華氏、攝氏、克氏溫標與自製簡易溫度計 李啟讓1, *、洪振方2 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所 *li483739@yahoo.com.tw l 前言 在國中自然與生活科技課程的溫度與熱曾教過華氏溫標、攝氏溫標,學生會問老師為何水結冰的華氏溫度是32 ℉,且在普通高中基礎化學(三)氣體定律學習克氏溫標,學生也常問老師絕對零度是怎麼訂出來的?因此本文簡單介紹華氏溫標、攝氏溫標、克氏溫標與溫度計的科學史,並從物質受溫度影響規律性的變化量,動手自製簡易溫度計用來量測自己體溫。 l 華氏溫標 德國物理學家華倫海特(Daniel Gabriel Fahrenheit, 1686-1736)在1709年觀察了水的沸騰溫度、水和冰混合時的溫度、鹽水和冰混合時的溫度;經過反覆實驗與核准,最後把一定濃度的鹽水凝固時的溫度定為0℉,把純水凝固時的溫度定為32℉,把一大氣壓下水沸騰的溫度定為212℉,用℉為華氏溫度的單位,這就是華氏溫標。目前全世界只剩巴哈馬、貝里斯、開曼群島、帛琉、美國及其屬地還在使用華倫海特的華氏溫標。華氏溫度與攝氏溫度的關係為華氏溫度(℉)=9/5*攝氏溫度(℃)+32 。 l 攝氏溫標 在華氏溫標製定的30多年後,瑞典天文學家攝爾修斯(Anders Celsius,1701-1744)於1742年改進了華倫海特溫度溫標的刻度,他把純水的沸點與凝固點劃分為100個刻度,攝爾修斯創新的刻度,比華倫特的簡便得多,所以更受到人們的歡迎,就成了現在的百分制溫度,即攝氏溫標,用℃為單位如圖1。攝氏溫度與華氏溫度的關係為攝氏溫度(℃)=5/9*(華氏溫度(℉)-32)。 圖1溫度計,外圈為華氏溫標,內圈則為攝氏溫標(取自https://zh.wikipedia.org/zh-tw/華氏溫標) l 克氏溫標 在十七世紀末,法國科學家阿蒙頓(GuillaumeAmontons﹐1663~1705)開始探討氣體的壓力與溫度關係,後來的兩位法國科學家查爾斯(Jacques Charles﹐1746 ~1823)與給呂薩克(Joseph-Louis Gay-Lussac﹐1778~1850)接續研究,發現密度甚低的定量氣體,在其體積保持不變的情況下,其壓力的變化和溫度呈線性的關係。後來的兩位法國科學家查爾斯與給呂薩克接續研究,發現密度甚低的定量氣體,在其體積保持不變的情況下,其壓力和溫度呈線性的關係。若以壓力對攝氏溫度作圖,可以看出壓力和攝氏溫度的關係為不通過原點的斜直線。不同量氣體的直線,其斜率也不相同,但與溫度軸相交於同一點;此值由各種實驗發現為-273.15°C。這是最低的溫度極限,稱為絕對零度,在這個溫度下,氣體壓力為0,如圖2。 圖2定容、定量的低密度氣體,其壓力與溫度之關係(姚珩等,2018) 西元1802年,給呂薩克參考查爾斯的研究後發現,定量的氣體在定壓下,當溫度升高時,則體積也會增加,且體積的增加量與溫度的增加量成正比。不同氣體的體積與溫度均有直線關係。若將各條直線向左下方延長﹐它們相交於一點﹐且此交點會落在溫度軸上,均可發現交點所在之值為-273.15 °C,如圖3。 圖3 定壓﹑定量的低密度氣體﹐其體積與溫度之關係(源自姚珩等,2018) 因此,在西元1848年,英國科學家克耳文爵士建議採用絕對溫標,規定每度之間的大小與攝氏溫標相同,但取-273.15°C為溫標的零度。此絕對溫標也稱為克氏溫標,其單位為克耳文,記為K;因此,絕對零度為0K,而0°C則為273.15K。絕對溫度和攝氏溫度之間的換算關係為絕對溫度(K )=攝氏溫度(℃)+273.15。 l 如何讓溫度接近絕對零度並加以測量? 溫度在科學上的意義是物質裡含有能量多寡的一種度量。空氣分子熱的時候移動得快,有較高的動能。分子越冷,速度就越低,能量也越少。溫度冷卻的過程需要從一個物體取出能量,然後將它排放到其他的地方。藉著結合雷射冷卻與蒸發冷卻,科學家已經可以讓一團氣體原子的溫度,降到1nK(即1nanokelvin,10-9K)以下。現在的紀錄是450pK(1picokelvin為10-12K)。如何來測量這些原子的極低溫度?一個方法是直接觀看原子雲的大小。原子雲越大,原子內的能量一定越高,因為它們可以抵抗磁力而跑得更遠。另一種方法是測量原子的動能,將磁阱關掉,沒有磁力時原子會飛開,使得原子雲不受阻礙而膨脹。原子雲隨時間變大,這是一種觀測原子速度的直接方式,因此可以得到溫度。在一定的膨脹時間後,如果看到的原子雲較小,則意味著達到較低的溫度(凱特利, 2004) 。 