校本必修與多元選修：花女福爾摩斯：談鑑識、文學、司法 / 陳斾玎、謝文靜、陳文燕

星期日 , 5, 1 月 2020 編輯助理 本期專題, 第三十五期/2020年1月 在〈校本必修與多元選修：花女福爾摩斯：談鑑識、文學、司法 / 陳斾玎、謝文靜、陳文燕〉中留言功能已關閉

校本必修與多元選修：花女福爾摩斯：談鑑識、文學、司法

陳斾玎*、謝文靜、陳文燕

國立花蓮女子高級中學
*imeasternking@gmail.com

n  前言與課程設計理念

新課綱強調素養導向、進行跨域學習並建立可遷移的能力，在課程方面除必修課程外，更多出依各校特色而立的校定必修，以及增加學生適性學習的自主學習、彈性時間、多元選修等，此改變可以說對傳統教育方式有極大衝擊，但同時也是從核心理念上改革教育的契機，面對快速變遷的社會，教師不可故步自封，應肩負使命勇敢創新。

隨著偵探小說、影集發達，大眾對於案件偵查均有基本認識，但現實人生不如戲劇，生活所接觸到的訊息均經過篩選，如何客觀分析證據不被煽動，成為重要能力。本課程企圖透過偵探這個主題延伸，將實作較多又可開啟議題思考的鑑識科學安排於學期開始，而居中的文學扮演承先啟後作用，除了帶領學生重新思索犯罪學，更能藉由小說中證據與劇情增進邏輯思考，最後才由司法總結，藉由前段課程引出法律，分析構成犯罪要件、實際案件探討，並安排一週次實地走訪地方法院旁聽審判以及期末成果發表，期待能在此課程帶入科學探索、文學賞析、司法嚴謹，並解此培養學生思辨能力。

n  課程規劃表與評量方式

課程依照教學順序，分為鑑識、文學、司法三部分，由化學科探討鑑識科學採集現場其他跡證相關原理，透過實作開始引發學習興趣，國文科作為橋梁，進行犯罪學討論、推理小說續寫、冤獄文學共賞等課程後，以公民科的法律課程接續，進行議題討論、案件分析、模擬法庭，其中各週次探討主題如下表一。

表一課程規劃表

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本課程由三名教師共同開課，每週上課至少有兩名教師在場，一名主講，另一名則觀察並記錄課堂狀況，期初會建立該學期課程line群組，做為作業電子檔上傳的平台，並抽籤決定活動及期末報告分組。

各課程的主題名稱各異但內容橫向串連，除了可使相關知識加深加廣外，更可讓學生再三省思。舉例來說，鑑識科學課程中推定試劑實驗，同時介紹各時代小說中出現的鑑識科學相關技術，文學課則以系列小說進行創作續寫。而鑑識課程針對試劑受干擾引起的偽陽性反應做探討，搭配日本冤案足立事件以及李昌鈺博士的蘇建和案鑑定報告影片相關片段，簡介司法改革基金會，讓學生理解科學的不足並開啟其思考證據或制度可能導致的冤假錯案議題，而後文學課就能以更嚴謹的態度進行《被誤解的犯罪學》共讀，提升學生對於犯罪學的認知，並進入冤獄相關作品《1.638坪的等待──徐自強的無罪之路》賞析、經課程討論並自行查找資料後，學生須模擬受害者家屬、被告、被告家屬、雙方律師、法官等不同立場角色，拍攝2分鐘的影片，上傳至課程群組。各組影片的角色由抽籤決定，形式可為訪談、事件片段示意、記者報導或當事人日常…等。而司法課時會從法律定義的犯罪構成要件、犯罪與除罪化議題辯論，讓學生改變視角探討議題，並重新以法律角度理解蘇案等司法冤獄於制度、法規、現實等面向的困境，引入法院與審判的過程，再搭配司改會的模擬法庭劇本《撿屍疑雲》讓學生實際體會陪審團制度，增進學習成效之餘，更能提升其對公眾議題的責任感。

本課程評分方式分為平時成績60%與期末報告40%。其中平時成績三位教師各佔20%，依照各課程日常作業或學習單狀況評分，可能為書面(學習單、模擬案件偵查報告、小說創作海報、模擬判決書)、口頭報告(案件結果報告、議題討論口頭報告、小說創作說明、議題討論意見彙整)、影音影像檔案(證據測試實驗照片、犯罪現場分鏡照、冤獄探討模擬影片)三種不同形式。期末報告則以抽籤方式決定主題，依照主題會有不同作業要求，作業要求如下：

1.          鑑識科學組(3人一組共四組)：以現實案例、影集、小說等任何案件為題材，完成案件分析報告，內容須包含案件背景經過、定罪或翻案證據、反向論點及理由。

2.          文學賞析組(1人一組共三組)：以教師給予主題與角色設定，擴寫為短篇推理小說，口頭報告時需說明故事大綱、人物關係、事發經過、定罪證據。

3.          司法議題組(3人一組共三組)：依照課堂上提及卻未深入說明的案件進行相關法律分析，例如行為人舉動可能觸犯的法規，以及最後舉動對應的法條。

選修同學來自不同班級，為不增加學生選修課負擔，多數分組作業可在課堂時間完成並即時上傳至群組繳交，少數作業會依學生狀況決定是否可延期繳交，而各組平日可依狀況與負責老師討論期末報告內容，並於報告前一次上課時間借用電腦教室，讓學生分組進行報告與投影片製作。

綜合來說，本課程設計出發點以應用為主，放入大量實作、案例討論、小組互動，提供學生學習後及時交流想法的平台，並以多元議題促使學生換位思考，增進其對社會議題關心、理解、分析之能力。

n  課程實施情形

本課程目前於花蓮女中僅完整施行兩學期(107學年度上、下學期)，課堂側錄畫面見圖1.1~1.15：


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圖1.1  現場物證採集

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圖1.2  血跡證物測試

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圖1.3模擬案件偵查海報

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圖1.4指紋採集

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圖1.5足跡採集與光源應用

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圖1.6小說續寫與海報創作

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圖1.7  共讀內容討論

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圖1.8  共讀後發表

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圖1.9學生影片作品截圖

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圖1.10議題討論心智圖繪製

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圖1.11模擬陪審法庭

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圖1.12模擬判決書

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圖1.13  法院參訪側拍

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圖1.14  期末報告發表

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圖1.15  期末靜態展布置

n  課程困難與建議：

1.      部分實驗的藥品、器材較冷門或單價偏高，導致部分材料在第一學期期末才送到，建議開課老師更早開始籌畫。

2.      課程較為新穎繁多，需再拿捏難度與深度。例如高一學生未學習實驗器材操作且公民課程亦未學習法律，先備概念較少，故教師須在內容上有些取捨並安排彈性時間。

3.      課程採一週一次、混班選課，在考科仍主導學習的風氣下，上課時偶有組員間分工不清或是學生希望選修能無作業負擔，因此教師在教學目標與評量方式均需多下功夫。

n  教師開課心得與反思

n   陳斾玎(化學科鑑識科學)：

過去鑑識科學、偵探推理小說一直是個人興趣，而當中除化學知識外還有法律專業、說故事能力，獨立開課難度高，因此能與各專長老師共備、擬定目標、思考主題最終開設一門納入現實議題、案例的課程，有種美夢成真之感。我深信知識只是乘載素養的工具，化學作為基礎學科，能運用特定主題引發學生興趣，並在兼顧橫向連結、縱向深度下達到教學目的，便是與夥伴研發此課程時最大動力與開課後最大成就感！

n   謝文靜(國文科文學賞析)：

多年教書來看到學生漸漸與純文學產生隔閡，對師生皆不啻為艱鉅的考驗，然細究高中生閱讀趨向，推理小說仍是熱門首選，而所謂的推廣閱讀，不正該由閱讀者的喜好切入、進而引導至高層次的理解？透過花女福爾摩斯，推理小說教學不再停留於文學鑑賞，而能藉由鑑識科學、犯罪心理、刑罰概念等更多角度分析文本，亦在學生的小說續寫成果中，看到令人驚豔的作品。期待「花女福爾摩斯」能繼續走下去，讓更多花女學子認識這門新穎有趣的課程。

n   陳文燕(公民科司法議題)：

本人從事公民科教學二十餘年，深知法治教育對社會穩健發展之重要性，但過去本學門被視為社會科學，與化學科徑渭分明，然若欲带領學生進行判例研討，犯罪動機及刑事鑑定的證據實不可或缺，尤其現代刑事講求嚴格證據主義以維護人權，更需藉由科學辦案的嚴謹達成勿枉勿縱的目標！108課綱核心概念在培養學生兼具知識，情意，及技能的素養能力，本課程得以從化學鑑定，人性分析及刑法規範等多元面相探討犯罪議題，讓教學內涵及學生學習鮮活起來，個人覺得這是一個頗具意義的跨領域合科課程！

n  結語

新課綱的多元選修課程於高中的定位、作品評分，仍因各校環境、資源不同而有爭議，然時代進步教育核心勢必得與時俱進，期待學生能成為終生學習者同時，教師更應肩負使命，走在最前端。

願此課程的跨域嘗試能作為種子，促成教師共好。

n  參考文獻

1.      李昌鈺、鄧洪(民87)。破案實錄。台北市：時報。

2.      劉體中、霍達文(譯)(民106)。破案神探三部曲(原作者： John Douglas、Mark Olshaker)。台北市：時報。(原著出版年：2017)

3.      陳用佛、鄒濬智、沈聖文(民102)。破案關鍵。台北市：獨立作家。

4.      丁鍾華等(民94)。福爾摩斯全集。台北市：遠流。

5.      堯嘉寧(譯)(民107)。被誤解的犯罪學(原作者：Tom Gash)。台北市：臉譜。(原著出版年：2016)

6.      李濠仲(民105)。1.368坪的等待─徐自強的無罪之路。新北市：衛城出版。

拉賽福與亞佛加厥常數 ／ 吳奕嫻、胡景瀚

星期六 , 4, 1 月 2020 編輯助理 第三十五期/2020年1月 在〈拉賽福與亞佛加厥常數 ／ 吳奕嫻、胡景瀚〉中留言功能已關閉

拉賽福與亞佛加厥常數

 

吳奕嫻、胡景瀚*

國立彰化師範大學化學系
*chingkth@cc.ncue.edu.tw

 

n  前言

在高中的化學教室中，如果教師能夠引導學生以一個世紀以前的實驗數據，計算出亞佛加厥常數，並且將其與現代數字作比較，探究實驗的細節並計算所涉的原理，相信學生對於科學探究的本質一定能更有深刻的體會。

亞佛加厥常數（clip_image002）的準確數值為clip_image004，1 12公克的碳-12含有clip_image002[1]個碳原子。雖然clip_image002[2]的數值對於化學家至為重要，但是其準確值的獲得是相當近代的事。一個世紀以前的科學家們也曾經嘗試各種方法以獲得clip_image002[3]的數值，由於這些數值與現代的數值相去甚遠，因此這些研究大多不被現代科學教科書討論。然而，這些古老、間接的方法來自於前輩科學家們的智慧，了解他們如何在準確度偏低的測量數據中，推演出亞佛加厥常數，是一件很有學習價值的事。

本文的目的是介紹二十世紀初利用兩組拉賽福（Ernest Rutherford, 1871 – 1937）的實驗數據，分別是在1908年的α射線的鐳–226（clip_image006）輻射速率實驗，2 和在1911年的從鐳–226（clip_image006[1]）產生氦氣實驗，3 計算出亞佛加厥常數。值得一提的是，拉賽福本人並未計算出亞佛加厥常數，這個求得亞佛加厥常數的方法是在前面兩篇論文發表後的數十年，才由幾組科學家們提出，其中包括居禮夫人。4

n  計算亞佛加厥常數

利用1908和1911年的兩組拉賽福實驗數據，從α粒子實驗得到的clip_image006[2]的α衰變速率為clip_image008，從氦氣實驗得到clip_image006[3]的α衰變產生氦氣的速率為clip_image010。（此處d為day的縮寫，1 d = 86400 seconds）

由於在0℃且一大氣壓下氣體的莫耳體積是22.4L，因此利用以上兩個數據透過等式計算，可得亞佛加厥常數（clip_image002[4]），如式[1]所示：

clip_image012    [1]

由式[1]計算，可得到clip_image014，利用1908和1911年的兩組拉賽福實驗數據，得到的亞佛加厥常數其準確度令人驚嘆！

n  兩組拉賽福實驗

一、鐳-226輻射α粒子的速率

在1908年，拉賽福和蓋格（Johannes Wilhelm “Hans” Geiger, 1882 – 1945）發表clip_image006[4]輻射α粒子的速率，他們的實驗裝置如圖一所示：

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圖一：clip_image006[5]輻射α粒子的速率實驗裝置（圖片來源：https://archive.org/details/paper-doi-10_1098_rspa_1908_006）

 

圖一之右是偵測器（detecting vessel），抽氣至低壓（2-5 cm Hg）。A是包覆於電池正極的管柱，B是一條連到電池負極的電線，外加電壓。被α粒子游離的氣體，會將電流訊號放大數千倍傳到B。C為硬橡皮塞，D是讓α射線通過的小孔，直徑為數毫米，孔上裝有薄雲母片（將α粒子減速）。E為長玻璃管，輻射源可放置在距C不同長度的位置。F是活塞活栓，打開後α粒子可穿透到偵測器，G是磨口玻璃塞。

我們將鐳-226（clip_image006[6]）的主要衰變路徑及其半衰期列於表一。

表一：clip_image006[7]的主要衰變路徑及其半衰期

clip_image002[13]

（資料來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Radium）

從鐳-226（clip_image006[8]）衰變到比較穩定的鉛-210（clip_image021）過程中，共有4個反應會放出α粒子，有3個反應會放出γ射線。 拉賽福和蓋格將clip_image023從暴露在大量clip_image025數小時之後的固體移開，靜置十五分鐘之後clip_image023[1]幾乎完全衰變，所測得的α粒子幾乎都是從clip_image027的β衰變後立即由clip_image029產生。實驗測量10分鐘內衰變的α粒子數，並同時在上圖的垂直方向以另一個相似的偵測器測量樣品的γ射線強度。儀器只能量到能量較高的γ射線，由clip_image029[1]產生的γ射線。將測量得到的γ射線強度與處於「放射性平衡」（radioactive equilibrium）5 的clip_image006[9]標準品的γ射線強度作比較，推算出樣本的相對clip_image006[10]質量，再算出每單位時間單位質量釋放的α粒子數。

在拉賽福的時代，clip_image025[1]稱為”radium emanation”（蒸散後的鐳），clip_image023[2]、clip_image032和clip_image027[1]分別稱為”radium A”、”radium B”及”radium C”。

