化學

誰最會生氣

誰最會生氣

文/大學入學考試中心 邱美智、蕭次融 壹、學生實驗 目的 利用酸鹼指示劑的變色以及澄清石灰水的混濁與再澄清,推測從口中呼 出來的氣體是酸性,含有二氧化碳。 器材 氫氧化鈉 (3M) 1瓶 鹽酸(3M) 1瓶 酚酞(0.4%) 1瓶 透明杯(200 mL) 1個 氫氧化鈣(半飽和) 1瓶 透明片(8×8 cm) 4片 溴瑞香草酚藍 (0.4%) 1瓶 吸管(可彎) 4支 註: 1.氫氧化鈉、鹽酸、酚酞、溴瑞香草酚藍(BTB)溶液,各裝於5mL滴瓶。 2.半飽和的氫氧化鈣溶液裝於100 mL的滴瓶。 3.透明片上打一個圓孔以便插入吸管。 4.以上的器材供一組四名學生使用。 操作 (一)溶液的色變 1.用透明的塑膠杯取清水20 mL 後,滴入氫氧化鈉2滴與酚酞2滴,搖一搖杯子得粉紅色溶液。 2.用透明片蓋住杯口並插入可彎 吸管後,閉口,從鼻孔深深吸氣,然後從口經吸管慢慢向粉紅色溶液吹氣如圖1的(A)。若一次的呼氣不足於使溶液變成無色透明,如圖1的(B),就換氣,繼續吹,到粉紅色消失。數一下總共換了幾次氣。 3.想一想吹氣後溶液為何褪色。 4.在已褪色的溶液中,再滴入氫氧化鈉溶液n滴,又得粉紅色溶液,然後再吹氣,這一次總共換了幾次氣,為什麼? 5.同上述的操作步驟,但用溴瑞香草酚藍代替酚􆄆,結果有何異同? (二)沉澱的產生與消失 6.用透明杯取半飽和的氫氧化鈣20 mL,蓋上透明片後插入可彎吸管,與前述溶液的色變同樣吹氣,不久就見溶液慢慢混濁(產生沉澱)。用化學反應式表示 溶液產生沉澱的反應: 7.倒出一半的混濁液(約10 mL)於一個透明杯後,繼續吹氣,即見溶液慢慢澄清,這是沉澱溶解的現象。用化學反應式表示沉澱溶解的反應: 原理 (一)溶液的色變 酸鹼指示劑的酚酞,在鹼性溶液顯現粉紅色,在酸性溶液則褪為無色。因此若在水中,滴下酚酞溶液與氫氧化鈉溶液各一滴,則得粉紅色溶液。對此溶液經由吸管吹氣,一會兒溶液就由粉紅色變為無色。這是酸鹼中和,說明從口呼出的「口氣」是酸性。 在地球表面的大氣中,通常含有氮氣、氧氣、二氧化碳與量非常少的其他氣體。N2、O2、CO2在空氣中所佔的百分率分別為79.02%、20.95%、0.03%,這也是呼吸時所吸進的空氣成分。但是,呼吸時所呼出的氣體,其成分有了大的改變,氧氣減為15.8%,而二氧化碳的量增加100倍以上,成為4.0%,氮氣與其他氣體的量無多大改變,如圖2所示。二氧化碳的含量大增的原因在於體內的代謝 作用,例如葡萄糖(C6H12O6)的代謝,消耗了氧,而產生了二氧化碳與水,其反應式如下: C6H12O6(aq)+6O2(g)→ 6CO2(g)+ 6H2O(l) 因此呼吸時所呼出的口氣中含有4.0%的二氧化碳。這些二氧化碳溶於水成為碳酸,這是口氣是酸性的原因。口吹出的氣體能中和粉紅色的鹼性酚􆄆溶液,使溶液褪為無色,可用反應式表示: CO2(g)+H2O(l)→ H2CO3(aq)........(1) H2CO3(aq)→ H(aq)+HCO3(aq) ......(2) HCO3(aq)→ H(aq)+CO3(aq) .........(3) 上式中 H2CO3 是二質子酸,兩段解離產生 H、HCO3與 CO3。圖1表示粉紅色鹼液經由吹氣,褪為無色的溶液。 (二)沉澱的產生與消失 消石灰是氫氧化鈣,Ca(OH)2的俗稱,稍溶於水,產生鈣離子與氫氧根離子(式4),其中鈣離子能與碳酸根離子(式3)結合,產生難溶的碳酸鈣, CaCO3(s)(式5),導致澄清的消石灰水溶液變成混濁。 Ca(OH)2(aq) →Ca(aq)+2OH(aq).......(4) Ca(aq)+CO(aq)→ CaCO3(s).............(5) 若在混濁的消石灰水中繼續吹氣,則混濁的溶液可變澄清。這是因為碳酸鈣溶於過量的二氧化碳飽和溶液(式2、式5)產生可溶性的碳酸氫鈣。 CaCO3(s)+CO2(g)+H2O(l)→ Ca(aq)+2HCO3(aq) 半飽和氫氧化鈣溶液的配置 1.取約10克的氫氧化鈣粉末,放入600 mL的透明寶特瓶後,加水約500 mL。 2.蓋緊瓶蓋後用力搖動寶特瓶,使 Ca(OH)2 儘量溶解。 3.靜置約二小時,等到未溶的粉末完全沉在瓶底而溶液澄清後傾出上澄液於裝有半瓶水的寶特瓶內,即得半飽和的氫氧化鈣溶液。 競賽 使用喝飲料用的吸管,對透明茶杯內的溶液吹氣如圖1,使溶液產生由「肉眼即可辨認」的變化。競賽包括二個活動: (一)誰最會生氣、 (二)哪一隊最合作。 競賽的目的在於藉由趣味性活動,讓學生思考如何使有限的一口氣,「細氣長流」充分反應,並由團隊合作學習互相協調之重要性。 (一)誰最會生氣 只用一口氣(吹氣途中不能換氣),比賽誰能中和最多的鹼液。比賽時,將全班學生分成5人一隊,而每一隊推派一名選手,代表該隊出來比賽。每名選手可指 定鹼液的量(註1),總共可試三次,以表現最佳的一次計分。 (二)哪一隊最合作 本項活動比賽哪一隊最合作,能在最短時間,將一定量(100mL)的氫氧化鈣溶液(註2),由澄清吹至混濁,然後繼續吹至澄清。比賽時每一隊員各有一支吸 管,可同時對同一杯溶液吹氣。 本活動比賽為計時賽,採取初、複賽。在正式比賽前先分給各隊100 mL消石灰水,以便練習。 (1)初賽為淘汰賽,要計時,每次4隊,取第一名參加複賽。 (2)複賽為計時賽。 ( 註1): 比賽前,教師要配好一種鹼液(以0.01%的氫氧化鈉水溶液為宜)。加有酚酞指示劑的溶液呈現粉紅色,事先分給各隊200mL練習。 比賽時,由選手自行指定鹼液量(以10 mL為計算單位),一口氣吹至變色即算成功。 (註2): 1.取澄清的消石灰半飽和的溶液後,加數滴酚酞或溴瑞香草酚藍指示劑,以增加趣味性。 2.不易褪色或澄清的杯子,加數滴鹽酸試試,立即可得無色或澄清的溶液。

杯中的奧秘

杯中的奧秘

文/陳忠照/國立台北師範學院化學系 談起杯子,似乎並不新奇;不過,如果杯子從世界上消失,生活會是什麼樣了呢?一早起床要刷牙,沒有‘牙杯’,口渴要喝水或喝茶,沒有‘茶杯’,想泡咖啡,沒有‘咖啡杯’;大人應酬要喝點兒酒,沒有‘酒杯’;生活是會走樣的。可見不起眼的杯子,卻是相當重要。杯子的材質,可多了;紙杯、瓷杯、鋼杯、塑膠杯、玻璃杯 ...,琳琳總總真有的瞧。看看日常生活的一些用語,諸如杯弓蛇影、杯水車薪、舉杯邀月、杯酒釋兵權等,可證實杯子在社會生活是有一席之地。本文乃從科學活動的角度來分享杯中的奧秘。我們試著從杯子的相關問題,探索有趣的科學內涵;請你準備一些杯水,玻璃杯等生活上的器物,我們一起來玩一玩、做一做。 1. 杯水的挑戰 〈情境〉 當拿到塑膠杯杯水(圖一),你是怎樣喝它呢?拿根吸管直接插入杯中吸用,或是把水杯上面的杯面膜撕開,就口即喝? 〈 問題 〉 我們暫且把喝水事擺一邊,請問使杯水的水“跑”出杯外來?請你想想看,做做看,再參閱下文。 〈 解決方法 〉 途徑一:打洞擠壓 用吸管在杯面模打個洞孔,手一擠壓施力(圖二〉,水就從洞孔湧出來。這項操作,在水槽上進行為宜,你認為如何? 途徑二:水從洞孔自動流出來 水杯杯面膜用吸管打一個洞,然後倒過來,水會自動流下來嗎?如果此刻你把吸管插入洞中(圖三〉,會有不同現象發生嗎?請注意杯中有沒有氣泡產生,壓力有什麼變化?如果你不打算插入吸管,那麼杯面膜要打多少洞,或是洞要打多大,水才會流出來?打洞的位置,杯面、杯底,或是杯側,都試試看,你有精彩的發現。 途徑三:噴霧遊戲 先在杯水插上一根吸管,再用第二根吸管以約90度的角度對著第一根吸管管口用力吹氣(圖四)。因為氣流快,壓力變小,杯中的水會被帶上吸管口而形成噴霧現象;請注意,吸管的長短,吹氣的力道,有沒有影響?如果是陽光絢麗的日子,不妨找幾位好朋友到戶外去,人手一杯水,一起玩玩噴霧遊戲;織要找對位置,選對角度,可望吹出一片美麗的彩虹喔 。 途徑四:其他 還有什麼方法可以讓杯裏的水流出來?請做做看,並說說它的道理。 圖一 杯水 圖二 打洞擠壓 圖三 吸管插入倒懸的水 圖四 噴霧遊戲 2. 看,杯裡的水不會流出來 〈情境〉 由於重力和流體的性質,水是往低處流的。然而,看著魔術師把水倒入杯中,當杯子倒過來時,水卻沒有流出來,很神奇吧? 〈 問題 〉 傾倒杯子時,如何使杯裏的水,不會流出來呢? 〈 解決方法 〉 途徑一:加上杯蓋 杯子上加個蓋子,像環保杯有杯蓋(圖五),水就流不出來嘍。以是這種方式太普通了,總是希望來點兒不一樣的。 比方說,換上墊板覆蓋杯子,一手拿穩杯子,一手壓著墊板,然後倒過來,放開扶墊板的手(圖六),杯中的水和墊板會掉下去嗎? 途徑二:蒙覆手帕 在裝手有水的杯子覆上手帕,並用橡皮筋套住圈緊,把杯子倒過來,水會流出來嗎?一隻手拿著倒過來的杯子,另一隻手指頂頂杯口的手帕’或將手帕沿著杯緣上輕輕提一提(圖七),水會流下來嗎?杯中有氣泡冒上去嗎?為什麼? 途徑三:網面杯 拿紗窗用的紗網減一個杯口外緣,用強力膠或樹脂黏上杯口緣處(圖八)。把水倒入網面杯後,快速的把網面杯倒過來,使杯子垂口朝下;如果杯子的水還是會流出來的話,可拿墊板先蓋上網面杯,像途徑一,杯子倒過來,再緩移開墊板(,水在杯口網子形成一層“水膜”空氣進不去,杯外的大氣壓力比較大,杯了裏的水就流不出來了!操作時,你可選用透明的紗網,找個光線柔和一點的地方;別人看不清杯口有網子,還以為你有特異功能呢! 途徑四:其他 相信你已察覺到水雖然有往低處流的特性,而杯子中的水能不能流出來,還受到空氣壓力、水的壓力、流體的性質、杯子的傾斜度等因素的影響。同學們請你想想看,設計其他的方法讓水流不出來。 圖六 墊板蓋 圖七 手帕功 圖八 網面杯 圖九 水流不出的網面杯 杯子除了裝水,供作喝飲料之用外,顯然隱藏許多有趣的奧祕。請你看看這個裝有彎頭吸管的杯子(圖十),是在塑膠杯杯底安插一支彎頭吸管,吸管和杯底接合處,要用樹脂或黏膠緊密黏合。把水徐徐倒入杯中,水會從吸管下端流出來嗎?請紀錄杯中水位的變化,觀察水的流動情形,你會發掘一些好玩的科學道理的。如果你對音樂有興趣,可準備七、八個玻璃杯或陶瓷杯並列在桌子上(圖十一),依次注入不同高度的水量來調整音階的高低,用一根小木棒或筷子輕輕敲擊,就是一套杯組敲擊樂器,演奏美妙的曲子。把杯子換成玻璃高腳杯,不用筷子敲擊,而是用手指(例如食指)沾點兒水,在杯口緣處來回摩擦,使杯子產生細微的震動,會發出非常悅耳嗡─的吟聲,組成另一套杯組觸摸樂器了(圖 十二 )。請試試看,不用高腳杯,而採用一般杯子,可以製作杯組觸摸樂器嗎?理由何在? 各位同學,靜下來仔細觀察桌上的杯子,端詳它的材質、造形、色彩、性質、功能 ...,你有什麼聯想,發現什麼問題?令人雀躍的科學活動可能就應連而生。身邊的東西,一張紙張,一根吸管, 一個保特瓶,一條橡皮筋等,在在暗藏玄機。科學活動貴在「用心看一看,動手做一做,仔細想一想」,本文在活動中提供了一些問題,你可試著和同學、師長、或父母討論、操作,不但會發現杯中的奧祕,也會領會到生活中處處有科學,處處有創意而歡喜。 圖十 彎頭插管塑膠杯 圖十一 杯組敲擊樂器 圖十二 杯組觸摸樂器