l 伽利略溫度計 伽利略溫度計是義大利科學家伽利略(1564~1642)在1593年發明的,伽利略溫度計是一種由玻璃圓筒、透明液體及不同密度的重物所構成的溫度計。容器中的透明液體為乙醚或有機化合物等,對「溫度」非常敏感,當溫度改變時,液體的密度會隨之改變。根據阿基米德的浮力原理,液體密度越大(溫度越低),所提供的浮力越大,玻璃圓筒底下的球也能浮起。判讀溫度的方法是,由上方液面往下數最後那顆重物的溫度近似於待測的溫度,如圖4箭頭所指的溫度。 華倫海特在1709年利用酒精,在1714年又利用水銀作為測量物質,製成華氏溫度計。經過30多年,瑞典天文學家攝爾修斯於1742年改進了華倫海特溫度計的刻度製造了現行通用的攝氏溫度計。目前溫度計的種類很多,根據所用測溫物質的不同和測溫範圍的不同,有煤油溫度計、酒精溫度計、水銀溫度計、氣體溫度計、電阻溫度計、溫差電偶溫度計、輻射溫度計和光測溫度計等。 […]
從科學史來認識科學本質—以燃素說為例 范賢娟 中國寧德師範學院教育與藝術學院 2453316080@qq.com ■前言 科學教育不只重視知識的傳遞,還要讓學生了解科學方法,並且了解科學本質。但這說來容易,如何讓學生有深刻體會呢?化學史上對燃燒的看法,從直觀的「燃素說」,轉變為科學的「氧化反應」便是一個很好的例子,讓我們一起來重溫這段歷史。 ■燃素說被提出 普通的燃燒現象會釋放出許多煙,這似乎顯示有物質被釋放進入空氣中,這是什麼?一名德國醫生史塔爾(Georg Stahl, 1659-1734),他在醫學上有很好的成就,後來還去擔任普魯士國王的御醫,深受社會肯定。閒暇之時他去做許多基礎化學實驗,並整合之前有關燃燒的學說而產生「燃素說」。這是認定可以燃燒的物質內部含有「燃素」,燃燒時,燃素被釋放出來,這些立刻為周圍的空氣所吸收,我們所看到的煙就是很好的說明。 而物質燃燒後剩下的灰燼因為已經沒有燃素了,所以無法再燃燒。有的物質燃燒過後幾乎沒有留下灰燼,可見得那就幾乎都是由燃素所組成,例如硫磺。史塔爾還觀察到動植物的燃燒情況,他提出的解釋認為植物能從空氣中吸收燃素,而動物又可從植物中獲得燃素,所以動植物都富含燃素,可以燃燒。史塔爾的研究知道如果把動物關在密閉容器中,過了一陣子動物就會死掉,他認為這是因為容器中的空氣已經充滿了燃素到了飽和的程度,因此無法再吸收更多燃素。同樣的道理也可用在蠟燭於密閉容器中燃燒一段時間後就熄滅。 我們以「後見之明」來看會發現,呼吸與燃燒的實際情況,剛好與這個理論相反,呼吸和燃燒並不是把燃素排到空氣中,而是從空氣中吸取氧氣。但是如果從直觀現象而言,燃燒釋放出大量的煙,密閉容器上面還會觀察到水蒸氣,這些都如煙霧彈一樣讓人搞不清楚到底這過程是有物質釋放出去還是被吸收進來。 ■燃素說面對挑戰 不過其實在更早前,波以耳(Robert Boyle,1627-1691)就已經發現燃燒後物質的重量會增加,這該怎麼解釋呢?堅信燃素論的學者對這方面有的斥之為無稽之談,或者說那是這些人的實驗方法不夠嚴謹,還有一種是主張燃素這種物質具有「負」的重量。 這些不甚高明的說法居然可以屹立超過半個世紀,一直到法國科學家拉瓦節(Antoine-Laurent de Lavoisier, 1743-1794)開始認真投入燃燒實驗,才露出一絲曙光。拉瓦節注意到之前的理論似乎只能解釋片段的現象,串聯不起一個完整的知識架構,他親自重新做實驗,思索物質的轉換。這得要跳脫直觀的障眼煙霧,而是去量測反應前後物體的重量。 拉瓦節燃燒磷,這是當時其他許多學者眼中認為富含燃素的物質,收集燃燒後的產物,這需要蒐集氣體的能力,但這對拉瓦節而言並非難事,他很認真地去做量測與記錄,結果發現產物的重量大於反應物,這顯示燃燒的過程磷從空氣中吸收了某種物質。這個思考方向與當時主流理論背道而馳,因此拉瓦節不能急著發表,而是要進行更多的測試,確定他人可以重複這樣的實驗過程,得到相同的結果。 他換用不同的物質,包括硫、鉛等物來觀察燃燒前後重量的變化與產物的性質,他還把鉛的氧化物跟木炭作用,還原出金屬鉛。拉瓦節越來越確定燃燒是從空氣中吸取部分的物質,那大概佔空氣的六分之一到五分之一,因此他斷言空氣是種混合物,只有部分的空氣參與燃燒。 ■發現去燃素的空氣 但那種物質到底是什麼? 此時來自英國的普利斯特利(Joseph Priestley,1733-1804)恰巧跟著他的贊助人一起來到法國巴黎旅行,他在跟拉瓦節相聚的一次餐會上分享自己的發現:他用一個放大鏡讓太陽光聚焦於容器中的氧化汞上,結果發現所產生的氣體可以讓燭火更加燦爛、讓老鼠更加有活力,而普利斯特利自己也去聞看看,雖然沒有特別味道,但是卻讓他吸入後覺得精神抖擻。 