讓α射線通過的小孔（D）直徑為1.25 mm，輻射源距離小孔150 cm，10分鐘內偵測器量到45個α粒子，輻射源對應於0.55微克的clip_image006[11]，如圖二所示。

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圖二：計算clip_image006[12]輻射α粒子速率之示意圖

每單位時間單位質量釋放的α粒子數的計算方法，如式[2]所示：

clip_image037    [2]

 

 

二、從鐳生產氦

利用前述的電流訊號放大偵測法，拉賽福等人於1911年以γ射線強度測得實驗中鐳的質量為0.192 mg，經過83天後共產生6.58 mm3的氦，經過132天後共產生10.38 m3的氦（1 atm, 0℃）。3

從clip_image006[13]衰變到比較穩定的clip_image021[1]過程中，共有4個反應會放出α粒子，和α粒子實驗不同的是，實驗以鐳的鹽類（RaBr2）進行，因此表一所列的其他放射性物質的濃度為零。以實驗時間132天來看，表一中的第三和第四個α粒子輻射反應可以視為處於放射性平衡，第一個α粒子輻射反應極為緩慢，其反應速率可視為常數。若每天由clip_image006[14]釋放的α粒子所產生的氦氣體積為x，則其他三個α粒子輻射反應所產生的氦氣體積應小於y = 3x。在反應的第T天，氦氣的體積如式[3]所示：6

氦氣的體積 = clip_image040    [3]

在式[3]中的第一項是由clip_image006[15]產生的的氦氣體積，第二項是clip_image025[2]每天α粒子輻射產生氦氣的三倍體積，積分式[3]得，clip_image043是clip_image006[16]的α衰變速率常數，因為clip_image045，以實驗的天數，積分中的clip_image047趨近於零，因此式[3]可以近似，如式[4]所示：

clip_image049    [4]

將83 d 和132 d帶入分別得到3.801x和3.875x，也就是應得的氦氣體積和x的倍數關係。以83 d數據計算，得式[5]。

clip_image051    [5]

以132 d數據計算，得式[6]。

clip_image053    [6]

取其平均clip_image055。將clip_image057除以0.192 g，得到每公克clip_image006[17]每天產生的氦氣體積，如式[7]所示：

clip_image059    [7]

 

n  後見之明

依後見之明，我們可以計算clip_image006[18]的α衰變速率，如式[8]所示：

clip_image061    [8]

 

也可以計算clip_image006[19]產生氦氣的速率，如式[9]所示：

clip_image063    [9]

兩個實驗數據與理論值比較，分別低估6.8%和8.8%，然而為什麼我們仍從這些數據得到尚稱準確的亞佛加厥常數呢？原因在於實驗誤差雖大，兩個實驗分別量到93.7%和91.2%的α衰變，由兩種衰變實驗數據的比值，得到的亞佛加厥常數，如式[10]所示：

clip_image065    [10]

n  參考文獻和附註

1.        Avogadro constant, https://en.wikipedia.org/wiki/Avogadro_constant.

2.        Rutherford, E.; Geiger, H. Proc. R. Soc. Lond. A 1908, 81, 162-173.

3.        Boltwood, B. B.; Rutherford, E. Philos. Mag. 1911, 22, 586-604.

4.        Leenson, I. A. J. Chem. Edu. 1998, 75, 998-1003.

5.        放射性平衡（radioactive equilibrium）是指鐳-226衰變的過程中，各中間核種的數目為常數。

6.        鐳的每天衰變數目，因速率極低可視為常數。clip_image025[3]衰變後，後續的兩個α粒子輻射反應都很快，因此產生三倍體積的氦氣。

鈷錯合物多段感溫變色棒的製作 ／ 廖旭茂、程慧文

星期五 , 3, 1 月 2020 編輯助理 化學實驗含影片, 第三十五期/2020年1月 在〈鈷錯合物多段感溫變色棒的製作 ／ 廖旭茂、程慧文〉中留言功能已關閉

鈷錯合物多段感溫變色棒的製作

廖旭茂1, 2*、程慧文1

1台中市立大甲高級中等學校

2教育部高中化學學科中心
*nacl880626@hotmail.com

 

n  影片觀賞

本實驗影片由台中市立大甲高級中學提供，感溫變色棒的製作介紹。

clip_image002影片網址：https://youtu.be/0WnOOqGF8ZI, YouTube.

n 簡介

台灣是海島型氣候，每年三至五月，便會颳起南風，整個房屋的地板、牆壁濕濕黏黏的很不舒服；除了客廳、房間得用除濕劑，衣櫃內也要使用乾燥劑，到處都進行著一場防潮大作戰。

屋子怕潮濕，常見的糖果餅乾、維他命藥罐裡更怕潮濕；大家常常可以在各種食品包裝內發現一個小包裝的塑膠袋，裏頭裝著一小小顆透明的顆粒狀的乾燥劑；如果再往內仔細看，還會發現有幾顆的顏色是特別不一樣的藍色，如果過一段時間後，藍色球狀顆粒的顏色就會變成粉紅色。

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圖1：含有氯化亞鈷的粉紅色的矽膠乾燥劑

國中學過利用氯化亞鈷試紙來檢驗水的存在，其實球型顆粒表面的藍色物質就是氯化亞鈷。本實驗將以氯化亞鈷的為主角，觀察在不同氯離子濃度下，溶液顏色的變化，隨即讓同學利用各種溶液在圖畫紙上預先繪製的圖案上色(如圖2)，將藝術設計融入課程之中。最後選用溶液注入玻璃管或毛細管中，密封後製成多段變色的感溫棒。下圖為學生所繪製會變色的作品圖。

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圖2：圖左為加熱前的顏色，圖右為吹風機加熱後的顏色(本圖為卓冠甫同學繪製)

期盼透過本實驗文章的分享，能拋磚引玉，將藝術、設計融入化學之中，提升化學原理在生活的應用性，並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：

每組需要：試管10支、試管架1個、小標籤紙10張、塑膠滴管3支、10 mL小量筒2支、玻棒1 支、外徑4mm PYREX玻璃管100公分長（或毛細管）、1mL塑膠針筒1支、水彩筆1支、鉛筆1支、吹風機1台、溫度計1支、透明矽利康1罐、600 mL燒杯2個、加熱板1台、冰塊一些、紫光雷射筆一支、抗UV護目鏡。

二、藥品：

無水氯化鈣CaCl2、氯化亞鈷晶體CoCl2．6H2O、UV光膠。

n  實驗步驟

一、比較不同氯離子濃度下，鈷錯離子的顏色變化

1.    取出10支乾淨試管，分別加入10 毫升、9.5毫升、9毫升、8.5毫升、8毫升、7.5毫升、7毫升、6毫升、5毫升、4毫升的蒸餾水，分別加入0克、0.5克、1.0克、1.5克、2.0克、2.5克、3.0克、4.0克、5.0克、6.0克的無水氯化鈣，依序配置成重量百分率濃度為0 %、5 %、10 %、15 %、20 %、25 %、30 %、40 %、50 %、60 %的氯化鈣溶液，並貼上標籤標示1~10號。標籤黏貼位置於試管的上緣處。每支試管中溶液之總重量為10公克。

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圖3：不同氯化鈣溶液的配置

2.        將步驟1的10支試管中各加入約2.5克的氯化亞鈷晶體，以玻棒攪拌均勻。隨後以滴管吸取蒸餾水，以第1號試管的高度為基準，在2~10號試管中加入不等量的蒸餾水，溶液高度皆與1號試管等高，溶液最後的體積約10.5毫升。此時總鈷離子的濃度約為1 M。

3.        搖晃試管，或以玻棒攪拌，觀察並比較1~10號試管內容液顏色的差異，說明氯化鈣濃度的不同對顏色的影響。

image圖4：不同氯離子濃度下，溶液呈現不同的顏色

4.        為方便觀察，可將1~10號試管的溶液，以分度吸量管各吸1毫升至12孔盤中。

二、多段變色感溫棒的製作

1.        取1支外徑4mm，內徑0.8mm的PYREX耐熱玻璃管，以尺量測，約每8公分以簽字筆畫記，接著玻璃切割器切割，裁切10根玻璃管備用。

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圖5：玻璃管的裁切

2.        取市售的透明的矽利康膠，擠出少許於紙巾上，再拿一根裁切好的玻璃管手持一端，另一端插入矽利康膠中，使矽利康膠擠入玻璃管中約1~1.5公分。完畢後以衛生紙擦拭玻璃管外壁清除多餘的矽利康膠，靜置，待乾備用。

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 圖6：一端封膠的玻璃管

3.        記錄室溫（約為20℃），以塑膠針筒吸取1號的試管內的溶液，按壓針筒手柄擠出多餘的空氣，自矽膠端注入玻璃管內，液面高度離另一端約1公分，過程中應小心避免氣泡的產生。接著取一瓶UV光膠，將注入口插入玻璃管的另一開口端，擠入少許光膠封口，隨後將玻璃管光膠端水平插入紫光雷射台的圓孔中，以紫光雷射照射封膠口，時間持續約20-30秒。完成兩端封口。

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圖7：玻璃管以UV膠封口的過程

4.        重複上述實驗，以塑膠針筒分別將2~10試管內的溶液注入玻璃管中，並將玻璃兩端封口，總共製作10根不同配方的感溫棒。

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圖8：由上而下的玻璃管分別為盛裝1~10號試管的溶液

5.        承上，以塑膠針筒分別將8號試管內的溶液注入玻璃管中，將玻璃管兩端封口後，總共製作3根號感溫棒。

6.        準備2個100毫升的燒杯，分別加入0℃的冰水，與約100℃的熱開水。另外，準備3根8號玻璃管，將其中2根8號玻璃管，分別置入兩個燒杯中，觀察兩個冰、熱兩個燒杯內的玻璃管的顏色變化，並與剩下於室溫的1根8號管相比較。

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圖9：取8號感溫棒分別在熱、冰水的溶液的顏色

7.        記錄室溫（約為20℃），取1個100毫升的燒杯，盛入100毫升的自來水，並將溫度計置入燒杯中放置在加熱攪拌器上。將9號玻璃管置入燒杯中，打開加熱器，觀察9號玻璃管的顏色，當試9號試管內顏色與10號玻璃管相同時，紀錄當下溫度計的溫度。

8.        取出9號玻璃管，換成8號玻璃管，打開加熱器，觀察8號玻璃管的顏色，當管內顏色與10號玻璃管相同時，紀錄當下溫度計的溫度。

9.        承上，分別將燒杯中的玻璃管換成7、6、5、4、3、2、1號，水浴加熱各號玻璃管，當各管內溶液的顏色與10號玻璃管相同時，分別紀錄溫度計的溫度。

10.    本實驗若在冬天進行，氣溫低，氯化鈣溶解度也較低，建議可使用鹽酸搭配毛細管，可以進行更微量的化學平衡實驗，而且獲得的效果很好。其作法如下：

(1)   取8支試管，各加入1.0 M氯化亞鈷溶液1mL，接著在1~8號試管中分別加入5滴、7滴、9滴、11滴、13滴、14滴、15滴的濃鹽酸。

(2)   取兩端開口的毛細管吸取上述氯化亞鈷溶液，溶液高度約為毛細管高度的一半，接著小心將一端以UV光膠封口；而另一端本生燈加熱封口(過程中必須戴護目鏡)，待靜置冷卻後備用。下圖為毛細管感溫棒的製作過程。

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圖10：毛細管以電子點火本生燈封口過程

(3)   將毛細管置入試劑瓶中，打開電源開始隔水加熱，分別記錄毛細管由紅轉紫、轉靛色、最後變藍色的溫度。下圖為毛細管於熱水中變色的過程。

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圖11：氯化亞鈷微型感溫棒加熱測試

11.    根據上述的實驗結果，嘗試探討溫度、氯離子濃度的改變，對平衡移動的影響。

三、利用感溫變色的化學顏料作畫

1.      教師可準備水彩紙讓同學發揮創意，可以先利用鉛筆自行在紙上繪製圖案 (若時間有限，可於實驗前幾天交代同學事先在家作好圖，實驗當天帶來)。隨後用水彩筆沾取1~10號各種氯化亞鈷溶液，在圖畫紙上著色，陰乾。

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圖12：學生創作的立體紙花與畫作

2.        接著拿出吹風機於水彩紙上方5-10公分處徐徐加熱，觀察原本水彩紙上氯化亞鈷的塗色發生變化。下圖為實際操作過程。【注意吹風機高溫，小心燙傷】

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圖13：圖左利用溶液來著色、圖右為吹風機加熱塗色位置

3.        試問原本8~10號溶液呈現紫色到藍色，陰乾後的顏色變為何種顏色？為什麼呢？請跟同組同學討論提出可能的原因。

4.        根據勒沙特列原理，解釋溫度對鈷離子在水中平衡移動的影響。

 

n  原理與概念

氯化亞鈷晶體為深紅色，帶有6個結晶水（CoCl2．6H2O），本實驗所製作的感溫棒，其中鈷離子的初始濃度皆為1.0M，透過添加不定量的無水氯化鈣（常用乾燥劑），改變氯離子的濃度，觀察溶液的顏色變化，與化學平衡移動的方向(如式1)。水合的鈷離子在水中為紅色，當添加的氯化鈣越多時，氯離子的濃度越高，平衡向右進行，產物四氯化鈷錯離子的濃度越高，藍顏色的比例增加，有關於鈷離子與氯離子的平衡方程式如下式所示：


感溫棒的變色反應，當添加的氯化鈣越多時，轉變成藍色（與10號感溫棒相比較）所需的溫度較低；當添加的氯化鈣越少時，轉變成為藍色的所需的溫度較高。1~10號玻璃管，為可攜式、可重複使用的多段變色的感溫棒，並應用於生活中。若無耐熱玻璃棒，亦可用毛細管替代。本反應屬於吸熱反應，溫度升高時，平衡向右移動，溶液由紅變紫，再轉為藍色；溫度下降時，平衡向左移動。

氯化鈣的溶解度與溫度有關，溫度越高，溶解度越低。近日冬天氣溫較低（約20℃），第9號、第10號試管，發生固體無法溶解的現象；但夏天時，氯化鈣的溶解度升高，即無沉澱現象產生。如果遇到冬天實驗，可建議使用濃鹽酸來進行實驗，但濃鹽酸較危險，實驗進行中必須非常小心，下表為鈷錯離子在不等量的濃鹽酸中，溫度變化與顏色的關係表。

表1：毛細管中鈷錯離子的感溫變色clip_image042

氯化亞鈷溶液在氯離子的越高的環境下，溶液越偏藍色系；毛細管製的微型感溫棒，溫度越高時，溶液越偏藍色系；溫度約低時，溶液越偏紅色；紫色則為介於紅、藍兩色的中間色系。

