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： […]