雖然這是個重要的發現,但是對普利斯特利而言只是感到新鮮,他的觀察偏向質性描述,解釋方式則用燃素論,稱那種氣體為「去燃素的空氣」,因為該氣體對燃素如此缺乏,所以急於從可燃物當中汲取燃素,才導致燃燒更加旺盛。 拉瓦節則深感震驚,意識到這物質可能就是他所要找的,燃燒時從空氣中吸取的物質。他在宴會隔天就趕快回到實驗室重複普利斯特利的實驗,然後用這種氣體觀察各種燃燒過程,迅速發表結果,公開揚棄燃素論。 而回到普利斯特利,他對於自己的分享導致拉瓦節的研究大突破感到很不高興,除了他是燃素論的信徒沒辦法接受燃素論被推翻之外,更主要的原因在於拉瓦節在論文中完全沒有提到他的貢獻,這讓他覺得自己的想法被剽竊。但什麼才是普利斯特利的想法?認為那是「去燃素的空氣」嗎? ■推翻燃素說 拉瓦節完全不用這種稱呼方式,他稱那為「酸素」,是一種具有自己特性的物質,當時他以為許多物質燃燒時吸收這物質會產生酸,因此而有此命名方式,雖然這從現在的「後見之明」來看並非如此,但這已經是概念上的一大進步。 燃素論讓西方科學有數十年的時間都在打迷糊仗,雖然有許多人有些特殊的發現,但卻無法正確理解,例如1739年就有人發現動物呼吸、發酵,以及某些物體燃燒會產生一種「固定空氣」。然而那時候的人還不了解空氣是種混合物,因此對於這種固定空氣會讓動物吸入太多而死亡,但其他空氣又是動物生存不可或缺的物質感到困惑。 ■改變理論也改變觀察結果 當時的學者從燃素說的角度來看,可能會視之為「充滿燃素的飽和空氣」,但從拉瓦節的理論來看,這是碳燃燒時跟酸素結合所產生的物質(也就是二氧化碳)。 普利斯特利一直沉溺於自己的想法被剽竊,自己的信仰被推翻而不高興,但拉瓦節則吸引了一批科學家在學術上持續往前,大家需要新的化學命名方式來看待這些物質,包含了純物質與化合物。 從這裡可以讓學生了解眼見未必為憑,科學還需要更仔細的測量,量化的概念,同時也理解理論對引導思考、設計實驗、解釋實驗的重要。
綠色膠黏,交聯:硼砂的取代調查 廖旭茂*、王玉睿、梁書銘 台中市立大甲高級中等學校 教育部高中化學學科中心*nacl880626@hotmail.com n 影片觀賞 本實驗影片由大甲高中提供,綠色交聯成品的體驗過程介紹。 影片網址:https://youtu.be/jyNZPxNz6NM, YouTube. n 簡介 在中小學的實驗課堂裡或科學社團活動中常利用透明PVA膠水(Polyvinyl alcohol,簡稱PVA, 聚乙烯醇)或白膠(Polyvinyl acetate,簡稱PVAc,聚醋酸乙烯酯),跟不等量的硼砂產生交聯作用,可以製作黏彈性不一的異形(putty,另稱橡皮泥)或QQ球1;或在其中加入四氧化三鐵粉末(Fe3O4),製作可被磁鐵所吸引,逗趣的磁力異形2,但這個熱門又耳熟能響的科學玩具卻隱含著一個被輕忽的風險–硼砂。2017年就曾經報導過,新竹有學童就誤食了同學私下買來製作「史萊姆」的食用級硼砂,而緊急住院的案例3。 硼砂(Na2B4O7·10H2O),生活中廣泛地被使用在食品防腐、眼科醫藥、肥料,以及蟑螂的餌劑中;成人若攝入用1~3 公克硼砂即可能中毒,15~20 公克有致命危險;孩童則因為代謝效率較慢,食用5 公克可能造成死亡4。鑒於硼砂潛在的風險,本文將探討比較小蘇打(NaHCO3)、三偏磷酸鈉Na3(PO3)3與硼砂和膠水與白膠的交聯作用,並描述利用小蘇打取代硼砂,製作史萊姆異形、磁力異形、感溫變色異形的製作方法外,也提供其成品有趣的演示影片,並且詳細地說明此實驗所涉及的原理與概念。 期盼透過本實驗文章的分享,能拋磚引玉,推前瞻化學教育素養–「綠色思維與風險意識」,讓中小學的化學實驗能真正達到趣味性、動機性、安全性,符合綠色化學原則,落實永續教育的經營目標。 n 器材與藥品 一、器材: 250毫升燒杯、10毫升量筒、成型模具(自製)、智慧型手機、數位拉力計-5Kg、電子天平、數位硬度計、密封袋#6 等。 圖1:由左而右依序為成型模具、拉伸力測量機台、簡易數位硬度計 二、藥品: 透明膠水(聚乙烯醇)、白膠(聚醋酸乙烯酯)、硼砂Na2B4O7、三偏磷酸鈉Na3P3O9、碳酸氫鈉NaHCO3、四氧化三鐵Fe3O4(s)、感溫藍31度、黃色絹印油墨。 下圖為各分子的結構式。 圖2:由左而右依序為白膠(聚醋酸乙烯酯)、透明膠水(聚乙烯醇)、硼酸根(硼砂水解物) n 硼砂可以被取代嗎?利用小蘇打、三偏磷酸鈉取代硼砂,與高分子作用,在不同條件下,依序調查聚合物的重量變化、硬度、單位長度拉伸力等物性變化。 一、交聯劑與透明膠水(聚乙烯醇,PVA)的作用調查 1. 交聯時間的不同:取出成型模具,倒入10克的PVA膠水,並加入0.08M的硼砂溶液10毫升,均勻攪拌後,將模具放入密封袋,靜置5分鐘後。