  本實驗的方法僅對平衡的移動做定性的調查，後續的文章將提出一個鑑定顏色的方式，希望對化學平衡的移動提供具參考價值的的定量方法。

n  致謝

感謝北一女中周芳妃老師在101學年度，於大甲高中高中職均質化方案之「達文西培育計劃」擔任講師，分享《氯化亞鈷在水溶液中的「脫水」反應》教材，讓筆者從中獲得啟發，特此致謝。

n  安全注意及廢棄物處理

l   實驗後，反應所產生的廢棄物，依規定回收處理。

l   塑膠針頭的針頭相當銳利，為避免刺傷可事先以斜口鉗將尖端裁剪，並以砂紙磨平。

l   矽膠封口端因被針頭穿刺，為避免漏夜，可以少許UV光膠進行光固化封口。

l   以紫光雷射照射到眼球會對眼睛造成嚴重傷害，使用時應避免直視，並戴上抗UV的護目鏡。

n  參考文獻

1.          楊水平(2011)，「變變變—溫度及濃度影響鈷錯合物的化學平衡」，中學化學示範實驗Chemical Demonstrations（http://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/27953）。

2.          林翊菲、陳淳煜（2019）。第三屆成果報告書_勒沙特列的綠色圓舞曲，綠色化學教育網，2020年1月參考網站http://chem.moe.edu.tw/green/AwardsDetail/ef324f3a-7b72-417d-9da8-9e126e67b6ed。

3.          Calcium chloride，取自維基百科，https://en.wikipedia.org/wiki/Calcium_chloride。

哈爾濱兩岸同題異構交流—氯及其反應性的建模教學 ／ 鐘建坪

星期四 , 2, 1 月 2020 編輯助理 國內外化學交流, 第三十五期/2020年1月 在〈哈爾濱兩岸同題異構交流—氯及其反應性的建模教學 ／ 鐘建坪〉中留言功能已關閉

哈爾濱兩岸同題異構交流—氯及其反應性的建模教學

鐘建坪

新北市立錦和高中國中部

hexaphyrins@yahoo.com.tw

 

  • 前言

去年（2019）8月底，邱美虹教授邀請本文作者參加12月底在哈爾濱市舉辦的兩岸同題異構教學交流，嘗試與大陸教師針對相同概念主題各自設計課程內容，再進行30分鐘實際教學，作為實質交流的基礎。本次教學主題主要植基於人民教育出版社出版的高中化學教材內容，章節分別是高一的「氯」以及高二的「酚與醇」，其中氯單元由本文作者負責授課，而醇與酚是由彰化高中劉曉倩老師進行教授。

  • 過程記錄

    由於臺灣來回直飛哈爾濱的班機只有星期五至星期一，因此星期二出發的我們從桃園機場至福建福州機場再轉機至哈爾濱機場，抵達哈爾濱機場時間已是晚上8點鐘。雖然行前在許多旅遊網誌讀取冬遊哈爾濱時需要留意的保暖事項，但是一下飛機迎面而來的刺骨冷風，依然令人印象深刻。許多人在哈爾濱機場內立即更換保暖的服裝裝備。

    隔天上午完成會議報到手續之後，即由哈爾濱師範大學兩位研究生引領我們前往交流學校—哈爾濱市第三中學(簡稱哈三中)進行器材準備與教學場地會勘（圖1）。中午在哈三中梁主任引領下一同至學生食堂用餐，得以有機會觀賞白雪中美麗的校園景觀（圖2），用膳完畢下午持續準備教學使用的器材。然而為確保授課當日所有器材與藥品萬全合宜，第三天依然前往哈三中持續為教學交流準備，在此，謝謝兩位研究生的陪伴，與哈三中的行政支援，教學交流才得以順利進行（圖3）。


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圖1準備器具與配置藥品

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圖2 哈三中校園景色

 

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圖3a 化學實驗室設備

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圖3b 化學實驗室設備

 

  •  同題異構

     教學交流主要由大陸與臺灣教學團隊分別推出2位教師，同時針對同一主題進行授課，授課完畢之後，緊接著由專家進行點評。如前所述，本文作者針對氯以及反應性進行設計。

一、課程設計理念

    本文作者努力發展以學生為中心，結合思考智能，形成探究式的建模教學策略。不僅讓學生能夠動手操作，並且藉由觀察、提問、反思過程中進行推理，逐步發展、修正與轉換學生的心智模型。

    本次教學活動設計植基於邱美虹教授發展的科學建模歷程，包括：模型發展、模型精緻、模型遷移以及模型重建的歷程（見圖4）（邱美虹，2016；Jong,2019）。其中模型發展意旨協助學生建構出模型內部物件與物件之間的關聯性，例如：氯氣可由次氯酸鈉與鹽酸溶液製備或是將次氯酸鈉加熱分解等；模型精緻則指確認在發展階段所建立模型的有效性與合理性，例如：雖然可能製備的氣體為氯氣，仍需藉由外部或是內部性質進行檢驗，以確認製備的氣體為氯氣。模型遷移則指可將檢驗完成的模型應用於其他其境中，例如：能夠回答教科書氯氣的製備與檢驗過程的例題。模型重建階段則指當學生在過程中有些迷思概念需要修正時，原先建構的心智模型需要修正或進行轉變時稱之。

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圖4科學建模歷程（修改自邱美虹，2016）

 

 

二、大陸與臺灣教科書單元學習內容比較

    參考的人教版教科書是根據大陸新課綱所完成的教科書，將氯的相關內容設置在高一必修化學，章節名稱為非金屬及其化合物，學習內容為海水中的氯、介紹氯氣、氯氣與其他物質的反應、氯水的漂白性質、漂白劑的改進以及如何檢驗氯離子等。概念間的銜接著重進行實驗獲得證據，以驗證相關的性質。由於臺灣108課綱的高三教科書尚未出版，目前以99課綱南一版本說明。臺灣教科書氯氣的部分主要放置在高三選修化學，強調學生學習完原子結構、週期性質等微觀理論內容之後，才開始介紹氯氣及其化合物。

三、教學流程與學習單

    雖然本文作者負責教授氯及其反應性，但是仍希望學生能夠從學習中一併獲得學科的核心概念，因此，期待藉由此單元的建模教學，讓學生能夠嘗試理解化學研究其中一項的主要任務工作，包含：製備新的物質、確認是否為新的物質、新物質的反應性以及新物質與其他物質的差異比較（圖5）。

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圖5上階的目標模型

    實際教學一開始即說明圖5的內容，作為企欲學生在當節課完成的心智模型，並在之後的教學，適切地題點科學建模歷程與當下教學操作的關聯性（教學流程詳見附錄學習單）。接著以生活情境詢問是否有實際刷洗廁所經驗，結果多數參與的大陸學生基本上都沒有實際刷洗過廁所經驗，緊接著提問若將鹽酸類與漂白類的廁所清潔劑混合時會發生什麼事情？此時參考方金祥教授設計的微型實驗收集鹽酸類與漂白類的廁所清潔劑混合時產生的氣體（圖6），讓學生觀察產生氣體的顏色等物理性質（圖7）。再判斷此氣體是否可以溶於水，並讓學生嘗試將收集到的氣體打入蒸餾水中觀察氣體是否可溶？學生實際操作並可觀察到蒸餾水從透明無色轉變成淡淡黃色，且能聞到刺鼻的氣味（圖8）。此時學生會猜測此氣體即為氯氣，但是該如何藉由化學性質確認則需教師鷹架的協助。教學時本文作者提供硝酸銀溶液與其可能離子形成的沉澱顏色，並且告知學生若是氯氣，則其水溶液具有漂白的功能。讓學生在有限的器材內（圖9），能夠經由實際操作探索得知此氣體溶於水後為酸性、能使石蕊試紙褪色（圖10），並能與硝酸銀溶液產生白色沉澱（圖11）。整合此氣體的物理與化學性質綜合判斷出此氣體為氯氣。

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圖6利用針筒與三通閥製備氯氣

（修改自方金祥，2014）

圖7哈三中學生實際操作實驗

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圖8左瓶為蒸餾水，右瓶為氯氣通入蒸餾水

圖9提供有限的器材與線索，讓學生進行探究

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圖10氯水呈現酸性，具有漂白特性，能使石蕊退色

圖11氯水能與硝酸銀溶液產生白色混濁

        當學生知悉此氣體為氯氣時，顯示已經建構出氯氣的製備路徑以及氯氣的檢驗性質。接著介紹氯氣的反應性，例如：是否能和金屬與非金屬產生反應？實際上氯氣的活性大反應強烈，因此安全考量下藉由影片方式呈現氯氣與金屬鈉與氫氣的反應。觀看鈉金屬、氫氣與氯氣反應的影片時則以預測（prediction）、觀察（observation）、解釋（explanation）進行，讓學生先預測可能發生什麼事？接著才開始觀看影片，接著詢問可能的產物以及該如何確認反應之後的產物。哈三中學生觀看氫氣與氯氣反應之前，認為其反應之後的產物為氯化氫氣體，並且若能將其氣體收集並用石蕊檢測可得知為酸性（圖12至13）。

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圖12氯氣與金屬鈉高溫反應

來源https://www.youtube.com/watch?v=d2geiGKFveE&t=1s

圖13氯氣與燃燒氫氣反應

來源https://www.youtube.com/watch?v=jOAAIgQkrLE

    由於氯氣屬於鹵素，並且經常與溴、碘作比較，因此設計類似評量的活動，讓學生思索氯、溴、碘元素之間的氧化能力大小。評量活動擷取自Youtube實驗影片，並且逐步提供說明實驗步驟，讓學生能夠理解實驗的過程。流程為在九支的試管中分別放置氯離子（Cl–）、溴離子（Br–）與碘離子（I–），接著在氯離子、溴離子與碘離子中加入氯水（Cl2(aq)）、溴水（Br2(aq)）與碘液（I2(aq)），再加入環己烷萃取後靜置（圖14）。接著藉由九宮格讓學生寫下試管中有機層的顏色，並思索氯、溴、碘分子在有機層的顏色（圖15至圖16），，再藉由有機層不同顏色的轉變確認氯、溴、碘分子與氯離子、溴離子及碘離子是否發生取代反應，確認出氯、溴、碘分子元素之間的氧化能力大小（圖17）。過程中主要提供不同的鷹架內容，讓學生能在線索中思索出正確解答。

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圖14氯、溴、碘元素之間的氧化能力

來源 https://www.youtube.com/watch?v=rBhMWpyO7Ts

圖15提供鷹架讓學生思索顏色關係與反應變化

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圖16不同小組同學上臺寫下觀察顏色

圖17哈三中學生根據鷹架推理出氯、溴、碘元素間氧化能力關係

四、議課內容

    負責點評氯氣單元的學者專家是由北京師範大學王磊教授擔任，首先讚揚此次課程內容延續先前建模教學的思考脈絡，能夠協助學生進行主動建構，透過模型發展、模型精緻、模型遷移與模型重建歷程，協助學生進行科學學習。然而可再思索優化之處在於雖然教學著重探究式建模，想讓學生學習上階的目標模型，然而若能夠根據不同的單元主題規劃二維架構，一維是學習方法學，另一維是學科知識或核心概念，如此當遷移不同情境時，可以先由知識的學習獲得方法學的思考架構，再經過方法學的熟悉之後，遷移學習其他的知識內容。

  • 結語與省思

    從去年（2019年）8月底接受此項邀請時，本文作者即不斷多方嘗試，企欲展現完善的教學效果。過程中與劉曉倩老師相互切磋，再加上邱美虹教授與鍾曉蘭老師多次提點得以更加精進。本次藉由實際參與教學交流活動更能理解不同文化差異。相關省思如下：

一、考量不同文化差異，結合教育學理與實務教學經驗

     藉由幾次參訪機會能夠稍加認識大陸目前教學狀態與城市文化體驗。得以思考教學學理與實務經驗整合與應用的可能，也更加體會單純只是著重知識的教學策略，並無法讓學生深入學習，獲得課堂目光。因此，如何在不同的文化與教學風格中逐漸找出適切的教學策略，並且逐步加以改善進而推廣，是未來需要著重的地方。

二、注重不同能力學生，發展差異化教與學策略

    相較於大陸人口眾多，臺灣面臨少子化的壓力，不能夠放棄任何一位學生，課堂教學需考量不同學生的個別差異，讓每位學生在同一段時間之內皆能獲得最大的學習成效。期待讓不同學習風格與學習能力的學生，在課堂中皆能藉由教師提供的鷹架學到相關知識與能力。因此，在有限的課堂時間內如何呈現差異化的教學是值得關注的目標。

三、培養學生自主學習與批判思維等能力

    大陸教學強調邏輯推理論證，而我們希望學生能夠學會如何學習，培養學生終身學習的能力。因此未來教學過程中不僅思索學習如何學習的能力，亦須發展以證據為本的相關批判思維的能力，藉由證據，在學理的支持下進行推理，才能獲得有效力的論證內容。

四、課程改革的國際趨勢，發展學生為中心教學模式

     與世界其他國家相似，大陸與臺灣亦投入課程改革。此次修訂的人教版化學教科書的內容即期待藉由邏輯推理與動手操作進行化學學理探究，與目前臺灣課程培養學生知識、能力與態度整合運用的科學素養，並強調學生動手操作與相關探究能力的養成，以解決未來生活面臨的問題是相符合的。面對教育改革浪潮，不同文化有其脈絡以及企待解決的問題，我們應該思考並擷取全球不同教育體制的優點，並考量在地文化特色條件，發展以學生為中心、適合自己文化脈絡而轉化的全球在地化（Glocalization）教學模式。

    最後，本文作者回程前的空檔嘗試將一罐600毫升約20°C瓶裝水放置在零下20°C的室外中，觀察多久能夠結冰？在還沒嘗試之前預計約10至15分鐘即可結冰，然而實際測試後發現在戶外放置將近40分鐘仍未開始結冰。推測應是水的比熱大，而空氣比熱小，但人體因感受到低溫而高估水降溫的速率。由此可知實際進行實驗與理論推估或是心理預測的結果有其落差，而實際動手操作才能夠體會並協助學生深入理解其中的差異。大陸高中化學課綱設計為期三年的學習內容，但是由於升學的關係，實務上幾乎會壓縮在兩年之內上完，如此必定影響到實驗課程的進行，減少學生實際動手操作與反思實驗值與理論差異的機會。反思臺灣教學似乎亦有相似之處，教師會因課程進度壓力，而較少帶領學生動手操作與反思實驗內容的機會，實殊為可惜，未來極需思考如何整合實驗內容與理論課程，減少教師課堂單純講授的時間，增加探究與實作手、腦並用的課程。

  •  致謝

    感謝臺灣師範大學科教所邱美虹教授的邀請、鍾曉蘭老師與邱美虹教授的提點、同行劉曉倩老師的相互切磋與砥礪與參訪期間任職學校協助相關課務的老師們，在此一併致上最高敬意。

 

  •  參考文獻

方金祥（2014）。微型氯氣製備裝置及在化學教學上之應用。臺灣化學教育，4。網址https://chemed.chemistry.org.tw/?p=6834

邱美虹（2016）。科學模型與建模：科學模型、科學建模與建模能力。臺灣化學教育，11。網址https://chemed.chemistry.org.tw/?p=13898

HRC(2014)。Displacement reactions of the halogens. Retrieved fromhttps://www.youtube.com/watch?v=d2geiGKFveE&t=1s

Jong, J. P. (2019, July). Exploring modeling process of chemical equilibrium in junior high school science textbooks in Taiwan. Paper presented at the 8th International Conference of Network for Inter-Asian Chemistry Educators (NICE),July 30 – Aug 1, Taipei, Taiwan.

