創意微型實驗—微型電解裝置 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw     「水的電解」在化學教師之教學及學生的學習過程中是一項很重要、也很實際而且又非常有趣的實驗，有關水的電解設計已有很多報告，進行水的電解最重要的目的是實驗結果要明確且能使電解過程中在負極產生之氫氣和在正極產生之氧氣之體積比為2：1。 n  電解的定義 電解在化學實驗上可分為水的電解與一般電解質溶液之電解（如常見的硫酸銅溶液之電解）等二種，茲以在中學較常用的水的電解為例。所謂電解即是將直流電源接在兩支電極並使其插入電解質溶液中，當通入直流電時正負兩極便會即刻發生化學變化而將水加以分解，在正負兩極表面都為有氣體產生，此一過程稱為電解。 n  電解的基本概念 一、傳統水的電解裝置 國中理化以及高中化學實驗教材中所採用的簡易電解裝置，如相片一及相片二（左）所示。在國編版民國八十八年版八月初版的國中理化教科書第三冊第72頁曾列有微型電解裝置，如相片二（右）所示，此實驗裝置是當年教材編審委員祈明輝老師來函要求列入教材供師生參考。電解實驗之主要目的是要將水電解後，能以簡易的方法檢驗出在電解管中所收集到的氣體分別是氫氣與氧氣，並且能直接從電解管上之刻度觀察到產生之氫氣與氧氣之體積比為2：1。然而教材上所設計的實驗裝置及所用之器材雖然很簡單，但是操作不方便，效果也不盡理想。除此之外，使用多年的簡易電解裝置在操作時尚有如下之缺點：(1) 2支試管中之電解液（如氫氧化鈉溶液或稀硫酸溶液）不易裝滿，而且在倒插入燒杯中，會有空氣充入其間，導致電解所產生之氫、氧之體積比無法得到正確的2：1。(2) 2支電極導電能力未加以檢測是否相同？(3) 2支電極不易放入試管中。(4) 將試管放入燒杯及把注射針放入試管中時，手需帶手套否則手會接觸到氫氧化鈉溶液。(5) 電解液用量較多，回收處理困難，廢液易造成環境污染。(6) 電解後所產生之氫氣及氧氣之檢驗不易。 相片一：八十八年版國中理化課本中所採用之水電解裝置示意圖 相片二：國中理化課本中之何夫曼（Hofmann）水電解裝置圖（左），微型電解裝置（右） 二、電解最佳條件 欲使水的電解實驗操作進行較為快速、容易又安全、實驗結果較為明顯又正確（氫氣和氧氣之體積比為2：1），同時又能兼顧到環保時，在其實驗裝置及實驗方法、實驗結果等，必須具備以下四大要求。 （一）實驗裝置部分 (1) 電解水的實驗裝置，必須容易組合，操作簡單又安全。(2) 電解產生的氫氣和氧氣之體積，以能直接在電解管上之刻度讀出較為方便，且其體積比應為2：1。(3) 電解實驗裝置必須容易拆卸、清洗及整理保管。 （二）電源及電極部分 (1) 電源必需使用能夠提供較大電流的電源供應器，如穩壓整流器、9 V乾電池、陽能電池或手搖發電器等。(2) 電極材料必須容易取得，價格便宜，而且不會與電解產物發生作用。 （三）藥品部分 (1) 耗用藥品要儘量少，且使用後又可將其可回收重複使用、以減少污染。(2) 幫助導電之電解質，必須本身不會被電解。(3) 電解液必須用蒸餾水（切勿用自來水替代）來配置。 （四）電解時間 電解所需時間不宜太長，以5-10分鐘之間能完成為宜。 三、電解產物與電解反應式 在酸性、鹼性與中性等三種不同性質的電解質進行電解水時，雖在正、負兩極所發生之半反應有所不同，但其全反應乃是一致的，為其所需供應的電能稍有不同，其反應分別如下： A. 水在酸性溶液中電解 正極（陽極）：2H2O(l) → 4H+(aq) + O2(g) + 4e–               Eo = +1.229 V […]

