綠色化學創意競賽： 中和高中學生改良目視比色法測定平衡常數 陳欣怡*、林聖揚、顏宏宇 新北市立中和高級中學 *shinekudo@gmail.com n  教師教學反思 回想我（通訊作者）初任教職之時，總是拿著一本課本，仔細的講解化學的原理、觀念和範例，再搭配學生課堂和課後的練習題，但一段時間後…，讓我越來越覺得索然無味，而同學的反應也是越來越無言。我明白這警訊是告訴自己：「需要改變了！」，於是我積極參與教育部高中化學學科中心、思源基金會以及工業技術研究院等舉辦的各種研習活動和競賽活動。在每次的研習活動中，都讓我感動萬分而且收穫滿滿，恨不得立刻能夠把所學用到教學上，讓同學們也能體會我的愉快和興奮。因此，即使課務再繁忙我也會抽空去參與研習，並且嘗試在課堂上使用。另外，我也積極帶領學生組隊參加各項科學競賽，包括遠哲科學趣味競賽、化學創意闖關比賽、旺宏科展、科學展覽、清華盃高中化學學科能力競賽……。不管競賽的結果如何，我相信透過這些活動，可以讓他們擴展視野，並學習克服競賽過程所遇見的各樣困難，這才是學生最重要的能力！ n  擴展學生視野 在食安問題沸騰之際，於學校的網頁上看到綠色化學創意競賽的活動訊息，覺得化學和環保作結合的概念是十分重要的，我不想讓大家覺得化學不但破壞環境、而且爆炸害人。於是找了我任教的高二科學班的學生進行討論，科學班的學生，在一般的學業課程之外，另開設「專題課程」，其課程內容包含各種實驗、參訪（見圖一）、設計實驗（圖二）見、報告（見圖三）和分享所學給社會大眾（見圖四）。此課程的用意，除了訓練台風、促進思考、擴展視野及服務學習，但最重要的是—忠於科學，愛上科學。 圖一：專題課程—校外參訪：雙和醫院 圖二：專題課程—設計實驗：化學學科中心主辦〝我是闖關王〞 圖三：專題課程—成果發表：化學組 圖四：專題課程—分享所學：科學Live秀 我在帶領學生的過程中，從找尋主題到設計實驗，學生都能充分發揮他們專題所學的能力（如：蒐集資料、問題探究及分工合作的能力），而最後決定方法和理論結果後，就要開始驗證自己的推論，因此必須經常運用晚上跟假日時間留校實驗，在這期間他們除了課業、科展等事情都要兼顧，也更進一步把有效運用時間的這能力充分實踐。實驗過程雖然部分與預期不同，但是他們能夠利用自己特有的專長，與科學結合並應用在學科中，看到學生能在科學領域上的創意與進步，我備感欣慰以外，也深深的感受到代代都有人才出，自己也需要時時刻刻努力，才能跟得上這些未來的主人！ n  設計理念與改良 一、  得獎作品 l  作品名稱：目視比色法之改良。 l  參賽學生：林聖揚、顏宏宇；指導教師：陳欣怡。 l  得獎名次：高中組綠色化學（減毒減量）創意競賽銀牌獎。 二、  設計理念 化學在生活之中處處可見，小至一粒塵埃、沙粒；大至一片叢林、土地，都能發現隱含於其中的化學世界。早在西元前數百年即有鍊金術士、煉丹術，人們開始嘗試控制生活周遭的化學。數千年來，人類對於「化學」這門科學的研究已步上軌道，並試著發展其他分支。但，當人們汲汲營營的探究、摸索化學時，卻也在不知不覺中傷害了地球環境，破壞了我們所擁有的一切。為了能延續整個世界，綠色化學成為近年來最重要的發展之一。 為了要達到綠色化學，許多的實驗必須改良，例如：溶度積常數測定的實驗（以前是用氯化鉛現在改草酸鎂……等）。綠色化學創意競賽的宗旨就是集思廣益讓更多實驗可以改良達到綠色化學的要求，於是我們改良了高中基礎化學（三）第三章化學平衡中常見的實驗—平衡常數與勒沙特列原理。我們的設計是原本具有毒性的硫氰化鉀置換成較不具毒性的草酸與鹽酸，而指示劑也是選用無毒性的紫色高麗菜和薑黃，再搭配原始實驗中的目視比色法，融入選修化學第四章水溶液中酸、鹼、鹽的平衡，和孟賽爾顏色系統，從原本計算鐵離子與硫氰化鉀的反應常數更換成草酸的第一解離常數。此一改良設計降低了原本反應物的毒性和具有毒性的產物—硫氰化鐵錯離子，大大的降低了整個實驗的毒性。 三、  涉及的原理和概念 （一）朗伯–比爾定律 朗伯–比爾定律（Lambert-Beer law），又稱作比爾定律。其內容為當光穿透溶液時，光的吸收度（A）與吸收係數（a）、光徑長（b）、濃度（c） 三者均呈正比例：A = abc。由於兩溶液在加入指示劑以前皆為透明澄清的溶液，且所加入的指示劑皆相同，故其吸收度可視為定值。在吸收係數方面，因為所使用的光源皆為固定波長，所以可視為定值。進而得知溶液的濃度與其高度成反比。 （二）酸鹼指示劑 酸鹼指示劑本身是一種弱酸或弱鹼的色素，在滴入溶液時色素會與H+或OH−結合，轉化成相應的酸式或鹼式，從而顯示不同的色澤。本實驗所採用的是天然的指示劑，由紫色高麗菜汁與薑黃混合而成。 紫色高麗菜汁的變色範圍如圖五所示，顏色隨著由酸到鹼變化，從紅色到紫色，再到藍色。然而紫色高麗菜汁在弱酸的環境下靈敏度並不高，因此我們選擇加入變色明顯且單純的薑黃如圖六所示，讓混合後的指示劑在比色的過程中有更好判讀。 圖五：紫色高麗菜汁的變色範圍（圖片來源：An Overview of pH, http://www.braukaiser.com/wiki/index.php/An_Overview_of_pH） 圖六：薑黃紙的變色 （圖片來源：化學示範實驗：在薑黃紙上畫圖和寫字，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=11553。） （三）玻璃紙比色法 包覆有色玻璃紙在光桌的燈光上，使在目視比色時的可讀性增加之想法，是從孟塞爾顏色系統衍生出來的如圖七所示，在這個色彩坐標系中，色相、彩度及明度分別等於在比色實驗中的變色範圍、濃度及亮暗。不論任何色相，若彩度為零時，則剩下明度亮暗的差別；亦即在比色實驗中，不論任何顏色，若亮暗為零時，則剩下濃度高低的差別。我們利用玻璃紙濾光的性質，從光源中濾出與溶液顏色互補的色光，例如：紅色溶液使用綠色的玻璃紙，讓溶液顏色的彩度降到最低，如此一來便能依亮暗的差別來進行目視比色了。 圖七：孟塞爾顏色系統 （圖片來源：孟塞爾顏色系統，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/孟塞爾顏色系統。） 四、實驗過程 實驗的概要過程如圖八所示。 圖八：實驗流程 […]