趣味化學實驗與科學思考

趣味化學實驗與科學思考

文/蕭次融/大學入學考試中心 研究發展處 化學是探討物質的性質及其變化的科學,也是實驗的科學。有些從事化學教育的學者專家認為學生在中等學校的階段,透過實驗來學習化學最有效,而認知還在具體操作期的小學生,更需要實驗來幫助了解化學原理。化學變化的分類方式有多種,一般將其分為四種:(一)化合、(二)分解、(三)置換、(四)複分解;但也可依氧化數的變化以及生成物產生沉澱與否,而將化學反應分為凡人類:(一)氧化還原反應;(二)酸鹼反應;(三)沉澱反應。本篇以「趣味化學實驗與科學思考」為標題,對上述的四種反應各舉簡而有趣的化學( Plain and Attractive Chemistry,簡稱 PAC)實驗提供教師作為演示實驗或學生實驗。這四種反應中,化合、分解與置換都屬於氧化還原反應,而複分解則多屬於酸鹼反應,但也有沉澱反應與氧化還原反應者。 一、化合與分解 (一)目的 1.利用兩種元素,鋅與碘,直接反應,化合成碘化鋅。 2.電解由化合所得的碘化鋅溶液,取回碘與鋅。 3.透過實驗讓學生能親眼目睹化學反應,亦即I2和Zn。的反應與其逆反應。 4.體會化合與分解的定義,被學習推測可能的生成物以及如何書寫化學反應式。 (二)器材 (三)實驗步驟 (甲)鋅與碘的化合 1.取 5 克的鋅粉與 5 克的碘粒,置於研缽研磨數分鐘(此操作,不會有任何明顯反應〉。得混合粉末。 2.次將混合粉末移入大試管,輕蓋一個配有吸管的木塞(吸管內吸有水約 2 毫升),如圖一所示。 3.從滴管滴下水數滴,即見混合物冒出紅紫色氣體,試管底部發熱而有黃褐色液體。此時,再慢慢加水,一邊搖動試管讓昇華後凝華而附著在試管壁的碘繼續反應。加完水數分鐘後,可能還可以見到試管上端有紫黑色固體附著於管壁。 4.取下試管塞,用另一根長吸管吸取溶液,洗下管壁上的顆粒,即見顆粒溶解。黃褐色溶液沿管壁流下,使碘再與鋅粉作用。靜置數分鐘,見試管底部何未反應的金屬粉末沙與無色透明的溶液。 (乙)碘化鋅的分解 5.用吸管吸取試管內的混合物過濾,得無色透明濾液(過濾方法參考附錄中「簡易加壓過濾法」 6.取上述無色透明的濾液數滴於水彩畫用的調色盤上,然後用迥紋針為陽極,銅線(或黃銅釘)為陰極,電解濾液數秒鐘,如圖二所示。即見鋼線上端為亮亮的銀灰色沉澱物所覆蓋,而迥紋針上有褐色固體析出,但會脫落溶解成黃褐色溶液。若在黃褐色溶液上滴下澱粉液,立即呈現藍色。 (四)問題 1.在實驗步驟 3,「從滴管滴下水數滴,即見混合物冒出紅紫色氣體」。試問「水」在此反應中,扮演何種角色? 2.在實驗步驟 6 ,電解碘化鋅溶液時,為什麼陰極用銅線(或黃鋼釘)而不用迴紋針? (五)教師手冊 本實驗包含兩部分:(一)化合與(二)分解。兩部分的實驗因相關,宜連續做,但也可分開單獨做。若分開單獨做時,第二部分的 「(乙)碘化鋅的分解」,教師最好在很短的時問內演示第一部分的「(甲)鋅與碘的化合」,然後直接給學生已過濾好的碘化鉀澄清溶液約1mL ,學生則做步驟6,在調色盤操作電解。 ( A )教師演示實驗 1.取約 10 克的鋅粉與約 10 克的碘粒,置於研缽研廢數分鐘,不見有任何反應。(給學生看) 2.先準備一個無色透明的塑膠袋(約 25cm × 35cm ),並將其充滿空氣,袋口向下倒置於桌上後,用吸管吸取清水約2mL,滴入研缽即見冒出紫色氣體,相當壯觀,但因碘蒸氣有毒,應立即以塑膠袋蓋住,以免碘蒸氣擴散。 3.俟研缽不再冒碘蒸氣後,移去塑膠袋。在研缽壁上未反應的碘粒,用滴竹吸一些溶液將其沖入溶液中,即見碘又反應,但不再冒濃煙。 4.依前述學生實驗的步驟 5 的方式過濾碘化鉀溶液。 (B)補充說明 1.步驟 1 表示鋅與碘即使混合磨成粉末,也不起化學反應,但一加水,即見其放熱反應,留出紅紫色碘蒸氣。水在此反應中,扮演了重要的催化角色,可用下列反應式表示: 這是很典型的化合反應,由二種元素變成一種化合物。若將混合後的粉末移置於蒸發皿上,然後加水,即刻冒出紅紫色煙,著實相當狀觀。( 但為了避免吸入碘蒸氣.還是用步驟 2 與 3 的方法比較妥當) 2.步驟 6 是電解,也是很典型的分解反應之一,由一種化合物分解成兩種物質 ,可以用反應式表示如下: 3.電解時,陰極起還原反應,產生鋅。因金屬鋅的顏色與迥紋針的顏色相近,不易分辨,但鋅沉澱在銅線或銅釘上,則容易觀察到。 (C)廢棄物的處理 1.碘化鋅溶液沖稀後可以放流(因鋅過量,不會有未反應的碘留下來,而且量很少)。 2.鋅應回收。收集全班的鋅粉,用清水洗滌數次後,置於錶玻璃或研缽曬乾,絕不可置於舉塑膠製器皿或可燃的物體上晾乾(即將乾的鋅粉,有自行起火燃燒塑膠的可能性)。 (六)附錄:簡易加壓過濾法 在實驗室雖然有很多過濾的方法,但若試樣的量非常少,例如只有1毫升,則一般的過濾方法均因太少而不適用。這時可採用滴管過濾,方法如下 : 1.取下玻璃滴管的橡膠乳頭。 2.取脫脂棉花一小塊.溼潤後以玻璃捧將其壓進玻璃滴管內,如圖(a)所示(鬆緊視需要調整),即得一支過濾滴管。 3.以另一支滴管吸取需要過濾的混合物溶液後,將其滴入於過濾用的滴管內。 4.若混合物不易過濾,在過濾用滴管 上套回橡膠乳頭後,輕壓橡膠,即見混合物滴管被加壓而濾過棉花,而得澄清的濾液。 二、置換反應 (甲)銅幣變銀幣 (一)目的 以簡單的實驗讓學生了解金屬活性的不同所引起的置換反應,被藉由鋼幣變銀幣的趣味實驗 ,以提高學生學習化學的興趣。 (二)器材 註:硝酸汞耍使用飽和溶液,並裝於點眼滴瓶。 (三)實驗步驟 1.取一元銅幣一個(新舊銅幣均可),用鑷子夾住後在銅幣上面滴下一滴硝酸汞飽和溶液,然後用棉花棒擦塗銅幣的一半(同一面的一半留供比較),即見擦塗過的銅幣表面呈現銀色。 2.將上一步驟的一元銅幣放入杯中水洗後用面紙擦乾,則得光亮的銀色,與沒擦塗硝酸汞的一半相比較,有何不同? 3.仔細觀察棉棒塗擦前後有何不同? 注意;硝酸汞有毒(管制品),必須小心使用,最好戴上外科醫生用的手套,用後要洗乾淨兩手。用過的棉花棒要聽從教師指示,回收集中處理。 (乙)鐵釘變銅釘 (一)目的 利用日常生活中容易取得的鐵釘與食醋,讓學生了解置換反應。 (二)器材 (三)實驗步驟 1.用透明塑膠杯取食醋約10毫升,放進 6 個舊硬幣(一元的銅幣),偶而用竹筷子翻動銅幣,仔細觀察銅幣表面有何變化。 2.約五分鐘後,用竹筷子取出銅幣(變亮了)三個,二正一反直接放在面紙上,其他三個用水清洗後,用面紙擦乾,也是二正一反放在面紙上,供作比較。 3.將浸泡過銅幣的食醋倒入底片盒中,放入兩之鐵釘或迴紋針(表面沒沾油,而且沒生鏽的,長度要夠長,要有一部份露出液面以便對照),不久即見有氣泡附在鐵釘上。 4.數十分鐘後,即見浸泡在溶液中的鐵釘表面,為一層紅銅色所覆蓋。 5.取出鐵釘後用水清洗乾淨。放置一段時間後,再看看銅色是否改變。 6.比較步驟 2 ,面紙上的銅幣,沒用水清洗的銅幣與清洗過的銅幣上有何不同?綠色的表面是什麼? 注意:廢液要聽從教師指示,集中後處理。 (四)問題 1.試問在(甲)實驗的步驟 3,塗擦銅幣後的棉花捧上是否還殘留有硝酸汞?要如何檢驗? 2.試問在(乙)實驗的步驟 2,銅幣為何變亮了?若改用硝酸以替代食醋來洗銅幣,試推測結果會怎樣? (五〉教師手冊 (甲)鋼幣變銀幣 1.金屬活性次序在貴金屬的部份是銅、汞、銀、鉑、金.因此銅可以取代汞,用反應式表示如下: 由上式可見汞離子,,被取代而析出金屬(Hg)。汞在常溫是液態,但因其容易與其他金屬構成合金成汞齊(銅汞齊是固態),可用反應式表示: 2.在棉花棒上:可以看出式(1)所析出的藍色銅離子,但若用來塗擦的銅幣表面不很乾淨 。 3.汞的化合物有毒,實驗後必須要求學生洗乾淨兩手,而且廢棄物要聽從教師指示處理。 4.汞化合物的廢棄物(溶液)收集後,加碘化鉀溶液或硫化鈉溶液使其成為碘化汞或硫化汞沉澱、過濾後沉澱貯存,交業者處理。 5.要檢驗棉花棒上是否有硝酸汞殘留,最好以碘化鉀溶液檢驗,因碘化汞的沉澱呈朱紅色易見,而且其Ksp很小。 (乙)鐵釘變銅釘 1.以上實驗說明了食醋洗淨了銅幣上的氧化銅或其他銅的化合物,但不傷及金屬銅本身,反應式如下: 2.步驟3與4,說明了留在食醋中的銅離子,被鐵釘的鐵所置換,反應式如下: 3.一般的銅綠是鹼式碳酸銅,但是銅幣表面上的成份相當複雜。 4.若沒有鐵釘,可用迴紋針(沒有塑膠皮包的)替代。 5.若用硝酸替代食醋以洗銅幣,結果會因稀硝酸仍具有氧化性,不僅與銅幣表面的銅化合物反應,而且會與銅幣本身(亦即銅)反應,產生有毒的氧化氮,反應式如下: 三、複分解(酸鹼中和反應) 固體食鹽的直接製法 (一)目的 使用濃鹽酸與氫氣化鈉顆粒直接作用,以演示酸鹼中和產生固體的「鹽」,以肉眼即可看到的食鹽顆粒,並演示簡易減壓抽濾法。 (二)器材 注意:本實驗使用濃酸濃鹼,需要特別注意安全,沒有教師的允許與監督,學生不可動手操作,尤其下列實驗步驟2。 (三)實驗步驟 1.用硬試管取氫氧化鈉顆粒 2~4 克(約 6~10 粒,不可太多)。 2.用滴管吸取濃鹽酸後,一滴一滴慢慢地滴入試管。每滴一滴濃鹽酸即有相當劇烈的反應,產生大量的熱,甚至發煙並發出嘶嘶聲。 3.用玻璃棒攪拌,即見有白色的小顆粒沉澱,若鹽酸與氫氣化鈉的作用太劇烈,則用冷水浴冷卻試管,作用完畢還要多加濃鹽酸,再攪拌確保沒有氫氧化鈉殘留。 4.用簡易減壓過濾裝置(如圖四,取自蕭次融,科學教育月刊, 208 期 40 頁, 87 年 3 月)過濾,抽乾後用清水數滴清洗固體數次,至濾液呈現中性為止,即得 NaCl晶體。 (四)問題 1.實驗步驟 2 ,為何產生大量的熱? 2.簡易減壓過濾裝置中的注射筒為何可打一個小孔,有何作用?若注射筒上不打孔,要如何才能達到減壓過濾的目的? (五)教師手冊 1.教師在複分解的單元,教學時最常引用的例子是稀鹽酸與硝酸銀的作用,或鹽酸與氫氣化鈉的中和反應。後者也是酸鹼中和產生鹽的一個例子,雖然可以用反應式表示: 並說中和後的水溶液蒸乾即得固形的食鹽,但是蒸乾費時而艮所得固形食鹽的量很少,且外觀不像通常我們所見到的食鹽。本實驗則直接用濃鹽酸與固體的氫氣化鈉反應以得固體的食鹽。此反應產生大量的中和熱,因反應中的「水份」很少,使得反應混合物升高溫度甚多。此反應可用反應式表示: 式中(conc)表示濃的溶液,亦即使用濃鹽酸之意。演示本實驗時,教師必須帶護目鏡與塑膠手套,以策安全。 2.做科展或從事特別研究的高中生,得允許其親自操作實驗,但必需交代清楚有關強酸強鹼與其反應、應特別注意的事項,並接受教師的指導,尤其操作步驟 2 與步驟 3 時,濃鹽酸必須一滴一滴地慢慢加,抓時時攪拌。 3.所製作的食鹽成品必須檢驗其酸鹼值、確保中性,否則不可試嚐。 4.若注射筒上沒有打一小孔,則注射筒的活塞抽了後就難於壓回原狀。若筒上沒打孔,在軟管間要裝一個三向閥才可以完成減壓過濾。