人像藍印術 陳孟男 國立大甲高級中學 *cmnfish2@gmail.com   n  影片觀賞 人像藍印術的實驗是2014年國立大甲高中化學宅急便闖關活動的一項關卡，本影片是由作者在國立大甲高中化學實驗室拍攝，提供其製作的詳細過程。 影片網址：人像藍印術，http://youtu.be/qb_LD0Vi_jw，YouTube。 n  簡介 什麼是藍印術（cyanotype process）呢？在數位印刷問世之前，藍印術廣泛應用於工業界及建築業的設計圖稿，因顏色為藍色，又稱為藍圖或藍曬圖（blueprint）。以檸檬酸鐵銨(NH4)3Fe(C6H5O7)2žH2O與鐵氰化鉀（K3Fe(CN)6，又稱赤血鹽）的混合溶液作為感光劑，均勻塗佈在合適的紙上，乾燥後製成感光紙，然後以同樣大小的負片做接觸式印樣（不需經過放大機），經曝光，水洗，晾乾等程序，產生具有灰階調性的藍色影像即為藍晒圖，因為使用的藥劑有鐵氰化鉀，因此藍印術亦稱為氰版（cyanotype）顯影，是一種非銀鹽（non-silver）影像工藝。 2014年大甲高中化學宅急便闖關活動中把人像藍印術作為闖關活動關卡，讓每位闖關的學生輸出自己的個人藍曬照片後貼在闖關護照上，成為專屬的個人護照，以下說明人像藍印術的原理及製作過程。 n  藥品與器材 A溶液：檸檬酸鐵銨（ammonium ferric citrate, (NH4)3Fe(C6H5O7)2žH2O）晶體 3 g、B溶液：鐵氰化鉀（potassium ferricyanide, K3Fe(CN)6）晶體 3 g、30%雙氧水（hydrogen peroxide, H2O2） 5 mL、培養皿 1個、刷子 1支、16開日本水彩紙 數張、3 mm玻璃版（A4大小） 1塊、3 mm夾版（A4大小） 1塊、燕尾夾 8個、彩色投影片（A4大小） 數張。 n  實驗步驟 一、感光液的配製 1.        溶液A：檸檬酸鐵銨晶體3 g溶於10 mL的蒸餾水中，貯存於棕色瓶。 2.        溶液B：鐵氰化鉀晶體3 g溶於10 mL的蒸餾水中。貯存於棕色瓶。 圖1：紅棕色的固體為鐵氰化鉀（左），墨綠色的固體為檸檬酸鐵銨（右） 二、感光紙的製作 1.        於暗室中，將溶液A與溶液B以1：1混合。 2.        […]

寓教於樂的〔化學桌遊〕 倪行健 臺中市立長億高級中學 nsc100100@gmail.com n  前言 這樣的情境（如圖1），相信大家一定不陌生，甚至還是其中的一份子，上FB、LINE好友、玩Game，或是開心農場的農夫（farmer）之一？沉溺其間，樂此不疲！何以如此？就是因為有趣，所以吸引；因為吸引，所以反覆其中；因為反覆其中，所以越來越熟練。 圖1：划手機 （圖片來源：http://tw.gigacircle.com/439438-1。） 基於上列的必然，與自然科中仍有背誦與理解的必要，若能兩者結合，寓教於樂，豈不完美？因此筆者有了〔化學桌遊〕二合一（Two in one）的想法。更好的是〔化學桌遊〕將化學融入桌上遊戲，完全不占用上課時間，利用課後或課間，就能讓學生心甘情願地參與，卻能自然而然地記住遊戲中的一切，而且會很熟練。 什麼是〔桌遊〕？大家如果上網鍵入〔桌遊〕二字，會看到桌遊已經夯到什麼程度，多少地方已經有了桌遊的專賣店，有了專供玩桌遊的餐飲店，更多學校開設了〔桌遊社〕，吸引了多少玩家投入其中。不只益智、遊戲過程平和有趣、花費較少、對視力也無藍光的傷害、也成就了不少親子互動的機會、內容幾乎不會涉及打殺暴力、更沒有打殺暴力的音效與畫面，其優點遠遠多於電動遊戲。 依據維基百科所言：桌上遊戲（英語：Tabletop game或Table game），通常被簡稱為桌遊，又被稱為不插電遊戲，是針對如卡片遊戲（又包含集換式卡片遊戲）、圖版遊戲（Board Game）、骰牌遊戲（Tile-based games）以及其他在桌子或任何平面上玩的遊戲的泛稱。