奈米/團簇實驗課程設計與應用:以電化學法利用市售果汁合成螢光碳奈米物質 鄭至崴、何秀倩、邱泰嘉、胡焯淳* 國立台東大學應用科學系 *cchu@nttu.edu.tw 一.簡介    奈米材料，奈米材料的尺寸介於原子與塊材之間因此奈米材料表現的性質較為特別，目前有以下幾種，常見如金屬奈米粒子、金屬奈米團簇、碳奈米點和奈米級的複合材料等。   金屬奈米粒子的合成簡便且快速，是種相當容易取得的奈米材料。由於粒子的大小為奈米等級，所以在外觀和許多表徵與塊材有相當大的差異。目前金屬奈米粒子的應用非常廣泛包含殺菌，檢測探針，催化反應，藥物傳輸等。金屬團簇有別於奈米粒子，一般具有特殊的螢光性質，因此此類材料也引起了高度關注。其中以貴金屬銅(Bhamore, Jha et al. 2016)、銀(Tang, Feng et al. 2017)、金(Yang, Zhu et al. 2014)的討論度最高 。但不論金屬奈米粒子或金屬團簇均使用到金屬離子，較易造成環境的汙染與生物相容性之問題。最近新興之碳奈米材料使用最常見的元素碳為主體，可有效避免上述之問題。 碳奈米材料由早期之碳六十，碳奈米管至最近發展的碳奈米點(carbon dots, CDs)。科學家們發現碳奈米點是一種具有螢光特性的奈米材料，原料來源相當多元，例如咖啡渣(Hsu, Shih et al. 2012)、廢棄樹葉(徐晨皓,袁子鈞  et al. 2014)、羊肉(Wang, Xie et al. 2017)等甚或在常見之食物中如市售及溶咖啡(Jiang, Wu et al. 2014)等。分離純化來自食物中的碳奈米物質，更能顯現出碳奈米物質對生物體影響是較低的。碳奈米物質具有可調控性和強大的螢光，使其能在生醫和檢測(Niu, Ying et al. 2018)上有不錯的表現。由於合成方式簡單、價格低廉、低毒性等優勢，碳奈米物質近年來也成為了相當熱門的材料。     碳奈米物質的合成方式相當多元，例如：水熱法(Liu, Duan et al. 2017)、微波輔助法(Zhai, Zhang et al. 2012) 、超音波合成(Dang, […]

戴維與電化學 洪振方*、刁彭成 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所*t1873@nknu.edu.tw       電化學的歷史是從18世紀和19世紀之交伽伐尼（Luigi Galvani, 1737-1798）發現電和伏打（Alessandro Volta, 1745-1827）發明電池開始的。18世紀末，義大利波隆那大學解剖學教授伽伐尼在解剖青蛙時，發現了把解剖後的青蛙用兩種金屬與它接觸，只見蛙腿收縮了一下，伽伐尼認為動物體內有一種動物電，它會促使神經肌肉運動。伽伐尼的實驗給義大利物理學家伏打以重大啟示，重複並研究伽伐尼的實驗，伏打認為這不是動物電，而是物理電現象，蛙腿僅僅起到驗電器的作用，它的收縮表明回路中有電流通過。伏打認為，換一個別的東西代替蛙腿，應當也會產生電流。他把兩種金屬（例如鋅）相互接觸，中間夾上用鹽水浸透的吸墨紙，無需蛙腿也會產生電流。伏打在重覆和檢驗伽伐尼的發現中製成了能夠產生電流的電池。但伏打卻從來沒有去注意在電池放電的時候有什麼化學過程伴隨著發生了，而英國的科學家立即用這種新裝置來研究電引起的化學反應。 圖1：Luigi Galvani（賈法尼） （圖片取自：https://en.wikipedia.org/wiki/Luigi_Galvani）       圖2：Alessandro Volta（伏打） （圖片取自：https://en.