單一容器內的酸鹼反應

單一容器內的酸鹼反應

文/余甄紘 蕭次融 大學入學考試中心 化學是物質科學, 也是實驗科學, 因其與生活息息相關, 理應會受學生 喜愛, 但是事實卻相反, 這種情況國 內外都一樣。以鄰國的日本為例, 日 本學生不喜歡化學的原因是怕3 K : k i k e n ( 危險) 、k i t a n a i ( 骯髒) 、 k i t s u i ( 辛苦) , 而我國的學生除了上 述三項原因之外, 還加上誤認為學習 化學必須記憶很多東西, 才足以應付 考試。有學生表示在國中三年沒動手 做過化學實驗。這是因為現今的升學 制度加給學生與學校的壓力, 迫使有 些學校不得不犧牲實驗教學, 導致學 生學習科學的興趣低落。任何學習都 需要動機, 有趣的教學內容與方法, 可激勵學生的學習意願。為了提高學 生學習化學的興趣, 有趣的教學內容 與方法, 可激勵學生的學習意願。為 了提高學生學習化學的興趣, 筆者之 一( 蕭) 從事化學教育多年, 深感簡 單而有趣的科學實驗在科學教育上的 重要性, 因此先是模仿已有的趣味科 學實驗, 從而加以改良, 進而亦自行 開發多項科學實驗, 將成果運用於教 學上,頗獲好評。 本篇介紹在單一容器內的化學反 應, 由教師動手操作實驗。在同一容 器內每次添加試劑, 均會有明顯的變 化, 足以引起學生的驚訝與興趣, 因 此教師可以藉此與學生討論或讓學生 互相討論, 如此可以讓學生易於了解 化學變化中的許多原理, 了解化學變 化的現象,也有助於記憶。 本篇分成: 一、教師演示; 二、學 生學習; 三、教師手冊; 四、參考答 案; 五、補充說明。其中學生學習部 分可以抽印為講義給學生, 當做學習 單使用。 一、教師演示 ( 一) 教師在學生面前取出四個透明的 杯子, 然後在其中的兩個杯子倒 入清水八分滿( 約1 5 0 m L ) , 一 為A1,另一為B1。 ( 二) 在A 1滴入3 M 的H C l 4 滴後, 分成兩 杯,A1與A2。 (三)類似方式,在B1滴入3 M 的N a O H 4 滴後,分成兩杯,B1與B2。 ( 四) 在A 1與B1,分別滴入溴瑞香草酚藍 ( B T B ) 指示劑各4 滴。搖一搖杯 子, A 1黃色, B 1藍色。教師舉起 杯子, 告訴學生這是溴瑞香草酚 藍在酸性溶液與鹼性溶液中的顏 色。 (五)類似步驟四,在A2與B2,分別滴入 酚酞(PP)指示劑各4滴。搖一搖 杯子, A 2無色, B 2粉紅色。同樣 告訴學生酚酞在中性或酸性溶液 與鹼性溶液中的顏色。 ( 六) 將四個杯子並排在桌上, 如照片 一。 A1 A2 B1 B2 照片一 指示劑的顯色 A1:BTB 在酸性,黃色 B1:BTB 在鹼性,藍色 A2:PP 在酸性,無色 B2:PP 在鹼性,粉紅色 圖一 電動攪拌器 二、學生學習 ( 一) 教師先準備好電動攪拌器, 在 250mL的燒杯中倒入清水150mL, 並使磁棒轉動,如圖一。 ( 二) 準備妥當後, 教師要告訴學生: 「今天的演示實驗要在同一容器 內, 陸續加入試劑, 大家要注意 看燒杯內含有什麼變化?」 ( 三) 在教師的每一動作( 滴入試劑) 之前, 均要先問學生, 加了這試 劑後會見到什麼現象(變化)。 問1 : 加了酚酞4 滴, 溶液會有什麼變 化? 為什麼? 學生回答後就在轉動著 的溶液中滴入4滴酚酞。 操作步驟 1 .取一個透明杯,倒入約1 5 0 mL的熱水(溫度愈高愈好)後,放入含有 碘的封閉試管(簡稱安瓶),不久 即見安瓶底部顯現紫紅色的氣體, 如圖二,照片一。 2 .取另一個透明杯,倒入約1 5 0 mL的 冷水(溫度愈冷愈好)後,取出熱 水杯裡的安瓶,將其倒過來放入冷 水杯內,不久即見安瓶內無色透明 的紫紅色氣體逐漸消失,而浸在冷 水內安瓶的管壁上出現小小的暗紫 色晶體,如圖三。 3 .取出冷水杯內的安瓶後,再次放入 熱水杯內,又見紅紫色氣體,然後 取出安瓶,倒放於冷水杯,安瓶又 呈無色透明,而浸入冷水的那一端 試管壁又會有暗紫色晶體出現。 4 .重複步驟3數次,觀察碘的昇華與凝華。 答1 : 問2:加了一滴氫氧化鈉,溶液會有什 麼變化?為什麼? 答2: 問3 : 在粉紅色的溶液中, 加鹽酸2 滴,結果如何?為什麼要加2滴? 答3: 問4:在無色透明的溶液中,再加氫氧 化鈉2滴,結果如何?為什麼? 答4: 問5 : 在粉紅色的溶液中, 再加鹽酸2 滴,結果如何? 答5: 問6:在無色的溶液中,加溴瑞香草酚 藍4滴,結果如何? 答6: 問7 : 在黃色的溶液中, 加2 滴氫氧化 鈉,結果如何?為什麼不是粉紅色? 答7: 問8 : 在紫藍色的溶液中, 加入鹽酸2 滴,結果如何? 答8: 問9:在這個活動中,學了些什麼?還 有什麼疑問嗎? 這個活動可以在試管 做嗎? 答9: 三、教師手冊 表一 指示劑的顯色 照片二 試劑裝於5 mL的滴瓶 ( 一) 本活動使用的試劑如下: H C l 3M 5 mL NaOH 3M 5 mL BTB 0 . 4 % 5 m L PP 0 . 4 % 5 m L (註: 1.各種試劑均裝於5mL的滴瓶,如照片二。) 2 . B T B 是B r o m o t h y m o l blue,國立編譯館的譯 名為溴瑞香草酚藍。 3 . P P 是P h e n o l p h t h a l e i n , 中文名稱為酚酞。 ( 三) 本活動所用的「清水」係指自來 水,其他的試劑量如下: H C l 4 + ( 2 + 2 + 2 ) = 1 0 滴 N a O H 4 + ( 1 + 2 + 2 ) = 9 滴 B T B 4 + ( 4 ) = 8 滴 PP 4 + ( 4 ) = 8 滴 上列試劑量, 例如H C l , 最前的4 是 「一、教師演示」時的用量, ( ) 內 的滴數為「二、學生學習」的用量, 而每一滴的試劑所含的化合物,以3MN a O H 為例, 只有6 . 0 ╳ 1 0 - 3 克, 其計 算方式如下: 每滴只有6毫克,不僅用量很少,而 且在本活動, 是酸鹼中和反應, 因此 幾乎沒有廢液處理的問題, 不污染環 境, 合乎小而美、少而省的綠色化學 永續發展的環保理念。 ( 四) 本實驗在單一容器內逐步添加試 劑的連續反應, 因此也可以稱為 一條龍反應。 ( 五) 本活動可以改在試管或透明杯子 內做, 讓學生親自操作, 因反應 快, 且用量少而沒有安全性的顧 慮, 因此可以在一般的教室內施行。 ( 六) 本實驗所用的酸鹼總量, 鹼略多 於酸, 導致最後的廢液呈現指 示劑在鹼性溶液的顏色( 粉紅+ 藍= 紫藍) , 因此廢液要倒掉之 前, 將其分成數杯, 分給學生並 給可彎吸管, 讓學生吹氣, 由溶 液的顏色改變, 可驗證呼吸時所 呼出來的氣體為酸性( 含有二氧 化碳) , 可以中和鹼液, 相當有 趣。 四、參考答案 答1:無變化,因為清水是中性的。在中性溶液中酚酞無色。答2:溶液由無色變為粉紅色,如照片 三,因為酚酞在鹼性溶液中呈現粉紅色。 答3:溶液由粉紅色變回無色,加兩滴 的用意在於其中的1 滴中和了先 前滴入的那一滴氫氧化鈉,剩下 來的1 滴鹽酸, 可使溶液變為酸 性,粉紅色的酚酞在酸性溶液中 就變成無色。 答4:溶液又變回粉紅色。加了氫氧化 鈉溶液又變為鹼性,酚酞呈現粉 紅色。 答5:溶液又變為無色,因為加了鹽酸 後,溶液變為酸性。 答6:溶液變為黃色,因為溴瑞香草酚 藍在酸性溶液中呈現黃色,如照 片四。 答7:溶液變為紫藍色,因為溶液中有 兩種指示劑,酚酞與溴瑞香草酚 藍。在鹼性溶液中,前者呈粉紅色,後者呈藍色,因此溶液呈現 粉紅與藍的混合色, 亦即紫藍 色,如照片五。 答8:黃色,因為溶液又變為酸性,雖 然溶液中有兩種酸鹼指示劑,但 在酸性溶液中酚酞為無色,只有 溴瑞香草酚藍呈現黃色。 答9 : 學了( 1 ) 酸鹼指示劑的顏色, ( 2 ) 酸與鹼的反應; ( 3 ) 試劑用量很 少就可以有明顯的化學反應,合 乎環保概念; ( 4 ) 這個活動當然 可以在試管做,每加一滴試劑就 搖一搖試管,也可以看見明顯的 顏色變化。 五、補充說明 1 . 溴瑞香草酚藍( B T B ) 的變色範圍 為p H = 6 . 2 ~ 7 . 6 範圍相當窄, 因此不 易見到中性的顏色, 不過在本活動 中, 在酸性的黃色溶液中, 慢慢滴 入氫氧化鈉時, 會顯現綠色, 如照 片六。 2 . 在含有酚酞與B T B 的酸性溶液( 黃 色) 中, 滴入氫氧化鈉時, 會顯現 酚酞的粉紅色與B T B 藍色的混合顏 色( 紫色) 出現在黃色背景中, 如 照片七。

藍瓶實驗

藍瓶實驗

文/吳錱俞 .蕭次融 大學入學考試中心 一、目的 改變反應物的濃度以觀察濃度對亞甲藍( methylene blue )改變顏色的影響,進而推測真正的反應物,並探討葡萄糖所扮演的角色。 二、器材 塑膠瓶(30m L、含蓋子,透明) 3個 吸管(3m L) 1支 蒸餾水 30毫升(裝於30m L的點滴瓶) 葡萄糖( 2 % ) 30毫升(裝於30m L的點滴瓶) 氫氧化鈉(0.2%) 數滴(裝於5 m L點滴瓶) 三、操作 1.用一個塑膠瓶來混合等量的葡萄鯖溶液( 2 % )與氫氣化鈉溶液〈 2 % 〉,用 3mL 的吸管一吸放溶液數次使其混合均勻。 2.將混合液用吸管吸取,等分於 3 個塑膠瓶 A、B、C 。 3.在 A 瓶內加 5 mL 葡萄糖溶液,在 B 瓶內加 5 mL 的蒸餾水,在C瓶內加5mL的氫氣化鈉溶液。 4.在各瓶內滴入亞甲藍溶液數滴至溶液呈現適當的藍色。 5.蓋緊瓶蓋後,分別搖動瓶子使溶液混合均勻。靜置數分鐘,觀察藍色褪去(如圖 1 )。分別記錄各溶液顏色由藍色逐漸褪成無色的時間於實驗記錄表。 6.再用力搖動塑膠瓶,至溶液再呈現藍色後,再靜置數分鐘,記錄溶液又變成無色的時間。 7.重複 5 與 6 的步驟數次,分別記錄變成無色的時間。 8.計算顏色褪去所需的時間於記錄表內。 四、實驗紀錄 班級:__________ 座號:__________ 姓名:__________________________ 操作次數 藍色褪成無色的時間 兩次變色的時間差 1 時 分 秒 分 秒 = 秒 2 時 分 秒 分 秒 = 秒 3 時 分 秒 分 秒 = 秒 4 時 分 秒 分 秒 = 秒 5 時 分 秒 分 秒 = 秒 五、問題與討論 1.試由A、B、C三瓶,藍色褪去所需的時間,推出哪兩個是反應物? 2.食鹽的過程中,溶液的顏色為什麼會變化? 教師手冊 一、前言 藍瓶實驗( Bluc bottle reaction 》 是 50 年代,在台灣的課程改革時自美國引進高中化學 CHEM study 教材中的一個演示實驗。其目的在於藉由魔術般的化學變化(註 1 ) ,在上化學第一節課時由教師演示,以引起學生對化學的好奇心與興趣。在七十年代,筆者之一(蕭)擔任台師大化學系主任,分別辦理過多次的高中化學教師與國中理化教師的研習會時,相當驚訝於竟沒有一位教師見過這個實驗。當時學校的實驗設備不佳與經費不足,導致甚少做實驗固為事實,但是升學壓力、命題的方式,反正不會考實驗,使得學生為考試而「背」化學的事實也不能忽視。,筆者曾致力於化學教育的改進,推動理化教師的演示實驗,甚至於期望有些化學實驗可以在一般的教室內安全實施(註二)。 本篇介紹筆者改進原來的藍瓶(搖搖樂)實驗(註3)為試劑的用量少、容器小,省時省事的小而美實驗,以符合綠色化學的重視環境,而且世和余學生在教室內,每人可以安全地動手親自操作的實驗,使學生能細心觀察化學變化,由化學反應速率推測反應物以及反應的起因。 二、溶液的配製 1.葡萄糖溶液 ( 2 % ) 稱取葡萄糖 20 克,溶於水後,調配成 1000 毫升。葡萄糖可用泡嬰兒牛奶用的葡萄糖即可。 2.氫氣化鈉( 2 % ) 稱取氫氣化鈉 20 克,溶於水後調配成 1000 毫升。 3.亞甲藍溶液( 0.2 % ) 稱取亞甲藍粉未0.2克,溶於水後調配成 100 毫升。 註: 1.配製溶液可用自來水,但最好用煮沸過的冷開水,一者可去除氯氣,二者溶液不易長霉 。 2.以上溶液均可裝於寶特瓶,要特別注意氫氧化鈉的瓶子,久置〈約三個月)2 % 的氫氧化鈉若使用礦泉水的寶特瓶時,寶特瓶有可能會被侵蝕導致溶液漏出。 3.溶解氫氧化鈉與葡萄糖,應使用玻璃棒攪拌,或搖動瓶子,切不可加熱,否則溶液呈黃色,無法變澄清的藍色。 4.要給學生動手做實驗,尤其要在一般教室內做實驗時,葡萄糖溶液與氫氣化鈉溶液要分裝於 30 毫升的塑膠點滴瓶,亞甲藍溶液要裝於 5 mL (如圖 2 )的點滴瓶,使用最方便。 三、容器 任何透明有蓋的瓶子或罐子均可。教師演示時可以使用平底燒版或酒瓶(如圖 3 ) 更會有魔術般的效果。學生用的瓶子例如市售裝仙草乾的小罐子〈 如圖 1 )也可以。 四、問題與討論 1.葡萄糖的濃度愈高,藍色褪去所需的時間愈短,由此可說反應物是亞甲藍與葡萄糖。 2.葡萄糖為還原糖,當溶液靜置時,葡萄糖將亞甲藍由藍色的氧化態慢慢還原成無色的還原態,搖盪時瓶內空氣中的氣溶於溶液中,又將亞甲藍由無色的還原態氧化成藍色的氣化態( 如圖 4 ) 由其結構式可以看出亞甲藍在氣化態時有共軛雙鍵,因此吸收光往長波長移動,導致呈現藍色。但在還原態時則無共軛雙鍵的存在。 五、教學 以下是筆者的小小教學心得,自認效果不錯,分享各位。 1.演示實驗 在上課之前先準備好藍瓶溶液帶至教室,此時瓶子因振動呈現藍色。上講台,首先舉起瓶子給學生看是藍色溶液,次將瓶子放置於講桌。當你板書或講話數分鐘後再看瓶子,藍色已消失,變成無色溶液。在學生驚訝之際搖動瓶子,溶液又變回藍色。 2.討論 問學生「振動瓶子,溶液為什麼會變成藍色」。學生的回答可能會有多種,曾有一例的回答是「因為搖動瓶子給了能量」3.做實驗解答問題 等藍色褪去後,筆者曾經用塑膠注射筒連結導管(見圖5)在無色的溶液中打入空氣,結果沒搖瓶子溶液仍然變藍色,學生見了這個現象後,就有學生說是因為空氣中的氣,起了氧化作用使被葡萄糖還原(葡萄糖是還原糖,具有還原能力)而變成無色的溶液被空氣中的氧,氧化回去。 4.再提問題 對此回答,筆者再提一個問題,不用注射筒,直接以喝飲料用的吸管吹氣,結果會如何?如此引起相當多的討論,以討論的方式解決問題對學生探究化學問題甚有助益。 5.結論 筆者就將討論的過程中所提的諸多問題做一結論,在黑板書寫: 板書後筆者說,亞甲藍屬於有機染劑,通常用於細菌染色之用,學生上生物課時曾經使用過。通常菌體多為無色,經亞甲藍染色後在載玻片上,有利於顯微鏡下檢視,在氣化還原反應滴定時則作為指示劑,並寫其結構式,讓學生想一想藍色褪去的原因以及推測無色X 要具備什麼結構(結構式請見前面的四、問題與討論),並問學生除了亞甲藍之外,還有哪些色素也會有類似的現象? 6.延伸中的實驗 色素番石紅( safranine O )不僅可替代亞甲藍,在同樣的濃度(葡萄糖與氫氣化鈉溶液)時,番石紅的褪色所需的時間較長。番石紅的結構式(見圖 6 )與亞甲藍的嗎一部分相似?是否也可以構成共軛雙鍵? 筆考曾經在中國化學會慶祝五十週年的活動中,演示亞甲藍與番石紅的混合液,其呈色與褪色除了藍與紅之外,不同深度的藍紫 與紅紫的顏色可連續變化,著實美觀。其方法如下:先照上述實驗配藍色的藍瓶實驗與紅色的藍瓶實驗各一瓶。再將這兩瓶的溶 液各倒出三分之一多一點於第三瓶。如此桌上就有三瓶,〈 一)藍色的、(二)藍紫色的、(三)紅色的藍瓶實驗。 參考資料 1.例如林愷玉「魔法森林」第 45 頁, 中國時報系 ,2005年 1 月出版〈 附演示錄影光碟片) 2.例如蕭次融「趣味科學實驗」第 4 頁 ,「理化教師的演示實驗」,科學研習,44 卷 4 期,國立台灣科學教育館,2005 年 6 月。 3.蕭次融「趣味理化實驗」第 54 頁「搖搖樂」, 台師大化學系, 1998 年 9 月。

