生活科學補給站

化學

生物

健康教育

地球科學

數學

生活科技

物理

專題導言

STEAM

環島、巡迴、國際元素週期表年

 


文/王伯昌 高憲章
今(2019年)是門得列夫（Dmitri Mendeleev）於1869年提出元素週期表的150周年，國際間的化學及物理界人士，藉對門得列夫的感謝與紀念，特別透過聯合國科教文組織(United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization, UNESCO)及國際純粹及應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry,IUPAC)提出國際週期表年(
International Year Periodic Table 2019, IYPT 2019)。這是暨國際物理年、國際天文年、國際化學年之後，科學界再度舉辦的跨國慶祝活動，希望藉著各種各樣的週期表相關活動，喚起人們對於元素的重視。

在化學的發展中，元素的概念由拉瓦傑(Antoine Lavoisler)開始，經由道爾吞(John Dalton）的原子說及門得列夫的週期表提出後，這些元素理論開始有原子序的概念，當年門得列夫是以原子量去排列元素。在那個年代，科學家們大約認識了70個元素，門得列夫在排列元素的時候，依據他所設定的排列規則，在原始週期表中預留空格，讓之後的科學家得以根據電子排列的概念去填入，時至今日，這些空格不只一個個地被填滿，更證實他那大膽假設的正確性，即使是近年新發現的，僅在實驗室中存在的那些新元素，依舊遵循著當初門得列夫訂定的規則，元素週期表到目前已經有118個元素，這些都顯示當年門得列夫理論的前瞻性。

2019年國際元素週期表年，國際間的活動在一月的時候，於巴黎有一個盛大的開幕，同時開始舉辦一個週期表知識的線上大考驗，完成這個考驗可以得到一張諾貝爾獎得主簽名的認證。作為國際間化學界的成員之一，臺灣當然也要參與IYPT 2019的活動，在政府的協助下，中國化學會與臺灣師範大學科學教育中心設計了一系列與元素週期表相關的活動，藉此宣傳及紀念門得列夫，並藉由活動促使人們對週期表有更深一層的認識。

中國化學會是臺灣的組織，是由臺灣在各種產業界與研究單位中的化學家們所組成的一個團體，學會已經成立了近90年，國內化學界許許多多的大小事，都有學會在支持運作著。學會也是IUPAC 的正式會員，協助各國化學界之間的交流，也因此，國際元素週期表年這樣一個充滿化學的紀念活動，化學會當然占了非常重要的一個角色，國內各種各樣與 IYPT 2019相關的活動，都將透過化學會所建立的網站平臺，讓大家可以透過這個網站找到所有相關的活動與連結，以下是幾個與化學學會密切相關的活動 :




1. 中國化學會與中華民國維基媒體協會-維基繁體中文化

由中國化學會所策劃最重要的活動之一，是關於維基百科上元素資料的繁體中文化。相信有非常多的人在網路上找資料的時候，除了Google或Bing這些搜尋介面，最常閱讀資料的網站可能就是維基百科，在這上面的資料非常多，有的寫得非常精確詳盡，有的則是一看就知道不怎麼樣。而在科學領域上的維基資料，更是良莠不齊，雖然在研究領域上，正式的期刊論文是不能用維基百科作為引用的參考資料，但是在一般撰寫資料或教案的時候，維基百科仍舊是許多人查詢的首選，尤其是當外文資料閱讀困難的時候，繁體中文的維基百科看起來就親切得多。

維基百科的文章其實是有分等級的，根據維基百科所訂立的規則，資料編寫有條理，內容真實準確可供查證、資料涵蓋面廣泛、觀點中立、內容穩定及遵守版權規定的情況下，這個主題的維基百科資料就會有機會通過審查而成為優良條目。元素週期表上目前有118個元素，繁體中文版本的優良條目確只有13個，接近十分之一，一些最生活的元素如氧、碳、氫等等都不屬於優良條目的資料，比較一下中文與英文的版本，更可以發現內容豐富程度相差蠻多的。

適逢元素週期表年，中國化學會和中華民國維基媒體協會展開合作，將舉辦一系列維基資料撰寫的訓練工作坊，一方面進行維基百科資料撰寫的教學，一方面也解釋如何讓這些資料可以有系統、有依據地條列，學會將以各種管道進行宣傳，鼓勵老師與學者們共同參與，將目前維基百科元素週期表各元素條目的資料進行繁體中文化，並以讓這些資料成為維基百科優良條目為目標，希望能夠在今年內就能大幅增加目前元素週期表在維基百科上的中文資料，讓未來需要這些資料的人們，可以在不需擔心資料有誤的情況下，快速地認識這些元素們。


