綠色化學創意競賽 葉名倉1, *、繆慧娟2, * 1國立臺灣師範大學化學系 2工業技術研究院綠能與環境研究所 1, *cheyeh@ntnu.edu.tw 2, *cmiao@itri.org.tw n  設計理念 教育部三年前開始針對使用列管毒性化學物質的高中職校化學實驗進行替代研究，原先的構想只是單純的進行毒化物的替代而不修改原有的實驗步驟，但是在替代實驗研究的過程中，老師與學生們嘗試著調整用量、濃度，甚至設計實驗的器材，在在展現師生們傑出的綠色化學創新研發能力。因此，希望能設計一個競賽舞台來激發師生的創意，進而推廣減廢、物盡、低毒、保安、降輔、節能、再生、簡潔、催化、可解、監測、思危等綠色化學原則，共同打造實驗室的安全與環境的永續發展，將安全、環保、永續之綠色化學觀念建立於各個教學實驗中，期使學生能確實的感受到綠色化學之可行性與重要性。 於是教育部與行政院環境保護署於103年共同舉辦第一屆高中職「綠色化學（減毒減量）創意競賽」暨「大專校院綠色化學（減毒減量）創意示範觀摩」，活動海報如圖1所示。為推廣全國大專和高中職學生對綠色化學的興趣，並鼓勵高中生探索科學的精神和創造發明的潛力，培養學生靈活思考、多元學習的精神，提供高中職學生一個良性競爭的環境及成果發表的園地，並另邀請大專校院學生示範參與，提供高中職良性觀摩的機會。 圖1：綠色化學（減毒減量）創意競賽活動海報 n  綠色化學 美國環境保護署（Environmental Protection Agency, EPA）的Paul T. Anastas博士（見圖2左）和波士頓麻州大學的John C. Warner教授（見圖2中）所著的〈Green Chemistry: Theory and Practice（綠色化學：理論與實務）〉（Oxford University Press, 1998）（見圖2右）中列出「綠色化學」的十二個原則，現已為化學界普遍接受。最早在臺灣推廣永續化學概念的台灣大學化學系劉廣定教授，於2002年首先在大學裡開設「永續化學概論」課程，並於2001年開始向高中新課程總綱規劃小組和大學化學相關學系建議將永續化學教育引入中學和大學教育。經過這些年的努力國內已有許多學校開辦永續化學相關課程，99普通高級中學課程綱要中基礎化學（二）亦增列「化學與永續發展」的章節，後續仍需大家共同努力將綠色化學的觀念儘早能透過教育植入民心。    圖2：Paul T. Anastas博士（左）、John C. Warner教授（中）以及〈Green Chemistry: Theory and Practice〉一書封面（右） （圖片來源：（由左而右）Paul T. Anastas, Wikipedia; John C. Warner, Princeton Chemistry Alumnus; Green Chemistry: Theory […]

綠色化學創意競賽：序曲—替代實驗的開發 繆慧娟1, *、周芳妃2、詹莉芬2、張永佶2、佘瑞琳3、謝幸娟4、黃潔瑩4 1工業技術研究院綠能與環境研究所 2臺北市立第一女子高級中學 3國立臺灣大學化學系 4臺北市立松山高級商業家事職業學校 *cmiao@itri.org.tw n  緣起 2006年11月，工業技術研究院綠能所團隊承辦教育部環保小組（資科司環境及防災教育科前身）化學品資訊化管理計畫，針對大專校院實驗室購買藥品的方式以及高中職以下學校無專責人員管理的現況，設計了一套簡便又能符合法規要求的「教育部化學品管理系統」，透過網際網路提供給全國各級學校免費使用。