糖的科學

糖的科學

文/ 張毓禎/嘉義市北興國小 林大陣/嘉義市大同國小 「糖」是現代民生重要的調味品之一,而且各式各樣「糖」的種類和製品更是琳瑯滿目,例如:白糖、紅糖、果糖及糖葫蘆等(如圖 1 、 2 )。由台灣的文史資料中,可以遠溯及元朝時代,就曾經有 『 釀蔗漿為酒 』 的記載,在十七世紀初荷蘭人統治台灣時,便開始獎勵種蔗製糖,直到日據時期,開始設置製糖株式會社並附設酒精製造廠。 1970 年代台灣的製糖業達到了最顛峰,為國內賺取大量的外匯, 1980 年代台灣由農業社會邁進了工業社會,使得台灣製糖業不敷成本,只好轉而仰賴進口蔗糖。 一般市而所販售的白糖,就是學術上的「蔗精」甘蔗裹才能提製出來上的差異性,但是,蔗糖並不一定要從甘蔗裡才能提製出來,世界各地由於緯度和氣候上的差異性,製造蔗精的原料在熱帶和亞熱帶地區以甘蔗為主,溫帶地區則是以耐乾燥和寒冷的甜菜(又稱為糖蘿蔔)為材料。甘蔗和甜菜所蘊藏的蔗糖是怎麼形成的?其實並不是只有甘蔗和甜菜才會產生蔗糖,只要是會進行光合作用的陸生植物均可以產生蔗糖,因為植物進行光合作用時,葉片會吸收太陽光和二氣化碳並利用根部所吸收的水分,經過一連串的反應最後會產生葡萄糖和氧氣並合成水分,而且二份葡萄糖在酵素的協助下便可以合成一份蔗糖,有些植物還會將蔗糖再合成澱粉。甘蔗和甜菜所蘊藏的蔗糖量較一般植物高,而且較容易製作取得蔗糖,遂被選為製糖原料。 台灣的氣候屬於亞熱帶季風區,全年高溫多雨適合種植甘蔗,目前所生產的甘蔗主要有供搾汁用的巴西蔗(俗稱白甘蔗)、供直接啃食的生食紅甘蔗(俗稱紅甘蔗)及糖用甘蔗等三大類( 如圖 3 ~ 5 ) ,巴西蔗的水分含量高、蔗糖的濃度低,生食紅甘蔗的纖維較少、精分及水分適中,仍然不符合製糖成本。糖用甘蔗的蔗糖濃度高、水分含量較少,所以最適合製造蔗糖,由於本身纖維含量高不容易咬斷,不適合推廣用來直接啃食。在塑膠製品尚未量產以前,精用甘蔗製糖剩下的蔗渣纖維是製造隔熱蔗板和造紙的主要原料,具有多方面的經濟價值,但是,目前都已經被低成本原料所取代了。 甘蔗在植物的分類上屬禾本科單子葉草本植物,植物體主要是由根、莖、葉所組成,由於田間種植大多採用扦插方式,所以甘蔗植株靠近土壤的莖,會長出許多不定根( 如圖 6 ) ,莖則由節與節間及纖維化的外皮所組成,節所在的位置具有生長點可以長出側芽( 如圖 7 ) ,除非是要育種,否則田間種植的甘蔗大多會去除側芽,以便減少養分的分散。節間則是由一群散生狀的維管束和具有貯存能力的薄壁細胞所組成(如圖 8 )。纖維化的外皮可以作為支撐植物體之用。 葉子則是由葉鞘和具有平行脈的葉片所組成( 如圖 9 ) ,頂端葉鞘所包圍的正中心則是俗稱「甘蔗筍」的頂芽(如圖 10 )。以整棵甘蔗植株的總面積而言,葉子所佔的比例最高,依據科學家研究結果發現,甘蔗光合作用的效率相當高,甚至比熱帶雨林的平均光合作用能力還要高,對於空氣淨化的貢獻良多 。 台灣的甘蔗種植則可以區分成秋植、春植和宿根等三種,至少須經一年至一年半的生長期後,才能夠加以採收利用,通常糖用甘蔗會選擇在每年十一月下旬進入少雨季節時採收,由於莖內水分減少使得蔗糖濃度升高可以減少製糖成本。 由於甘蔗是我國農業社會重要的經濟作物之一,所以甘蔗的選種和育種遂成為早期生物技術發展的重點工作。甘蔗育種家利用現有的甘蔗基因,進行植株間的雜交及回交,篩選出符合我們需要的品種,收集的種原越豐富,育種成功的機會就越大。國內的生食甘蔗以拔地拉( Badila )品系為,原產於新幾內亞,經農業研究機構的改良,目前則是以埔里種(如圖 4 )和台中一號為市場主流。至於糖用甘蔗則是改良後的品種,其血緣包含有新幾內亞的高貴蔗、細莖野生蔗、以及印度蔗,具多樣化的遺傳基因,目前則是以臺蔗十號 ( ROC10 )改良而成臺蔗十六號 ( ROC16 )為主要栽培種。但是,優良品種在某一地區利用無性生殖種植數年之後,基因的表現會有退化的情形,加上病原菌發生變異或遭受新的病蟲害侵襲,也可能是甘蔗本身發生了突變,使品種的生產能力逐漸衰退,因此必須不斷尋找新的種原來育成新品種。近年來由於生物技術的進步,採用莖頂的分生組織進行組織培養,分離出無病毒的健康甘蔗種苗,提供民問種植利用。至於甘蔗的選種,在年長的蔗農間仍然流傅著「甘蔗梢的頭部生長旺盛、葉片開展姿態優美、葉片無病斑且糖分高,植株不高不矮、太高易傾倒不利機械採收、太矮則無產量、太粗太細都不好,分蘗的莖數多、蔗莖充實沒有空心及海綿狀的蒲心、抗風不易倒伏,葉鞘的毛群要少及枯葉能夠向動脫落」等外觀特徵的判斷方式。蔗糖除了是居家常用的調味品外,也是中醫醫療上重要的藥材,具有補血、益氣、促進血液循環、活血舒筋、健脾胃、化淤生新等功用,屬於味甘溫和良藥,留日是,過量的甜食容易造成肥胖,攝取過多的執分也會使正餐時食慾不振,導致營養不均衡,影響生長發育。 粗製的黑糖俗稱為紅糖,除了含有精類與氨基酸外,還包含多量礦物質,如鈣、磷、鐵、鉀、鈉與維生素群中的維生素 B1 、 B2 和菸鹼酸及助消化蔗糖酵素等。 台灣的製糖方式有台糖公司的機械化製糖與民間製糖,在製糖的過程中涵蓋了許多有趣的物理與化學原理。首先介紹台糖公司的製糖流程:甘蔗採收 → 切段 → 壓搾 → 蔗汁收集 → 清淨 → 脫色,濃縮 → 結晶 → 分蜜 → 多次再結晶與分蜜 → 收集與乾燥 → 包裝。整個流程都是以機械化完成,在精密儀器控制下 10 公斤的甘蔗約可產製 1 公斤砂糖。傳統的民間製糖沒有精密的儀器只能依賴經驗人工來製作,所以只能達到粗製糖析出,無法達到精製糖的結晶,製作的過程為:甘蔗採收 → 壓搾 → 蔗汁收集 → 過濾殘渣 → 煮糖 → 糖膏形成 → 攪拌冷卻(炒糖)→ 添加調味品 → 結塊 → 收集與乾燥 → 包裝。 台糖公司製糖的過程中常會利用石灰法(加入石灰)、碳酸法(加入二氣碳)與亞硫酸法(加入二氧化硫)來進行蔗汁中雜質的去除,並取得所需要的蔗糖種類,由於甘蔗原汁為酸性,所以會先加入鹼性的石灰進行酸鹼中和,然後煮沸放入沉澱槽靜置,讓懸浮不純的物質沉澱至液體之底部,沉澱後的蔗汁導入二氣化硫氣值進行脫色形成硫酸鹽,接著再導入二氣化碳直到飽和,此時會產生大量溶解度甚差的碳酸鈣粒子,這些碳酸鈣粒子恰好可以吸附膠體、色素及其他非糖分顆粒產生沉澱,達到降低結晶的蔗精顏色和提高清汁純度的作用。淨化與脫色過的蔗汁送至蒸發罐,利用真空減壓來加速蒸發的方式,來進行濃縮蔗汁,然後再送至結晶罐中煮糖,讓水分持續蒸發,使得結晶析出,並抽驗檢視養晶情形,此時產生的晶體會和濃縮的蔗汁混合在一起,然後再採用離心方式進行分蜜,將蔗糖晶體分離出來。若是得到的糖晶體不合乎商業標準,則必須重新溶解製作或是充當糖種讓蔗糖作為析出的主體,繼續重複結晶與分蜜過程,直到合乎大小標準的晶體出現為止,由於剛收集到的蔗糖晶體會含有水份,包括表面附著的水、葡萄糖結合產生的水以及結晶顆粒間的游離水,必須加以乾燥才不會潮解。在不同的製造階段可得到顏色、顆粒大小和純度不同的糖顆粒,若是使用碳酸法可以得到台糖特砂(俗稱白糖),利用石灰法可以得到台糖二砂(俗稱紅糖),這兩種糖還可以送到精煉糖廠再加以純化就可形成精煉特砂、精煉細砂及二砂。 民間製糖則是採用經驗相傳,並沒有詳細的文獻紀錄,以大阿里山國家風景區的太和、瑞里和豐山地區製糖為例,每年春天在雨季來臨之前,當地居民則開始採收製糖甘蔗,山區間的甘蔗栽種以臺蔗十號為主,利用宿根保留的粗耕方式種植,很容易被誤以為是在種植牧草或是雜生的芒草,採收的甘蔗會先進行搾汁的工作( 如圖 11 ) ,收集的蔗汁則直接放入大鍋中煮沸,沸騰過程中雜質會混合泡沫浮於蔗汁表面,利用濾網進行撈除( 如圖 12 ) ,水分一直加熱蒸發增高蔗糖的濃度,由於持續加熱,無法像台糖公司的製糖方式控制在恆溫狀態中進行,所以濃縮的蔗汁便會轉換成糖膏(如圖 13 )而非蔗糖晶體的析出,此時便是製糖成功與否的關鍵,如果加熱過快就會產生大量的焦糖或是碳化現象,使得製糖的品質下降,加上製糖過程並未進行脫色,蔗汁的顏色會逐漸加深後就會使用鍋鏟,將少許糖膏翻轉測試黏裯程度( 如圖 14 ) ,合乎黏稠要求時,就必須立即熄火,並且將鍋子栘至炒糖的架子上,不斷地利用鍋鏟翻動糖膏降溫,此時也可以拌入調味料來增添口味,持續翻動糖膏直到快要凝固時,再迅速地將糖膏倒入模型中凝固( 如圖 15 ) ,待凝固後,再利用特製的刀子將糖切塊(如圖16 ) ,就可以進行俗稱黑糖的包裝工作,以此方式生產的糖類屬於含蜜糖。含蜜糖要再更高的過飽和狀態下,以擾動起晶的方式,瞬間產生大量的晶核,然後再利用晶核產生過程中所放出的熱量,將水分蒸乾,所以產生的晶粒微小較不規則並且會團聚成塊狀,由於糖蜜和結晶未經離心分離,甘蔗汁中的雜質、氣味、營養成分也都保留在糖中(如圖 17 )。 除了上述的製糖方法外,尚有一種蔗糖濃度很高的糖類它就叫─冰糖,古代的冰糖因為沒有現代化的設備,為當時所能得到最純的結晶糖,製作方法則是採用高濃度的蔗糖溶液充當原料,經過長時間靜置蒸發,自然形成的結晶,為了能讓結晶長大,通常會利用一條棉線懸空,其下端浸泡在飽和的糖水中讓冰糖逐漸結晶和附著(俗稱為養糖)(如圖 18 )。因此冰糖是長時間結晶所換來晶粒更大、純度更高的糖結晶,純度上幾乎和砂糖相同,最大的差異在 於晶粒大小。 糖的製造過程-除了許多物理和化學學原理外,也包含了許多植物的特殊性質。由於現今社會環保意識的抬頭及資源重複利用的理念,製糖過程也盡量減少廢棄物的產生,台糖公司製糖機械首需為動力,會先將去年保留的部分蔗渣充當鍋爐燃料(如圖19)產生大量的高壓蒸氣來推動發電機發電,而搾汁產生的新鮮蔗渣可以繼續充當燃料,持續進行發電,發電後已經降溫的蒸氣,再做為製糖時清淨、濃縮及結晶所需要的能源。過濾及清淨階段所產生的廢料就充當發酵肥料,至於民間製糖所產生的廢棄物則是直接送至田園做為堆肥〈 如圖 20 )。 近年來由於化石能源逐漸短缺,而且燃燒會造成空氣污染,生質能的開發已經刻不容緩的議題。在巴西,很早就發展出以甘蔗汁利用酵母菌發酵來生產酒精,並把酒精加入汽油中使用,不僅可以減少汽油的消耗,又可增加燃燒效率,高效率的光合作用可以提升空氣品質,所以甘蔗的種植和利用,即將再進入新的里程。