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta） n  用伏打電池做電解水實驗 1800年伏打發明了電池，就在這一年，英國的兩位科學家尼科爾森（William Nicholson, 1753-1815）和卡里斯爾（Anthony Carlisle, 1768-1840）將伏打電池的兩極通入水中，使水中通過了電流，出現了奇特的現象，水被分解成氫氣和氧氣兩種氣體，且分別出現在兩個電極上。電解水實驗很快就傳到了世界各地的實驗室，科學家深受這個實驗的鼓舞和啟發。隨著研究的深入，科學家們發現在電解水的同時，在陽極附近的水中總有酸性物質產生；在陰極附近總有鹼性物質產生。英國化學家戴維（Humphry Davy，1778-1829）認為水是由氫和氧合成的，水分解的產物也只能是氫和氧，電解過程中產生出來酸和鹼可能是由於水的不純。於是他以蒸餾水來做試驗，並事先用氫氣趕盡水中的空氣，果然消除了這種現象。在尼科爾森和卡里斯爾電解水的實驗公布以後的六年之內，並無一位化學家注意到上述問題，恰恰是戴維解釋了這一疑難。   圖3：Humphry Davy（戴維） （圖片取自：https://en.wikipedia.org/wiki/Humphry_Davy） 既然水可以被電解，那麼其他物質通電同樣會被分解嗎？戴維認為這是一個值得研究的課題，於是他集中精力開始了實驗。戴維提出利用電解作為一種化學分析的方法，還討論了電解時溶液中物質的傳輸問題。他以硫酸鉀進行試驗，在浸入陰極的試管中放入硫酸鉀溶液和薑黃指出劑；在插入陽極的試管中則放蒸餾水及石蕊指示劑，兩試管中的液體用石棉纖維接通。當通電後，在插入陽極的試管中出現了硫酸，顯然它是由陰極附近的硫酸鉀解離後，經過石棉纖維游動過來，這表示陽極有吸引硫酸的作用。後來，他又用類似的實驗，證明陰極有吸引鉀鹼的作用。戴維證明了電解過程中，物質是在傳輸的。 n  戴維從伏打電池的原理中找到了捕捉元素的新方法 1807年，戴維用250對金屬板製成了當時最大的伏打電池，以便產生強大的電流。起初，他用碳酸鉀的飽和溶液進行電解，結果在電池兩極分別得到氧氣和氫氣。這和電解水的結果一樣，戴維認為是水溶液中的水存在的緣故。因此，他決定排除水的干擾。隨後他改用熔融的碳酸鉀，在密閉的容器中通電，熔融的碳酸鉀發生明顯變化，並有固體小顆粒產生。戴維把這種金屬顆粒投入水中，開始時它在水面上急速轉動，發出嘶嘶的聲音，然後燃燒放出淡紫色的火焰。他確認自己發現了一種新的金屬元素，將它命名為「鉀」。第二年，他又用電解的方法製得了金屬鈉、鎂、鈣、鍶、鋇和非金屬元素硼和硅，戴維成為化學史上發現元素最多的人。   n  用電解法發現酸的氧元素說的錯誤 在研究用電解的方法從碳酸鉀、碳酸鈉和碱中離析出這些化學元素的過程中，戴維又遇到了另一個疑難的問題，他發現鹼乃是一種氧化物，但是如果要把酸說成是含有氧，又使他感到困惑不解，因為當時人們根據拉瓦錫的觀點，所有酸中都含有氧。戴維在研究碲的化學性質時發現碲化氫是一種酸，但是它並不含有氧，使他開始懷疑起氧是否存在於所有的酸中。為了找到更多的證據，1810年，戴維便開始研究起鹽酸(HCl)。按照拉瓦錫的觀點，鹽酸中應該含有氧，因此，氯不是一種元素而是氧化物。然而，當時的化學家們想了很多辦法也沒有從鹽酸或氯氣中找到氧。 剛剛用電解方法發現了多種元素的戴維決心挑戰這一難題。