桌遊亦泛指不依賴電子產品的、通常不需要大幅度動作的遊戲，如殺手遊戲。如圖2~圖4所示：舉凡撲克牌、大富翁、妙語說書人、拉密、風聲、閃靈快手、SET、三國殺、妙筆神猜、象棋、圍棋、西洋棋、跳棋、軍棋、橋牌、麻將等等，皆是。 圖2：拉密 （圖片來源：http://rvcamp.biz/959。） 圖3：風聲 （圖片來源：http://aininibo.pixnet.net/blog/post/81267961-%5B桌遊介紹-情境遊戲%5D風聲-the-message。） 圖4：妙筆神猜 圖5：親朋好友玩桌遊 想想，如果各學科的部份內容，能開發成有趣的桌遊，在校園內、家庭中呈現，如圖5的景象，玩的是各科的桌遊，兼具學科的學習與休閒，不是很好嗎？因此，筆者構想的第一套〔化學桌遊〕就在課程與學生分組的設計中現身了，如圖6~圖8所示： 圖6：學生自製獨一無二的化學撲克牌 圖7：學生自製獨一無二的化學撲克牌 圖8：學生自製獨一無二的化學撲克牌 n  讓學生自行設計化學撲克牌及自陳玩法說明 一.     分組規劃 對象：高一學生，每班分6組，每組約6位學生。 二.     先備知識與配合單元 國中先備知識：原子序、質子數、電子數、質量數、中子數與元素週期表。高一配合單元：基礎化學（一）第二章原子結構與元素週期表。 三.     張數要求 可以用下列三種設計張數的其中一種來設計。（1）54張：只含1A~8A + 21Sc、22Ti、…、30Zn。（2）118張：含1A~8A + 1B~8B（共七週期，1~18族）。（3）自訂張數：只要符合所設計的所需即可，但一定要有1A~8A族所有元素。 四.     桌遊活動的設計與說明 (一)      以空白名片卡，設計一套化學桌上遊戲（簡稱〔化學桌遊〕） 化學撲克牌玩法，例如：化學梭哈，化學接龍…等（玩法不拘，自行設計），但卡片中不可出現一般撲克牌上的A、2~10、J、Q、K以及黑桃、紅心、方塊、梅花四種花色，只可出現與化學元素週期表中相關的內容（例如：族數、原子序、質量數…等），因為化學撲克牌不是一般的撲克牌，而是與化學週期表內容有關的撲克牌，所以不可出現一般撲克牌上的內容。 (二)      設計內容（可參考google桌遊內容，完成下列事項。） 1.        在空白名片卡上，設計所要呈現化學週期表內容的實體〔化學撲克牌〕一副。 2.        每組需要設計一份〔玩法的規則說明〕（就好像〔大富翁〕有其遊戲規則），才能讓玩家有所依循其玩法。 3.        […]

行動學習趨勢下 大學化學系學生所需具備的能力 翁榮源 靜宜大學應用化學系zyown@pu.edu.tw   n  前言 生活訊息透過行動裝置排山倒海而來，校園老師教學環境已經到了巨變時代，這和兩三年前的教育環境完全不同，所有的化學老師被迫必須改變教學工具&教學方法，否則會被學生們嘲笑以及看不起。2011年智慧型手機銷售量已經超越電腦，2012年平板式電腦裝置使用量正在爬升中，預計將超越所有行動裝置包括智慧型手機以及筆記型電腦。這一代的年輕學生正被叫做「E時代」，現在則有更新的名詞「M時代」。數位工具已經佔據所有這一代年輕的生命。在美國8-18歲年輕人每天會花7.5小時在行動訊息中，而且更因為他們習慣使用兩個以上行動裝置，因此每天平均11個小時才是更正確的數字，而且這還不包括講電話時間。台灣的學生們雖然不致於如此的數位化，但相信很快就會趕上美國的水準。 平板電腦即將成為未來學習的利器，同樣地都是在美國領先開始，許多校園中已經人手一機，包括幼稚園到大學都一樣，雖然平板電腦有兩大系統：iPad & Android；兩種似乎差不了太多，每個人都有其經驗觀點，但為了節省大家走冤枉路，我慎重的建議大家—直接使用iPad吧，重要的不在價錢（都很便宜）不在規格（都類似），最大的差異在後面的應用軟體，光看在賈伯斯的嘔心瀝血上，也應該投iPad一票。