Vietnamchemistry (2007). Phản ứng giữa H2 và Cl2.Retrieved from https://www.youtube.com/watch?v=jOAAIgQkrLE 

Webcast-legacy Departmental (2012). NaCl Formation.Retrieved from https://www.youtube.com/watch?v=rBhMWpyO7Ts

  • 附錄

氯與其反應性學習單

  建模歷程 問題 想法或答案
  模型發展 ■洗廁劑與漂白水共同使用可能會發生什事情?

■收集產生的物質並觀察反應的現象?

鹽酸(HCl)+次氯酸鈉(NaClO) →

(教師示範實驗：針筒2支，分別裝鹽酸與次氯酸鈉，再藉由三通閥反應)
  模型精緻 ■如何利用「有限」的器材、藥品和資訊確認收集到的氣體?

(1)討論可行的測試方案

(2)若不清楚，可尋求教師提示方向

l   裝有反應後氣體溶於水的樣品瓶

l   硝酸銀(AgNO3)溶液、蒸餾水20mL、空20ml樣品瓶、滴管

l   紅、藍石蕊試紙、藍色石蕊試劑、廣用試紙

(3)實驗操作確認自己原先想法

(4)寫下檢驗推理過程並發表

 寫下可行的方案

 

 

 

 

 

 

尋求教師提示內容

 

 

檢驗推理過程

 
模型發展 ■氯氣可與金屬與非金屬發生化學反應嗎?

(1)氯氣可以和金屬反應嗎?

(2)氯氣可以和非金屬反應嗎?

(3)如果可以反應，氯氣扮演什麼角色?
模型遷移 ■不同鹵素(氯、溴、碘)之間的氧化能力為何?

l 根據三張實驗步驟的圖片，比較Cl2、Br2、I2的氧化能力大小，並說明推理過程。

(1)同組間討論實驗圖片結果

(2)教師引導作答，並提供線索完成

(3)寫下推理過程並發表想法

 Cl2、Br2、I2的氧化能力的大小順序?

 

寫下推理過程

 
模型重建 (弱重建)

■實驗結果Cl2、Br2、I2的氧化能力大小推論有誤時進行修正。

 

國小學生萃取天然酸鹼指示劑來製作彩色水餃 / 劉宜衡

星期三 , 1, 1 月 2020 編輯助理 多元教學法, 第三十五期/2020年1月 在〈國小學生萃取天然酸鹼指示劑來製作彩色水餃 / 劉宜衡〉中留言功能已關閉

國小學生萃取天然酸鹼指示劑來製作彩色水餃

劉宜衡

新北市瑞芳區瑞亭國小

臺北教育大學自然科學教育學系科學探究與實作碩士在職專班

masha950121@gmail.com

  • 前言

筆者在瑞芳區的國小擔任自然科教師，這是一所原本要實施混齡教育的學校，這學期先進行混材，也就是將五、六年級課本的單元打散，分配到混齡教材A、B版中，所以我的學生六上才學到五年級的水溶液。我在上這單元時就想到，六年級的學生已具備實驗基礎，對於實驗操作也大致熟悉，是否可以多加入一些活動，使課程更為豐富有趣？於是設計了一連串的活動，最終以煮出變色水餃為成果，帶領學生探討酸鹼指示劑的妙用。初步介紹水溶液具備酸鹼性後，以一連串的探究活動，讓學生從做中學，激發學習興趣之餘，也能讓學生自己歸納出酸鹼指示劑變色的規則，最後將酸鹼指示劑運用在生活中。課程中學生經常驚呼連連，從他們眼中看到的是無限的驚喜與好奇，這無非是科學教育中最重要也最振奮人心的一刻了吧？

  •  課程目標

本次課程的學習目標如下:1.認識酸鹼及酸鹼指示劑；2.能以不同指示劑測試各種水溶液；3.能自製酸鹼指示劑；4.能以酸鹼指示劑調配出美麗的漸層溶液；5.學習製作出可以酸鹼變色的水餃。

  • 活動所需器材

課程活動所需物品器材如下：

1. 石蕊試紙2. 試管3滴管4. 乾淨塑膠杯或紙杯5. 學生自備餐具6.鍋子7. 湯勺8. 砧板9. 刀子10.撈網11.電磁爐或卡式爐12. 紫色高麗菜13.蝶豆花14. 食用小蘇打粉15.蝶豆花16.雪碧汽水17.白醋18.醬油19. 烏醋20.冷凍水餃21.糖水22.鹽水23. 檸檬汁24.洗碗精25.沐浴乳26. 汽水27. 養樂多28.牛奶29. 小蘇打水30. 澄清石灰水

要特別注意，因最後煮出來的水餃是希望可以讓學生真正吃下肚的，所以在此活動進行時不要使用實驗室中的實驗器材。因為那些燒杯、試管、量筒與滴管都是先前其他實驗用過的器材，無法確認是否有其他物質殘留。因此這堂課的容器要由從學校廚房或是家中廚房帶來的，乾淨可以烹調使用的器材。

  • 教學活動

本次教學由基礎到應用，共設計五個活動，每一次的活動大約需要1~2節課來進行。

【活動一：認識酸鹼及酸鹼指示劑】

1. 以白醋、肥皂水及自來水向學生介紹水溶液酸性、鹼性及中性的特質。

2. 請學生以感官觀察，以視覺和嗅覺，加上自身經驗，預測各種常見水溶液的酸鹼性。

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圖1:學生觀察溶液的外觀與氣味

3. 介紹石蕊試紙，並以自來水、醋及肥皂水做檢測，學生自行設計表格紀錄實驗結果，如下表一所示。

表1: 學生紀錄之結果


紅色石蕊試紙

藍色石蕊試紙

自來水

不變色

不變色

醋

不變色

變紅色

肥皂水

變藍色

不變色

4. 讓學生自行歸納出石蕊試紙變色的酸鹼規則。

 

【活動二：以不同指示劑測試不同水溶液】

準備各種水溶液給學生測試，並提供石蕊試紙及廣用試紙，實驗結果如以下表2。

表2:學生測試各種溶液酸鹼性紀錄結果


溶液名稱

紅色石蕊試紙

藍色石蕊試紙

廣用試紙

酸鹼性

醋

不變色

變紅色

橘紅色

酸性

糖水

 

不變色

 

不變色

 

綠色

 

中性

 

鹽水

不變色

不變色

綠色

中性

檸檬汁

不變色

變紅色

橘紅色

酸性

洗碗精

不變色

不變色

綠色

中性

沐浴乳

不變色

不變色

綠色

中性

汽水

不變色

變紅色

橘紅色

酸性

養樂多

不變色

變紅色

橘黃色

酸性

牛奶

不變色

不變色

黃綠色

中性偏酸

小蘇打水

變藍色

不變色

藍綠色

鹼性

澄清石灰水

變藍色

不變色

藍綠色

鹼性


經過兩種試紙的檢驗，學生歸納出石蕊試紙及廣用試紙的變色原則，以及日常生活中常見水溶液的酸鹼性。這邊有發生認知衝突，一開始預測的酸鹼性和實驗結果不符合。例如學生預測鹽水是鹼性，詢問原因，學生無法清楚說明，完全是靠直覺的。實驗後的結果帶給學生明顯的衝突，對澄清迷思概念有顯著效果。還有因肥皂水為鹼性，所以預測同為清潔用途的沐浴乳及洗碗精也是鹼性，這預測有理可循，但實驗結果發現沐浴乳及洗碗精是偏向中性，這裡老師則補充解釋，並不是所有清潔用品都是鹼性的，要看它的成分是什麼，不同清洗用途、不同廠牌的都有可能有不同的酸鹼性。

 

【活動三：自製天然酸鹼指示劑測試】

 

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圖2:用水果刀將紫色高麗菜切碎

這班六年級學生已經可以熟練且安全的使用刀具，而且本班為5人的小班，老師可以全程監督，所以才讓學生每個人都有使用刀具的機會，如果班級人數較多則可考慮使用剪刀，或其他替代方案。

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圖3:用熱水將紫色高麗菜中的花青素溶出

（使用火源時老師應全程監督，若用電磁爐加熱會更佳）

用熱水將紫色高麗菜中的花青素溶出後，撈出紫色高麗菜，待水溶液冷卻後即可使用。等待水溶液冷卻期間，可以先配製欲測試的水溶液。

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圖4:各種溶液加入冷卻後紫色高麗菜汁

第一輪測試單一溶液的酸鹼性並作紀錄，同樣讓學生自己歸納出紫色高麗菜汁的變色原則。酸性為粉紅色，鹼性為藍、綠色，中性則為紫色高麗菜汁原本的紫色。

表3:學生使用紫色高麗菜汁加入各種溶液的紀錄


名稱

紫色高麗菜汁

酸鹼性

醋

粉紅色

酸性

糖水

紫色

中性

鹽水

紫色

中性

檸檬汁

粉紅色

酸性

洗碗精

紫色

中性

沐浴乳

紫色

中性

汽水

粉紅色

酸性

養樂多

粉紅色

酸性

牛奶

紫色

中性偏酸

小蘇打水

藍色

鹼性

澄清石灰水

綠色

鹼性

 

【活動四：以天然酸鹼指示劑調配出美麗的漸層溶液】

為了讓學生體驗製作美麗的漸層溶液，給學生一人一隻試管，自行挑選一種想使用的溶液，先裝約1/3管，之後滴入幾滴紫色高麗菜汁，觀察第一次變色。接下來，學生各自挑選第二種溶液，這邊學生就應自己判斷，如果要讓試管中的液體繼續變色的話，則應使用與第一種不同酸鹼性的溶液，藉此熟悉紫色高麗菜的變色原則，對於記憶顏色變化有明顯效果。

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圖5:學生嘗試配製分層彩色溶液

 

給學生自由調配時間，學生可以設計出好多美麗的分層溶液呢！學生在調配分層溶液時也復習了小蘇打水加上酸性物質會產生氣泡，也就是二氧化碳的知識，配置出漂浮著氣泡的分層水溶液也格外夢幻。但老師要記得提醒同學，別將美麗的實驗器材當成氣泡水喝下肚啦！

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圖6: 學生嘗試配製夢幻溶液

 

【活動五：以天然酸鹼指示劑煮出彩色水餃】

這次製作酸鹼指示水餃的實驗想讓學生多體驗其他可以製成酸鹼指示劑的植物，除了使用課本中的紫色高麗菜，還多加入了蝶豆花。因為紫色高麗菜汁與蝶豆花汁中的花青素不會被高溫所破壞，煮滾後變色的效果依舊。所以可以放心的讓冷凍水餃多滾幾次。


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圖7: 學生製作紫色高麗菜汁

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圖8:學生製作蝶豆花汁

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圖9:學生以紫色高麗菜汁煮水餃

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圖10:學生以蝶豆花汁煮水餃

 

第一次水滾後放入冷凍水餃，待水餃浮起後，加入一杯冷水繼續煮。反覆讓水滾兩到三次，水餃浮起兩到三次後撈出。發現水餃煮好後，透著淡淡的紫色及藍色，我們的酸鹼指示水餃就製作成功了！學生各個迫不及待要把水餃沾不同的水溶液，然後吃下肚了！


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圖11: 紫色高麗菜汁煮出的水餃

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圖12: 蝶豆花汁煮出的水餃

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圖13:綠色水餃是沾了可食用小蘇打水，粉紅色水餃是沾了白醋

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圖14:沾烏醋後變成了雙色水餃。

 

  •    學生課後心得

 

小恩：這個單元一開始我就覺得很新奇，竟然能讓各種生活中常見的東西變色，好像在變魔術一樣！從老師上個禮拜說要煮彩色水餃，我們就期待了整個禮拜，因為我們班都很愛吃！終於到了水餃課，我們整堂課都超興奮的，準備器材時也都相當有效率，水餃終於下鍋的那刻我的眼神都離不開鍋子了！慢慢出現香味後，我們的心情又緊張又興奮，接著看同學一一撈出紫色、藍色的水餃，真是奇特又美麗啊！沾上不同的醬料還能展現不同的顏色，真是太有趣了，我用紫色的水餃沾了檸檬汁，變成粉紅色的水餃，吃起來酸酸鹹鹹的，還蠻好吃的呢！謝謝老師將自然課變得這麼有趣又美味。

小浚：一開始要我背紫色高麗菜汁碰到酸性會變什麼色，碰到鹼性會變什麼色，我根本背不起來，可是後來為了要配出美麗的漸層水溶液，我就一直問同學，一直問同學，問到最後我竟然也背起來了！真是太神奇了！就好像以前背顏料藍色加紅色變成紫色一樣，不知不覺的就背好了，我想應該是跟「常用」有很大的關係。到水餃那堂課我已經得心應手了，想吃綠色的水餃，就泡進小蘇打水中，想吃粉紅色的水餃就加白醋，彩色水餃不但好吃又好玩，真幸福！

小豐：其實我很需要一些方法來幫助我記憶東西，如果是跟生活中的現象有關係的話我會比較好記，偏偏我的生活裡根本沒有出現過這單元的變色呀！一開始我真的一個頭兩個大。好在我對魔術有點興趣，老師就像在變魔術一樣向我介紹這些變色的現象，好讓我更有學習的動力，靠自己的力量配出不同的漸層溶液，跟煮出彩色的水餃都是讓我很有成就感的事情，謝謝老師！說不定我可以用這些變色的現象設計出一套魔術呢！

小睿：我超愛吃水餃的！一上課我就迫不及待拿著我的餐具上樓，雖然在煮水餃前還要準備好多東西，但我一點都不覺得累！我們處理高麗菜越來越熟練了，但這次竟然還多了蝶豆花，平時聽說蝶豆花都是用來泡美麗的飲料，真的可以來煮水餃嗎？一開始我還半信半疑，後來的成果真是令我佩服，藍色的水餃也好好吃喔！要不是中午還有午餐要吃，不然我早就拜託老師讓我們多吃一點了！

