微量化學實驗：小綠綠晶體 與藍印術微量實驗（上） 周芳妃1, *、李盈萱2, *、陳靜瑋1 1臺北市立第一女子高級中學2臺北市立中山女子高級中學1, *fangfei7680@yahoo.com.tw、2, *alice19901027@gmail.com   n  前言 本微量化學實驗設計採用一系列化學變化進行創作實用有趣的美術作品，「小綠綠晶體與藍印術」實驗原理涵蓋高中化學課程的四大類型反應：（一）酸鹼中和反應、（二）離子沉澱反應、（三）氧化還原反應、（四）光催化反應。依照目前普通高級中學課程綱要的安排，本實驗原理屬於基礎化學（二）主題：常見化學反應，以及選修化學（上）和（下）主題：氧化還原反應、無機化合物等。配合高中化學107新課綱課程也融入綠色化學原則，本微量實驗也適用來作為綠色化學的教學示例，例如低毒、減廢、思危、再生等的多項原則。 本實驗的目的：（一）以微量實驗進行草酸鐵鉀晶體的合成反應，認識錯合反應與離子沉澱反應，進而學習操作養晶技術。（二）使用草酸鐵鉀養晶的微量廢液，經由系列反應，涵蓋了光化反應、氧化還原反應、離子沉澱反應等，也達到實驗減廢的功能。（三）使用微量離心管（Eppendorf）為簡易定量工具，幫助學生精確量取微量體積的溶液，也達到實驗減量的目的。（四）以微量實驗的設計為本，也結合化學與藝術創作的實驗設計，完成藍印術的創作，使學生體驗學習化學的精采與樂趣。 n  原理和概念 一、草酸鐵鉀晶體的合成反應 鐵離子是地殼中含量第二豐的金屬元素；植物中含有的草酸根離子是一種配位基，可以結合許多種金屬離子而形成錯合物。草酸鉀與氯化鐵兩者皆為易溶於水的鹽類，若將足量的草酸鉀與氯化鐵混合後，將發生錯合反應而產生綠色的三草酸錯鐵(III)離子（trisoxalatoferrate(III)）。反應產物的飽和溶液中可結晶析出三草酸錯鐵(III)化鉀（potassium trisoxalatoferrate(III)）的綠色晶體，簡稱為草酸鐵鉀（potassium ferrioxalate）。由於綠色晶體外觀晶瑩剔透，本文中就將之暱稱為〝小綠綠晶體〞。上述飽和溶液中析出草酸鐵鉀固體的反應，如式[1]所示： 3K2C2O4(aq) + FeCl3(aq) à K3[Fe(C2O4)3](s) + 3KCl(aq)    [1] 草酸鉀(aq) + 氯化鐵(aq) à 草酸鐵鉀(s) + 氯化鉀(aq)    [1] 二、藍印術的反應 (一)   草酸鐵鉀的氧化還原反應 草酸鐵鉀中的草酸根離子，除了擔任配位基之外，本身也是溫和的還原劑。如果將草酸鐵鉀放置在酸性條件下，草酸根離子會形成草酸分子而失去配位基功能，只剩下還原劑功能，造成草酸鐵鉀變質，其錯合物結構瓦解，鐵(III)離子就被自由釋出。接著，鐵(III)離子與草酸分子就開始發生氧化還原反應，使鐵(III)離子與草酸分子反應形成鐵(II)離子和二氧化碳。由於此反應也是光催化反應，照光使反應速率大增，使草酸鐵鉀加速變質，因此草酸鐵鉀必須隔離光線與酸性物質來收藏，才能延長保存的時間。上述鐵(III)離子與草酸分子發生氧化還原反應，如式[2]所示： 2Fe3+(aq) + H2C2O4(aq) à 2Fe2+(aq) + 2CO2(g) + 2H+(aq) （照光）    [2] 鐵(III)離子(aq) + 草酸(aq) à 鐵(II)離子(aq) […]