依序進行重量測量、拉力測試、硬度測試。重複前面實驗,將靜置時間分別提高至1小時、1天、1星期。依序進行重量測量、硬度測試。 2. 承上,將交聯劑換成小蘇打、三偏磷酸鈉,重複上述實驗測試。下圖為拉力測試。 圖3:高分子的拉力測試過程 3. 交聯劑的濃度:取出成型模具,倒入10克的PVA膠水,並加入0.01M的硼砂溶液10毫升,均勻攪拌後,將模具放入密封袋,靜置5分鐘後。依序進行重量測量、拉力測試、以及硬度測試。重複前面實驗,將硼砂的濃度分別提高至0.02M、0.04M、0.08M,均勻攪拌後,將模具放入密封袋,靜置5分鐘後。進行單位長度拉力測試。 4. 承上,將交聯劑換成小蘇打、三偏磷酸鈉,重複上述實驗測試。 二、交聯劑與白膠(聚醋酸乙烯酯,PVAc)的作用調查 1. 交聯時間的不同:將透明膠水換成白膠,重複上述1~2實驗,調查白膠分別與硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉在不同反應時間下,重量、以及硬度測試下的變化。 2. 交聯劑的濃度:重複上述3~4實驗步驟,調查白膠分別與硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉在不同濃度下,單位長度拉力測試的差異。 三、綠色交聯作用在科學玩具上的開發:史萊姆、磁力異形、感溫變色異形的等科學玩具的製作。 1. 綠色史萊姆異形的製作:取50克透明膠水,一邊以攪拌棒攪拌,一邊緩慢滴入飽和小蘇打溶液,約加入20 毫升的小蘇打溶液後,即可取出,並在手中搓揉均勻,備用。隨後將聚合物壓平略呈四方形,可與另一位同學一人兩手,緩慢自四方形的四個角落往外拉伸成薄膜,測量薄膜最大展開的面積是多少? […]
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: […]
《臺灣化學教育》第二十九期(2019年1月) 目 錄 n 主編的話 u 第二十九期主編的話/邱美虹〔HTML|PDF〕 n 本期專題【專題編輯/邱美虹】 u 2019國際元素週期表年(IYPT)/邱美虹〔HTML|PDF〕 u 2019國際元素週期表年(IYPT):追尋元素週期表的歷史軌跡/蔡蘊明 〔HTML|PDF〕 u 2019國際元素週期表年(IYPT):開啟化學與週期表的「萬應室之鑰」/陳竹亭〔HTML|PDF〕 u 2019國際元素週期表年(IYPT):門得列夫化學元素週期表最具突破性的研究報告是哪一篇?/邱美虹〔HTML|PDF〕 u 2019國際元素週期表年(IYPT):中文和日文在元素與化學名詞翻譯上的異同/林震煌〔HTML|PDF〕 u 2019國際元素週期表年(IYPT):鉻不叫Chromium,也是五彩繽紛!/李祐慈〔HTML|PDF〕 u 2019國際元素週期表年(IYPT):煉金術經濟學──從商業活動來看現代化學的誕生/蔡文潔、戴桓青〔HTML|PDF〕 u 2019國際元素週期表年(IYPT):同位素之簡介及應用/廖文昌、連經憶〔HTML|PDF〕 2019國際元素週期表年(IYPT):化學學習與元素週期表/周金城 [ HTML|PDF ] u 2019國際元素週期表年(IYPT):現代藝術家與門得列夫的時空交會/楊水平〔HTML|PDF〕 u 2019國際元素週期表年(IYPT):讓藝術腦撈過界~跨腦學週期表/吉佛慈〔HTML|PDF〕 u 2019國際元素週期表年(IYPT):微量元素,人體中的有感元素!/張榮耀〔HTML|PDF〕 u 2019國際元素週期表年(IYPT):鹵素歷史及生活運用–榮譽、戰爭、醫學/許之音〔HTML|PDF〕 u 2019國際元素週期表年(IYPT):美學與化學的邂逅:元素週期表巧拼創作/李雁婷〔HTML|PDF〕 n 新知報導/化學教育新知【專欄編輯/邱美虹】 u 2018年諾貝爾化學獎/蔡蘊明譯〔HTML|PDF〕 n 化學實驗/化學實驗含影片【專欄編輯/廖旭茂】 u 綠色化學實驗模組的設計與應用-2:金屬取代模組/廖旭茂〔HTML|PDF〕 n 課程教材/化學課程與教材【專欄編輯/楊水平】 u 利用另類的多倫試劑學生DIY隨身鏡/方舜雨、蔡家興、楊水平〔HTML|PDF|學生手冊〕 n 新知報導/化學教育新知【專欄編輯/李賢哲】 u […]