經由國立陽明大學在環安人員林晏夙小姐的努力推動下，全校使用此系統至今已持續8年。 2009年9月，因應學術機構運作毒性化學物質（以下簡稱毒化物）管理辦法修正公告，學術機構之運作單位運作毒化物，應逐月填寫毒化物運作紀錄申報表，並經委員會審核後，由學術機構採用網路傳輸方式，向毒化物所在地之主管機關申報前一年毒化物運作紀錄申報表。因此「化學品管理系統」升級為「化學品管理與申報系統」（網址：http://chem.moe.edu.tw/），並於2011年與環保署毒化物申報系統整合，學校實驗室只要落實填寫每日的毒化物運作紀錄，系統會自動彙整成全校的申報資料，學校負責申報的人員只要確認資料內容點選申報，即可同步將申報資料傳至環保署完成申報。教育部化學品管理與申報系統，如圖1所示： 圖1：教育部化學品管理與申報系統網站首頁 2010年9月，高中以下學校運作毒化物，因藥品採購年代久遠或管理人力不足，欠缺申請登記備查資料或採購核可文件，造成藥品廢棄時因文件不足導致無法聲明廢棄；有時廢棄數量過少或缺乏處理經費等原因，也增加學校辦理廢棄物處理作業困難。在教育部的積極協調與各縣市教育局處協助下，目前使用列管毒化物的學校已由444校遞減為241校，減少了46%。 n  替代實驗 2012年1月，我們開始思考若從實驗的源頭設計不使用列管毒化物，不僅能降低學生接觸高危害性化學品的風險，也能避免學校因違法而受罰。於是教育部召開「高中職及國中小課程中使用危害物質之替代方案」第一次專家諮詢會議，會議中決議邀請北一女中周芳妃老師團隊協助進行高中化學實驗使用毒化物的替代實驗，研究施行方法步驟： 1.        研擬實驗流程 2.        進行實驗試作 3.        完成交互實驗 4.        撰寫實驗報告 5.        審查實驗報告 6.        進行實驗或修改 7.        完成實驗報告 8.        進行專家諮詢會議 9.        提供替代實驗報告給教育部參考 後續在北一女中周芳妃老師、詹莉芬老師、張永佶老師和王美琴小姐、台灣大學佘瑞琳老師團隊與松山工農王麗華老師、謝幸娟老師和黃潔瑩老師及其學生們的協助下，共計完成了14個替代實驗。替代實驗的研發團隊如圖2~3所示：   圖2：替代實驗的研發團隊 圖3：替代實驗的研發團隊 研發團隊開發十四個替代實驗的名稱及其具體成果如下： 1.        平衡常數與勒沙特列原理／替代列管毒化物：使用氯化亞鈷水溶液替代列管毒化物鉻酸鉀和二鉻酸鉀。 2.        化學電池／減量減廢：所有試劑體積減少為原實驗的0.1倍，且此試劑可以保存重覆使用。 3.        鋅銅電池／減量減廢：所有試劑體積減少為原實驗的0.1倍，且此試劑可以保存重覆使用。 4.        氧化還原之滴定／替代列管毒化物：使用過錳酸鉀替代列管毒化物二鉻酸鉀。 5.        含氯漂白水與鹽酸的不相容反應／認識實驗安全：以日常生活中市售商品設計實驗，學習認識含氯漂白水與鹽酸的不相容反應，並學習簡易消除毒性氯氣的方法。 6.        醇、醛、酮性質之探討／替代列管毒化物：使用低於24%的甲醛替代列管毒化物37%的甲醛。替代列管毒化物：使用過錳酸鉀替代列管毒化物二鉻酸鉀。 7.        簡單電解實驗／減量減廢：原使用試管試驗，現改用點滴實驗，實驗結果明顯且大幅降低藥品用量和廢污產量。替代列管毒化物：使用辛烷替代列管毒化物環己烷。認識實驗安全：使用塑膠針筒取代U型玻璃管，操作上較安全。 8.        […]