微量化學實驗：小綠綠晶體 與藍印術微量實驗（下） 周芳妃1, *、李盈萱2, *、陳靜瑋1 1臺北市立第一女子高級中學2臺北市立中山女子高級中學1, *fangfei7680@yahoo.com.tw、2, *alice19901027@gmail.com 〔承《微量化學實驗：小綠綠晶體與藍印術微量實驗（上）》〕 n  結果與討論 運用不同的藍印方法所得到的創意作品如圖12所示。 圖12：藍印術創意作品舉例：晒圖藍印法的作品（上面兩張）；直接藍印法的作品（左下和右下）；合併使用與晒圖藍印法的作品（下中）。 n  廢棄物處理和安全注意事項 1.         本實驗〝小綠綠晶體〞合成所得到晶體或其剩餘飽和溶液，都必須儲存在遮光瓶中，可長期收存，隨時可再取出用於「藍印術」實驗。〝小綠綠晶體〞的乾燥方法如下：〝小綠綠晶體〞放置於紙巾上，以少量酒精淋洗濾紙上晶體。將晶體再放到新紙巾上，輕壓使其乾燥。小綠綠晶體可單獨用鋁箔紙包裝收藏。 2.         本實驗中藍印術完成的美術作品可以長期室溫保存，或當一般垃圾廢棄處理。本實驗的藍色染料（普魯士藍）是文具鋼筆的墨水成分，因此本實驗清洗作品過程類似美術課的清洗畫筆工作，清洗剩餘的顏料水可以直接稀釋排放。註：依據GHS化學品全球調和制度，普魯士藍沒有危害數據資料，請查閱：http://ghs.osha.gov.tw/CHT/intro/search.aspx。 n  教學提示 3.         本微量實驗上課時間富有很大的彈性，可以是1節課、2節課或甚至3節，可依照學生的先備程度作調整，也要考慮到當天日照情形，而結束課程的裝置整理與回收約5分鐘。 4.         授課時間較充裕時，教師可以將高中課程中介紹四大化學反應的原理以及綠色化學十二原則作充分教學。實驗教學過程可彈性使用不同的技巧，例如採用實驗假設求證及合併歸納法：【實驗假設求證教學法】  授課à假設à操作à觀察à求證à討論à歸納à分享報告。 5.         綠色化學十二原則的參考資料，例如：綠色化學（Green Chemistry）–拯救地球的未來，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=49978。 6.         本微量實驗教學時間的縮減可彈性調整。通常學生很喜歡畫圖，也又會花不少時間用心畫出精致線條的圖案。因此，如果教師授課時間較少，可安排學生用課餘時間先做畫圖。 7.         完成藍染作圖的濾紙曝曬時間依環境而定。當濾紙出現深藍色，即可停止曝曬。曝曬結束後，作品拿入室內需再靜置適當時間，使反應生成的藍色顏料（普魯士藍）可以牢牢附著在濾紙上，避免清洗時藍色顏料又脫落。一些日曬時間與等候清洗的實驗經驗如下：【夏日有陽光直曬】：曝曬時間約1~5分鐘，作品拿入室內需再靜置5~10分鐘。【夏日有陽光的戶外影子下、夏日有雲遮陽、冬日陽光直曬】：曝曬時間約10~20分鐘，作品拿入室內可直接清洗。【雨天】：曝曬時間約2小時以上（也可能不易成功），作品拿入室內可直接清洗。 8.         合成小綠綠晶體的原料可以直接購買市售草酸鉀（K2C2O4）固體，再配成2.0 M溶液。但是教師也可以事先安排每小組進行另一個實驗：草酸鉀的合成反應，由於使用的草酸與氫氧化鉀售價更低，可使原料成本降低為三分之一以下。下列實驗步驟是合成5 mL的2.0 M K2C2O4的條件與方法，可供本篇微量實驗的3組使用，教師可依莫耳數比例調整。【草酸鉀的合成反應】：將1.25 g（22 mmol）氫氧化鉀（KOH）固體加入5 mL的水中，攪拌溶解，注意此為放熱反應。