通過一系列精心設計的實驗，戴維始終無法從氯氣或鹽酸中分離出氧，於是他確認氯是一種元素，並將這種元素命名為「氯」。由此，戴維認為酸中都含有氧這個觀點是錯誤的，比如鹽酸中就不含氧，氫才是一切酸類不可缺少的要素。經過一段時間的檢驗，人們接受了戴維的觀點，酸的氫元素說取代了錯誤的酸的氧元素說。從此，人們對酸的本質有了更為正確的認識。 n  戴維創立了氧化還原反應—電解法 在戴維之前，人們雖然已經知道有鉀、鈉等元素的存在，但是由於這些元素十分活潑，在化合物中結合得十分牢固，通常的化學方法，無法使它們離析出來。然而，戴維卻能以敏銳的眼光，看出伏打電池在能源之外的用途，它還是強有力的氧化—還原工具，他創立了化學上最強大的氧化還原反應—電解法，一切活潑的金屬或非金屬都可以用這個方法，把它們從化合物中析離出來。   參考資料 1. 洪振方 (2000)。近代科學的進展。台北：台灣書局。 2. 趙匡華 (1992)。化學通史。新竹：凡異出版社。 3. 胡作玄譯 (2003)。化學簡史。原作者J.R.柏廷頓(James […]

大型印台和銅板電化學蝕刻製作 廖旭茂 台中市立大甲高中 nacl880626@hotmail.com n  影片觀賞 本實驗影片由大甲高中提供。 影片網址：https://youtu.be/550XCWugER8, YouTube. n  簡介 利用電解蝕刻法(Electrolytic Etching)，在外通直流電下，讓不易氧化的金屬或合金在電解質溶液中被電解氧化成離子，進而使金屬表面出現具有凹凸對比的立體圖案。目前也有幾種微型的電解蝕刻教具，應用在中學的教學上，而廣受歡迎[1][2]。 「所有的IDEA都是來自需求」，筆者任教的學校去年完成了一座大型的戶外裝置藝術_搖滾巴克球2.0，為了在不鏽鋼底座烙印紀念logo字樣，原打算使用金屬雷射來雕刻，惟量體過大，特殊加工價格過高，遂打消了原有的方案。後來想到電解蝕刻法，原有的可攜式的微型蝕刻工具顯然派不上用場，於是開始著手大型蝕刻印台的開發，歷經數月才完成。下圖1和圖2為搖滾巴克球外觀與logo蝕刻過程。 圖1 搖滾巴克球裝置藝術外觀 圖2 電化學蝕刻過程 大型的電解蝕刻，除可在銅或合金上進行藝術創作外，亦可設計為特色選修課程教學活動。學生可以事先以奇異筆在金屬板材勾勒出線條，再繪製圖案；或透過雷射印表機將選定的圖案印到光面紙上(如貼紙用的離型紙)，以電熨斗熱轉印到金屬板上；亦可以先設計好的文字或圖案的數位檔，利用割字機輸出卡典西得膠膜。最後將此金屬板置於沾濕電解液的不織布下，通入直流電，大型印台的導電平台與電源負極連接，未被碳粉或奇異筆墨遮蓋的部分(卡典西得上鏤空的部分 )與直流電正極連接，鏤空部分隨即被氧化侵蝕凹陷，被遮蓋的部分，則維持不反應；電解蝕刻結束再將碳粉或筆墨清洗乾淨，完成蝕刻活動。 n  藥品與器材 本實驗所需相關材料，如圖三所示。 1.          雷射切割機 2.          電鑽平台含3.3 mm鈷鋼鑽頭(不鏽鋼板導孔用) 3.          螺絲攻含4 mm 鑽頭 4.          8 mm壓克力板 5.          矽利康膠 6.          Φ=4 mm (長16 mm)不鏽鋼圓頭螺絲及螺母 7.          雙頭鱷魚夾電源線紅黑各一條 8.          厚2 mm，長10 cm×寬10 cm正方形不鏽鋼板（或黃銅板）一塊 9.          砂紙（400#）一張 10.      壓克力膠一罐 11.      A4離型紙(熱轉印用)一張 […]