綠色化學創意競賽： 臺灣師大附中學生設計微量的沉澱實驗 廖靜宜*、王威傑、周秉滽 國立臺灣師範大學附屬高級中學 *home114113@yahoo.com.tw n  參加活動緣起 我（通訊作者）從事教職滿20年，希望學生將化學學習當作是一件有趣的事，而化學實驗的進行就是最能夠引起學生興趣的方法之一。尤其是擔任學校數理資優班的化學老師及專題研究老師，除了化學知識的加深加廣，訓練基本的實驗操作和積極安排各項實驗，都是兩年的專研課程中很重要的一環。不管是課本內的實驗，或者是從期刊和網路上所搜尋到的有趣實驗，都是每周四下午在化學實驗室中例行事務，這是學生和我自己最期待的課程。而課程中所學習到的內容，漸漸累積以後，就開始積極參加一連串的科學競賽、科學展覽……。學生參與科學競賽過程之中，必須了解實驗原理並設計實驗，再針對實驗過程所遇見的各樣問題找出解決之道，這樣的訓練，除了培養分工合作的團隊精神，並且能夠影響學生未來的重要能力，絕非紙筆測驗所能達成！ 去年參加了北一女中所舉辦的綠色化學研習會，會中介紹了幾個關於綠色化學的重要概念，以及對於高中化學實驗減毒、減量的改良，化學和環保結合的概念感到相當有趣，在主辦單位大力宣導第一屆「綠色化學創意競賽」活動開跑下，於是找了幾位高一數理資優班剛剛分組，選擇了化學專研的學生，開始做這樣的活動。 n  從實驗手冊讀起到喜獲支援 學生一方面從高中的實驗手冊開始讀起，一方面尋找網路上可參考資料，經過討論，組成了五個小組接受了這樣的挑戰。這五個題目居然很幸運地有三件通過了初審，到國立臺灣師範大學化學系進行複審報告，算是在數資班化學專研的第一場正式校外競賽。 最後獲得銀牌獎的這一組學生，其實最要感謝的是臺灣大學化學系，在訓練數理資優班的課程上，我參考了台大的普化課程，並且請益臺灣大學化學系的佘瑞琳老師，佘老師的願意傾囊相授實驗技巧，還願意借用藥品給我們，獲得相當多的支援。學生靈活巧妙地在這個實驗上展現出綠色化學的重要意義，最後還能在頒獎的會場上有條理地介紹這次的作品設計跟大家，讓我真正覺得我是以學生為榮，看到學生能在科學領域上的成長並受到肯定，對我來說是最大的喜悅！ n  設計理念與改良 一、  得獎作品 l   作品名稱：溶解度法則實驗之減量。 l   參賽學生：王威傑、周秉滽；指導教師：廖靜宜。 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 在高中的化學實驗課程中，學生需要熟記沉澱表才能夠在「化學尋寶」這類實驗題材解題，這個實驗涉及陰、陽離子的沉澱反應和鑑定分析，有助於刺激學生活用既有的化學知識，並培養學生分析和解決問題的能力。在高中化學或是國中科學奧林匹亞的國手訓練營中，也常將「化學尋寶」和離子鑑定分析列為培訓課程。「離子沉澱反應」是現行高中課綱中《基礎化學》的應修內容，103學年度以前，編於《基礎化學（一）》，屬於學科能力測驗自然科第一部分之命題範圍。自103學年度起，因應課綱微調，編於《基礎化學（二）》，屬於學科能力測驗自然科第二部分之命題範圍。回顧歷年的學測自然科試題，「離子沉澱反應」出現的頻率相當高，單題或題組型式都有，測驗的內容不限於基礎知識，透過命題者的巧思，不僅測驗考生基本的科學知識和概念，進而測驗考生分析、應用與推理的能力。 每次上課講到沉澱表，總是希望學生能夠先將它背熟，但學生覺得背這樣的表是一件非常痛苦的事，有些老師會利用口訣來幫助學生記憶，但是還是很容易忘記，不如利用實驗讓學生們能夠眼見為憑，增加印象讓沉澱表更加容易記憶。