2. 巡迴全臺的化學車活動
化學學會所支持的科普活動之一，是從2011年起由淡江大學承辦的化學遊樂趣活動，這八年來透過化學車的巡迴，已經在臺灣各地舉辦了超過四百個場次的化學推廣活動。透過臺灣默克、臺橡以及許多國內化學產業界的協助，更在去年由一台化學車增加了一台分析車，而變成一個化學車隊(見圖1、2)。作為一個對偏鄉學校與資源缺乏地區的巡迴服務，淡江大學科學教育中心負責推動化學遊樂趣活動的團隊，也打算在IYPT 2019這一年開始，帶入更多跟元素相關的實驗。



圖1.化學車與分析車巡迴至臺東大武國中前合影，在前頭比較小台的是分析車，在後頭比較大台的是化學車。


圖2.當有特殊需要的時候，化學車與分析車會全部展開來組合成舞台的陣型，是一組非常有氣勢的舞台。

化學遊樂趣活動的主軸是由兩台貨車所組成的化學車隊，包含了一台進行化學科普活動的化學車，和一台進行專業儀器分析實驗教學的分析車，兩台車子的功能不同，可以同時進入校園進行活動，或是分開至不同學校服務。化學車的活動主軸由三個不同的節目所組成:時事分析與化學史的故事時間、化學實驗與互動表演的魔術秀以及科普化學實驗動手做，由於空間有限，化學車上裝備的攜帶量是以服務中小型的學校為主，一場活動約可容納百人左右的學生參與，通常都是整個年級或是全校一起參加。分析車上所搭載的則是以化學分析實驗的器材以及攜帶式的光譜儀為主，活動主軸以介紹化學分析標的、分析實驗方法以及儀器分析操作等課程所組成，服務國、高中的科學社或是科展相關社團，希望藉著完整的邏輯訓練，來讓這些已經對科學有興趣的學生們能更進一步地認識科學界的發展與技術(見圖3、4)。
化學遊樂趣團隊檢視目前化學遊樂趣活動所準備的表演秀與讓學生操作的實驗，發現目前活動所推廣的化學科普實驗，不論是使用的反應物，或是反應過後得到的產物，幾乎都是以化合物的形態被使用著，愈是在顏色表現上變化豐富，愈容易引起學生共鳴的反應。往往使用的化學藥品不是廢液處理困難的金屬離子，就是化學結構複雜的染料或色素。由於化學實驗必須絕對注意藥品的安全性，更要顧慮活動後實驗廢棄物與廢液的回收，雖然化學車團隊有淡江大學化學系的全力支持，這些困難都可以透過化學系的專業處理而解決，但是以純元素狀態相關的化學反應可以讓學生們操作的，仍舊十分稀少。因此，從今年起，化學車團隊設計了一系列與元素關聯性較強的實驗，從巨觀一直到奈米等級的實驗與表演，希望能夠讓未來參與化學車活動的學生，可以非常清楚地體會什麼是化合物、什麼是分子、什麼是在奈米尺度的情況下才會發生的現象。


圖3. 2016年新北科學日時，新北市27所國中近千位同學同時進行實驗測量新北市各地的水質硬度。


圖4. 2019年分析車活動中，同學在進行傳統分析實驗後，繼續使用儀器分析進行結果比對。

化學車團隊更新的實驗與表演內容主要是以下所述這幾個實驗：完全以元素型態出現的是銀原子的氧化還原實驗--銀鏡反應(見圖5)，這是一個非常經典的化學科普實驗，只要有適當的管道處理廢液，在玻璃器材上鍍上一層光亮的銀原子是極度吸睛的。在臺灣化學教育楊水平教授的文章中，提供了新的配方，讓試劑的使用上(尤其是硝酸銀與氨水)有極大的改良，化學遊樂趣的團隊將這個實驗加以包裝成互動型的表演，讓學生可以很歡樂又很安全地欣賞到這個實驗的操作過程。