iPad從2010推出第一代開始，目前已經出到第四代，功能超強，體積超薄，價錢一樣，不去買一台真的會跟不上時代。 前些日子剛剛大學放榜，校園裡又來了許多即將攻讀化學的新夥伴，這不僅僅是化學系的專業學生，還包括醫學系、工程系、生科系等等，在等待入學的旅途中，最困惑新鮮人的問題就是：我該具備什麼基礎的能力在大學的起跑點上？針對這個問題，許多老師都有他們自己主觀的答案，在化學系以及通識中心教了這麼多年的我，也有心目中的正確答案提供大家指教：答案就是三個能力：數學能力 & 科學能力 & 資訊能力。 n  數學能力 首先提一下數學能力，當然不是一般的加減乘除，會數學的加減乘除只夠在市場上賣豬肉算帳，要進入科學知識領域，需要的數學能力必須是數字的邏輯分析。下面簡單的舉幾個例子： 1.        從1 + 2 + 3 + … + 9 + 10 = ? 賣豬肉的會拿起計算機一個一個打最後告訴你答案是55，但是科學家會分析一下這個題目找出總共有5組相同的和：11(1 + 10, 2 + 9, 3 + 8, 4 + 7, 5 + 6），所以答案為5*11 = 55。所以下一個題目從1 + 2 + 3 + […]

從前從前部落有電土燈 傅麗玉 國立清華大學師資培育中心 lyfu@mx.nthu.edu.tw   聽過部落老人家說，從前從前原住民去打獵的時候，不是用手電筒而是用「瓦斯」。「瓦斯」就是「放一點水點火就很亮的那個石頭。那個石頭一放點水，裏面就會冒出氣來，用來點火的。」更早的時候，原住民打獵時，是用松木片作火把，後來上山打獵用電土燈，在有些地方就叫它「磺火」，它的光很亮。電土石要放在密封罐內，以免接觸空氣中的水氣。 一塊電土石，就可以點很久，不過那石頭的味道很臭。有些老人家說電土燈會發光發熱，是因為水氣產生的熱氣使得電土石會發光發熱。有了電燈以後，大家就不再用電土燈，所以很多人都不知道有電土燈這個東西。電土石也用在催熟水果。種果樹的農夫在水果還是青熟時就先採收。為了能夠早一點拿到市場去賣，他們會在包裝的紙箱中放一小塊電土石，使水果早熟。平地的皮影戲在沒有電燈以前，皮影戲是用煤油燈，但是煤油燈的火焰搖擺不定，而且會產生油煙。後來換用電土燈，火焰比煤油燈穩定，而且光度比煤油燈還要亮。圖1是一位泰雅族同學的祖父用過的電土燈。 圖1：一位泰雅族同學的祖父用過的電土燈 n  電土燈的構造與使用步驟 1.          電土燈的三個主要部分，如圖2所示。 圖2：電土燈的三個主要部分：外桶、內罐、內罐的蓋子（由左自右） 2.          放入電土石並蓋上內罐蓋子，如圖3所示。 圖3：放入電土石到內罐，不要放太多（左）和蓋上內罐的蓋子，不要特別壓緊（右） 3.          內罐蓋好，放入已經裝水的外桶中，不久之後，水面開始冒泡。這時在內罐的頂端點火，就會產生火焰，發出強烈的火光，如圖4所示。 圖4：放入裝水的外桶，水面開始冒泡。 4.          用打火機在管口點火，火很亮，如圖5所示。 圖5：點火，火很亮。 5.          當外桶的水又平靜了，火焰熄滅後，打開內罐，裡面有白色粉末的物質，如圖6所示。 圖6：燃燒後，裡面有白色粉末。 n  電土燈的化學 電土燈也叫乙炔燈，雖然它與瓦斯沒什麼關係，但是以前老一輩的人叫它「瓦斯燈」。電土燈是以鉛片及銅皮鑄造，分成上下層，上層裝水；下層放置電土石，電土石的成分是碳化鈣（CaC2）。電土燈發光的基本原理是利用電土石加水的化學反應，讓上層的水滴到下層的電土石，水與電土石發生化學反應，產生乙炔，點火發光。水與電土石化學反應，如反應式[1]所示： CaC2(s) + H2O(l) → C2H2(g) + Ca(OH)2(aq)    [1] C2H2就是氣體乙炔，而在電土燈下層最後留下的白色粉末就是用來泡製澄清石灰水的氫氧化鈣（Ca(OH)2）。氫氧化鈣溶在水中是強鹼，會使紅色石蕊試紙變成藍色。當氫氧化鈣遇到空氣中的二氧化碳（CO2）會發生化學反應，產生碳酸鈣和水，如反應式[2]所示： Ca(OH)2(aq) + CO2(g)  → CaCO3(s) + H2O(l)    [2]