第二十九期 主編的話 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授 國際純粹化學與應用化學聯盟(IUPAC)執行委員會常務委員 中國化學會(臺灣)教育委員會主任委員 美國國家科學教學研究學會(NARST)前理事長 mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw 國際化學元素週期表年(The International Year of Periodic Table of Chemical Elements, IYPT)巴黎開幕式我來了! 收到聯合國教科文組織(UNESCO)的邀請函後,就期待能到巴黎參加1月29日在UNESCO總部的開幕式,除能以IYPT Management Committee委員身分踏進UNESCO是令人興奮外,更令人興奮的是以臺灣這個不是UN會員國的身分進入UNESCO,個人是感動莫名。 凡是上過科學課程的人,沒有不知道元素週期表的。門得列夫在1869年發現元素之間的關係後正式提出元素的規律性進而建立週期表,同時他大膽地對尚未發現的元素進行預測,這一步使得他的週期表與其他較為保守的科學家所建立的週期表具更具前瞻性,也奠定他在科學史上的崇高地位。 IYPT就是為了慶祝門得列夫發表元素週期表150年所訂的。負責IYPT活動的主要是IUPAC的成員,包括前理事長Natalia Tarasova和無機委員會主任委員Jan Reedijk,和四位管理委員會委員(Chris Brett, Chris Ober, Lars Ohrstrom, 和我),其他是UNESCO代表和各科學委員會代表[如純粹物理與應用物理聯盟(IUPAP)、國際科學理事會(ISC)、國際天文學會(IAU)、歐洲化學學會(EuChemS)等]國際科學組織。臺灣的化學會也未缺席,是IYPT活動的贊助單位之一,共襄盛舉。此次開幕式嘉賓包括有UNESCO司長(Andrey Azoulay)、俄國科學和高等教育部部長(Mikhail Kotyukov)、法國科學院院長(Pierre Corvol)、還有相當知名的PhosAgro(Andrey Guryev)公司執行長,其他還有來自世界各國將近700位代表出席,這些科學社群與業界的支持,使得這次的活動更彰顯化學的歷史地位與對社會的影響力。一整天的開幕的活動從早到晚,從小朋友的實驗活動(1001 Inventions: Journeys from Alchemy to Chemistry,這讓我很訝異,誰說小朋友不能教化學元素的!!!)、到中學和大學動手做化學實驗、各種週期表海報展、以及大師論壇等,內容多元與豐富。其中大會的兩個特別演講分別是2016年諾貝爾化學獎得主班.福瑞吉(Ben Feridge,下圖左)的Periodic Table for Society and the Future,演講內容從門得列夫的歷史道起,再以深入淺出的方式介紹元素在食衣住行醫學等的影響;另外一位嘉賓是發現元素118的尤里.奧格奈西恩(Yuri Oganessian,下圖右),以其化學研究與元素發現為主題(New comers in the Periodic Table)。兩位國際重量級大師為當天的活動帶來高潮。其他演講大都圍繞在週期表以及化學元素在各科學領域的應用與研究突破的角色。此外,IYPT今年針對週期表各元素向全世界徵求傑出年輕學者代表特定元素,因此當天有來自五大洲的獲獎的年輕化學家代表致詞,這種傳承的精神讓人可預見化學更長遠的未來。 […]
2019國際元素週期表年(IYPT) 邱美虹 國立臺灣師範大學 科學教育研究所 mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw 2019年為聯合國(UN)公佈之「國際化學元素週期表年」(International Year of Periodic Table of Chemical Elements, 簡稱為「國際週期表年」,簡寫為IYPT),此源於紀念俄羅斯化學家門得列夫(Dmitri I. Mendeleev)於1869年所提出的元素週期表至今150週年,而2019年也恰好是國際純化學和應用化學聯合會(IUPAC)成立 100 周年,這歷史性的意義著實令人佩服科學家對人類文明的貢獻以及對宇宙探索不懈的努力。 IYPT雖是由國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)主動提出,但還有其他組織的全力支持[如國際純粹與應用物理聯合會(IUPAP)、歐洲化學和分子科學學會(EuCheMS)、國際科學理事會(ICSU)、國際天文學會(IAU)、國際科學和科技歷史和哲學聯合會(IUHPS)],以及全世界50多個組織共同申請。