再將1.25 g（10 mmol）草酸（H2C2O4）粉末慢慢加入氫氧化鉀溶液中，反應形成2.0 M草酸鉀溶液約5 mL。（註：氫氧化鉀可稍微過量，使草酸鉀溶液成鹼性，有利於後續合成小綠綠晶體的實驗。） n  問題與參考答案 1.         為何草酸錯鐵(III)化鉀必須隔離光線與酸性物質來收藏，以延長保存的時間？ 答：酸性物質會破壞草酸錯鐵(III)化鉀結構，進而發生分解反應，照光又加速此分解反應。 2 Fe3+(aq) + H2C2O4(aq) […]

微量化學實驗：電解的微量實驗 陸冠輝 國立臺中高級工業職業學校luhgh@tcivs.tc.edu.tw n  前言 化學的英文是Chemistry，如果將它拆解成Chem is try，那麼我們可以了解到化學就是一門實驗的科學，而訓練學生在科學的教學活動中獲得實作的技能是必要的。實作的過程是可以輔助學生在學習化學時更為生動化、活潑化，並且有助於知識的靈活應用。實驗課程的目的在於學生能從動手操作實驗中印證科學的原理並探索科學的問題，但是，由於化學實驗常常需要耗費大量的時間，並且老師在事前準備實驗所需的器材與藥品也經常耗費大量的體力，因此製作簡單、隨手容易取得材料且價格便宜的實驗方案，在教學上是有其必要的實質意義。 作者企圖開發電解的微量化學實驗，利用生活中容易取得的材料，且價格便宜的日常用品，做出既簡易又省時、省錢並且容易操作的電解裝置，主要在定性觀察實驗，提供給國中自然科、高中化學科及高工化工科教師的教學參考之用，讓學生有動手做實驗的機會。 n  原理和概念 電解是一種非自發性的氧化還原反應，是藉由外加電壓所產生的直流電，迫使物質發生分解反應的現象，也就是說，電解是將電能轉換成化學能的過程。電解所發生的半反應可能有很多種，以半反應電位來決定何者最可能發生。在陽極反應中，各種物質相互競爭放出電子，應考慮電極的種類、水分子及陰離子的放出電子能力，以氧化電位較高者發生失去電子（即發生氧化反應）；在陰極反應中，各種物質相互競爭爭奪電子，應考慮水分子及陽離子的獲得電子能力，以還原電位較高者發生獲得電子（即還原氧化反應）。 若以隋性電極石墨棒來電解硫酸銅水溶液（CuSO4(aq)），則溶液中含有水分子（H2O）、銅離子（Cu2＋）、硫酸根離子（SO42─）。 在陽極（正極）半反應中，有石墨、水分子及硫酸根離子相互競爭放出電子，石墨為隋性電極不參與反應，而水分子和硫酸根離子的氧化電位分別如式[1]和[2]所示： 陽極（正極）：H2O(l) → 1/2O2(g) + 2e─ + 2H＋(aq)    Eox0 = －1.229 V    [1] 陽極（正極）：2SO42─(aq) → 2e─ + S2O82─(aq)    Eox0 = －2.010 V    [2] 因此，陽極就由溶液中的水分子釋放電子，進行氧化反應而產生氧氣。 在陰極（負極）半反應中，有水分子和銅離子相互競爭獲取電子，水分子和銅離子的還原電位分別如式[3]和[4]所示： 陰極（負極）：2H2O(l) + 2e─ → H2(g) + 2OH─(aq)    Ered0 = －0.827 V    [3] 陰極（負極）：Cu2＋(aq) + 2e─ → Cu(s)     […]