不過此實驗不僅要耗費大量的藥品，實驗後還需要清洗大量的試管（見圖一），所以我們希望設計微量卻又可以清楚觀察離子沉澱的實驗！ 圖一：常見的沉澱物（取自照片） （圖片來源：翰林版基礎化學(二)課本第一章p. 14） 三、  設計的目的和過程 （一）設計目的 本實驗的設計目的：(1)減少實驗產生廢液，(2)減少需要清洗容器之數量，(3)減少實驗所需空間。 （二）研究方法（見圖二） (1) 配製各類的金屬陽離子硝酸鹽溶液（例如硝酸鉀、硝酸銀等） (2) 配製各類的陰離子鈉鹽溶液（例如氯化鈉、硫酸鈉等） (3) 舊方法與新方法的觀察與比較。 圖二：研究方法概念圖 （三）研究過程 A.        原課本實驗步驟 1.        配製各種陰陽離子的溶液，濃度皆為1 M，分別如圖三和圖四所示。 圖三：陰離子溶液 圖四：陽離子溶液 2.        在試管內，混合各類的陰離子溶液與陽離子溶液，觀察沉澱並記錄，如圖五和圖六所示。 圖五：先使用原方法並測定廢液的產生量。 圖六：觀察並記錄產生沉澱的結果 3.        […]

綠色化學創意競賽： 光華高中學生改良電解水實驗方便觀察離子移動 陳恆毅*、陳怡仁、周育柔、陳冠綺、林千程 臺南市立光華高級中學 *yiyi945@gmail.com n  參賽緣由 自從我（通訊作者）從事教職以來，引導學生將所學知識應用在實驗上，就是我的教學理念之一。為此，即便課務繁忙，我仍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、思源科學創意競賽、科學展覽等。每次學生參與科學競賽，我指導他們親手設計並操作實驗，並針對實驗過程所遇見的各樣問題找出解決之道，這正是影響學生未來的重要能力，絕非紙筆測驗所能達成！ 某次看到綠色化學創意競賽的宣傳海報，對於結合化學和環保的概念感到相當有趣，於是找了幾位高二多元智慧班的學生進行討論，並決定要設定題目來進行研究。學生很有意願接受挑戰，同時我們也覺得這是一個很有意義的活動。從一開始的實驗取材我們就選擇天然材料，並且以可以重複使用的設備作為實驗器材。如此，綠色環保的口號，便能在生活和教學中落實。 n  激發學生潛能 此次參賽的學生來自光華高中的特色班級—多元智慧班，在一般的學業課程之外，另有特色課程「自主學習」、「數位學習」、「創意課程」，課程以專題導向式學習為基礎的學習（project-based learning, PBL）方式進行，故能激發學生的學習潛能，使入學成績PR值不如明星高中的學生，仍能在各項競賽與全國好手同台。這次，綠色化學組隊的學生能和全國名校學生一起切磋學習，甚至一起上台領獎，對學生來說是很重要的一次成功經驗。 我在帶領學生過程中有很深的感觸，如果老師能看到學生課業以外的多元能力，並給予學生機會、養分，學生會有自主積極的學習行為，不但在多元智慧班的自主課程時間進行實驗，還願意主動利用自己晚上跟假日時間留校把實驗完成，在這當中也學習到時間管理的重要性。一開始雖然要花以較多時間帶領學生去討論、設計實驗、注意實驗安全等等，不過只要學生學習到這套科學方法，之後就可以自己設計實驗、購買材料、配製藥品、進行實驗、結果分析…。看到學生能在動手做科學上獲得成長與成就，常常對自然科學產生更大的興趣，就會對這些學科花更多時間去研讀，另一方面學科成績上也有顯著的進步！