這不僅是科學界的盛事,也是各國在化學教育上重視的一項活動,除藉此認識科學家們的志業以外,學生和普羅眾生也應該認識與了解生活周遭的化學元素與其應用,其對人類的生活品質提升的影響,而在這同時又將如何面對元素逐漸瀕臨稀缺金屬[endangered element,如鎵(Ga, 31)、銦(In, 49)、鉿(Ha, 72) 硒(Se, 34)],這些元素要不是科技產品所需的元素,就是能源的來源。此時,IYPT的到來,是提供我們正視這些問題的良機 門得列夫因發現元素週期律而建立週期表至今已長達150年,它不僅找出元素之間系統性的關係,同時它也開啟科學研究的新頁,門得列夫的週期表雖然不是第一個以週期性來表示相似性質的元素之間的關係,但它的重要性就在於它充分展現其有助於科學家對物質型態和性質所能進行的強大預測力之價值。 本期專題以IYPT為主軸,內容包括有門得列夫與化學(蔡蘊明、陳竹亭、邱美虹)、元素的命名(李祐慈)、中文和日文在元素與化學名詞翻譯上的異同(林震煌)、化學元素與教學(周金城)、藝術與音樂(楊水平、蔡文潔和戴桓青、吉佛慈、李雁婷)、元素性質(連經憶、張榮耀、許之音),合計13文章,無疑是在此時向偉大的門得列夫致敬,除緬懷門氏過去的成果,同時期待展望未來,展現化學元素對人類發展不可或缺的地位。
2019國際元素週期表年(IYPT):開啟化學與週期表的「萬應室之鑰」 陳竹亭 國立台灣大學化學系 jtchen@ntu.edu.tw (轉載自http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32889, 2017年3月16日) (摘錄自週期表的故事(Periodic Tales, The Curious Lives of the Elements)導讀序/八期文化) n 前言 在近代化學中,元素概念由拉瓦節(Antoine Lavoisier, 1743-1794)在1780年間引上正途之前,是一條曲折蜿延的長路。煉金術昌行的時代,術士們口說元素,卻不知何為真元素!瑞典的席勒(Carl Wilhelm Scheele, 1742-1786)和英國的普利斯力(Joseph Priestley, 1733-1804)都較法國的拉瓦節(見圖一、圖二)更早發現而且分離了「氧氣」,卻都沒能正確述說氧氣的科學意義。17-18世紀,絕大部分的化學家都相信「燃素論」(phlogiston theory)2,甚至有的還沒放棄煉金術。 圖一、拉瓦節的實驗室1 所謂燃素就是可燃物在燃燒時釋出的物質,而週邊的物質就吸收燃素。這似是而非的道理碰到了精於會計和稅務平衡的拉瓦節(圖二),偏偏他又是對實驗的質量變化極為謹慎,錙銖必較。金屬礦燃燒時,礦渣變輕;碳或硫燃燒時,產物變重。所以燃素該有多重呢?拉瓦節不僅懷疑歷時逾百年之燃素論的正確性,更重要的是他認為需要新的燃燒概念,好比牛頓在運動、力學、數學中一樣的發現和發明:要用簡單、合理的邏輯,有系統且一致、連貫的理論,涵蓋、說明所有物質組成及變化的發現或發明。 圖二、拉瓦節1 圖三、拉瓦節著的《化學基本原理》 n 近代化學之父–拉瓦節的貢獻 拉瓦節在1789年出版的第一本近代化學教科書—《化學基本原理》(Traitéélémentaire de chimie)中(見圖三),根據當代能重複實驗之具體可靠的結果,整理出33個「元素」,就是不能再由化學反應分解出新物質的純物質,也包括替氧氣(oxygen)命名。還依照貝齊琉斯(Jöns Jacob Berzelius, 1779-1848)建議的英文元素符號,有系統命名了化合物,就是由兩種以上的元素結合的純物質。從此,要稱一個東西為純物質,就必須提出固定不變,且經得起檢驗的成分組成。(這就打斷了一群實驗混混的後路!)更重要的是他說明了「燃燒」—這從古至今迷幻、眩惑、震懾、驚恐…了多少人的神奇現象,就是物質和氧氣的化學反應,而且一切化學反應皆遵守質量守恆定律。 拉瓦節成為率先捨棄煉金術和燃素論,將化學整理在一個正確理論下的化學革命第一人,正是第一位企圖以系統科學了解化學的先知。他雖未正式提出「原子」,但自17世紀波以耳以降,化學家大多承襲世界是由微粒(Corpuscularianism)集合而成的機械哲學(mechanical philosophy)觀點。3,4拉瓦節雖未能如願的成為公認的氧氣發現者,事實上拉瓦節從未曾發現任何的新元素,但是拉瓦節追隨牛頓的腳步,終究是有集大成的化學洞見!他離世後未滿十年,道耳吞就發表了「原子說」(Atomic theory)。 