圖5. 化學車團隊的表演者正在把在利用銀鏡反應在圓底瓶中鍍上一層銀的反應裝置取出。

另一個實驗表演則是碘化鉛晶體的黃金雨(見圖6)，當碘化鉛均勻的從溶液中析出時，若降溫過程控制得當地分布在溶液的各個角落的。當降溫過程開始時，它們也會從溶液的各個角落均勻析出。而當溶液析出晶體的時候，它會按照自己規則的晶體結構生長，再加上析出的顆粒在很小的時候是不會沉底的，因此整個溶液中便出現了這種一閃一閃的碘化鉛晶體，學生在驚嘆的同時，非常容易透過解說讓學生理解晶體與固體的差別。
圖6. 碘化鉛水溶液，在配置好之後緩慢的降溫析出，很像是在瓶中下起黃金雨。

另一個與尺度有關的實驗，是利用帶有孔洞的碳材料吸附酒精的實驗，利用在瓶子中先製造出具有許多孔洞的碳粒子，以這些粒子吸附酒精後，讓火焰得以沿著碳粒子中吸附的酒精，燃燒至瓶內，是一個具有強大視覺效果的簡單實驗，在安全操作的情況下，學生很容易理解什麼是孔洞與吸附的原理。 繼續縮小尺度，化學車團隊選擇的是奈米金溶液的顏色變化實驗(見圖7)，以水相合成法透過檸檬酸還原四氯金酸後，可得到奈米金的母液，接著在實驗中改變奈米金粒子大小，觀察顏色的變化。一般的科普實驗中，顏色變化多半由酸鹼指示劑來決定，但是在這個實驗中，從溶液的製備到顏色變化後的成果，都是由奈米金的大小尺寸來決定顏色，團隊利用這樣的實驗操作來進行奈米尺度的教學。

圖7. 兩個大小不同的奈米金溶液，左邊偏紅色的是20~30奈米左右的奈米金溶液，右邊則是聚集之後長大到超過50奈米的奈米金溶液。

除了實驗之外，化學車的塗裝也是化學遊樂趣活動的一個特色，在化學車設計的時候，雖然因為交通與使用便利性而捨棄了使用大型貨櫃車那極佳的視覺宣傳效果，不過化學車仍舊很堅持每一年都要改變塗裝，也許是搭著該年度的熱門話題，或者是選擇前一年諾貝爾化學獎的得獎主題(見圖8)。除了用非常高彩度的配色來吸引路人指指點點，更重要的是這些塗裝非常適合在化學車進入校園之後，作為一個超大的海報看板，讓工作人員進行教學。在IYPT 2019，理所當然要把週期表放到化學車的車廂上，不過，只有週期表的話那就跟課本一樣了，所以化學車團隊的工作人員把自己也給畫了上去，希望在介紹週期表的這一大堆元素的時候，能用另類的方法，讓那些不喜歡理化的孩子們發現其實週期表中也可以有非常有趣的表達方式，雖然化學車一年四季都在巡迴，不過這個和元素相關的實驗將在5月10日新北市科學日時亮相，化學車的新衣也會配合臺灣活動開幕的時候一起亮相喔!
圖8.  2016-2018年化學車的不同塗裝，自2016年起，分別選了 DNA 修復、分子電梯以及低溫電子顯微鏡等三個諾貝爾化學獎的主題。

3. 繞行台灣的科普列車活動

提到巡迴臺灣的化學車，就不能不提到另外一個巡迴臺灣的活動，只是這個載具更誇張，活動的規模更大。這個活動就是由科技部主辦的科普列車活動(見圖9、10)，科普列車是一台四節車廂的電聯車，在每年四月底的時候從北發車，自新北市板橋站開始一路南下，在四天的時間內環繞全臺灣一圈最後回到臺北站。科普列車在每一個縣市停靠一至二站，也在每個縣市輪替上車的學生，也就是說，在臺北站上車的學生們，會在新北市的板橋站下車，讓新北市的學生從板橋站上車，當列車抵達桃園站，新北市與桃園市的學生交接，然後繼續往下個縣市輪替下去，南投縣的學生們搭乘集集線的火車到彰化與大家會合，在離島的學生則是搭乘輪船到臺灣，一起參與這個科普盛會。科普列車不只是一台環島的電聯車，在車上會有來自各地高中與產業界帶領上車的學生進行科普活動，而在每一個科普列車的停靠站，則是有科技部科普計畫的執行單位，負責承辦停靠站點的科普活動並進行交接，經過這幾年的經營，每個車站動輒二、三十個科普體驗攤位，科普列車活動已經是臺灣最重要也最具名氣的科普活動了。