鋁金屬的兩性

鋁金屬的兩性

文/吳錱俞、蕭次融 大學入學考試中心 原理 鋁是地球上存量最豐富的金屬元素,由於其質輕(密度小),常以合金的形態廣用於航空器材。在化學上,鋁屬於兩性金屬元素,本活動演示其與氫氧化鈉溶液的反應。在量筒內使鋁箔與氫氣化鈉溶液作用以產生氫,並點燃量筒內的氣體,以說明所產生的氣體是氫氣。鋁之所以為兩性,例如金屬的鋁與酸作用,即產生氫氣: 但金屬鋁也能與鹼作用,同樣產生氫氣,例如: 因此鋁可說是屬於兩性元素,而鋁的氧化物,其性質類似「類金屬氧化物」具有成酸性或成鹼性的性質。鋁的氧化物不太溶於水,但可溶於強酸或強鹼中,呈現兩性的反應,其反應式如下: 器材 NaOH(3M)...5mL 量筒(50mL)...一個 鋁箔(取自口香糖)...一片 HC1(3M)...10mL 打火機...一個 蠟燭...一支 步驟 1.取包裝口香糖的鋁箔紙一張,先用火(使用打火機最方便)把襯裡的薄紙燒掉,即得一小張鋁箔。要完全燒掉攤裡的薄紙需要一點技巧,要把握火焰是往上升的,而鋁是熱的良導體(見照片一的各步驟與其說明)。 照片1、用火燒掉襯裡的薄紙 2.以50m L 量筒取3M NaOH約5m L。 3.將鋁箔揉搓成一小球備用。(見照片2-2) 。 照片2、鋁箔與氫氧化鈉的反應(準備) 4.將鋁箔小球放入量筒內,即見其浮於氫氣化鈉的溶液上面(見照片 2-3)。起先似無任何反應,但約過兩三分鐘後,即見鋁箔小球表面附著小氣泡。 5.用手觸摸量筒盛有氫氧化鈉溶液的部分,即覺溶液溫熱。之後,反應逐漸加快,量筒內有白煙(見照片3-1) ,並可聽到量筒內發出斯斯音,量筒口冒出的白煙是水蒸氣。 照片3、用蠟燭點火 6.點燃一支蠟燭,火焰移至量筒口(見照片 3-2 ) ,即聞「撲休」一聲,並見筒內火焰晃晃。(若改用打火機的火焰以取代蠟燭的火焰,見照片 4 -l ,在連續點火時,會更方便。) 照片4、用打火機點火 7.用濕抹布蓋住量筒口(見照片 3-3 與 4-2 ) ,火焰即熄被再點燃,如此可反覆點燃數次。(注意:操作步驟 6 與 7 時,必須一手壓住量筒的底部,以免量筒傾倒破裂,見照片 3-2 與 3-3 ) 8.冷後在量筒內慢慢滴入 3M HC1約5mL(見照片5-2),溶液呈現白色膠狀物。 9.重複步驟1-6或 7 ,但以3M HC1 5mL替代 NaOH,比較兩者的差異。 照片5、點燃後的處理 備註 本實驗可觀察到: 1.鋁為兩性金屬,與酸或鹼性溶液作用,同樣可得氫,其反應如反應式( l )與〈 2 )。 2.放熱反應累積了所產生的熱,反應溫度提高了,加速了反應。 3.晃晃的火焰諛明了反應所產生的氣體是可燃的氫。 4.所產生的鋁化何物在鹼性溶液可溶為AI(OH0)4¯或寫成AI(OH)4(H2O)2¯見教師手冊的圖1;加了鹽酸,就中和了部份的鹼後即成膠狀物,可能是AI(OH)3(S)。 問題 1.為什麼用火燒過的口香糖鋁箔,與氫氧化鈉溶液反應時,開始很慢,約兩三分鐘後,反應即變成相當劇烈? 2.設計簡單的實驗以支持你對問題1的答案。 教師手冊 鋁是離子化傾向相當大的金屬,因此容易與酸作用產生氫而溶解。鋁與鹽酸或稀硫酸反應的反應式如下: 但與熱濃硫酸作用,則因濃硫酸具有氧化性,不會產生氫,而產生二氧化硫: 鋁若長久曝露於空氣中,則在其表面會產生很薄的氣化膜。這種氣化膜相當堅牢,不易為酸或鹼所浸蝕,因此將鋁片放入酸或鹼中,要其反應需要一段時問。至於鋁與氫氧化鈉水溶液的反應式,一般都將其簡化而寫成: 但正確的反應式應該如式(9 ),所生成的錯離子成為鋁酸離子(如圖1)而溶於水如式(10 ) : 圖一鋁酸錯離子 其實不僅鋁,其他兩性金屬如鋅、錫等與鹼作用,也各成為其錯離子(類似圖1) ,而溶於水。 補充說明 一、溶液的配製 1.取氫氧化鈉固體 12 克溶於水,配成 100 毫升,即得約 3M 的 Na0H 溶液。2.取濃鹽酸 25 毫升溶於水,配成 100 毫升,即得約 3M 的 Hcl 溶液。 二、量筒 最好使用透明的塑膠製 50 毫升的量筒。若無量筒,則用 50 毫升的錐形瓶也可以。 三、點火 用蠟燭可以在量筒口點燃反應所產生的氫氣,但容易被吸進量筒內的火焰吹熄。因此若要連續點火,則改用打火機較為理想。點火時必須要注意,一定要用一隻手壓住量筒的底部,因為氫氣一著火,不僅發出聲音「撲休」,而且火焰會被吸入量筒內,相當壯觀,學生容易驚嚇而打翻量筒。若欲蓋住量簡口以熄滅火焰,以便連續點火時,更容易激動而打翻量筒。一般地說,氫在空氣中燃燒時,會發出淡淡的火焰而產生水。若在氫與氧的體積比,2比l的混合氣體(爆鳴氣)點火,即發出劇烈的爆鳴聲,因此不可不特別注意。若使用錐形瓶,則火焰比較容易在瓶內繼續燃燒,終至瓶內缺氧而熄滅。 四、鋁箔 口香糖的鋁箔一張大小為 4.6cm × 9.0cm ,而重約 0.077 克〈 以 10 張稱重,得 0.770 克)。一般家庭用的鋁箔同樣剪成 4.6cm × 9.0cm ,則重約為 0.154 克(以 10 張稱重,得 1.542 克),是包口香精的鋁箔單張的2倍。因此一張回收的包口香糖的小小鋁箔紙,若完全反應,則在常溫常壓約可產生 100 毫升的氫氣。筆者曾經連續點火,一張小小鋁箔所產生的氫氣,共點了七次,因此真的不可小看回收的一張小小鋁箔。 五、參考解答 1.原因至少有二: (1)用火燒過的鋁箔,其表面會有一層氫化鋁的薄膜,隔絕了鋁與氫氫化鈉溶液的接觸,而阻擋了反應,但薄膜浸泡於氫氧化鈉溶液一段時間後,薄膜即被浸蝕而反應加快。 (2)鋁與氫氧化鈉的反應是放熱反應,因此反應的進行會累積熱量,亦即會因這些熱量提高了反應溫度,加速了反應。 2.針對問題 1 的回答,可以做下列兩個實驗: (1)用兩個量筒,除了一個用火燒過的鋁箔,另一個用帶有薄紙的鋁箔〈但事先浸泡於水)外,在相同的條件下,同時做實驗比較。 (2)用兩個量筒,除了一個量筒浸泡於水中,另一個量筒底部約 10 毫升刻度的部分用封箱膠帶包住外,在相同的條件下,同時做實驗比較。

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生物體內的化學反應-沉浮的葉子小艇

生物體內的化學反應-沉浮的葉子小艇

文 吳沛穎 /桃園市私立新興國際中小學教師 以往學生面對光合與呼吸作用時僅以片段的方式記憶,忽略了這些化學反應在細胞中扮演的角色與關係,因此在具體操作中引導學生整合科學概念,將零散的陳述記憶轉化成知識架構,從寫作中洞見學生看待世界的視野,從回饋中發掘教學的價值。 學生生活經驗與知識結構的阻礙 光合作用與呼吸作用為國中生物重要之概念,卻是生物科學中常造成學習困難的主題之一,主要原因在於學生對於「植物行光合作用的原料」、「消耗及產生的氣體」和「植物與能量之間的關係」等概念不清楚。以兩概念為例,依國中生物課文文本第二章說明動植物細胞胞器的功能,學生得知葉綠體可行光合作用,而粒線體可利用呼吸作用將養分轉換成能量,並了解細胞是生物體構造和功能的基本單位,不過到了第三章的養分獲取時卻缺乏將概念整合成知識系統的能力,學生須由文本隱含的邏輯關係推演出概念之間的關聯,對部分學生會造成理解上的困擾。再加上學生可能從日常經驗、錯誤的類比或與生俱來的理解方式學習,這些經驗建構出的概念若與學校正式課程知識發生衝突時,將會影響學生學習新知,造成學習困難。 圖1.學生概念衝突成因示意圖。(以邱美虹教授文字修改製作,2000。) 筆者發現國中階段的學生常見的光合、呼吸作用另有概念有: (1)綠色植物的光合作用只發生在白天; (2)呼吸作用不會發生在有光照射的時候; (3)當綠色植物沒有光能,停止進行光合作用時,它們還是持續呼吸和散發氧氣。 這部分的結論與Treagust在1995年發表的結論部分雷同,因此可知,學生要改變自己原有的科學概念,其過程中是相當困難的,因為科學概念常是抽象、複雜,且與生活經驗不同。 十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要中提到國中階段課程需由具體操作切入後,引進抽象思考連結具體操作。筆者以呼吸作用作為起始進行跨概念整合,引導學生了解生物呼吸作用產生的氣體可作為光合作用原料,初步建構碳循環概念。藉由科學文本提供學生對於光合作用的初步概念,從中歸納出影響光合作用速率的變因並著手進行實驗,最後根據實驗結果與問題討論反思整個實驗流程,撰寫成科學報告。期盼透過此課程促進國中學生學習興趣,以提升科學素養與學習成效。 教學目標與流程 為求切合學生學習需求,教案設計必須針對學生先備知識著手規劃。在國中七年級的課程中,教學目標著重於使學生了解光合作用及呼吸作用進行時所需的反應物與產物。實驗的安排企圖讓學生從觀察中初步形成科學概念,並能利用產物推測反應是否進行。藉由實作的活動,培養學生科學探究與問題解決的方法與能力。最後引導學生認識科學寫作方式,並嘗試撰寫實驗報告。 筆者針對國中生物概念進行整合,設計出光合作用與呼吸作用之探究型課程模組實驗,搭配分組合作之教學策略,並以各組任務提供學習情境,茲將模組設計步驟進一步說明如下: 一、 呼吸作用-使用石灰水證明人吐出之氣體具有二氧化碳 以七年級生物第六章章節實驗活動觀察人體呼出之氣體是否內含二氧化碳,教師先行說明石灰水混濁之化學反應,接著請學生操作實驗並點明實驗觀察要領。 二、 光合作用科學閱讀-討論影響光合作用之因素並設計實驗組/對照組 課程設計之初期望培養學生科學閱讀能力,故分組策略上採 JigsawⅡ拼圖法二代合作學習模式分派學習任務,分成合作小組及專家小組。拼圖法二代是由原始拼圖法結合其他小組學習方法所發展出來的(黃政傑、林佩璇,1996),其主要差別在於拼圖法中每位專家部分都是一個獨立而完整的單元,而拼圖法二代則整合這些獨立單元,並增加在合作小組與專家小組中的閱讀時間。詳細實施步驟如下: (一)、 合作小組: 小組人數建議4~6員,依序分配組員職務,如組長、紀錄員、資料員、風紀員等,並請資料員上台拿取任務袋。任務袋中有4~6項子任務(依小組人數而定),待組員分配完子任務後,先留在合作小組閱讀教材,教師需提醒學生留意關於自己子任務的資訊。 (二)、 專家小組: 閱讀完資料後,將相同子任務之組員分派至專家小組中,各專家任務即為深入探究自己負責的主題,此時教師巡視各組並適時介入,筆者建議教師可入坐於學生組內聆聽。本次課程使用之閱讀文本(子任務) 包含:葉片結構基本介紹、水生及陸生植物、英吉曼水綿實驗、不同生長環境 C3 植物、不同生長環境 C4 植物、不同生長環境 CAM 植物。每一子任務皆有學習單須完成。 (三)、 原合作小組分享: 教師給予學習單,學生將於專家小組中討論出的內容與原小組分享,使原合作組別內夥伴都能獲得討論重點,並回答學習單問題。在此學習單的問題設計需呼應下一教學流程,以便學生能夠整合出影響光合作用的變因。 (四)、 發表光合實驗影響變因: 教師引導學生根據討論內容羅列影響光合作用實驗之變因,並上台發表。在此課程中學生討論出的變因如下:二氧化碳對光合作用的影響(加入二氧化碳與否、吐氣之量)、不同物種葉片(植物種類、厚薄、重量)。 三、 沉浮小艇-根據實驗設計進行操作,分析實驗數據撰寫實驗報告 (一)、 全班授課提問: 以「如何證明植物曾發生光合作用」問句,引導學生歸納出驗證方法可視產物是否產生作為依據。在課文中已使學生得知植物產生之養分除直接供給植物使用之外,亦會經由酵素轉化為澱粉形式儲存,並可利用碘液測試。 (二)、 操作實驗: 實驗器材如圖2,包含:燈源、葉片、培養皿、50ml針筒、打洞器及吸管,可根據學生選擇之變因調整實驗材料,此實驗操作步驟引用自阿簡生物筆記之實驗流程,如圖三所示。 圖2.沉浮小艇實驗器材 圖3-1沉浮小艇實驗步驟1:使用打孔器打出葉錠,投入20ml 水中。拿著吸管對水裡吹氣,將含二氧化碳的水倒入針筒內。 圖3-2沉浮小艇實驗步驟2:把葉錠裝在針筒裡抽真空。 圖3-3沉浮小艇實驗步驟3:用手指頭壓住針筒出口,活塞往後拉數秒,重複數次,直到葉錠都沉入水底。 圖3-4沉浮小艇實驗步驟4:把兩組裝置都放在光源下照光,計算半數葉錠浮起時間。 (三)、 分析實驗數據並討論: 教師提供兩份實驗報告作為對比,請學生找出相異處,如圖4,從差異處帶領全班整理實驗報告架構,並將此架構作為評分依據。 圖4.分析實驗報告示意圖 (四)、 各組發表: 教師根據各組實驗討論進行評析。 四、 科學寫作 學生實驗報告課程結束後,學生根據實驗撰寫架構整理出組別報告,並各自回答問題討論,方式不拘,如圖5所示。 圖5.學生科學報告寫作範例 求新求變-活動過程中遇到的問題 本課程經筆者實際於校內生物實施探究課程,利用4堂課約180分鐘的時間,初步引導學生建構碳循環概念,並藉由科學文本歸納出影響光合作用速率的變因並著手進行實驗,反思流程後撰寫科學報告。在授課過程中發現學生提出之議題與課程遭遇之困難,以下提供筆者的觀察: 1. 即使呼吸作用產物檢測較偏向食譜式實驗,學生仍會糾結於石灰水量、導管方向或呼氣次數,建議以反問方式讓學生思考實驗的可能性,並比較不同的變因下與他組的應變變因是否不同。 2. 在進行合作教學分組時,筆者建議實施分組必須加強任務連結,以學習任務為導向設計合作學習單,避免學生未能確實針對主題討論,或討論內容脫離學習概念。 3. 學生進行討論時為避免偏離主題,或無法及時切入核心概念,教師可入桌觀察與討論,適時調整討論節奏與方向。 4. 操作沈浮小艇實驗時僅少數小組的葉錠成功浮起,建議即使實驗失敗,亦可引導學生在實驗結束後討論出幾個可能因子,例如:葉片種類、打洞時間與面積大小、溶液比例、光源種類(本實驗使用鹵素燈,亮度高且光源集中,唯易發熱)、自身操作手法不熟練等,可進一步根據因子設計實驗,增加學生與學習概念的互動,延伸實驗廣度及深度。 5. 雖然學生在傳統講述及紙筆測驗中能正確回答科學概念,但從實驗報告的論述裡仍會發現迷思。例如在科學方法單元學生曾學到設計實驗時需將組別分為實驗組與對照組,兩組之間只能存在一操作變因,但從實驗報告中依舊能發現,若請學生針對一假設設計實驗時會出現一個以上的操作變因;抑或是針對問題提出之討論未全盤設想,如圖6所示。筆者以實驗結果進行反問,企圖使學生產生認知衝突,引發內在動力思索並解決問題。 圖6.科學論述迷思概念範例 結語 進行完探究教學後,筆者嘗試探討課程實施前後的學習成效,以不同班級之段考成績作為指標發現班級間無明顯差異,但若將其科學寫作的敘述進行比較可發現不但內容豐富多元,且能以科學性的字眼描述。這也更加證實實行探究教學必須搭配適宜的評量工具,藉由多元、實作評量來檢視學習成效。寫作內容不僅可用以檢視學生科學概念的準確度,也可以分析其論證推理的品質(Champagne & Kuoba, 2005)。因此本課程以科學寫作進行概念統合,梳理探究實驗中的脈絡,並從學生文章中修正教學,體現「從寫作中洞見學生看待世界的視野,從回饋中發掘教學的價值」之真正意涵。 參考文獻 1. Champagne, A. B., & Kouba, V. L. (2005). Writing to inquire: Written products as performance measures. In J. J. Mintzes, J. H. Wandersee, & J. D. Novak (Eds.), Assessing science understanding: A human constructivist view. Burlington, MA: Elsevier Academic Press. 2. Tregust, D. F. (1995). Diagnostic Assessment of Students’ Science Knowledge. Mahwah: New Jersey. 3. 邱美虹(2000)。概念改變研究的省思與啟示。科學教育學刊,8(1),1-34。 4. 黃政傑、林佩璇(1996)。合作學習。台北:五南。 5. 簡志祥(2011)。用浮沈葉錠測量光合作用和呼吸作用。阿簡的生物筆記。2018 年 4 月 7 日,取自 http://a-chien.blogspot.tw/2011/10/blog-post_6314.html。 6. 國家教育研究院(2014)。十二年國民基本教育課程綱要。取自 http://www.fssh.khc.edu.tw/UpLoadFiles/E2AEA34.pdf。