看到學生除了在自然學科成績上有所成長，更對動手做實驗有實務的經驗，我覺得這才是完整的科學教育，能讓我有更多的能量與熱情再去帶領學生學習！ n  設計理念與改良 一、  得獎作品 l   作品名稱：觀察離子移動情形—以紫色高麗菜為指示劑改良電解水實驗。 l   參賽學生：周育柔、陳冠綺、林千程；指導教師：陳恆毅、陳怡仁。 l   得獎名次：高中組綠色化學（減毒減量）創意競賽銅牌獎。 二、  設計理念 高中的化學實驗課程中介紹到電解水實驗，電解時觀察正極產生的氫氣和負極產生的氧氣；之後分別取出兩極附近的液體，再以酸鹼指示劑（石蕊試紙、酚酞指示劑、廣用指示劑…）檢驗其酸鹼性。不過此作法只能知道靠近兩極端的酸鹼性，並無法觀察到離子移動的狀況。我們希望設計一種可以觀察電解水時離子移動狀況的實驗！ 在實驗器材和藥品方面，我們希望使用的是對環境沒有汙染的紫色高麗菜當作天然酸鹼指示劑，洋菜粉用來當作水溶液瞬間「凍結」起來的材質，導電材質是可反覆使用的惰性電極—石墨！本實驗所使用的器材都是日常生活用品在超商中就可以買到，而且操作簡單，試藥用量甚少，不具危險性。本實驗能達到教學的實驗目的，並符合綠色化學原則，落實永續教育的目標！ 三、  涉及的原理和概念 常見的電解水實驗，如圖一所示：電解的產物在陽極（+）產生氧氣且周圍的液體呈現酸性，如[1]所示；在陰極（–）產生氫氣且周圍的液體呈現鹼性，如[2]所示。 陽極（+）：2H2O(l)→ O2(g) + 4H+(aq) + 4e–    [1] 陰極（–）：2H2O(l) + 2e–→ H2(g) + 2OH–(aq)    [2] 圖一：常見的電解水裝置 利用天然的紫色高麗菜汁作為指示劑，高麗菜汁加到煮沸後的洋菜粉溶液，菜汁和洋菜粉溶液混合成果凍狀的固體，在此狀況下，混合的溶液不會再流動；陽極電解時產生的H+會往陰極移動，陰極電解時產生的OH–會從往陽極移動，由指示劑的顏色可觀察到兩者會在中間相遇；依果凍狀的菜汁顏色改變，透過紫色高麗菜的顏色與酸鹼值對照表（見表一），很容易得知電解水過程中的酸鹼值變化，如此即可觀察水中H+、OH–移動的狀況。 表一：紫色高麗菜的顏色與酸鹼值對照表 pH 1-2 3 4 5 6 […]

綠色化學創意競賽： 中和高中學生改良有毒的高錳酸鉀實驗 陳欣怡*、陳芊君 新北市立中和高級中學 *shinekudo@gmail.com n  教師教學反思 學生常常問我（通訊作者）：「為什麼要學化學？」，我起初總是回答：「生活上有許多可以用到化學的地方，你學好之後就可以好好應用。」但，每次上課學生總會問說：「老師，這題會不會考？」；「老師，這個要不要背？」；「老師，我們來考前猜題好不好？」…，這些問題讓我明白：「他們還是不懂學化學的功用和愉快」。因此，我嘗試在課堂上與學生討論時事，讓他們可以更加了解生活上的應用；把課本的實驗改變，讓他們方便了解原理與操作；設計專題課程〝新聞中的科學〞報告，除了讓學生們可以把所學的科學原理應用到生活上，更可以讓他們增加思考能力。另外，我也積極帶領學生組隊參加各項科學競賽，包括化學創意闖關比賽、旺宏科展、科學展覽、清華盃高中化學學科能力競賽…。透過這些活動，除了可以讓他們擴展視野之外，在競賽過程所遇見的各樣問題，透過彼此互相討論和搜尋資料尋找解決之道，而所有的過程是為了讓學生明白：學習應用的能力才是重點，而不是考試的分數！ n  師生參與過程 於學校的網頁上看到「綠色化學創意競賽」的活動訊息，深感化學和環保作結合的概念是十分重要的，我們每次進行化學實驗時，除了學習知識和技能之外，可以為環境做些事，讓地球永續發展更是重要。