微量化學實驗：酸鹼滴定的微量實驗 黃稜蘊、楊水平* 國立彰化師範大學化學系*yangsp@cc.ncue.edu.tw n  前言 本實驗的主題—酸鹼滴定—在102課程綱要微調中被編列於10項高中選修化學實驗之一，滴定屬於一項重要的化學實驗技術，其化學計算也是非常重要。在107課程綱要（草案）中，酸鹼滴定被歸類在「物質的反應、平衡與製造」的主題和「CJd-Ⅴa-6酸鹼滴定原理與定量分析」次主題的學習內容。 本實驗企圖設計酸鹼滴定的微量實驗，包含裝置的製作和定量測量實驗，提供給高中自然組化學選修的學生動手做實驗的參考。期望透過本實驗設計的優點，微量化一般滴定使用大量的化學藥品，減少藥品的浪費，以符合綠色化學的推廣理念，也期望學生能夠學習微量酸鹼滴定的技術。 n  原理和概念 酸鹼滴定或酸鹼中和滴定是一種測量體積的定量分析法，也是分析化學的基礎。本實驗所提供的氫氧化鈉溶液並非標準溶液，必須用標準酸來標定其濃度。鄰苯二甲酸氫鉀（potassium hydrogen phthalate, KHP）可以當作標準酸，因為苯二甲酸氫鉀的純度高且其Ka = 5.72 x 10-6（在25℃下）不會太弱。在室溫下，鄰苯二甲酸氫鉀在水中能夠釋放一個質子與氫氧化鈉反應，其反應如式[1]所示：     [1] 利用已知濃度的鹼或酸溶液，以滴定方式測定酸或鹼溶液的未知濃度，其原理主要是當酸鹼反應達到當量點時，氫離子（H+）的當量數等於氫氧根離子（OH–）的當量數，藉此推知未知濃度，如式[2]所示。若酸為單質子酸而且鹼為單一氫氧根離子，則未知濃度的計算，如式[3]所示。 Na × Va = Nb × Vb    [2] Ma × Va = Mb × Vb    [3] 此處，Na：酸的當量濃度，Va：酸的體積，Nb：鹼的當量濃度，Vb：鹼的體積。Ma：酸的體積莫耳濃度，Mb：鹼的體積莫耳濃度。 本實驗的氫氧化鈉溶液的濃度標定和待測樣品的濃度測定，在酸鹼滴定時都可以使用酚酞指示劑的開始變色（呈現粉紅色）當作滴定的終點。 n  過去實驗設計與本次微量設計構想 一、   過去的實驗設計 一般的酸鹼滴定裝置係由一個鐵架、一個滴定管夾、一支滴定管、一支錐形瓶及一個漏斗所組成，如圖一所示。滴定管的容量有大有小，其大小分為為50.00 mL、25.00 mL和10.00 mL，在臺灣常見的滴定管的容量為50.00 mL，在英文版化學實驗教科書中偶而會見到10.00 mL的滴定管，此為小量的滴定管。    圖一：一般的酸鹼滴定裝置 （圖片來源：https://goo.gl/nwDlxW和https://goo.gl/nwDlxW） 二、   本次微量實驗設計構想 本酸鹼滴定微量裝置的設計係由一支丟棄式塑膠移液管（PS製移液管，精確到2.000 mL）、一支塑膠注射針附針頭（2.5 […]

微量化學實驗：波以耳定律的微量實驗 李錡峰、楊水平* 國立彰化師範大學化學系 *yangsp@cc.ncue.edu.tw n  前言 本實驗的主題—波以耳定律—在102課程綱要微調中被編列於高中基礎化學（三）的物質狀態之氣體定律，屬於一項重要的課程內容，其化學計算尤為重要，唯在99課綱中並沒有編列此定律為實驗。在107課程綱要（草案）中，波以耳定律被歸類在主題—「物質系統—氣體」和次主題的學習內容—「CEc-Ⅴa-3理想氣體三大定律與理想氣體方程式」之中，在學習內容說明中提到可以演示實驗說明三大定律。 本實驗企圖開發波以耳定律的微量化學實驗，包含定性觀察實驗和定量測量實驗，提供給高中自然組化學選修的教師演示實驗和學生動手做實驗的參考。 n  原理和概念 波以耳定律（Boyle’s law）是由英國科學家羅伯特·波以耳（Robert Boyle, 1627~1691），在1662年根據實驗結果發現：「在密閉容器中的定量氣體，在恆溫下，氣體的壓力與體積成反比關係。」