小慈：很多自然課的實驗我都會默默的在一旁看同學做，他們成功了我也很開心，但這次煮水餃我可是很厲害的，認真的煮，也認真的吃，還學到了酸鹼指示劑變色的現象，真是收穫滿滿！

  • 教師教學省思

    此教學設計是從其他老師的活動設計發想而來，本想多嘗試以不同的植物做酸鹼指示劑，如紅色玫瑰花、黑豆或葡萄皮。但因不確定未經處理的紅色玫瑰花能不能吃下肚，而黑豆的變色效果較不鮮豔，葡萄皮則是剝皮與事後果肉的處理較為繁雜，所以作罷。今後若是時間充足，建議老師可以帶領孩子嘗試多種不同的植物。

    蝶豆花一般是用來製作成冷飲，這次嘗試將它應用在熱食，發現效果依舊，且沒有特殊味道，今後可考慮作為食品加工的一種原料。還有要製作綠色水餃時的小蘇打水，須注意要使用食用級小蘇打，且應配成水溶液後再以水餃少量沾取食用，以免食用過量導致胃不舒服。加白醋時我擔心變色不完全，所以將整顆水餃泡入白醋中直到變色，拿出來之後靜置片刻，原本怕太酸所以遲遲不敢入口，但吃了之後才發現出乎意料的美味，淡淡的酸味更增添水餃的風味！這次活動還發現若沾水餃溶液若本身顏色較混濁，可能影響觀察，例如烏醋沾上水餃時完全呈現烏醋原本的顏色，變色效果不佳。但學生透過自己動手做，實際做出可食用的東西，並且吃得開心，對老師也無疑是一次難忘的體驗。

  • 結語

    一開始的漸層水溶液學生反應熱烈，積極嘗試各種組合，想調配出自己想要的顏色，而結果也都不讓人失望。配出美麗的漸層提升學生學習動機，而當同學稱羨他的顏色很美時則能獲得成就感，同時也默默的將各指示劑變色的原則記得一清二楚了！在清洗實驗器材時，學生最喜歡把所有實驗材料全部倒在一起，看看會發生什麼事了，結果調配出了一鍋顏色難以形容的水溶液，也算是一個奇特的經驗。

學生一直很期待要煮水餃，所以煮指示劑水餃那堂課所有學生都非常專心，仔細完成每個步驟，連中間下課鐘響了都還依依不捨。而煮的過程中學生開始分享自己在家裡煮東西的經驗，並仔細觀察水餃到底煮好了沒。煮好後也積極嘗試各種水溶液，還有學生大膽的嘗試了汽水水餃，他說甜甜鹹鹹的，滿好吃的。其他同學隨即驚呼一聲後說：「我也要！」還有檸檬汁水餃也大受歡迎，酸酸的滋味，學生竟然說是初戀的味道，真是有趣極了！

學生還有提到以前吃過的彩色水餃，顏色比我們製作出來的還要鮮豔，有可能是化學色素染出來的，覺得吃我們自己煮的比較安心，雖然綠色的看起來有點噁心，但還是很好吃！這部分老師也跟學生進一步說明，很多加工食品為了賣相好，會加入非天然的色素，對身體未必是好的，所以如果可以吃非加工的食品，或是使用天然色素製作的食品會更好。

    從學生的反應可以明顯察覺，這系列的操作課程帶給學生滿滿的驚奇，並有效提升學習動機與樂趣。在日常生活中也可以檢測或查詢各種常見的水溶液的酸鹼性，成為購買及使用的參考。而延伸到食品安全的議題也可以成為日後討論的主題。

  • 謝誌

在此感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系108學年度第1學期化學特論(一)周金城教授與全體同學協助，提供本文架構調整與內文修正之意見，在此謹深摯謝忱。

參考資料

1.          陳皇州(2018年5月)化學教室活動：國小學生製作彩色麵條，台灣化學教育https://chemed.chemistry.org.tw/?p=27457

2.          蝶豆花真的有毒嗎？到底能不能泡飲料喝？毒物專家顏宗海這樣分析…，2020年1月5日擷取自風傳媒，網址https://www.storm.mg/lifestyle/1306319

3.          金門地區第58 屆中小學科學展覽會作品說明書，https://science.km.edu.tw/storage/media/1644/5acada59b04e7.pdf

4.          酸鹼指示劑實驗教案，http://www.twsport.org.tw/sljhs/old/%E7%92%B0%E5%A2%83%E6%95%99%E8%82%B2/%E8%B3%87%E6%96%99%E5%88%86%E4%BA%AB/%E9%85%B8%E9%B9%BC%E5%AF%A6%E9%A9%97%E6%95%99%E6%A1%88.htm

《臺灣化學教育》第三十四期目 錄 / 2019年11月

星期五 , 15, 11 月 2019 編輯助理 第三十四期/2019年11月 在〈《臺灣化學教育》第三十四期目 錄 / 2019年11月〉中留言功能已關閉

 

 

《臺灣化學教育》第三十四期（2019年11月）


目  錄


n  主編的話

u  第三十四期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕

n  本期專題【專題編輯／邱美虹】

u  慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示：系列活動介紹(二)  ∕ 邱美虹〔HTML｜PDF〕

u  慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示：第21期CASE探索基礎科學講座 ／陳竹亭〔HTML｜PDF〕

u  慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示：歐洲化學會週期表與稀缺元素 ∕ 邱美虹〔HTML｜PDF〕

u  慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示：視障者點字週期表的製作與教學 ／楊水平〔HTML｜PDF｜附錄〕

u  慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示：「百變化學–元素週期表150週年」特展 ∕ 張鈞翔、鍾坤煒〔HTML｜PDF〕

u  慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示：從展示、演示與實驗跨出科教館在國際化學元素週期表年的盛宴 ∕ 陳虹樺、陳雪玉、林祝里、李姤妤、陳思羽、周憶慈〔HTML｜PDF〕

u  慶祝IUPAC100 & 2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示: 海洋化學事–元素週期表150週年特展 ∕ 鄭淑菁、陳麗淑〔HTML｜PDF〕

u  慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示：看見化學了!元素週期表150周年特展-科工館的展示、科教活動及推廣 ∕ 洪莞媜、陳綺霞〔HTML｜PDF〕

u  慶祝IUPAC100 & 2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示： 「維基化學同學會」的成果與展望 / 王則文〔HTML｜PDF〕

u  慶祝IUPAC100& 2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示： 化學元素週期表教具、媒材設計比賽 / 中華民國科學教育學會秘書處彙整〔HTML｜PDF〕

u  慶祝IUPAC100& 2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示： 臺灣慶祝國際化學元素週期表年海報競賽作品分析與簡介 / 李宜諺、林靜雯〔HTML｜PDF〕

u  慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示： 「Curie Me Away! 放飛自我」科學劇策畫紀實 / 林怡萱〔HTML｜PDF〕

n  化學實驗／化學實驗室【專欄編輯／呂子琦】

u  化學探究實驗：ChemBox的製作與應用 / 呂子琦〔HTML｜PDF〕

第三十四期 主編的話 / 邱美虹

星期四 , 14, 11 月 2019 編輯助理 主編的話, 第三十四期/2019年11月 在〈第三十四期 主編的話 / 邱美虹〉中留言功能已關閉

第三十四期 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

每年十月科學界的大事就是諾貝爾大獎將落於誰家呢? 2019年化學諾貝爾獎由美國學者古迪納夫(John B. Goodenough)、英國學者惠廷安(M. Stanley Whittingham)與日本學者吉野彰(Yoshino Akira)獲得，獲獎原因是他們對鋰離子電池的貢獻。公布獲獎人的同時也創下最高齡的諾貝爾獎得主(古迪納夫)的紀錄。

這次三位得獎人展現的是科學發現的軌跡是一群人不斷累積的成果。英國的惠廷安是接力賽中的第一位學者，他於1970年代為擺脫化石燃料危機而發展出以鋰為電池陽極，以二硫化鈦能嵌入離子的超導體為陰極而製作出第一個可運作的鋰離子電池。1980年古迪納夫以鋰鈷氧化物(LiCoO2)作為陰極材料，產生高達4伏特電壓(是惠廷安的鋰離子電池的兩倍)。古迪納夫今年已97歲高齡，他當年的研究成果已是40年前的事了，但其研究成果使鋰離子電池向前推進一大步；後續由現年71歲的日籍科學家吉野彰繼續接力進行研究，1985年吉野彰在古迪納夫的研究基礎之上，以石油焦(petroleum coke)取代金屬鋰做為陽極，製造出更安全、更穩定、壽命更長、體積更輕巧、電容量高、可充電且更具商業價值的鋰離子電池。人們今天離不開的行動載具，如手機、照相機、電腦、電動車，甚至是由太陽能和風能產生的能量儲存裝置等，都免不了與這項發明有關。鋰離子電池的發明徹底改變了人類的生活，除增加生活的便利性外，也因而推動出乾淨能源技術與減少環境汙染，創造更友善的環境。科學家的接力賽彰顯出科學是一群人前仆後繼的志業，集眾人的智慧方可提升人類的生活條件與環境品質。

吉野彰在接受訪問時說了一句我們並不陌生的話:「好奇心是我主要(研究)的動力。」這句話再次提醒我們身為教育者，培養與維持孩童對事物的好奇心是創造的源頭!

本期專刊是以慶祝IUPAC100& IYPT活動成果展示為主題，以聊表臺灣對於門得列夫的貢獻以及其對後世科學發展的影響之敬意。我們不難瞭解週期律的發現也是一個集眾人長期累積的資訊所獲得的研究成果，這項發現若不是門得列夫的話，也將會是另一位科學家，但或許會讓科學處於一個更長的混沌時期。因此，逢此週期表150週年以及負責元素命名和符號的IUPAC百歲生日，我們以各項慶祝活動向IUPAC、門得列夫以及一群默默耕耘的科學家致敬。

本期除專刊外，還有呂子琦的「ChemBox在化學探究實驗的應用」，介紹他自製的化學數位感測模組，以及如何使用在探究化學實驗課程中，教師也可以利用此模組開發一個跨領域的課程，有興趣的中學教師可以和呂老師聯繫。

慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示： 系列活動介紹(二) / 邱美虹

星期三 , 13, 11 月 2019 編輯助理 本期專題, 第三十四期/2019年11月 在〈慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示： 系列活動介紹(二) / 邱美虹〉中留言功能已關閉

慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示：

系列活動介紹(二)

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所
mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw

 

  • IYPT in Taiwan 特展

為慶祝俄國化學家門得列夫(Dmitri I. Mendeleev)於1869年發表元素週期表150年，聯合國宣布2019年為國際化學元素週期表年(International Year of the Periodic Table of Chemical Elements, IYPT)。臺灣為參與這項國際性的活動，在科技部、教育部國民及學前教育署、行政院環境保護署毒物及化學物質局指導，由國立臺灣師範大學(以下簡稱臺師大)、中國化學會(以下簡稱化學會)以及國立臺灣科學教育館共同主辦《2019國際化學元素週期表年特展–在臺灣》，從2019年6月1日起至8月26日共展出為期近三個月的特展，觀展人有來自世界各地的人士與師生，參觀人數約32000人，盛況空前。該特展的主要展品在《臺灣化學教育》電子期刊五月號有做詳盡的介紹，如元素方塊週期表、光雕投影、化學元素大事記、化學元素海報、視障者點字元素週期表、女性科學家與週期表、稀缺元素週期表、中學生眼中的週期表、元素文學小品、元素郵票展、擴增實境(AR)和虛擬實境(VR)等。展覽開幕式影片可於網站觀賞(網址為:
https://www.youtube.com/watch?v=ezPktr1vj9k)。

此次特展因受到廣大觀眾的喜愛和各博物館的支持與青睞，共同以秉持服務更多民眾的初衷，此特展於八月底開始在臺中自然科學博物館(科博館)、基隆海洋科技博物館(海科館)、高雄科學工藝博物館(科工館)陸續展出，同時海洋生物博物館(海生館)已預約明年起做一整年的IYPT元素週期表特展，這實在是令人興奮的接力賽。各館的主要內容將於本期刊分別介紹。

臺師大和化學會在科教館的特展影片獲得國際純化學暨應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)諾貝爾競賽獎(NobeliumContest Award)(見圖一)，令人深感榮幸與欣慰!

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圖一: IUPAC諾貝爾競賽獎(Nobelium Contest Award)

以下針對IYPT in Taiwan特展擇要介紹如下:

主視覺此主視覺(見圖二)要表達的意向如下:
左下角為本活動LOGO，其中H(1)和Og(118)代表週期表全部有118個元素，同時還有門得列夫Md(101)。正上方以大螢幕呈現門得列夫頭像、簡介其生平以及元素符號；其下方的展示櫃呈現元素的原子結構和物質的三態；在中間最前方則是以展示櫃呈現元素的應用面，每個展示櫃上方的英文字樣分別代表半導體、光電、食品與醫療領域。而右邊的圖案則是呈現綠色化學與環境共存的生態小島。活動的吉祥物以帝雉為代表(圖二右)，是因其為世界瀕危鳥類，取其意企盼大眾珍惜元素。這兩項設計皆由楊宇辰小姐與工作團隊討論後所設計的成品，深獲觀展者喜愛。

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圖二: IUPAC主視覺(左)與吉祥物(右)

元素方塊  元素方塊的概念一共製作三款，大方塊(圖三-a)、中方塊(圖三-b)和小方塊(圖三-c)。方塊每面分別展示該元素之原子序、原子量、化學性質、重要實驗及與該元素相關之科學史、生活、科技等資訊。大方塊在展場以公共藝術的方式呈現、中方塊設計是可以讓參觀者取出觀看各面的設計、小方塊是以A4大小的紙張製作，供辦理活動使用。這五面當中原子量、原子序和週期表的設計是由淡江大學王文竹教授負責帶領學生製作的、四面的實驗、科學史等是由來自各大學教授或各中學教師選擇自己感興趣的元素設計的。的六面則是中徐生繪製的元素圖。此項成品準備期較長，所耗人力和經費有較多，然內容相當豐富，值得反覆品味。

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圖三: 大方塊(a)、中方塊(b)、和小方塊(c:左為牟中原院士、右為觀展人)