早期的燃燒說 林煥祥 國立中山大學通識教育中心 huannlin@mail.nsysu.edu.tw   火是自然界重要的現象之一。長期以來，人們對燃燒的概念，自古以來大都是根據對火的直接觀察所提出來的。 大約在1660年，波義耳（Robert Boyle, 1627-1691）和胡克（Robert Hooke, 1635-1703）（圖1）進行了真正的燃燒化學實驗。他們把木炭或硫磺放在一個器皿中，抽出器皿中的空氣，再將器皿加熱，結果發現木炭或硫磺並不能燃燒。但是他們又把木炭、硫磺與硝石混合（即黑火藥），那麼即使在抽真空的條件下，仍會猛烈燃燒起來。於是波義耳和胡克提出重要結論：燃燒必須依賴空氣和硝石中所含的某種共同成分。 圖1：波義耳（左）和胡克（右） （圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Boyle和http://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Hooke。） n  波義耳的火微粒說 1637年，波義耳研究燃燒現象。他在密封容器內鍛燒金屬銅、鐵、鉛、錫等，研究鍛燒前後的增重。他認為火是由火微粒所構成，於是將金屬鍛燒增重的原因歸結：金屬鍛燒時，從燃料中發散出來的火微粒，穿過容器壁，進入了金屬，結合成比金屬本身還重的鍛灰。例如鍛燒“銀”，波義耳認為燃燒後增重了0.13 g，就是火微粒與金屬結合的重量。圖2為波義耳的火微粒說示意圖。 圖2：波義耳的火微粒說示意圖 波義耳犯了一個極大的疏忽：只注意到加熱物質本身所發生的變化（被加熱的金屬重量增加），卻疏忽了加熱物質周圍環境的變化（放置金屬的曲頸甑在加熱前後的重量比較）。然而，最根本的原因是因為波義耳一直嘗試以火微粒解釋燃燒現象。 n  胡克的硫素說 1664年，胡克研究蠟燭的火焰，提出對火焰的見解。他認為火焰是引起化學作用的混合氣體，並指出沒有空氣不能燃燒。但是他相信燃燒時燃燒體內有煉金術士所謂的“硫素”放出，溶解於空氣中時，放出溶解熱，於是發出火來。圖3為胡克的硫素說示意圖。 圖3：胡克的硫素說示意圖 雖然波義耳和胡克都提出了空氣介入燃燒的理論。可惜，他們都把燃燒的產生歸因於燃燒體本身（燃料）會釋放出某種物質與空氣結合，疏忽對空氣的了解，也沒有更深入的研究燃燒的本質與空氣關係。 n  施塔爾的燃素說 1703年，德國的施塔爾（Georg Ernst Stahl, 1660-1734）（圖4）提倡「燃素說」－他認為可燃的要素是一種氣態的物質，它存在於一切可燃的物質中，他把這種要素稱為“燃素”。他主張物質燃燒時，物質裡面的可燃成分（燃素），會從物質內逃逸出來，與空氣結合，從而發光發熱，這就是火。最後，物質只剩下灰。圖5：施塔爾的燃素說示意圖。 圖4：施塔爾 （圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Georg_Ernst_Stahl。）   圖5：施塔爾的燃素說示意圖 施爾塔對金屬鍛燒的變化過程的解釋恰與波義耳相反： 　　　金屬－燃　素＝金屬鍛灰。（施塔爾） 　　　金屬＋火微粒＝金屬鍛灰。（波義耳） 施塔爾認為物質在加熱時燃素並不能自動分解出來，必須藉空氣來吸收燃素。例如：酒精（燃素＋水）燃燒→水。