為了配合IYPT 2019，科普列車今年發車的時候，每一個停靠的車站都加了代表該縣市的化學元素，車站的活動也將依這個代表元素設計科學體驗活動。以臺北市而言，負責臺北市的臺師大團隊選擇了鈷為代表，在臺北市這樣的大都會地區，可以找到非常多含鈷的工具與建材，此外在3C產品中的電池裡，也可以找到大量與鈷相關的材料，團隊將以鈷相關的化學實驗表演，讓在臺北車站參加科普列車活動的社會大眾，認識鈷這個元素；而在隔壁的新北市，選擇了金這個元素，當然是因為新北市擁有九份、金瓜石這個曾經創造出臺灣東北角黃金盛世的著名景點，金瓜石曾有亞洲第一貴金屬礦山的美名，即使已經停止採礦，這邊仍有知名的觀光景點黃金博物館。因此，在新北市板橋站活動的淡江團隊，當然選擇了金作為代表元素，並設計了以金為主的化學實驗讓參與的民眾操作。


圖9. 2017年淡江科教中心團隊在科普列車第三節車廂的實驗，藉著列車環島一週的機會，與各地學生民眾在列車上一起分析全台各地的水資源。


圖10. 2017年淡江科教中心團隊在科普列車第三節車廂的實驗，藉著列車環島一週的機會，與各地學生民眾在列車上一起分析全台各地的水資源。下圖 : 環島一週後，在科普列車上所收集到各地的實驗結果。

科普列車今年將於4月29日發車，在這幾天內會在臺灣各地停靠共24個車站，每一個站都有屬於該地的代表元素，有些是與當地的物產文化相關，有些則是和當地的產業相關，化學元素被從另外一個角度去切入我們的生活，藉著科普列車的活動，民眾在這幾天內有機會去認識出現在自己周遭的元素，看見這些元素被使用的各種科技，或是與元素相關的歷史故事和社會文化。

4. 三科館的展覽與研習

國內最重要的科學教育推廣單位，首推常被民眾稱為「三科館」的國立臺灣科學教育館、國立自然科學博物館、國立科學工藝博物館，三科館有臺師大團隊所製作的元素週期表盒子光雕展示是再適合不過的展場。週期表上的多個元素之中，有一些元素雖然應用的範圍很廣泛，但是都是以化合物的狀態存在我們生活的四周，實際上的這些元素的樣子很少機會看到，但在三科館中都有機會可以找到這些收藏，換句話說，如果你想看｢實物元素週期表｣，在三科館是最有機會找到的 !

三科館除了是老師們校外教學的好地方，也是個辦研習的專業場所，有很多老師可以討論他們教學的心得，或是學習最新的教材，這次在IYPT 2019，三科館當然也設計準備了很多跟元素週期表相關的課程，也包含了表演用的教材，希望能讓更多的人學到這個週期表的各種知識。

5. 學科中心與課發中心的工作坊、教案發表、公開觀課以及設計競賽

提到教師與化學課程，就一定要提到各課程發展中心，課發中心在課程綱要公布之後，就會主辦各樣的活動，協助學校把各種資源整合在一塊兒，讓教師們更容易依據新的課綱調整教學方式、修正教學內容，課發中心通常也是協助學校發展特色的重要角色；在高中端，協助教師的單位則是學科中心，不只協助教師們的課程發展與訓練，很多校際之間的比賽，也是由學科中心負責主辦或是協辦的!

在元素週期表年，不論是課發中心或者是化學學科中心，都會舉辦很多的教師工作坊，甚至舉辦週期表教案大賽，週期表有獎徵答活動，把國內各種跟化學元素相關的課程資源收集起來，讓教師們有更廣泛的教學資源，再加上許許多多跟週期表相關的比賽，在一般學校內的教學上，學科中心與課發中心是卯足了全力要讓老師們補充很多的元素週期表教學方式!

除了化學學會所協助的活動，臺灣還由臺灣師範大學科學教育中心主持了各種大大小小的活動，另外還有各大學科教中心、中學的輔導團等等所主辦的演講、比賽、科普活動，都與元素週期表相關。IYPT 2019就是希望藉著各種各樣大大小小跟元素週期表相關的活動，讓人們更加了解依據門得列夫的規則排列成的元素週期表，它們有一定的規則與特性是化學的入門，也是我們食衣住行與構成世界萬物的最基礎，也希望這些活動能帶給更多人不同的啟發，為人類的未來做出更大的貢獻。








淡江大學研究發展處 研發長
王伯昌 教授

淡江大學理學院科學教育中心 執行長
高憲章 博士