魔方118此光雕設計特邀請國際知名3D動畫劉育樹導演為國際化學元素週期表年慶祝活動精心設計具中國風的週期表影片。樹導表示，「此光雕投影將元素週期表結合中國風，以呈現獨特的東方風格，其中尤以傳統臺灣特色為主。影片內使用了大量東方元素來結合西方的元素週期表：以風水羅盤的圓形排法替換週期表的矩型排法，除了以圓象徵人類生存之地球，更代表著週期表中的所有元素皆是存在於這個圓中──即地球上。…影片中將週期表元素的英文字替換成中文字呈現，其用意在於將熟悉的西方週期表以東方詮釋，表達東方對於化學界亦有所貢獻…影片中亦列舉人類生活中的重要元素，讓人們認識到生活周遭其實有很多物品都和化學元素有關。此外，透過象棋作為化學元素的象徵物，把虛幻的化學元素實體轉化為熟悉的象棋棋子，讓大眾對於艱澀的化學多了一分親切感…並以真實的對弈，結合金屬與非金屬之間的對戰而進行化學反應。…最後一個東方元素是廟宇的籤筒，用來呈現傳統臺灣風格的週期表。以矩形週期表旋轉收進籤筒，再度使用圓作為世界的概念，而所有的元素繞著圓旋轉，與開頭的圓互相呼應，串聯整部影片並以東方風格收尾。」

 4圖三: 大方塊(a)、中方塊(b)、和小方塊(c:左為牟中原院士、右為觀展人)

 

元素大事記是由國立臺北教育大學周金城教授設計將118個元素在時間軸上記錄下偉大科學家努力的成果(見圖五)。

5圖五: 周金城教授的元素大事記

多樣的週期表在展區中還展現各式各樣的週期表，其中包括視障者點字週期表由彰化師範大學楊水平教授設計(請參看本專刊楊教授一文)、歐洲元素週期表(簡介請參看本專刊邱美虹教授一文)、最古老的較是用週期表掛圖和女性科學家與週期表(見臺灣化學教育2019年五月號)、國外週期表公共藝術裝置及元素中文命名法則等等(見圖六)，展現週期表的多元性與功能性。

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中學生繪製的元素週期表  這幅充滿中學生想像力的元素週期表，由本文作者發想，結合中學教師和學生的力量完成的，感謝臺北市立大直高中林欣美老師、曾茂仁老師，新北市立三重高中張怡婷老師、李雁婷老師，國立臺灣師範大學附屬高級中學吉佛慈老師，及新北市立新北高級中學鍾曉蘭老師帶領學生以充滿科學與藝術的方式完成118幅元素繪圖週期表。這些以學生的角度來觀看118個化學元素，並以藝術的形式描繪元素在生活中的角色，合力創作而成的繪圖週期表，實為國內首創。101元素鍆則是由台北市立大直高級中學陳品蓉所繪，她指出鍆的命名是為了紀念門得列夫對於週期表的貢獻，同時使用機器人造型表示為人造元素，並在臉部以M為眼鏡，d為耳機的組合成為Md的縮寫，在胸前淡藍色的字跡即為門德烈夫當時週期表的排列方式，左肩的輻射符號亦表示該元素具有放射線（見圖七右）。

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元素、郵票與文學　　為了展現是人對門得列夫與對週期表有貢獻的科學家，展場有一區是展現世界各國的紀念郵票、臺灣十大建設與化學元素的關係、以及文學中與化學元素的相關的作品，以展現化學元素無所不在。郵票是世界各國向門得列夫等科學家致敬；中鋼、中船等建設的郵票以及青花瓷和唐三彩在顯示元素的應用；而與元素相關之詩集、箴言，點出元素與文學的距離並不如想像中遙遠，由於這一區的設計取材非常寬廣，展現親民的一面，受觀展者的喜好（見圖八）。

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除此之外，我們也展出11張美國化學會所製作的海報，充分顯示化學元素在人類文明、歷史、文化、科技、建築上所扮演的角色。同時也彰顯女性化學家到目前為止僅有5位獲得諾貝爾獎和五位女性科學家得以為元素命名或以其名為元素符號，但事實上參與元素發現的過程中，仍有許多無名女英雌在週期表的背後默默付出其貢獻（見圖9，亦可見臺灣化學教育2019年5月號）。

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圖9週期表前後的14位女性科學家

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圖10 擴增實境(AR，上圖)與虛擬實境(VR，下圖)場景

此次特展，我們除了邀請觀展人提供對特展的回饋意見外，在現場也有提供自黏貼貼紙供觀展人填寫(見圖11)，在與觀展人的對話中，發現大家對特展的內容多元性給予相當高的肯定，最重要的是改變他們過去對週期表的認識，以及對元素在生活中的應用有更深入的了解。這些觀展人分別來自不同國家，如日本、美國、新加坡、馬來西亞、韓國、大陸等等，肯定與讚賞的言語給與工作團隊很大的鼓勵。

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圖11 : IYPT in Taiwan 特展回饋意見

整個特展在實驗演示、現場動手做活動與點燈的高潮下正式開展，為期三個月的展期中，共約有32000人到館參觀。同時，周金城教授、鐘建坪老師和陳子聖老師利用周末共進行六次元素工作坊，一開放報名就額滿，是個相當受歡迎的實驗活動(見圖12)。七月底適逢亞洲化學教育研討會，來自十多國的學者亦到會場觀賞，讚嘆聲不絕，並與科教館館長陳雪玉博士合影
(見圖13)。

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圖12 :開幕式與假日元素實驗活動

 

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圖 13 亞洲化學教育研討會來賓觀展

除特展外，為響應國際活動並紀念這特別的一年，其他規劃與執行的活動也都陸續完成，包括教具、元素、海報等各式各樣的競賽活動，參賽者踴躍，掀起國內一股玩化學元素週期表之風潮。

  • IYPT彩繪列車

此外，由科技部與臺北市政府教育局指導，國立臺灣師範大學、中國化學會主辦，臺北市立大學理學院協辦，該計畫特別邀請化學與化學教育專家學者共同籌劃辦理捷運彩繪車廂，所策劃之IYPT彩繪列車將於2019年12月10日起，在臺北捷運板南線與淡水信義線亮相，並維持營運三個月，以供民眾盡情享受化學元素與生活的近距離關係。

兩列彩繪車廂的設計是以輕鬆的手法帶大眾重新認識化學元素，內容包括有從化學元素的誕生伊始，擴及世界的構成、週期表的創立、科技應用(如太空人的頭盔成分)、氮循環、食物中的微量元素、人體的組成等等，以及門得列夫與居禮夫人肖像供大家拍照打卡上傳社群媒體。此次以彩繪圖像的形式來說明化學與生活的緊密連結，期以藝術手法展現化學的發展與生活應用，引發社會話題，敬請期待。

  • IYPT 101點燈

最後，為了進一步拉近大眾與化學之間的距離、加強臺灣國際曝光，並宣告為期一年的慶祝活動圓滿成功，在科技部與教育部的促成下，臺師大、化學會與臺灣地標台北101合作，透過101大型點燈活動，在11月14日和15日點燈慶祝IYPT，為「國際化學元素週期表年–在臺灣」呈現最搶眼的亮點。

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此專刊主要就是邀請今年度辦理合作辦理IYPT in Taiwan慶祝活動的單位獻稿，將一整年的成果與讀者分享。內容包括陳竹亭教授所規劃的「CASE探索基礎科學講座」，邀請9位學者針對週期表的發展與元素的應用做專題演講，內容精彩，有興趣者可至網站觀賞；邱美虹介紹IYPT特展展品之一「歐洲元素週期表與稀缺元素」，希望讀者透過認識歐洲週期表而能珍惜元素、了解永續發展的重要性；楊水平的「視障者點字週期表」展品的介紹，讓人感動其對視障者長期的關注；國立自然科學博物館張鈞翔和鍾坤煒的「百變化學–元素週期表150週年」特展，以礦石和元素結合IYPT為主題；國立科學工藝博物館工館洪莞媜和陳綺霞的「看見化學了！元素週期表150周年特展」展示美國化學會的元素海報和光雕等展覽品；海科館鄭淑菁和陳麗淑的展品設計以展現海洋生物、元素與週期表的關係，融入海洋化學事展現元素與生活關係以慶祝元素週期表150週年；各博物館根據其特色與使命，分別設計不同主題的展品與，並結合臺師大所提供的展品共同展出，一起推動科普與慶祝國際大事。而陳虹樺等人的科教館一系列慶祝IYPT活動簡介，吸引許多學生到館參觀與參與動手做活動；台灣維基媒體協會王則文對推動撰寫化學元素條目的成果與展望的心得分享，這也是基礎科學和維基的第一次合作案，期待有更多人可以投入志工行列；中華民國科學教育學會盧玉玲理事長所負責辦理的化學元素週期表教具、媒材設計比賽作品簡介；李宜諺和林靜雯為慶祝國際化學元素週期表年所辦理的海報競賽，從國小到高中，作品都非常有創意呈現出他們對週期表的面面觀；林怡萱等人對科教館所舉辦的「Curie Me Away! 放飛自我」科學劇做策畫紀實的報導，內容鉅細靡遺的將科學劇的原委道盡，同時也將訪談內容毫無保留的與本刊讀者分享，讀者必可享受一場閱讀的樂趣。

以上每項慶祝活動都是主辦者與合作夥伴們用心規劃、執行、挑燈夜戰與擠腦炸腦的成果，努力的目的無外乎就是為了端出一系列讓大家驚豔的活動內容彰顯臺灣對化學的重視以及對科普傳播的使命感。除上述一系列慶祝活動的報導外，12月份還會陸續熱鬧推出相關慶祝活動(如淡江大學的元素收集活動)，請大家拭目以待。活動內容將於2020年1月號報導。同時未來IYPT in Taiwan 的展品亦將移展到各大學1和高中，歡迎各界詢問移展事宜。

註1:虎尾科技大學已於11月20日在他里霧辦理為期一個月的特展，其文將於2020年1月分享。

 

致謝:

感謝各指導單位、協辦單位與贊助單位的支持與鼓勵，以及諮詢委員、中學教師、助理、學生的協助，使IYPT活動得以順利展開與圓滿完成。尤其是化學會秘書長趙奕姼教授、國立台北教育大學周金城教授、國立臺灣師範大學張一知教授、臺灣大學陳竹亭教授一整年在各活動上投入大量的時間與精力給予的建議與支持，感謝之意實無法用言語表達，IYPT
in Taiwan 的活動成果與所有參與人、科普人、以及喜愛科學的人共享。

以下列出參與活動的單位及個人，以表謝意。

指導單位:
科技部、教育部、環保署化學局

主辦單位:
國立臺灣師範大學、中國化學會(Chemical Society Located in Taipei, CSLT)

協辦單位: 中華民國科學教育學會 台灣維基媒體協會 淡江大學科學教育中心 國立自然科學博物館 國立科學工藝博物館
國立海洋生物博物館 國立海洋科技博物館 國立臺北教育大學 新北市化學科課程發展中心 教育部普通型高級中等學校化學學科中心
教育部中等教育階段自然領域教學研究中心

贊助單位:
申豐特用應材股份有限公司、宏遠興業股份有限公司、台灣化學產業協會、財團法人中技社、循環台灣基金會、台灣巴斯夫股份有限公司、台灣聚合化學品股份有限公司、台灣默克股份有限公司、李長榮化學工業股份有限公司、長春集團、國立臺灣師範大學企業校友聯誼會、聚和國際股份有限公司、永信國際投資控股股份有限公司、優勝奈米科技有限公司、旭富製藥科技股份有限公司、長興材料工業股份有限公司、台灣安捷倫科技股份有限公司、台灣賽默飛世爾科技股份有限公司

提供資料和協助的專家學者、中學教師及工作人員:

女性科學家:淡江大學吳嘉麗教授、長庚大學邱韻如教授

元素大事記:
國立臺北教育大學周金城教授

元素方塊:
參與製作的教授、中學教師、高中及大學以上學生

元素命名:
國立臺灣師範大學李祐慈教授和林震煌教授

元素Q& A: 臺北市立成功高中劉俊庚老師、臺北市立萬芳高中陳怡宏老師、中研院化學所趙奕姼教授

光雕:光點吉樹團隊

開幕化學實驗演示:臺中大甲高中廖旭茂老師、國立臺灣師範大學附屬中學吉佛慈老師、臺北市立陽明高中謝東霖老師

開幕式司儀:新北市新北高中鍾曉蘭老師

開幕動手做活動:林靜雯教授、廖旭茂老師、吉佛慈老師、李宜諺、曾茂仁、李驥、周運廷、林書繪、鍾宜廷、許晉維、周立

郵票:張固剛教授(Gu-Gang Chang)、Dr. Daniel Rabinovich教授

點字週期表:國立彰化師範大學楊水平教授

諮詢團隊:王文竹、王伯昌、吉佛慈、李旺龍、李祐慈、李名揚、李麗偵、林威志、林彥傑、林震煌、林靜雯、孫維新、高憲章、張鈞翔、張簡志挺、陳竹亭、陳怡宏、陳虹樺、陳雪玉、陳綺霞、陳麗淑、曾茂仁、曾繁銘、湯偉君、楊水平、賈志達、廖旭茂、劉俊庚、劉湘瑤、盧玉玲、鍾曉蘭

攝錄影:陳俐陵、任宥甯

籌備助理:郭素妙、溫儷璞、王荷晴

場佈:海宴活動行銷有限公司

ACS海報:ACS Taiwan Chapter臺灣大學楊吉水教授協助聯繫ACS

AR& VR: 幻鼎數位科技有限公司洪達民工程師

慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示：第21期CASE探索基礎科學講座 ／陳竹亭

星期二 , 12, 11 月 2019 編輯助理 本期專題, 第三十四期/2019年11月 在〈慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示：第21期CASE探索基礎科學講座 ／陳竹亭〉中留言功能已關閉

慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示：

第21期CASE探索基礎科學講座

  陳竹亭

臺大化學系名譽教授／遠哲科學教育基金會董事長  陳竹亭

jtchen@ntu.edu.tw

1869年俄國的門得列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834-1907)（圖1）率先發表了第一個週期表。（圖2）週期表依原子量和元素化學、物理性質的週期性排列，總計有67個元素，其中有4個是預測了尚未發現的元素，到今年剛好是150週年。國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)也正逢100週年，正好慶祝化學史上極重要的週期表150年(PT150)。聯合國科教文組織(UNESCO)也共同慶祝推廣週期表與化學教育，就訂定2019年為國際化學元素週期表年(International Year of Periodic Table of Chemical Elements)，簡稱為2019IYPT。

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圖1、門得列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834-1907)  圖2、週期表依原子量和元素化學、物理性質的週期性排列

為紀念此國際盛事，中國化學會(Chemical Society Located in Taipei, CS和臺師大科教所聯合推動臺灣的慶祝推廣活動(2019IYPT in Taiwan)。臺大科學教育發展中心(CASE)決定共同響應，就邀請了臺灣大學化學系的陳竹亭、蔡蘊明名譽教授，和牟中原講座教授共同擔任顧問，來規劃2019年春季的第21期「探索基礎科學講座」。這一季的主題訂定為「元素週期表150週年―化學的革新和進化」。主旨在闡明週期表的發明帶給化學領域發展的革新和進化。從3月16日到6月15日共規劃了9個講座，分別紀錄於下。