智慧型科技與行動學習:以手機APP為例

智慧型科技與行動學習:以手機APP為例

文/賈至達 2007年蘋果公司製造了iPhone手機,人們從創辦人賈伯斯(Steve Jobs)的手中,看到了一個電話嶄新的應用,這十年多來基於人類的需求,漸漸的讓智慧型科技產品更加的成熟了,並與人類生活更加貼近,例如iPhone、iPad、安卓手機和平板!從日常生活的便利性、訊息的快速傳遞、工作的有效管理等等的需要,手機和平板相關科技發展與人類需求結合愈加緊密,在逐漸演化的過程中,智慧型手機和平板功能隨著科技演變而迅速增強,使得許多生活應用、訊息傳播和工作需求的APP如雨後春筍般的成長,進一步促使智慧型手機、平板功能越來越「好用」、越來越「聰明」、越來越有「智慧」,最終變成手邊不可或缺的裝置;不僅人手一支,而且還逐漸拓展到人類學習的綜合應用,如食、衣、住、行、育樂,幾乎從個人生活起居到金錢管理等事物都有智慧型科技的影子。 不容否認,近年來智慧型科技對於人類社會行為模式造成極巨大的改變,並且漸漸地影響到學校教育,促使許多人對於老師教學和學生學習方面開始有了新的發想,因此「行動學習」一詞應運而生!如何利用智慧型科技進行「行動學習」成為一個創新學習的新興領域,尤其是近年來更廣泛地應用在科學的研究、教學與學生學習上。在Google Play和Apple Store所提供教學應用的APPs可以用「成長快速、發展多元」來形容。許多老師對於Moodle的開放課程網路系統並不陌生,他們也發展出一系列Moodle相關的APPs,讓老師和學生可以隨時進行學習。另外還有一個Moodle相似的課堂管理系統,稱為Teachers App (Attendance App),最近才在Google Play上推出,可以免費使用一個月,也是推廣行動學習幫手之一。2017年新加坡舉辦了強調「行動學習」的21世紀物理教學研討會,並整理成冊,如參考資料1。在參考資料1中,討論蠻多教學和學習相關的APPs,還有製作的想法、作法和目的。教學創新概念促使這一類型的APPs數目成長快速,但是也因為教學和學習使用APPs的主觀與客觀環境還在演化,確實在教學實施上還有很多需要討論和改進的地方。主觀環境如學校、教室設施;客觀環境如老師、學生、社會大眾、家長和教育行政體系的認知,都有很多地方需要好好思考。 本文是以智慧型手機的APP為主軸,討論智慧型科技在「行動學習」應用,以及在科學學習的幾個面向。目前行動學習還在快速的發展中,並不容易做出適當歸類,但是本文仍嘗試著分類以利於說明,而在舉例時,盡量以Android和iOS兩系統都有的APPs為準。內文概略分為幾個段落討論:首先是APP簡易的分類,以及如何應用於教學、實作和應用於「行動學習」方面的介紹;接著以手機中的壓力計作為一個例子,討論APP可以進行的實驗,討論實地進行大氣壓力測量的實例,提供讀者一些想法,讓讀者可以構思智慧型裝置可能的教學設計,和即時且實用的進行觀察和測量數據,進而讓讀者有多面向的思考;希望在無限寬廣的想像中,可以有許多教學與自我學習、以及生活中應用的APPs產生,同時讓科學教學與學習相關的團體或是個人,可以更方便使用。本文最後討論使用APPs教學與學習過程中可能的優缺點;如討論應用APP於課堂的教學時,可能有的一些正面與負面的影響等;作為本文的一個總結。 本書作者沃克(Robert Wolke, 1928-)是美國匹茲堡大學(University of Pittsburgh)榮譽化學教授,曾為《華盛頓郵報》(The Washington Post)撰寫「美食101」專欄(Food 101),長達10年,而且是多本暢銷科普書籍的作者。沃克曾獲得詹姆斯比爾德基金會(James Beard Foundation)最佳報紙專欄獎,以及國際烹飪專業人員協會博特葛林獎(International Association of Culinary Professionals ' Bert Greene Award)的最佳報紙飲食寫作獎。本書彙整了沃克回答餐廳大廚和《華盛頓郵報》專欄裡讀者詢問的一百多個問題,每一個問答單元都是獨立的,不需具備深奧的科學概念就能閱讀,有些主題是相互關連,有助於增進讀者的理解。 手機APP應用於科學教學的面向討論 目前的手機體積小,因此隨身攜帶很方便,又有一定記憶能量,可以儲存不少資料,例如照片或3D圖片相關APP、書籍相關APP(eBook)、數值計算APP、文書處理相關APP等,這許多功能和一般電腦文書和資料處理功能相似,並不能說是很具創新力的部分,但是它的方便性的確是一般電腦或筆記型電腦可及。另一方面普通手機最基本配置有光學鏡頭、微型麥克風和喇叭,因此可以錄音、錄影和播放,故有測量光強度相關的APP、影音播放相關APP、頻率產生器APP等,尤其是手機的這些裝置,經由手持可以進行相當多元的應用,相較傳統的電腦或是筆記型電腦好用許多。最近因為網路的發達,智慧型裝置也開啟搭配雲端系統的應用,利用雲端數據和人工智慧進行比對與辨識、利用雲端計算較複雜的數學問題等功能,讓其效能更加升級,例如植物辨識、食材的辨識、解方程式和微分方程式與方程式繪圖等APP,相當方便於教學時使用,如形色APP、PlantSnap、SCIO、Photomath、Desmos Graphing Calculator、Differential equations Steps在教學上十分好用。目前智慧型手機和較高階智慧型產品,也配置加速計(Accelerometer)、陀螺儀(Gyroscope)、衛星定位(GPS)、環境光偵測計(Ambient Light Sensor)、磁場強度計(Magnetometer)、近距偵測器(Proximity Sensor)、氣壓計(Barometer)等等(見參考資料2),甚至有外接測量裝置等,更是讓智慧型裝置可以用於許多物理量的測量,讓「行動學習」變成一個人、一群人隨時隨地可以進行測量、即時比對和學習的裝置,更刺激了「行動學習」在各方面的成長。以下僅就目前可以應用於科學教學與學習的APP進行簡易分類,並舉實例作說明: 一、以科學知識資料庫方式呈現的教學和學習APP 科學資料庫的形式多半是以科學書籍和研究期刊論文等方式呈現。以書籍(eBook)形式出現的APP相當多,只要在Google Play和Apple Store的搜尋中鍵入Physics、Chemistry、Biology、Geo-Science等中英文相關字詞,就可以查詢到,中英文相關資料都相當的多。以下舉出兩個例子,提供參考。 1. 首先是以全球三大出版商之一的Elsevier為例 他們有一項針對化學研究教學的付費服務稱之為”Reaxys”,其設立宗旨是為了協助研究人員、教授和學生找尋化學文獻和數據的一種快速服務,以及相關問題的諮詢,同時也兼顧工業界與學術界的融合。Reaxys號稱可以用於化學相關學系的大學部和研究所課程教學,也可以用於研究生的研究課題,另一方面相關資料也可以幫助學生為自己的職業生涯做好準備。不過這些部分因為與本文APP主題無關,所以不多贅述。但為何提到Reaxys?因為他們發展了一款手機Android 和 iOS都可以使用的免費APP,稱之為ReactionFlash(見參考資料3);此APP類似一個資料庫,其中有超過800種化學反應,包括名稱、反應示意圖和機制等說明,來幫助學生化學的研究學習;資料相當完整,並與Elsevier期刊文獻作結合,可以知道最先進的發展,是一個增進化學研究與學習的一個示例。 2. 第二個例子是一個很酷的化學教學的整合資料 這是國立新加坡大學(NUS)化學系發展和整理的智慧型手機APP用於化學教學與學習的一個計劃;網站的名稱為 APPsolutely Chemistry;見參考資料4 (網址)。不得不佩服他們對於新科技的引入教學和加強學生學習上的投入,某種程度讓大學生在化學課堂外的學習更方便,這也難怪他們大學的排名很高;該網頁寫著:The Chemical Mobile Apps team has created this webpage to helpNUS Chemistry Majors in their learning in the 21st century. 他們特別強調是21世紀的未來學習模式。該網站中整理了國立新加坡大學化學系四個年級的相關課程共有19門課程,羅列出對於這些課程內容可以用到的APPs總共有38個,用以協助不同課程的教學以及課後的學習,且部分課程重複使用某些APPs。APPsolutely Chemistry網頁中對於每個APP作簡介說明並給予評分,方便使用的建議(PROs)和不方便使用的地方(CONs)都寫得很簡明,這樣得做法讓想要學習化學的同學(尤其是針對化學系的學生),都有很好用、且方便的APP資源可隨時使用和查詢,讓學習遇到不理解的時候,身邊手機就可以很容易進行查詢。筆者個人認為這些參考的資料對於中學和大學師生們,可以是很方便的、很好用的隨身「行動學習」資源。 在Appsolutely Chemistry 首頁介紹了的五款自行研發的APP,可惜僅有兩款可以在台灣安裝,不過都很有趣。一個是”ARMolVis”的APP,可以找到雲端分享的圖片,用手機照像後會將分子的形狀顯示出來,相當有意思,就是一般所稱的AR。ARMolVis有一組圖,可以下載,利用ARMolVis就可以看到3D分子的立體結構。另一個也是新加坡大學發展的APP,稱之為”3D SYM OP”,可以顯示2D和3D的分子結構、對稱性等資訊,3D的圖用手滑一滑,可以很清楚地理解分子的結構,而且有一個Image Recognition功能,是用照相機拍照後,就可以顯示分子結構。 另外還有一些資料庫形式的APPs,也可應用於教學,如果經過適當的安排與整理,對於促進學生的學習是很有幫助的,而且手機可以隨身攜帶,相當便利於討論和交流使用。不過由於APP發展過於快速,且推廣方式不同,某些功能好的APPs普及率還不足,加上有些APPs需要付費,除非授課或學習的必要,不然使用的人也不多。另外其部分功能與現今網路上的資料查詢功能重疊,所以也不是每一位學習者願意花費時間和金錢來使用這樣的APPs,再加上APPs的使用和目前學生學習模式還是有一段差距,因此還在推廣的階段。 二、利用雲端科技融入科學教學的APPs APPs搭配雲端科技的應用越來越普遍,尤其是搭配網路所發展的應用,十分多元,當然缺點就是只能在有網路連結時才能使用。最常見的就是語音的辨識,例如Google 語音辨識系統Google Cloud Speech API,蘋果公司(iOS)的Siri,等都相當的令人驚豔!而最近有一款台灣AILabs發展的「雅婷逐字稿」APP (參考資料5),更是讓人喜歡!引進「人工智慧」並針對台灣人的語音進行繁體中文逐字稿的轉譯,此APP一推出來就得到好評,各大入口網站都可以看到此新聞,稱此APP是記者的救星;的確,同時具備錄音和逐字稿功能,對文字工作者而言,真是十分方便的一款APP。此APP可以錄音並即時將語音轉換成逐字稿,速度相當快;因此可以記錄課堂教學內容、會議內容、訪談紀錄,甚至是生活中的重要事項,都可以同時有錄音和逐字稿,且準確率足夠高,是十分推薦的一個語音辨識的APP。 將影像中的文字轉換成文字的APPs也常被使用,不過通常是將英文轉換。中文轉換比較好用的APP有Microsoft Office Lens-PDF Scanner(見參考資料6),受到許多人的推薦,對於泛稱為「文字工作者」的老師或是學生,有實質的幫助,例如從白板上的書寫文字,轉換成PDF檔案,或者是Word檔案。雲端科技、人工智慧結合手機或平板的教學相關APPs也是相當的多,以下僅就依筆者認為與科學教學相關具代表性的APPs做一些簡單的說明。 1. 算式計算、解方程式、函數與數據繪圖 談起計算機,相信大家都不陌生,在Google Play和Apple Store中鍵入「計算機」、或是”Calculator”,就會出先一些與傳統計算機相似介面的APPs利用手機內建的程式進行計算;然而每次要計算時候,需要輸入一些數字、次方、函數等等,還要擔心會不會輸入時發生錯誤!尤其是較為複雜數字、或複雜的算式,常常要輸入好幾次,才能確認答案是否正確。但是你可曾思考過利用相機取得影像後,再透過雲端的計算得到答案!另外對於學科學的人而言,常常需要一些數學工具,用以作數值計算、解方程式、解微積分和繪製數據圖表,的確有幾款APPs具有這樣的功能,確實可以符合需要;只要再有網路的地方,這些數學、繪圖問題很容易用APPs處理,例如GeoGebar一系列的APPs (https://www.geogebra.org/ )應該是目前功能最強的一個數學學習免費軟體,相信很多人都使用過,因為有超過1億的學生和老師註冊使用,且有各種不同形式GeoGebar的2D和3D繪圖和運算APPs,有免費Web版本、Android和iOS免費版本。除了GeoGebra系列的產品外,筆者在以下介紹兩個相較簡易的數學應用的APPs,但也有其特色,筆者也是十分推薦。 首先介紹Photomath APP,相關資料可以見參考資料7。這是2015年獲得4YFN Award獎APP,相當簡單好用外,在Android和iOS都有此免費的APP,外加官方網頁(https://photomath.net/en)有詳細的功能說明。以下舉一個計算式作為練習,此算式可以用電腦打字、或者是用手寫的算式,利用Photomath求計算的結果;各位讀者可以試著計算看看: 上式的答案是27151⁄10080,如用紙筆需要一點時間去計算,且計算結果不一定正確。如果開啟Photomath並將APP中的掃描的長方格對準上式(或是手動輸入),幾乎在轉眼間就得到答案;這就是利用相機取得算式,再經過雲端辨識後計算得到的結果。如果你此時正在使用Photomath,可以按一下答案右邊的箭頭,就會一步一步顯示出合理的計算過程,十分有利於學生學習和老師教學;此APP用於有根號、次方、指數和對數的數值計算也很快。另一方面,可以參考官方網頁上的資訊;例如可以解各式方程式、微積分也沒有問題,同樣也有一步一步的教學說明。Photomath也可對於某些方程式或是方程式組繪製函數圖,此功能相當的容易使用。如圖1所示,將方程式輸入,可以得到的繪圖,下方有x的屬性、y最小值和y軸截距;點選圖(a)中間的函數圖,可以得到放大的圖形,如(b)所示。 圖1. :由手機螢幕擷取之方程式y=x^2+4x+5輸入Photomath APP後所繪製的函數圖。 另一個可以繪製函數圖的APP為Desmos Graphing Calculator,如參考資料8所示。筆者也十分推薦;不僅有Web版本、還有Android和iOS版本,全部都免費,相關的教學影片也不少,還有我想推薦的原因是介面清楚,很方便使用。在實作或實驗的過程中,常常要記錄數據。,Desmosd可以在輸入數據的同時,就將數據圖繪製出來,可以即時看到實驗的數據,判斷數據是否正確。學習科學過程中,也有許多地方需要用到繪圖或是動畫去理解其中的物理意涵;這個APPs就是一些很好用的工具。例如拋體運動是一個拋物線,圓周運動顧名思義是圓的方程式,而重力、天體的運動是一個橢圓的現象;波的干涉現象的為雙曲線。以波動干涉的現象為例,學生們會觀測水波槽中的兩個點波源的干涉實驗時,所得的明暗條文的結果可以用雙曲線去模擬,Desmos上很容易就會出相關的圖形,可以和明暗條文相比較;不過當討論到用雷射進行雙狹縫實際觀察時,一般書籍或是教學時常用的示意圖,不是很容易讓學生理解,因為狹縫間距以及狹縫和屏幕距離的比值約為,在示意圖上不是很容易顯示這樣的差距;但是用Desmos上的圖形的縮放,可以讓同學生比較清楚理解原因和公式的意義。雙狹縫干涉是可以利用Desmos Graphing Calculator或者是GeoGebra作為一個探究的教學主題,或者是利用相關的數學繪圖APPs設計成一個學習雙狹縫干涉過程的教案,可以得到如何建立理論模型的一個學習歷程。 2. 植物辨識的APPs 最典型的APPs有形色、PlantSnap等,可以進行花草樹木等進行辨識,這些APPs可以用在相關的教學課程,不過老師的指導仍是相當重要。 以上這兩個APPs的使用上,是必須要和網路和雲端結合,同時有「人工智慧」的融入,所以使用的次數越多,會越來越準確。很明顯引入「人工智慧」的APP會是未來的一個重要的趨勢;如同前面所提到的「雅婷逐字稿”」也是一個利用人工智慧的APP。然而「人工智慧」結合APP如何應用到「行動學習」的教學和學習,仍是有很大的想像空間,也是我們應該要密切注意的一個方向,這有可能會改變未來的學習方式。在很多的教學中,如果可以結合老師和「人工智慧」,因材施教的目標是有可能達成。 三、利用智慧型裝置進行實驗測量的APPs 如前所述,智慧型裝置中有不少的偵測器,可以測量聲音、光、磁、壓力、重力加速度、轉動速率、距離和移動位置等等,尤其是手機相當輕便,可以用於測量與實作,且可以用於很多科學的實驗課程中,尤其是物理課程。目前有不少利用感應器進行測量的APPs,例如Google Science Journal APP(參考資料9)、Sensor Kinetics APP(參考資料10),這類的APP相當的多。還有一些APP設計中,可以同時利用好幾個感應器進行量測,phyphox APP就是其中一種(參考資料11),例如可以同時測量加速度和磁場,更增加這類實驗測量的功能。而更多的是應用智慧型手機進行探究與實作的相關研究,由圖2可知用Google可以查到約有4千1百萬筆資料,可謂是相當豐富,而且很多都是近五年內的發表,同時也可以看到許多教育學者以文件(PDF、Word)方式分享,可以感受到這是一個十分蓬勃發展的領域,也是一個十分值得讓教師們投入的教學研究領域。 圖2. 利用關鍵字”smartphones”、“scientific instruments”和”laboratory”進行搜尋,約有41,000,000項結果(搜尋日期:2018/12/30) 圖2中所顯示的搜尋結果,多半是與實驗室的實驗為基準。「行動科技」的好處是可以到處進行實驗,使用手機APPs進行戶外教學是十分有效的利器。想必很多人都知道Pokemon Go ,雖然是一個遊戲,但是的確讓很多人走出戶外。另外有個比較不知名的遊戲Geocaching,找的是玩家所藏匿的「實體寶藏」。還有以城市或是景點旅遊的field trip APP ,一個旅遊時使用的APPs,讓旅遊者可以知道該地點的一些趣聞軼事和相關歷史,該網站聲稱是「探索周遭世界的最佳響導」。戶外的科學教學也跟這些APPs作法相似,而且可以更多元,只是目前在台灣相關的戶外教學和APPs的結合的不多,教材含教法還有待開發。 智慧科技裝置的優勢是不易受到空間和時間的限制,因此有些生活中比較不容易進行的測量,都可以試著利用手機偵測器APPs進行實驗。下一節會介紹利用手機內建偵測器的APPs進行「行動」測量的一些實例,尤其著重於生活行動場域、或是大型的運輸體實際測量得到的數據,這是在以往的實驗中不容易達成的測量,更別說讓學生們去嘗試了。例如電梯的上升和下降過程,是一些物理考試中常見的試題,然而手機測量可以讓學生們很容易得到數據,並進行分析。 手機APP應用於科學教學的面向討論 顯而易見,「行動科技」的優點在「行動」上,當學校經費不足以購買所有的實驗測量儀器,手機的中的偵測器使用於教學的APPs,就可以幫助教學順利的進行。以下舉幾個例子可以展現智慧型裝置可以進行通常難以達成的測量,測量主要使用的APP為phyphox 。Phyphox APP是一款免費的APP,由德國亞琛工亞大學所物理系Sebastian Staacks博士所發展的,是由Physical Phone eXperiment一詞縮寫而成為phyphox這個名稱。Sebastian Staacks博士也提供了不少相關的教學資料;除了官方網站外;臉書()和Youtube 上都可以查詢到相當豐富的教學資料。此phyphox APP有Android 和iOS的版本,安裝時會檢視該手機的感應器,較高階的手機會有比較多的感應器,在phyphox中會顯示出如下的偵測器: a. Acceleration (without g)不顯示重力加速的偵測器,用於線性加速。 