學習共同體，相互欣賞、學習、互助，產生1 + 1 > 2的效果。 4.    養成做中學（learning by doing）的習慣，藉以激發出創意與發明的潛能。 四.  實驗方法：控制變因實驗法／分組合作 五.  實驗變因：紙質、色筆、展開液（見圖1、2） 六.  實驗探討 1.    其它條件（實驗變因）都一樣的情況下，哪種展開液的分離效果較佳？ 2.    其它條件（實驗變因）都一樣的情況下，哪種顏色的色筆的分離效果較佳？（甚至可探討不同品牌的同色筆層析的差別） 3.    其它條件（實驗變因）都一樣的情況下，哪種紙質上的顏色分離效果較佳？ 七.  實驗材料：所用紙質、大小、形狀、色筆、展開液：各組自訂。 八.  進行實驗：操作步驟（見圖4）並紀錄實驗結果、拍攝影片並後製作，繳交。 圖4：色筆點上不同紙材（上）、置入不同展開液（中）和用影像記錄結果（下） […]