【第一講】是由陳竹亭教授開啟序幕，題目是「發現元素新大陸」。早在西元前3世紀，亞里斯多德提出包括「土、水、氣、火」的四元素論，直到17世紀，波以耳認為元素是物質不可再分解的部分，且堅信元素具有粒子性質。18世紀的拉瓦節透過燃燒實驗，主張燃燒乃是物質與氧反應，水是氫與氧化合的產物。他用實驗釐清了元素與化合物的概念，在1790年出版了《化學基本原理》，推動化學革命，被譽為現代化學之父。

19世紀眾多化學家發現新元素。如戴維(Humphry Davy)是第一位用電解法分離出鹼金屬與鹼土金屬的化學家;伯齊里斯(Jöns Jacob Berzelius) 發現矽、鋁、鈹;本生(Robert Bunsen)和克許霍夫(Gustav Robert Kirshhoff)發明了本生燈與光譜分析儀，並且發現了銫和銣;拉姆齊(William Ramsay)與雷立爵士約翰·斯特拉特 (John Strutt, Lord Rayleigh)則在19世紀末發現惰性氣體。

稱為「原子之父」的道耳頓於1803年提出「原子論」，坎尼乍若(Stanislao Cannizzaro)在1860年的國際化學會議裡演講，釐清了混亂的原子量，啟發了當時在座的俄國年輕化學家門得列夫。門得列夫最顯著的成就便是於1869年發表「元素週期表」，他預測的鎵、鈧及鍺陸續被發現，成就了他化學先知的地位。瑪里居禮也發現了釙和鐳。20世紀，最後一種天然元素─錸和第一個實驗室裡合成的人造元素─鎝相繼問世。科學家們藉著認識原子結構，終於明白元素週期表正是原子中電子組態的外顯。時至今日，元素依原子序排列，我們熟知的元素週期表上已有118個元素。門得列夫的洞見及創作，也是歷史上眾多化學家們合作與傳承而開展的化學革新。

【第二講】是胡維平教授的「傳說到傳奇，原子真的存在嗎？」原子的概念從哲學觀點逐步變成人人確信的科學。西元前400多年，德莫克利特(Democritus)提出原子理論，認為物質是由無法再分割的粒子所組成。18世紀的法國化學家拉瓦節，做出了第一份現代元素表，徹底推翻四元素理論和燃素理論，說明燃燒反應就是物質和氧的化合。普魯斯特的定比定律、給呂薩克的氣體反應體積定律、道耳頓的倍比定律、亞佛加厥提出分子概念，門得列夫發表週期表，然而他們都不知原子的構造。

直到十九世紀末，倫琴在研究陰極射線管時發現X光。之後貝克勒發現鈾礦就算沒有照射陽光依然能讓底片感光。居禮夫婦發現鈾礦放射性的強度，只和鈾的量有關，和化學環境無關。他們認為放射性來自原子的內部，這也暗示原子不是最基本的粒子。發現X光的年代，湯姆森發現了電子。他建立梅子布丁原子模型。拉賽福在1908-1913年，用α粒子撞擊金箔片的實驗推翻布丁模型，證明了原子的質量集中在一個非常小帶正電的核心，而電子在核外環繞，於是提出行星原子模型。當人們知道原子裡面還有質子、中子，就衍伸出它們能否再繼續分割？後來發現質子、中子也不是最基本的粒子，而是由夸克構成。

宇宙生成30分鐘後，原子核僅含75％的氫和25％的氦。大約40萬年後，電子才與原子核形成中性的原子。2~3億年後，才有恆星產生。太陽內部進行核融合反應，4個質子融合成氦原子核、3個氦融合成碳原子核、碳和氦融合成氧原子核。質量大的恆星能形成鈉、鎂、矽、磷、硫、鈣、鐵、鎳等原子核，超新星爆炸才能產生比鐵重的元素；中子星之間的碰撞合併爆炸，則可以產生金、銀、鉑等等貴重元素。

【第三講】由于淑君教授主講之「從西伯利亞到聖彼得堡—門得列夫築夢週期表之路」。150年前排列出元素週期表的門得列夫，終其一生致力尋求科學在自然界中的規則與真理，使更多人能依循這份美麗的秩序而前進。門得列夫生於俄國西伯利亞，具有韃靼血統的母親帶著他與姊姊一路跋涉到莫斯科，再輾轉到聖彼得堡，讓門得列夫進入聖彼得堡大學中央教育學院就讀。取得碩士學位的門得列夫，步入教職及研究的工作，於1861年編寫了《有機化學》教科書，1868年發表《化學原理》第一卷。

這段期間，科學家們不斷透過實驗發現新元素並研究其性質。徳貝萊納(J. W. Dobereiner)提出「三元組」元素排列法後，「碲螺旋(telluric helix)」狀週期表、「八音律法(Law of Octaves)」相繼問世，但都沒有一個較宏觀的理論系統產生。門得列夫把每個元素與其原子量及化學性質寫在一張張卡片上，如此組起一副紙牌，經過耐心地紙牌排列，終於獲得元素週期表！門得列夫於1869年發表的元素週期律裡，依照原子量大小排列，其性質明顯呈現出週期性。週期表上有些未知的空格，門得列夫則大膽預期可能會有未知新元素。1875年「類鋁元素」鎵(Ga)被發現，門得列夫特別寫信給發現者德布瓦博德蘭(P. E. L. de Boisbaudran)，說明鎵的比重值可能有誤。德布瓦博德蘭以更嚴謹的方式重新提煉純鎵並進行實驗，測得鎵的比重確實為門得列夫的預測值！這是人類首度以科學方法準確預言了未知元素的案例，使歐洲的科學界大為振奮。

1871年，門得列夫出版了《化學原理》第二卷，後續幾年中他所預測的未知元素也陸續被發現與證實，唯獨總是與諾貝爾獎擦身而過。1907年2月門得列夫因流感而病逝於聖彼得堡。美國科學家格倫—西柏格博格(Glenn T. Seaborg)在1955年發現了原子序為101的新元素，特別於1963年將此元素命名為「鍆(Md)」，藉以表彰與紀念門得列夫的貢獻。

【第四講】是鄭原忠教授「為什麼週期表長這樣？—解析元素週期性背後的量子密碼」。門得列夫提出週期表的時代，把數百年的化學知識濃縮到一個表裡。現代的週期表，我們除了想問為什麼長這個樣子，也想知道元素的週期性從何而來？

電子必須用量子力學來描述其運動。德布羅依(de Broglie)在1924年提出電子的波動性學說，其波長和動量呈反比。1927年電子繞射實驗的結果證明電子有波動的性質。物質是波因而有著堅實的實驗證據。一維的駐波震動態可以用節點數區分，沒有節點的駐波叫做n＝1的狀態，有1個節點就是n＝2…… ，增加節點可以把穩定駐波態建構出來。從德布羅依的公式來看，n越大波的能量就越高。二維駐波看的是節線，三維則是看節面。

一個電子在原子核周圍的駐波態，最穩定的應該是一個沒有節面的球形。電子在空間中分布的狀態，最穩定的就是1s軌域。接著考慮加入球形節面，便可以建構出越來越大，能量也越來越高的2s, 3s,… 等其他s軌域。若從1s出發加入一個平面節面，則可以建構出p軌域，加入兩個平面節面則得到3d軌域。這些軌域在氫原子中能量相同。多電子原子跟氫原子不一樣之處就是電子自旋以及電子間的斥力。包立不相容原理認為自旋相同的電子不能填在同一個軌域。一個軌域最多填兩個電子，一個自旋向上，另一個向下。電子之間有排斥力，多電子原子的軌域能階為：s＜p＜d＜f。

把電子填進軌域要從能量最低的地方開始填。氫只有1個電子，就會填到1s軌域。氦有兩個電子，會把1s軌域填滿。鋰有3個電子，會填到2s軌域。繼續下去，2p填完就填3s，進到下一個週期──這就是週期性的由來。再看門得列夫的週期表，如果我們把最外層的價電子組態一樣的排在同一行，就可以用價電子組態解釋原子的反應性、週期性和價數。 

【第五講】由講座顧問牟中原教授講「瑪里居禮與放射性元素」歷史上改變了世紀的原子彈，近年熱烈討論的核能發電等，皆與核子科學密不可分。1895年底，侖琴偶然發現了X光的存在。短短一年間，科學界一片沉迷於新穎的X光研究。剛生完孩子的瑪里‧居禮反而選擇相對冷門的鈾作為她的博士論文主題。法國的貝克勒也從鈾發現其擁有相似於X光的天然放射性。透過皮耶‧居禮與其兄弟擁有之壓電設備，瑪里‧居禮將鈾化合物放置其中，即產生能夠量測之電流。他們三人共同分享1903年的諾貝爾物理獎。從此放射性(Radioactivity)這個名詞被創造出來，放射性元素的時代由此開展。

研究鈾的同時，瑪里‧居禮也向奧地利鈾礦公司取得提煉鈾之後的殘渣，並測量這些殘渣的放射性。她發現這些殘渣中的放射性遠比鈾還要強。殘渣中極可能有別種放射性元素的存在。經過多年努力的化學分離，瑪里‧居禮成功在1907年成功分離出鐳(Ra)和釙(Po)，獨獲1911年的諾貝爾化學獎。

瑪里‧居禮奠定了核子科學的基礎。1930年代，中子的發現開啟了人工放射線研究嶄新的一頁。第一個人工放射線研究，就是由瑪里‧居禮的大女兒(伊雷娜,(Irene Joliot-Curie)和女婿弗雷德里克·約里奧(Jean Frederic Joliot)發現的。核子科學中的影響人類歷史的重大研究──核蛻變(Nuclear transmutation)也在此時被提出。核分裂很快就在1938年被發現。當鈾235以中子撞擊，核分裂會發生，顯示「連鎖反應」的潛在可能與巨大能量產生的可能。人類史上數一數二龐大的曼哈頓計畫就此展開，短短6年的時間，原子彈被製造出來，成為經歷過二戰的人們無法抹滅的記憶。

瑪里‧居禮對於世界的貢獻，不僅限於開拓核子科學新領域。她的小女兒伊芙（Eve Curie），雖未如大女兒伊雷娜涉足科學領域，但因著提筆寫下其母一生的傳奇故事，描寫她一生的書本、電影甚至舞臺劇至今依然廣傳於世。

【第六講】是熊怡教授的「翻轉週期表的西博格與人造超鈾元素」。近代核化學與合成元素的巨擘格倫 . 西博格(Glenn T. Seaborg)。在 1937 年完成他的博士學位，當時週期表上較輕的元素大多已被尋獲，更重的元素半衰期極短，在地球的環境沒有辦法穩定存在。特別是超鈾元素(transuranium elements)，泛指原子序大於 92 的元素，幾乎都必須仰賴人工合成。關鍵科技就是加速器。

西博格在加州大學柏克萊分校時，勞倫斯(E. Lawrence) 設計的迴旋加速器正邁向成熟。西博格也乘著天時地利，躋身為應用加速器於化學問題的先驅。粒子加速器合成元素的原理在於加速粒子撞擊特定的原子靶，使較輕的原子核在高能量與其他適當條件下和其他原子核完成融合。原理看似簡單，但分析實驗產出、演繹結論與驗證結果，每一步需要超群的化學洞見與嚴格的科學紀律。

初出茅廬的西博格在擔任博士後研究員的前兩年便合成出鐵跟碘的同位素，兩者後來都有實際的醫療價值。1940 年代，奠基於合成錼(neputonium)的研究，西博格發現了原子序 94 的鈽-239(plutonium-239)。在爾後的二十年間，作為主要領導者合成鋂(Americium)、鋦(Curium)、鉳(berkelium)等錒系元素，並參與了鉲(californium)、鑀(einsteinium)等六個超鈾元素的發現。其中包括以他自己名字命名的金喜(seaborgium)— 該元素的命名也打破當時不以還在世的人物命名的慣例，他和 E. McMillan 最終在1951 年獲頒諾貝爾化學獎。

面對這些新的超鈾元素，儘管最簡單的主意是將它們依序塞進過渡金屬，在通過後續實驗測試化學性質、並參考前一週期的鑭系特性，以西博格為首的一群化學家提出錒系理論，說明在該週期有一行元素性質都與錒相近。週期表現在停在了原子序 118，但回顧科學史，我想我們有理由期待，這不會是週期表的盡頭。

【第七講】由講座顧問蔡蘊明教授主講「隱身的忍者—貴族和它們的產處」。鈍氣是位於週期表第18族的元素「氦氖氬氪氙氡」。門得列夫最早提出週期表的時代，科學家對此族元素是一無所知。蔡蘊明教授帶著聽眾回溯時光，從早期對空氣的研究開始。1888年雷立爵士(Lord Rayleigh)對空氣組成的研究出現理論無法解釋的實驗誤差。當時已知空氣主要由氧氣和氮氣組成，而雷立爵士測量氮氣的分子量時，為確認結果的可信度，選擇從兩種不同方法製備氮氣，卻發現無論他怎麼小心控制實驗程序，從空氣中取得的氮氣和從氨中取得的氮氣，分子量計算結果一直有無法解釋的差距。

1893年化學家拉姆齊回應雷立爵士的研究結果，兩人猜想空氣中可能存有一種不易反應的未知氣體。拉姆齊在隔年成功分離該未知氣體，藉由元素光譜和難以與其他物質反應的獨特性質等證據，證明了氬的存在。然而雷立爵士與拉姆齊進一步基於氣體動力論、預測氬氣可能為單原子氣體時，因直接挑戰當時週期表分類的完整性，受到門得列夫等知名化學家的強烈抨擊，雷立爵士決心專注在物理學研究，拉姆齊則繼續尋找忍者家族成員的旅程。

1895年拉姆齊將他用三先令六便士購買的稀土鈾礦放在硫酸溶液中加熱，發現氦氣。1898 年仰賴液化空氣技術的進展和助手的協助，氪、氙、氖等單原子氣體一個個在一星期的蒸餾過程現身。原子量最大的氡則是化學家索迪(Frederick Soddy)與拉姆齊合作，收集鐳放射的氣體而得到。1904年門德列夫終於在新修正的週期表加入這個忍者家族，雷立爵士和拉姆齊兩人也在該年分別榮獲諾貝爾物理獎與化學獎。

蔡蘊明教授在演講尾聲時說：「尋找真理的科學並不是一條平坦的大道，但是請相信我，裡面充滿了樂趣。」

【第八講】由優勝奈米科技許景翔總經理講「為什麼稀貴金屬這麼重要？」本單元透過稀貴金屬發現的歷史、科技應用、環境安全、綠色化學，讓大家了解8個貴金屬與17個稀土金屬的重要性，並共同在綠色化學的概念下，更重視環保科技，愛惜地球資源。