b. Acceleration with g (顯示重力加速度) c. Gyroscope d. Light (測光強度,偵測器的位置會隨機型而有不同,如果在phyphox中無法使用,可以下載Lux Meter APP進行光強度的測量) e. Location (GPS,可以透過幾顆人造衛星定位,可以有經緯度、高度、和速度的測量) f. Magnetometer (測量磁場) g. Pressure (大氣壓力計,測量大氣壓力) 以上七種偵測器是開啟phyphox時面板上會顯示的偵測器,這些偵測器可以單獨使用,也可以同時並行使用多個偵測器,進行多個物理量的測量,數據也可以輸出,這些功能讓phyphox APP更吸引大家使用。台灣的「自然科學領域教學研究中心」也與Sebastian Staacks博士合作,筆者也擔任phyphox的台灣大使,進行推廣;同時他也同意讓自然科學領與教學研究中心將phyphox翻譯成繁體中文,以利於在台灣推廣。目前還正在修正中文文字中,希望可以儘快推出。以下介紹利用phyphox幾個「行動」測量的例子作為楔子,讓大家有更多想像空間,使得「行動科技」實際數據測量的功能,能更上層樓,更能發揮它的效益。 一、利用手機phyphox APP測量電梯的上升與下降 在phyphox中有一個可以測量”elevator”(電梯)上升下降的功能,是利用氣壓計和加速度計測量大氣壓力和加速度隨時間的變化,再由這些數據轉換成「"高度」”、「”鉛直速度」”和「”鉛直加速度」”的電梯運動的狀況,如圖3所示。圖3(a)和(b)圖是直接由手機截取的數據圖,包括手機原始測量的大氣壓力和加速度數據,氣壓和加速度。實驗進行的地點是在國立台灣師範大學公館校區的教學研究大樓,由七樓往下運動到一樓後,再由一樓上升到七樓。一樓地板到七樓地板的垂直高度約為20公尺,與APP所測量的結果符合。上升與下降的速率也相近,均為1.5 m/s,與12層樓電梯使用的規定相同。 實際的數值測量數據也可以由手機傳出,再用其他的繪圖軟體進行繪製數據圖,進行更仔細的分析。能夠有數據輸出的功能,對於APPs是有加分作用的。用偵測器測量後可以將數據輸出重新整理,如圖4所示,是利用開放軟體SciDAVis(見參考資料12)所繪製的電梯上升和下降的數據圖,整理的過程中,將停留的數據祛除,也較容易比較上升時和下降時的差異,對於電梯細部的動作可以更進一步分析,例如參考資料13所示,討論電梯上升下降時過程中隨時改變加速度運動的計算,或電梯運動停止時的振盪等,可以進一步的分析。 圖3. 直接由手機截取phyphox的數據圖,電梯先由七樓下降到一樓,再由一樓上升至七樓,(a) 顯示高度、速度和加速度的數據圖,(b)顯示原始的氣壓和加速度的數據圖 圖4. 將phyphox測得的電梯加速度數據輸出後,用SciDAVis開放軟體繪製電梯在上升和下向的加速度隨時間變化的數據圖 二、利用手機phyphox APP測量飛機飛行時的艙壓 智慧裝置如果有氣壓偵測器,則在phyphox有一個功能是利用此偵測器測量氣壓,因此我們可以在搭乘交通工具時測量大氣壓力,例如乘坐飛機、高鐵、火車和捷運時,都可以測量乘坐機艙內或車廂內的氣壓變化,這也是一般器材不容易測量的數據。人耳對於氣壓的變化相當敏感,是壓力的時變率、或是壓力差造成影響,尚不很清楚(也可能因人而異),且運輸工具在行動時壓力快速變化是十分不舒適的! 圖5所顯示的是機艙壓力隨時間變化的紀錄,時間是2018年11月10日,飛機為ATR 72-600型飛機,來往台北、台東之間。當日上午的天候不佳,所以台北往台東(紅色數據線)飛機延誤,由圖可知台北飛台東的飛行時間較長、且因為要避開雲層,在1,080秒~1,980秒之間GPS顯示最高飛行高度約為4,200公尺,此時艙壓約維持在930hPa,雖然機艙內有加壓裝置,但卻是航行中氣壓最低的時段。由台東往台北的飛行(黑色數據線),天候較佳,時間較短,飛行高度約為3,500公尺,艙壓維持在960hPa。雖然大氣壓力與高度相關,但是機艙是密閉的,且有加壓的裝置以維護人體的健康。目前的飛機機艙壓力,依照美國聯邦航空總署規定須維持在8,000英尺高度以下的氣壓。 飛機起飛和降落,艙壓變化並不相同,且不同款式飛機起飛時,艙壓變化也不相同。因為起飛時有加速度運動,需要引擎提供動力起飛,以ATR 72-600型國內線飛機而言,準備起飛時要引擎全開艙壓會先下降約20hPa,再開始加速時,艙壓上升,當飛機機頭離開地面向上攀升時,壓力會已接近線性的方式下降,直到維持一個穩定高時,壓力就會保持一定。在下降的過程中,飛機會先下降高度,在某高度時準備進場巡航而逐漸接近機場,此時壓力維持不變的;以圖5-1的數據得到1,030hPa(台北飛台東)和1,026hPa(台東飛台北),然而在飛機落地後約15秒,壓力分別下降12hPa和6hPa。 圖5-1. 台北台東國內線飛機(ATR 72-600型)起飛到降落過程中艙壓的變化 當跨國飛行時間比較長,如國際線的飛行時,機艙內的壓力變化與國際線相似,如圖5-2所示;由台北飛福岡,機型Airbus A330-300,日期2018年7月11日,起飛與降落過程繪的壓力變化圖。圖形顯示出加速時間約為28秒,艙壓幾乎是線性增加,當機頭剛剛要離開地面時,艙壓增加約~7hPa,當機鼻頭抬起瞬間,壓力開始降低而飛機開始爬升的過程,艙壓約直線下降,每秒下降約0.15hPa,最後達到約12,000公尺後艙壓設定為~768hPa並開始巡航,相較地面的大氣壓力約減少四分之一弱。準備降落的階段壓力也是直線下降,每秒艙壓增加約為~0.2hPa,比爬升過程的變化率略為高些。下降巡航艙壓1022.3hPa,巡航約785秒後著陸,約20秒期間壓力減為1014.3hPa。 圖5-2. 由台北飛往福岡,機型Airbus A330-300,日期2018年7月11日,起飛與降落過程繪的壓力變化圖 三、利用手機phyphox APP測量普悠瑪自強號火車通過隧道的壓力變化 有部分智慧型行動裝置中設有氣壓的感測器,因此要測量台鐵火車和高鐵移動時車廂內的壓力變化,相較以往容易很多。加上台灣的隧道相當多,尤其是台鐵的宜蘭段(25個隧道)和花蓮段(24個隧道);高鐵全線(有48個隧道),都有許多的隧道。經過隧道時,因為車廂會先撞擊隧道內的空氣,造成壓力波在隧道中往返,這些壓力波會改變車內的氣壓,是一個相當有趣的問題。目前可以找到的文獻大都是對於高速在隧道內行駛時,衝擊對於車頭的影響,因為車頭的設計會影響速度,因此有關於車廂內氣壓變化的討論並不多見(參考資料),許多相關的模型也還在建立中,這樣的探究也是相當有趣和挑戰性。 圖6所顯示的是由花蓮開往台北的普悠瑪自強號列車車廂內的氣壓變化,途中經過13個新隧道,其中8個長度都超過兩公里,長度最長的新觀音隧道超過10公里!這樣大型的實驗,的確有很多不易掌握的變因,除了高度影響大氣壓力外,還有車行速度、乘車的位置和隧道的結構等都是重要的變因。圖6中可以發現普悠瑪在每個隧道內行進時,車廂氣壓都會上下振盪,雖然在長的隧道中壓力差都接近10hPa,但是每個隧道內氣壓隨時間改變的情況都不相同。這些數據會受到是火車通過隧道時的速度、隧道架構和車廂位置的不同而有差異。不過在了解隧道的結構後(如長度、坡度、路徑彎曲程度、路徑高度變化、維修暫停區和通風口位置等),所得的數據也是可以用數值模擬,就如同在風洞中所進行的模擬。依據目前GPS實測的速度,普悠瑪自強號在隧道內的速度介於25m/s 到最高約35m/s,可以由GPS或是其他定位的方式來推測,這些也都是可以經由手機測量取臨場的數據。 圖6. 普悠瑪自強號列車自花蓮新站到羅東站間,其車廂內壓力的變化 台灣高鐵在運行時車廂內氣壓,在通過隧道時也會有與圖6火車的情況相類似,只是高鐵的速度高(約85m/s)、隧道結構不同且多為雙向,因此結果不一樣,但是一樣可以進行測量。圖7是行駛台北、台中之間,高鐵車廂內的氣壓變化。壓力的差異可以有約20hPa的變化,但大多數都是因為高度的影響。由Google Earth利用GPS可以約略得到台中到台北的高度,與所測得的數據相比,的確,兩者成負相關。可以見到是高度的影響比較大。 對於火車和高鐵這麼大型的實驗器材,一般測量不是很容易實地進行測量,而多是模擬實驗,但是智慧型裝置提供的一個絕佳的工具,再配合上台灣的地形,測量車廂內壓力和相關物理量的測量,是一個很好的、且很有台灣特色的「”行動量測」”範例。因為有了智慧型的裝置,使得手機可以進行測量,且很容易就獲得很多真實的測量值進行比對,讓大家對於這樣的現象可以有比較實際的數據進行探究。 圖7. 台灣高鐵由(a)台中開往台北車廂內的氣壓紀錄,和(b)用Google Earth GPS測量台中到板橋高鐵軌道的高度 四、利用手機phyphox APP測量颱風對氣壓的影響 颱風中心氣壓是高是低?相信大家上網查就可以查到一些資料。颱風中心的氣壓越低,表示颱風的強度越強,而我們自己有真實的測量過嗎?除非你是氣象工作人員,不然多半都是透過新聞,或是氣象局等查詢到相關資料。例如,中央氣象局颱風資料庫,2018年7月瑪莉亞颱風資料:Digital Typhon 網站, 2018年7月瑪莉亞颱風資料: 今年(2018)颱風不多是好事;不過當有颱風來襲時,不妨測量一下相關的數據,或是上相關氣象局的網站進行查詢,並做資料整理,可以從中獲取不少真實的資訊,對於學習相當有幫助,畢竟在其他的國家不一定可以實際測到相關的數據。雖然颱風有破壞性,但也是台灣的得天獨厚的特色之一。 2018年7月10日,瑪莉亞颱風由台灣北部通過的時候,雖然距離台灣有點遠,但是北台灣縣市仍然可以測到颱風經過台灣北部海面時大氣壓力的變化。筆者在「 App與開放軟硬體教學討論區」的臉書粉絲頁中有貼文,當時邀請大家上傳氣壓和量測時間的資料(見圖8),利用颱風假的時間,讓大家(包含老師和學生們)可以在自家中測量大氣壓力隨時間的變化,同時也上傳到Google Sheet以利於整理。如此就可以將台灣各個地方受到瑪莉亞颱風的影響之下的氣壓變化。待整理好之後,就可以繪製出不同時間和地點的大氣壓力,是如何隨著瑪莉亞颱風的路徑而發生變化的。雖然中央氣象局有很多的測站,但是能夠自己在自宅進行測量還是一件很酷的事情,同時還可以和許多人共同合作和討論。 圖8. 在臉書「App與開放軟硬體教學討論區」登出的協作平台,記錄瑪莉亞颱風對於台灣各地的大氣壓力的影響 在7月10~12日期間,針對瑪莉亞颱風的測量,各地總共提供有262次的壓力紀錄,同時也有不少人是利用手機或平板記錄整個颱風的過程;正在討論要用那一種模式來呈現大家提供的數據,畢竟這是一群人合作的結果,需要審慎考量如何做為第一個群體合作的範例。圖9所顯示的是在台灣師大公館校區,使用兩種不同系統的手機和平板所測的數據,兩組數據所顯示的結果十分類似。紅色是用iOS平板測量,靛色是用Android手機測量,測量的時間是由10日開始記錄到11日上午停止。為了清楚顯示,圖中刻意將兩組數據的壓力刻度錯開2hPa,事實上兩者數據的差異極小,差異量常常是在小數點第2位。由數據圖的飄動現象可以看出在第10小時到第18小時(建圖中的藍色箭頭),颱風影響較大,風勢也比較大,所以數據的飄移比較大。 圖9. 瑪莉亞颱風通過北部海面時,在公館校區所測得之氣壓。紅色是用iOS平板測量,靛色是用Android手機測量。為了清楚顯示,故意將兩組數據的壓力刻度錯開2hPa. 如果日後不幸有颱風侵門踏戶,這樣的大型實驗實在是很值得推行,或者是相似的大型實驗,如天文的觀測等,都值得推廣。老師可鼓勵學生進行與台灣天然災害的相關測量,這應該也是重要國民素養的培養。也有一部分的人使用Arduino等簡單儀器進行測量,只是智慧型手機在颱風天時進行測量很是方便。另一個台灣有的天然災害是地震,地震對台灣的影響也很大,基本上也有很多簡單儀器可以進行量測,但是最近有很多討論和文獻提出用手機的GPS進行地震測量(參考資料14, Science News)和甚至是「預知」地震(參考資料15 ),用GPS預知地震理論上有可能,不過目前還在實驗的階段,尚且還沒有結果,想必會在很快的時間知道其結合大眾的手機GPS,是否有預知地震的功能? 結語 手機成為人類的隨身物品,並用於教學使用,是有一些方便之處。美國物理教師學會的期刊”The Physics Teacher”(參考資料16),自2012年起每一期都有一個專欄稱之為”iPhysicsLab”。顧名思義是使用智慧型手機進行物理實驗,或是實作的論文,許多傳統的實驗,經由這樣的轉變,學生的學習也增加了助力。美國公共電視台針對孩童發展的Play and Learn Science APP,是讓幼童從玩遊戲的方式進行學習 (參考資料 17)。利用智慧型手機進行探究式教學的研究也很多,本文僅提出一些可以利用手機進行的相關測量,提供參考,但也顯示出手機在「行動學習」上的的確有其優越之處。 如圖2所示,在Google搜尋也會找到很多的資料,好像大家都鼓勵老師們使用!不過近年來,也有一些負面的評價;例如上課所使用手機會分心、對兒童的眼睛不太好造成眼疾等,看來都是會發生的問題。使用智慧型手機科技融入教學會讓學生分心嗎?是否可以提高學生學習的興趣?可否用於探究式教學?對於這些負面的問題,是智慧型裝置融入教學一直很需要注意的問題,也會常常被提出來討論,目前也有很多研究在進行中。 法國政府在2018年5月時宣布:2018年9月的秋季學期開始,9年級以下的學生全面禁止帶手機到校(參考資料18),這不是手機集中收起來的意思,而是不能帶到學校去,整個校園內學生不可以擁有手機!不過教師還是可以利用智慧型裝置教學。然而禁止使用的原因是相當複雜,主要是與學生上課分心、網路霸凌、社群團體等事件相關,目標是希望讓小孩子可以多多專注於課堂上的學習,尤其是年紀較小的學生,專注力的培養是相當重要,畢竟在課堂上使用手機,老師不容易察知每一名學生正在進行的活動,也許分組實驗或實作可以比較容易掌握學生的活動。另一個問題是,許多提供教學使用之APPs的設計者,並沒有科學相關教學知識背景或是學習的專長,也使得APPs的設計上出現一些學習方法上的問題,導致APPs的使用沒有發揮出來,也是會造成負面的效果。 上述的負面問題都還在研究當中,但是對於自我控制能力較差的學生是需要管束,是學校教育很重要的一環,必須要靠老師的教導,和家長的提醒與督促。個人以為手機應該是沒有辦法完全禁止的,畢竟智慧科技對人類生活的涉入越來越深,要完全禁止幾乎是不可能,因為無法阻止智慧科技和人工智慧的持續發展!如何設計教材引導學生學習的確是現場老師們最大的功能;培養學生具備科學素養和終身學習的能力,這些都是教師們的天職。然而新的教學方法和智慧科技的發展,不只是老師們在教學上可以有更多元的發展,整個社會也必須與時俱進,才能發揮最大的效用。那「行動學習」如何應用智慧科技的優點?老師如何引導學生逐步運用資訊科技進行學習?如何引進跟以往不太相同的學習模式?如何活化學習環境?如何有效管控智慧型裝置的使用?如何降低負面現象效應而促進有效的教學?如何讓學習更有樂趣?智慧型科技融入教學所引發的問題,的確是學者、教師、學校和政府需要好好地思考思考。 如何讓人的學習可以更有效率並提升競爭力,是科技融入教學的重要目的。智慧型手機可讓課程的設計可以更加的多元,也可以和生活環境做結合,並去探索與理解生活周遭發生的問題,如前面所提出的幾個電梯、艙壓、隧道內的車廂壓力和颱風等實作的範例。在校園裡和生活周遭可以探究的問題更多,利用智慧型科技融入「行動學習」,可以是個人、是分組、或是群體的測量,分析數據後大家可以分享、討論,這都需要大家的創意與合作。另外生活環境結合的課題很多,如空氣污染、噪音、氣候,以及學生在學校內的相關活動等,也都有很多很有趣的主題等待開發。學生在學習過程中也可以加入家長參加活動,以逐漸培養終身學習的能力,提升科學素養。智慧型科技應用在科學上的「行動學習《才剛剛萌芽,還有許多面相可以讓我們一起去探索、一起去發展。本文希望可以提供各位一些想法,有助於各位創新課程的發展,讓教師職能可以和智慧型科技共同發展,共同增進人類社會的福祉。 參考資料 1. Murphy, Angela and Farely, Helen and Dyson, Laurel Evelyn and Jones, Hazel (2017) “Mobile learning in higher education in the Asia-Pacific region: harnessing trends and challenging orthodoxies”. Education in the Asia-Pacific Region: Issues, Concerns and Prospects, 40. Springer Nature, Singapore. ISBN 978-981-10-4943-9 2. 例如:(a) Which Sensors Do I Have In My Smartphone? How Do They Work? (b) Information of Smartphone sensors 3. ReactionFlash APP下載 安裝網址; 4. 新加坡大學化學系發展之APPsolutely Chemistry 首頁教學計畫 5. AILabs發展的”雅婷逐字稿”APP;新聞發布網址;下載 安裝網址 6. Microsoft Office Lens - PDF Scanner下載資訊:Microsoft Store; Google Play;Apple Store 7. Photomath APP的官方網站,Google Play和Apple Store可以下載APP。 8. Desmos Graphing Calculator。 9. Google Science Journal 官方網頁。 10. Sensor Kinetics APP說明網頁。 11. phyphox APP官方網頁 。 12. SciDAVis數據繪圖軟體使用說明,或是參閱筆者所發表的資料。 13. 如:Jason M. Kinser, “Relating Time-Dependent Acceleration and Height Using an Elevator”, The Physics Teacher 53, 220 (2015) ;或Jochen Kuhn, Patrik Vogt, and Andreas Müller, “Analyzing elevator oscillation with the smartphone acceleration sensors”, The Physics Teacher 52, 55 (2014) 。 14. Emily Conover, “Smart phones could be used to detect earthquakes” 。 15. Brendan W. Crowell, David A. Schmidt, Paul Bodin, John E. Vidale, Ben Baker, Sergio Barrientos and Jianghui Geng, “G‐FAST Earthquake Early Warning Potential for Great Earthquakes in Chile“, Seismological Research Letters (2018) 89 (2A): 542-556. , 16. The Physics Teachers 雜誌每期都有iPhysicsLab專文,是使用智慧型手機進行測量的論文。 17. 美國公共電視台針對孩童發展的Play and Learn Science APP 18. 例如:France Bans Smartphones in Schools Through 9th Grade. Will It Help Students? 賈至達 國立台灣師範大學物理系教授