n 元素週期表的發展簡史 今天的週期表是依「原子序」(atomic number)的正整數排列,週期表的終篇若是沒有莫斯利(Henry Gwyn Jeffreys Moseley, 1886-1915)發現原子序的故事就不夠完美。莫斯利曾經在英國曼徹斯特大學任教,由教齡略深的拉賽福(Ernest Rutherford, 1871-1937)督導。1912年,波爾(Niel Bohr, 1885-1962)也進入拉賽福的研究室擔任博士後研究員。拉賽福根據他指導的蓋格–馬斯登實驗(Geiger-Marsden experiment),就是用高速a–粒子撞擊金屬箔。從大量的a–粒子穿透直行,而極少量的a–粒子以大角度的模式散射,他歸納提出了一個不同於湯木生(Joseph […]
2019國際元素週期表年(IYPT):追尋元素週期表的歷史軌跡 蔡蘊明 國立臺灣大學化學系 ymtsai@ntu.edu.tw 聯合國大會於2017年末宣佈2019年為“國際化學元素週期表年”,彰顯這個由蘇俄科學家門得列夫(Mendeleev, 1834-1907)在1869年的重大發現對全球文明進展的貢獻。這個化學元素週期性質的關鍵理論導致了更多新元素的發現,進一步醞釀了二十世紀初期量子力學的革命,不但催化了化學的進步,也間接地對生命科學、地球科學、醫藥、農業和能源等等領域的發展產生重大影響,也無怪乎化學元素週期表成為化學最重要的圖騰而為全人類所熟知。值此元素週期表發現的一百五十週年紀念時刻,讓我們回溯一下這個重要事件的發展軌跡(Brock, 1993; Hirota, 2016; Hudson, 1992),藉而瞭解早期科學家對於這個複雜世界的摸索,如何成就了現在的發展。元素週期表的發現絕非偶然,而是眾多對未知的科學探討最終導致的結果,門得列夫的卓越洞察力,理出了大自然中奇妙的規律,經過了一百五十年,越發顯示其輝煌的成就。 n 1860年之前的掙扎 剛進入十九世紀之時,一項重大的化學理論同時開展,英國科學家道耳頓(Dalton, 1766-1844)於1805年提出了現代版的原子學說,即便是現今如此重要的學說,在當時以及之後的一百年卻一直不斷的受到質疑,最主要的困難在於原子是如此的渺小,這讓早期的科學家很難想像如何的觀察它以及取得一顆原子的質量。道耳頓的原子學說主張不同的元素具有不同的原子,整個物質的世界乃由各種不同的元素之原子所組合而成,在無法量度一顆原子質量的困難下,採用相對質量的做法逐漸成形。由於氧元素能與眾多元素生成氧化物,因此氧的原子量成為相對的標準。 另一阻擋了理論進展的絆腳石,反諷的在於當時極具影響力的道耳頓本人。他基於最簡原則,堅信氧氣是單原子的,連帶使得他強烈質疑給呂薩克(Gay-Lussac, 1778-1850)的氣體研究之準確度,使得給呂薩克提出的氣體反應的物種體積具有簡單整數比的實驗結果受到懷疑。雖然亞佛加厥(Avogadro, 1776-1856)的理論,亦即同溫同壓下同體積的氣體具有相同粒子數的假說,能夠解釋給呂薩克的實驗現象,但是那必須接受當時已知的氣體均為雙原子分子的革新想法,可惜未能獲得當時多數學者的支持。這些狀況導致相對原子量的數值遲遲無法得到共識,阻礙了結構理論的發展。例如在1860年之前,一個簡單的有機化合物醋酸,就存在十九種不同的分子式。見微知著,化合物分子式的不確定使得有機化學的發展受到阻礙。 所幸理論的遲滯並未影響實驗技術的進步,新元素仍然不斷的發現,在1790-1830的四十年之間就有26個新元素的發現。然而傳統的技術亦有極限,自1830年至1859年卻僅有五個新元素被發現,此時元素的總數已經超越了60。話說回來,遠自希臘哲人開始思考萬物組成之謎時,普遍認為世界是由簡單的幾個元素組合而成,因此存在了六十種以上的元素實在是大大違反簡單原則的信念,這也使得道耳頓的學說難以接受。當然後見之明告訴我們,這世界的確是簡單的,各種原子最終的確回歸到幾個相同的基本粒子,但這樣的認知乃是基於無數科學家在十九世紀的努力,終於在二十世紀所結的果實。 n 關鍵技術的發明 於1860年之前科學家們已經知道一些金屬鹽類燃燒時會有不同焰色,透過三菱鏡的分光,可以觀察到各金屬的焰色具有特定的譜線。德國科學家本生(Bunsen, 1811-1899)在海德堡大學的新實驗室剛開始使用燃氣的設備,他想透過焰色研究硬水中所含有的鹽類,可是當時所使用的燃燒器放出太多的光而影響觀察,因此他與助手克希何夫(Kirchhoff, 1824-1887)於1860年發明了本生燈以及相關的光譜儀,隨即於該年發現了銫 (cesium, Cs)。這個關鍵技術的發明,使得元素的發現又得到了新的動力,最終導致十九世紀末鈍氣元素的發現,此乃後話。 