這是人類歷史上第一個發現的定律。馬略特（Mariotte）在1676年發表在《氣體的本性》論文中提到：「一定質量的氣體在溫度不變時其體積與壓力成反比」。波以耳和馬略特是各自分別獨立確立此定律，因此在英語國家，這一定律被稱為波以耳定律，而在歐洲大陸則被稱為馬略特定律[1]。波以耳定律的實驗裝置，如圖一所示。波以耳定律的氣體動力論的微觀說明，如圖二所示。   圖一：波以耳實驗裝置圖 （圖片來源：The Gas Laws, http://goo.gl/VUYyn0） 圖二：波以耳定律的氣體動力論的微觀說明 （圖片來源：The Gas Laws, https://goo.gl/uP8a4c） 波以耳定律描述為在定溫時，定量氣體的壓力（P）與其體積（V）成反比關係，可用公示[1]或[2]表示：     [1]     [2] 根據波以耳定律的實驗結果，可以用四種函數表示，如圖三所示： 圖三：四種函數表示波以耳定律 n  過去實驗設計與本次微量設計構想 一、  過去實驗設計 我們發現在臺灣至少有兩項傳統的波以耳定律的定性實驗，其一為利用注射筒連結底片盒，透過擠壓使底片盒蓋發射出去；放五個吹好的小氣球到一個可抽氣真空密封罐中，抽出罐內的氣體，可見到氣球逐漸長大，並互相擠壓的有趣畫面[2]。其二為一個手動抽氣裝置連接到一個塞住橡皮塞形成密閉系統，在瓶中放入刮鬍刀泡泡，抽出罐內的氣體，可見到泡泡逐漸長大，這實驗以影片方式呈現[3]。 我們也發現在臺灣至少有一項傳統的波以耳定律定量實驗，其係利用長型玻璃管、橡膠及水，架設一組密閉裝置，如圖四所示。該實驗設計上具有方便觀察的特色，教學上也涵蓋趣味性、知識性及合作性，唯器材較龐大、不易取得。其實驗操作方式是將一定量氣體封閉於玻璃管上方，用手指蓋住下方管口，爾後，將手指稍微鬆開。玻璃管內向下的壓力為與大氣壓力達成力平衡，封閉的氣體體積會增加，以致氣體壓力減小，觀察不同的氣體體積的變化與壓力的關係[4]。 圖四：波以耳定律的定量實驗示意圖 我們發現一部影片，提到波以耳定律的定量微量實驗，由美國Flinn Scientific, Inc製作，先利用小型滴管內裝紅色水，再用節流夾密閉此滴管的開口，然後用書本重壓滴管擠壓處，觀察紅色水在滴管的移動距離。用放置書本的本數（氣體的壓力）對移動距離（氣體的體積）作圖，可得知波以耳定律的壓力與體積的粗略定量關係[5]。 二、  本次微量實驗設計構想 (一)在定性實驗方面 本實驗波以耳定律的微量定性實驗之設計構想是，使用注射針筒和氣球製作而成，如圖五所示： 圖五：波以耳定律的微量定性實驗裝置 根據波以耳定律，當密閉針筒內的推拉桿不推入或拉出時，氣球內的壓力（P1）與原本針筒內的壓力相同，也與外界的大氣壓力相等，設此時氣球的體積為V1。當推拉桿向外拉時，針筒內的壓力變小，使氣球內的空氣壓力（P2）變小，以致氣球的體積變大，設此時氣球的體積為V2。亦即，當推拉桿向外拉時，氣球內部的體積從V1變到V2（V1 < V2），氣球的壓力從P1減少到P2（P1 > P2）。 (二)在定量實驗方面 本實驗波以耳定律的微量定量實驗設計構想是，使用電子秤、注射針筒、橡皮塞及施力的手所組成，如圖六所示： 圖六：微量定量實驗的裝置 […]