酒精中的燃素被空氣吸收了，所以酒精燃燒後只剩下水。 燃素學說與真實的氧化還原比較，恰恰是對燃燒現象做了顛倒的解釋，把化合過程描述成分解過程。但是，在當時燃素學說“解答”了一連串的問題，因此很快得到許多化學家的支持和採納。從十八世紀初到該世紀末，大約一百年，在化學史上常常稱這段時期為燃素時期。 當時接受這種燃素理論的重要化學家有舍勒（Carl Wilhelm Scheele, 1742-1786）、普里斯特利（Joseph Priestly, 1733-1804）、以及卡文狄西（Henry Cavendish, 1731-1810）（圖6）等人。 圖6：舍勒（左）、普里斯特利（中）及卡文狄西（右） （圖片來源：http://zh.wikipedia.org/卡尔·威廉·舍勒、http://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Priestley和http://en.wikipedia.org/wiki/Henry_Cavendish。） 1772年，舍勒根據實驗提出對燃燒的見解：空氣中有兩種氣體。一種是火氣，能助燃；另一種是劣質空氣。舍勒認為燃燒時，火氣和燃素化合，形成光和熱而散去。令人遺憾的是舍勒始終相信燃素說，所以他從未試探以“火空氣”取代燃素以解釋燃燒現象。 n  普里斯特利發現氧氣 1774年，普里斯特利加熱紅色的水銀之石灰化質（氧化汞），他發現以這種方法所製造出來的氣體能讓蠟燭和木炭很容易著火並燃燒。由於普里斯特利篤信燃素說，他認為反應的變化是由金屬灰（氧化汞）＋燃素→金屬（水銀），而參與實驗的這種氣體不過是含燃素極少的空氣，於是稱它為“去燃素的空氣”（實際上是氧氣）。他從金屬鍛灰中分離出了氧氣，恰恰是燃素的對立物，對化學的發展意義格外重大。所以現在化學史界多數都認為他是氧氣的發現者。 n  拉瓦錫的燃燒理論 […]

硫酸銅晶體的結構探討 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  為何硫酸銅結晶水會分段釋出？ 問：「化學計量」此一單元有個問題，提及五水合硫酸銅（CuSO4ž5H2O）加熱，在不同溫度下，會失去某些結晶水而質量減輕，在失去所有結晶水後，在高溫下，硫酸銅（CuSO4）開始分解。有學生問起：為何結晶水會分段釋出？請問如何解釋此一現象。題目如下： 取CuSO4ž5H2O晶體100  mg，置於石英容器內加熱，使其溫度緩緩升高，以觀察其重量變化的情形。其測定結果如圖1所示，回答以下問題：（原子量：H = 1.01 g/mol、O = 16.0 g/mol、Cu = 64.5 g/mol、S = 32.1 g/mol） 圖1：硫酸銅受熱與重量的關係 (1)     若加熱至102℃所得物質重量為85.6 mg，則其化學式為        。 (2)     若加熱至113℃所得物質重量為71.2 mg，則其化學式為        。 (3)     若加熱至258℃所得物質重量為64.0 mg，則其化學式為        。 (4)     若繼續加熱至600℃附近，上一小題(3)所得物質開始分解，生成銅的某種氧化物與硫的氧化物，且重量減少32.0 mg，則此含銅的物質之化學式為        。 (5)     若對此含銅物質繼續強熱至960℃，又減輕3.2 mg，生成銅的另一種氧化物，則最後的物質其化學式為        。 n   解題方式一：化學計量 以化學計量方式，各小題解題如下： (1)   100  mg的CuSO4ž5H2O晶體加熱至102℃失去部分結晶水，設剩下X個結晶水：   (2)   85.6  mg的CuSO4ž3H2O晶體加熱至113℃繼續失去部分結晶水，設剩下Y個結晶水： (3)   […]