n 1860年開始的原子量共識 這1860年另有一重大發展,那發生於德國西南部的卡爾斯魯厄(Karlsruhe)這個城市所舉辦的第一屆國際化學會議(deMilt, 1951)。在此會議中,一位年輕的科學家坎尼乍若(Cannizaro, 1826-1910)給了眾人一個印象深刻的演講。他針對當時毫無共識的原子量議題,主張接受亞佛加厥的理論,並認為氫氣為雙原子分子,因為氫為最輕的元素,定其原子量為1,則氫氣的分子量為2,既然同體積的氣體具有相同粒子數,則其它化合物之蒸氣與相同體積的氫氣來比較質量(即氣體密度比),可得到其它化合物相對的分子量。接著透過當時發表的眾多實驗數據來分析,得到一系列合理的原子量數值。 在此簡單的利用幾個碳化合物的質量百分組成來闡述坎尼乍若的分析(表一)(Cannizzaro, 1858),表中的五個化合物的氣體,可透過與氫氣密度相比取得相對分子量,接著由元素分析所得到的含碳質量百分比求得該分子量中碳原子總和的質量。例如甲烷相對於氫的分子量為16,而元素分析實驗顯示甲烷分子中的碳含量為75%,代表其分子中含有的碳相對質量為12。很明顯的於表一中所呈現,這五個碳化合物分子中碳原子的相對總質量均為12的倍數,但不會小於12,最合理的解釋就是一個碳原子相對於氫,其質量為12。 表一、五個碳化合物的質量百分組成分析 相對分子量 % C 相對碳質量 甲烷 16 75 12 乙烷 30 80 24 丙烷 44 82 36 丁烷 58 83 48 […]
2019國際元素週期表年(IYPT): 門得列夫化學元素週期表 最具突破性的研究報告是哪一篇? 邱美虹 國立臺灣師範大學 科學教育研究所mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw n 前言 科學家進行研究時,是在不斷面對問題、不斷解題的過程中累積研究的能量與智慧,並在適當的時機下產生打破僵局的研究成果,使研究得以邁向另一個新的里程碑。然而科學家重大的研究成果,究竟應以同一主題下所發表的第一篇文章屬最具突破性呢?還是被引用的次數最多的呢?這是一個有趣且值得深入探討的問題。門得列夫找到元素的規律性而提出元素週期表的想法分別在1869年發表一本書,兩篇期刊論文、1871年發表兩篇和1872年發表一篇文章,本文即根據相關文獻對此作簡介,或許可以提供讀者對門得列夫的貢獻和科學成果的價值有進一步的認識。 n 化學突破獎的由來 2006年美國化學會(American Chemical Society, 簡稱ACS)化學史組 (Division of the History of Chemistry, HIST)首次設立化學突破引用獎[Citation for Chemical Breakthrough (CCB)Award]。該獎項旨在肯定ACS所有科學出版品中具突破性的論文、書籍、和專利。當年第一屆有一本書、三個專利、六篇論文獲獎。自2006年到2018年已頒發68個具突破性的科學成果獎項,其中最早的一篇是1787年由法國化學家德•莫法與拉瓦錫等人共同發表的文章(de Morveau, Lavoisier, Berthollet, & de Fourcroy, 1787),該篇文章在2015年獲得肯定。有關這方面的資料可以在HIST的官網找到(如註一所示)。 所謂「突破性」文章就是指在化學上提出革命性的概念,拓展了化學領域的廣度以及有長期的影響力。獎項委員會的篩選過程其實很簡單,就是評審委員給從推薦名單中根據優先次序分別給予10, 9, 8依序下去,得分最高的就是該年度獲獎的作品,在這些獎項中最具挑戰性的就屬論文獎,每年獲獎個數取決於因子間投票的分布情形(Seeman, 2013)。一般而言,都是以特定主題下第一篇發表的論文為主,但也未必,因為還要考慮哪篇文章才對該科學社群比較重要、哪篇文章造成轟動、或是哪篇文章被注意到且造成後續的影響?若是如此,那獎項委員會就需要有專業知識而不是只懂化學史的人來擔任評審委員(Seeman, 2013)。 n 門得列夫的週期表 2012年ACS的HIST將化學突破引用獎頒給蘇俄的聖彼得堡大學,以表揚門得列夫的貢獻。門得列夫在1869年-1872年之間共發表有關週期表的教科書一本和五篇文章,如表一所示,本文是以當年擔任HIST主席的Lewis(2014)一文為主要討論的內容,再佐以其他相關文獻的評析(註2)。 表一 門得列夫在1869-1872年之間依序所發表的重要文章 排序 年 發表的書名或期刊 語言 重點內容 1 1869a Osnovy Khimi (Elements of […]