微量化學實驗：亞佛加厥定律的微量實驗 李錡峰*、楊水平 國立彰化師範大學化學系 *hijackwell@hotmail.com.tw n  前言 在102課程綱要微調中，亞佛加厥定律（Avogadro’s law）被列入於基礎化學（二）的氣體定律單元之中，不過，由於其與道耳頓的原子說以及其與給呂薩克的氣體化合體積定律有密切相關，因此在基礎化學（一）中，雖然未提到亞佛加厥定律，但是一些出版社列入此定律在教科書中。在107課程綱要（草案）中，亞佛加厥定律被歸類在主題—「物質系統—氣體」和次主題的學習內容—「CEc-Ⅴa-3理想氣體三大定律與理想氣體方程式」之中，在學習內容說明中提到可以演示實驗說明三大定律。 可惜的是，在舊課程綱要和新課程綱要（草案）中，並沒有納入亞佛加厥定律為實驗項目，為讓學生有機會操作此定律的機會，作者企圖設計一項簡單的亞佛加厥定律的微量實驗。本實驗力求使用無毒的且微量的藥品，且使用小型的器材，易於攜帶且可回收再使用，以符合微量化學的特色。 n  原理和概念 亞佛加厥（Amedeo Avogadro, 1776-1856）於1811年提出亞佛加厥假說（Avogadro’s hypothesis）。其假說認為：在同溫同壓下，同體積的兩個氣體有相同的分子數。亞佛加厥定律係由亞佛加厥假說演變而來[1]，亞佛加厥定律描述為：在恆定的溫度和壓力下，氣體的體積與分子數（或莫耳數）成正比。在數學上，此定律表示為：體積（V）= 常數（K）× 莫耳數（n）或體積與莫耳數為定值[1,2]，如式[1]所示。 本實驗設計一個密閉容器，在定溫定壓下，加入：(一) 0.010～0.10 g不同重量的小蘇打粉（NaHCO3）作為限量試劑。(二) 加入5.0 mL固定體積的食用醋（含CH3COOH）作為過量試劑。混合後發生化學反應而產生CO2氣體，如式[2]所示： NaHCO3(s) + CH3COOH(aq) → CO2(g) + CH3COONa(aq) + H2O(l)    [2] 根據式[2]得知，碳酸氫鈉（NaHCO3）的反應係數與二氧化碳（CO2）的反應係數相同，因此使用的碳酸氫鈉莫耳數等於產生的二氧化碳莫耳數。 n  過去實驗設計與本次微量設計構想 一、  過去實驗設計 我們發現至少有兩項已有的亞佛加厥定律的定性實驗，其一為利用氣球和寶特瓶製作一個密閉系統，利用氫氧化鈉溶液吸收在系統內的二氧化碳氣體分子，最後使氣球在寶特瓶內膨脹的有趣畫面[1]；其二為同時置入食用醋以及小蘇打粉在一個寶特瓶中，並套上氣球，觀察其產生的氣體充滿於氣球的變化，這實驗以影片方式呈現[3]。我們也發現一項此定律的定量實驗，使用250 mL的塑膠瓶和60 mL的注射針筒為主要器材，組合成密閉系統，製造二氧化碳氣體[4]。 二、  本次微量實驗設計構想 本實驗設計的亞佛加厥定律之定量實驗係以針筒和氣球製組合成一個反應產生氣體的密閉系統，並以食用醋及小蘇打粉作為產生的氣體來源，此二物質為沒有毒性的常用食品，且反應不會發生危險。 圖一：亞佛加厥定律的定量實驗裝置 根據亞佛加厥定律係指在同溫和同壓（同T、P）時，同體積的氣體含有相等數目的分子，亦即氣體的體積與莫耳數成正比，如式[1]所示：在一支大型針筒內，氣體體積先用一支中型針筒注入特定體積的氫氧化鈉溶液Vsb，其含莫耳數。再使用一支小型針筒，透過針頭，注入過量的體積為Vac的食用醋到密閉系統中，立即發生反應，產生二氧化碳氣體，使密閉系統的體積變為。然後，補償針筒內部的摩擦力所造成的體積差Vfri，可計算得知產生二氧化碳氣體的實際體積計算如式[2]所示： 產生二氧化碳的實際體積（） = 產生氣體後的刻度體積（） – 原先預留15.0 mL（） – 注入碳酸氫鈉溶液的體積（Vsb） – 注入食用醋的5.0 […]