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〝專題課程〞中，除了有各種實驗進行之外，還有新聞中的科學報告（見圖一）和校慶成果發表（見圖二和圖三）等。此專題課程的目標，除了訓練基本的實驗能力和加深加廣的課程之外，還期待他們能透過實驗學習研究精神與良好的研究態度；透過上台報告學習投影片製作能力、訓練台風與欣賞批判的能力；透過校慶的科學班成果發表，學習自己籌辦活動能力與知識分享和對週遭環境的關懷。這一切都是希望學生們不再只侷限於紙筆的學習，處處斤斤計較於分數與漠視環境的破壞。而是能夠讓學生能「學會各種能力，貢獻所學，熱愛自然與科學。」 圖一：專題課程—新聞中的科學報告 圖二：專題課程—校慶成果發表盛況 圖三：專題課程—校慶成果發表海報 我在帶領學生的過程中，最讓我有感的事不是找尋主題和設計實驗，而是最後決定方法和理論結果後，開始驗證自己的推論，在實驗過程中芊君同學（第二作者）並不是很順利，而她總能非常有毅力與耐心地把問題一一化解，看到學生在實驗中實事求是的態度、百折不撓的研究精神與不求回報的決心，我自嘆不如，而看到她的努力研究終於獲得肯定，更是替她開心。但最開心的是：她得獎的心態，雖然她沒能上台報告，但在台下她卻能與不認識的同學們交流分享彼此的實驗。我知道，我們未來又多了一位人才！更是期待，她未來可以在她自己的領域發光發熱。 n  設計理念與改良 一、得獎作品 l   作品名稱：踏破「鐵」鞋無「錳」處，得來全是環保術。 l   參賽學生：陳芊君；指導教師：陳欣怡。 l   得獎名次：高中組綠色化學（減毒減量）創意競賽銅牌獎。 二、   設計理念 在現今環保意識高漲的時代，化學常被認為是不環保的、危害環境和傷害身體健康的，這種刻板印象導致許多人聞〝化學〞色變，而這樣的競賽，讓我們學習思考如何保護環境和認識正向的化學。 因此，在選擇要改良哪一個高中課本實驗時，我（第二作者）思考許久採用老師的提議改良「過錳酸鉀滴定草酸鈉」實驗，這是選自高三選修化學上氧化還原的教材，此實驗的目的是用來教導學生利用氧化還原滴定，求未知物濃度或含量。原課本實驗為：利用已知濃度的過錳酸根離子在酸性下與未知濃度的草酸根離子發生氧化還原，達到當量點時，在計算未知濃度的草酸根離子濃度。既然是用來教學，那麼對環境以及操作者本身危害大的錳離子應該被替換，從原本實驗的過錳酸根離子改為鐵離子。此一改良降低了反應物的毒性，也因實驗的改良而消失，大大的降低了整個實驗的毒性。在查閱電位表之後，決定「使用常見且危害性小的鐵離子代替錳離子」。 三、   涉及的原理和概念 此反應中，草酸根離子會失去兩個電子，而鐵三價離子會得到一個電子，反應式如式[1]所示。藉由「氧化還原的得失電子莫耳數會相等」的關係，能列出關係式[2]：     [1] 氯化鐵濃度 × 氯化鐵體積 × 1 ＝ 草酸鈉濃度 ×草酸鈉體積 × 2    [2] 並且藉由關係式[2]，算出未知的草酸濃度。 以碘作為指示劑，當達到當量點時，多餘的Fe3+與I–發生反應形成碘分子，與洗米水中的澱粉當作指示劑，產生藍黑色錯合物。 四、實驗過程 實驗的概要裝置圖如圖四所示。 圖四：實驗概要裝置圖 本實驗的詳細過程如下： 改良一：過錳酸鉀溶液更換為氯化鐵溶液 1.        配製未知濃度的FeCl3溶液：秤取3.25克的FeCl3倒入燒杯中，再加入少許的蒸餾水使溶解。溶解後倒入1000.0 mL容量瓶中，加蒸餾水至刻度線為止。 2.        […]