 八大貴金屬中，除了熟知的金、銀之外，還包含了鉑系金屬的釕、銠、鈀、鋨、銥、鉑。貴金屬的發現最早可溯及距今8000多年前出現在埃及以及保加利亞等文明的金，和6000年前發現的銀。鉑系金屬則大約於距今270年前才陸續被發現。稀土元素並不稀少。鑭系金屬有鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鎦以及兩個過渡金屬釔和鈧所組成。最早的稀土金數在200年前左右被發現，而鉕則是美國科學家藉核反應才找到的人造元素。

八大貴金屬中銀的產量最高，其蘊藏量被認為在未來一百年中就會用盡。稀土金屬因分布不均讓開採困難。除了用盡的危機，提煉這些金屬的過程大多也需要使用高腐蝕性的溶液來進行。從這些省思導致「城市礦山」的概念，近年全球許多企業也嘗試加入循環經濟的概念在發展中。1998年，「綠色化學」的概念興起，許總經理率領團隊開發了「環保剝金術」，能夠高選擇性地從3C產品回收「金」，並做其他利用。

【第九講】元素週期表150周年探索系列講座的最後一講由年輕化學家戴桓青教授主講「煉金術跟你想得不一樣－連牛頓也瘋狂的古代化學」。分析過往不被人們瞭解、誤解重重的煉金術。戴教授跟「煉金術」結緣的開端來自與臺灣奇美博物館合作的義大利名琴研究，他生動描繪煉金術的價值與意義。歷史上的化學史可以用西元1650年來區分，之前為鍊金術時代，之後則進入現代化學。古代的鍊金術就是「古代的化學」，既不是魔術也不是騙術。鍊金術與現今化學一脈相承，述說著化學技術的開發史。

大多數人都聽過牛頓(Sir Isaac Newton)發現萬有引力、三大運動定律、微積分以及光粒子理論。近20年才注意到他也是鍊金術士。牛頓在皇家造幣局待了26年，從事造幣工作，分析了各國金幣銀幣的純度，成功起訴了偽造幣者。作為分析化學的高手，牛頓的貨幣分析報告是全歐洲最完善的。但是仍然追求神秘的鍊金術，留下大批實驗手稿。

史特底瓦里與瓜奈里名琴的秘密可以窺見鍊金術的奧妙與價值。現今許多小提琴大師都只拉史特底瓦里名琴與瓜奈里名琴，因為能產生最甜美的樂音。這些名琴的製琴師都是在義大利的克里蒙納學習、成長，這個祕密塵封了幾百年，根據戴教授最近的研究認為這些名琴不是用天然木材，而是添加了許多礦物配方加工處理。化學處理、老化與震動的交互作用創造出名琴的特性。這是與鍊金術完美結合的成功案例。

參考資料

1. https://youtu.be/kDP6rCRyeyI

2. https://youtu.be/c0JUC12pFs8

3. https://youtu.be/mhtYKneJNcw

4. https://youtu.be/_T0m1Hp9iuI

5. https://youtu.be/KAtPVONxTjk

6. https://youtu.be/rLXKPloqRvc

7. https://youtu.be/9aznrFgap10

8. https://youtu.be/jTVUYZuGr2s

9. https://youtu.be/0ZLe7mzvErk

10. https://case.ntu.edu.tw/blog/?cat=4204

慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示：歐洲化學會週期表與稀缺元素 ∕ 邱美虹

星期一 , 11, 11 月 2019 編輯助理 本期專題, 第三十四期/2019年11月 在〈慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示：歐洲化學會週期表與稀缺元素 ∕ 邱美虹〉中留言功能已關閉

慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示：

歐洲化學會週期表與稀缺元素

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所

mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw

n  摘要

本文主要介紹歐洲化學會（European Chemical Society）2019年出版的歐洲化學會週期表（EuChemS Periodic Table），並論及元素存量與人類過度使用而造成缺乏的危機議題，希望藉此引起社會大眾或學生對新興科技與化學元素的進一步認識，進而抱持正確使用新興科技的態度。

n  歐洲元素週期表

歐洲化學會在2019年一月公布了一張變形週期表（EuChemS, 2019；中英文版分別見圖一和圖二），這張週期表是以地球上存在的90種天然元素依照其存量取對數（Log）後所繪製的，所占面積越小代表其在自然界中的含量越少，藉此呼籲社會大眾應該更加重視有限的資源與再利用的概念。圖中除以面積來傳遞存量的概念外，顏色則代表存量瀕臨危機的程度：如紅色代表未來100年內面臨嚴重缺乏；橘色代表因使用日增而導致的缺乏威脅；黃色代表供應有限而未來有缺乏的風險；以及黑色代表來自衝突礦產；而白色的小方塊則代表手機。圖一顯示，手機至少含有31個元素，其中約有一半的元素因人類對於3C產品的依賴與日漸增，在不正確的觀念與濫用的情況下快速減少，因而面臨缺乏的威脅［如釔（Yttrium, Y）、銦（Indium, In）］。我們是否了解有些元素［如金、錫、鉭（Tantalum, Ta）、鎢］ 事實上是來自有爭議的礦產區，這些元素的來源是否合法，可能造成的後果為何呢？同時，我們是否理解且也已經準備好面對元素稀缺（endangered/scarcity）的困境？ 

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圖一：英文版的歐洲化學會週期表（EChemS, 2019）

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圖二：中文版的歐洲化學會週期表（EChemS, 2019） 

雖然宇宙中氦氣的含量僅次於氫氣，但在地球上氦氣卻是稀少的。根據圖一和圖二顯示，氦是未來百年內面臨高度缺乏的元素。或許大家對氦並不陌生，因為生日聚會或是慶典中都會以氣球表達歡樂與祝賀之意，氣球中便是以充滿氦氣為主。氫氣在空氣中散播出去後便不易回收。根據海德堡大學地球化學和宇宙化學家Trieloff教授指出，地球不像木星是氣體星球充滿氫氣和氦氣，地球本身是岩石行星，因重力之故，地球的重量不足以抓住這兩種氣體，但為何氫含量充足而氦卻面臨缺乏呢？Trieloff指出，因為氫氣存在於水中，而氦氣卻會在空氣中飄走（Schmidt, 2016）。根據圖三顯示，因使用氦氣施放各式氣球而消耗掉的氦氣含量佔14%；潛水員用的呼吸筒，以氧氣與氦氣混合避免純氧造成減壓症（6%）；這兩項即已佔20% (1/5)。除此之外，氦氣在電子業和半導體上的使用佔11%；在醫學上冷卻核磁共振造影 （MRI）機器所產生的高溫，約佔20%，前述這些使用氦氣的情形就已經佔約51%（APS, MRS, & ACS, 2016）。以此情況看來，氦似乎面臨稀缺的問題，因而價格在過去五年不斷升高，使得科學研究經費隨之上升。然而，一群在英國杜倫大學和牛津大學的科學家在Goldschmidt 會議上指出，根據他們針對美國和加拿大22個井中找到天然氣的樣本進行質譜儀分析發現，地下水與氦含量有高度相關，或許人們低估了氦在自然界的含量（Danabalan, 2015）。該研究團隊同時也指出黃石公園噴出的氣體中可能也有氦氣的存在，知道氦氣可能來自深層的地殼中，或許讓科學家可以思考何處才是去尋找氦的足跡。不僅如此，牛津大學地質學家與挪威礦業公司Helium One在2016年公布在非洲坦桑尼亞火山斷裂區發現大量的氦存量，據估計應有15億立方公尺的氦含量，大約等於全世界七年的年消耗量。同時，研究人員指出，以亞利桑那從天然氣中可以獲得約7%的氦氣，卡達（Qatar）則可以獲得比較經濟的方式0.1%的氦氣。可惜的是，坦桑尼亞雖然可以從火山的氣體中獲得4%的氦，但是剩下的96%氣體卻與天然氣不同，它們是無法再利用成為具有經濟價值的產品（Schmidt, 2016）。Collins（2019）則指出，阿爾及利亞和俄羅斯其實也擁有充沛的氦氣可以輸出，但是受限於政府的法令，而無法提供其他國家使用。可臆測的就是，如此的做法或許正是限制或左右其他國家在醫療或是科技上的發展與應用。氦氣是否真的面臨稀缺，的確是個值得科學家持續研究與關心的議題，無論如何，資源的開發與保存是脣齒相依，人們實在應該珍惜自然資源。

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圖三：2015年時氦氣在各項使用需求量之百分比（APS, MRS, & ACS 2016, p.6）

又如，第五週期的第III族元素釔（Y，原子序39）和第XIII族的銦（In，原子序49）都是屬於即將面臨嚴重缺乏的元素，這兩個元素都是製作手機必要的元素。以銦為例，銦因為熔點低、沸點高、低電阻，可在常溫下與氧緩慢反應產生氧化膜，具有抗腐蝕性，其價格高昂且供應有限，除可製作手機觸控面板、太陽能電池等高科技產品外，也是國防軍事、航空業和現代資訊產業等高科技領域的重要元素（國家毒物中心，2019）。其他金屬如鎵、銀、鋅等都是手機裡所需的元素但也將是面臨高度缺乏的危機。全球每年有將近五億支的廢棄手機，其中中國大陸就佔約一億支，而回收的廢棄只佔1%。或許手機使用者可以審慎思考是否可以降低更換手機的頻率，以珍惜自然資源並確保擁有永續與友善的環境。

n   手機與稀缺元素

根據圖一和圖二顯示，自然界中的元素並非「用之不盡、取之不竭」，我們應該要思考是否有必要經常更換電子產品，使廢棄的產品造成環境汙染？我們是否已準備好面對資源匱乏時，所造成生活不便的困境呢？在圖一和圖二中指出，手機至少含有31種化學元素。另一項智慧型手機所含有化學元素的報告（Compound Interest, 2014；見圖四）則指出，智慧型手機包含不下41種元素，分別用在製作螢幕、電池、電路和外殼。如以螢幕而言，其含有銦錫鋁矽的氧化物；電池（如鋰、鈷、碳、鋁、氧）；線路則含有金、銀、銅、鎳、鉭等多種元素；最後是外殼，含鎂、溴，鎳等元素。

以下針對化學元素在手機中的元素與功能再進一步加以說明（Compound Interest, 2014）：

螢幕：包含有氧化銦錫（Indium Tin Oxide, ITO），這是氧化銦和氧化錫的混合物（通常質量比是90% In2O3和10% SnO2）。主要用在電學傳導和光學透明的薄膜上。大部分智慧型手機用的是矽酸鋁（Al2 SiO3·SiO2）玻璃，是一種氧化鋁和二氧化矽的混合物。此外，鉀離子可以起增強的作用。最後，稀土元素是用於手機螢幕上顏色的呈現，其中部分化合物可用來阻擋紫外線進入手機內。

電池：大部分智慧型手機使用鋰離子電池，以鈷酸鋰為正極，石墨為負極。部分電池會含有其它金屬元素，如以錳替代鈷。電池外殼為鋁。

線路：銅是手機線路主要原料，主流的微電子材料包括銅，金和銀。鉭是微電容的主要組分。鎳用於手機話筒。鐠（Praseodymium, Pr）、釓（Gadolinium, Gd）和釹（Neodymium, Nd）合金用於話筒和擴音器。釹、鋱（Terbium, Tb）和鏑（Dysprosium, Dy）用於振動單元。矽用於製造手機內的晶片。錫和鉛用於焊接手機內部電路。新型無鉛焊接使用的是錫，銅和銀的混合物。

外殼：部分外殼為鎂合金，大部分為塑料，塑料外殼含有阻燃成分，如溴、鎳可以用來減少電磁干擾。

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圖四：智慧型手機所含有的化學元素

n   資源有限、慾望無限；開源節流、循環經濟

根據2018年日本經濟新聞（中文版）報導顯示，早稻田大學的科學家在日本最東端的南鳥島周邊海底發現蘊藏豐富的稀土資源，其含量超過1600萬噸，可供全球使用數百年，這些稀土礦物包括可用在混合動力車的鏑（730年）和可做雷射器的釔（780年），更重要的是該團隊已確立高效率的回收技術，這消息公布後讓世人相當振奮。

除了開源之外，如何讓資源可以循環再利用，更是科學家持續致力於其中的研究領域。最近日本公布2020年即將在日本舉辦的奧運獎牌，就是回收民眾廢棄的手機再提煉金屬而做成的。自2017年4月開始日本政府有計畫的對廢舊的3C產品進行回收，到2019年3月在將近8萬噸小型家電與621萬部舊手機中，提煉出32公斤黃金、3,500公斤白銀以及2,200公斤青銅。「東京2020獎牌計畫」以此重新打造出5,000枚金屬獎牌，讓人眼睛為之一亮，刮目相看（The Tokyo Organising Committee of the Olympic and Paralympic Games, 2019）。

n  結語

2019年適逢化學界兩大盛事，即IUPAC 100年以及國際化學元素週期表年（International Year of the Periodic Table of
Chemical Elements, IYPT），全球都在慶祝這兩件大事的同時，也正是人類應藉此反思自然資源與人類欲望之間如何尋找到平衡點，以免資源耗盡，人類將面臨回到原點的生活危機。循環經濟的呼籲豈能成為空泛的口號呢？！

n  參考資料

日本經濟新聞（2019）：日本發現大規模稀土礦，可供全球用幾百年。2019年10月15日，下載自：https://zh.cn.nikkei.com/industry/ienvironment/29997-2018-04-11-09-05-11.html。

國家毒物中心: 銦（Indium），2019年10月20，下載自：http://nehrc.nhri.org.tw/toxic/toxfaq_detail_en.php?id=200。

APS, MRS, & ACS(2016). Responding to the U.S. research community’s liquid helium crisis-AN action plan to preserve U.S. innovation. Retrieved from https://www.aps.org/policy/reports/popa-reports/helium-crisis.cfm. 

Compound Interest (2014). Chemical elements of a smartphone. Cambridge, United Kingdom.

Collins, T. (2019). Tanzania could become top helium producer. African Business, Retrieved from https://africanbusinessmagazine.com/sectors/energy/tanzania-could-become-top-helium-producer/.

Danabalan, D., (2015). Press release: The unbearable lightness of helium may not be such a problem after all, Retrieved from http://www.eag.eu.com/about/media/lightness-of-helium/.

EuChemS (2019). Element scarcity – EuChemS Periodic Table. Retrieved from https://www.euchems.eu/euchems-periodic-table/.

Schmidt, F.(2016). Are our helium reserves coming to an end? Retrieved from https://www.dw.com/en/are-our-helium-reserves-coming-to-an-end/a-19371071.

The Tokyo Organising Committee of the Olympic and Paralympic Games (2019). Tokyo2020 Medal Project: Towards an innovative
future for all, Retrieved from https://tokyo2020.org/en/games/medals/project/.