週期表元素命名探趣

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文/王宸瑋、程長遠 在我們初學化學的時候,老師都會要求我們背週期表,同學們也都使出各種渾身解數來把週期表背下來,例如利用各式各樣的口訣,甚至編寫成神曲洗腦歌,來幫助自己記住元素週期表。 元素週期表為什麼這麼重要呢?自從1986年俄羅斯的化學家門得列夫(Dmitri Medeleev)提出元素依其原子量有循環或週期排列的規律性後,這元素週期表就成為學習化學最重要的工具之一,使元素有了一個合理的分類,成為近代化學理論的基礎。元素週期表也成為人們探索自然真理的一個重要工具,使我們更容易地 掌控化學,元素週期表也成為化學的一個代表圖騰。 這看似簡單的元素週期表,其實藏著許多各式各樣有趣的科學奧秘,而這些奧秘都得從元素的命名上說起。能取得化學元素的命名權,其背後都是一群科學家鍥而不捨、努力不懈所獲得的榮耀。撇開在中學化學課本裡常見的以本身性質來命名的元素之外,在這裡我們來談談週期表裡,其他較為少見元素的命名典故和背後的故事。 在介紹化學元素的命名之前,我們必須了解化學名稱的本質是拉丁語。西方在近代發展出了博物學,為了協調各學門語言,於是將拉丁語做為一切博物學命名的基礎,包括了生物、醫學、解剖、礦物、化學等等一切有大量命名需求的學科。所以我們還是要以元素正式的拉丁文名稱上去了解,中文元素名稱一般是音譯,就當成是一個元素符號來幫助我們記憶和描述即可。 以國家命名的元素 在週期表的元素中有29個是以國家、地理位置、城鎮、大學或實驗室來命名,不過能以國家名字來命名的元素其實並不多,那些幸運的元素能獲此殊榮呢? 最近一個用國家來命名的元素就是2016年底國際純化學和應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)認可的原子序113的化學元素「鉨」(Nihonium),元素符號Nh,就是用日本的羅馬拼音,由發現的日本理化學研究所命名。 最早用國家命名的元素是原子序31的「鎵」(Gallium),元素符號Ga,由法國人德布瓦博德蘭(François Lecoq de Boisbaudran)於1875年用法國的拉丁文「高盧」(Gallia)為這個元素命名。用法國命名的還有一個元素,原子序87的鍅(Francium),元素符號Fr,由法國女性科學家瑪格麗特•佩里(Marguerite Catherine Perey)於1949年用法國(France)來命名。 用國家命名的元素中,最令人感動的就是原子序84的釙(Polonium),元素符號Po,是居里夫人1898年發現這個元素後,為了紀念當時多災多難的祖國波蘭(Polonia,拉丁文)而命名。 其他用國家命名的元素還有原子序32的「鍺」(Germanium),元素符號Ge,由德國人克萊門斯•亞歷山大•溫克勒(Clemens Alexander Winkler)於1885年用德國的拉丁語German來為元素命名。 以科學家命名的元素 自己的名字能成為化學元素的名稱,那是何等的光榮。在週期表的元素中,以科學家命名的元素早期並不多見,近期發現的元素則較常以科學家來命名,以紀念這些偉大科學家對人類的特殊貢獻。 最早用科學家命名的化學元素是原子序62的釤(Samarium),元素符號Sm,由法國人德布瓦博德蘭(François Lecoq de Boisbaudran)於1879年以它所分離而來的礦物鈮釔礦命名。此礦物早期命名為一名俄羅斯的礦物學家杉馬爾斯基(Vasili Samarsky-Bykhovets),陰錯陽差的杉馬爾斯基成為以名字命名化學元素的第一人。 原子序64的釓(Gadolinium),元素符號Gd,為紀念對於稀土元素的研究有重要貢獻的芬蘭科學家約翰•加多林(Johan Gadolio)。 原子序96的鋦(Curium),元素符號Cm,就是為了紀念偉大的女性科學家居里夫人(Marie Skłodowska-Curie) 原子序99的鑀(Einsteinium),元素符號Es,就是為了紀念著名的科學家愛因斯坦(Albert Einstein)。 原子序100的鐨(Fermium),元素符號Fm,為了紀念原子彈之父恩里科·費米(Enrico Fermi)。 原子序101的鍆(Mendelevium),元素符號Md,當然就是要紀念這化學週期表之父門得列夫。 原子序102的鍩(Nobelium),元素符號No,就是要紀念大家耳熟能詳的科學家諾貝爾(Alfred Nobel)。 原子序103的鐒(Lawrencium),元素符號Lr,為了紀念發明迴旋加速器的科學家歐內斯特·奧蘭多·勞倫斯(Ernest Orlando Lawrence)。 原子序104的鑪(Rutherfordium),元素符號Rf,為了紀念在中學化學課本裡經常出現的科學家原子核之父拉塞福(Ernest Rutherford)。 原子序106的𨭎(seaborgium),元素符號Sg,紀念在多個錒系元素的發現中,都做出了重要貢獻的格倫•西奧多•西博格(Glenn Theodore Seaborg)。 原子序107的𨨏(Bohrium),元素符號Bh,紀念對原子結構做出重大貢獻的丹麥物理學家尼爾斯•波耳(Niels Henrik David Bohr)。 原子序109的䥑(Meitnerium),元素符號Mt,紀念奧地利-瑞典原子物理學家莉澤•邁特納(Lise Meitner)。 原子序111的錀(Roentgenium),元素符號Rg。為了紀念1895年發現X射線的德國科學家威廉•倫琴(Wilhelm Conrad Röntgen)。 原子序112的鎶(Copernicium),元素符號Cn,為了紀念著名天文學家尼古拉•哥白尼(Nicolaus Copernicus)。哥白尼所提出的日心說與化學中的原子結構(拉塞福模型)有很多相似之處。 原子序114的鈇(Flerovium),元素符號Fl,為了紀念蘇聯原子物理學家格奧爾基•弗廖羅夫(Georgy Nikolayevich Flyorov)。 原子序118的Oganesson,元素符號Og,中文命名是「气+奧」,以表揚科學家奧加涅相(Khoren Oganesian)對於發現這週期表最重元素的貢獻。 以星體或神話命名的元素 原子序2的氦(Helium),元素符號He,因為科學家是從太陽光譜中發現氦,所以用希臘的太陽神希利昂斯(Helios)來命名。 原子序22的鈦(Titanium),元素符號Ti,科學家用希臘神話的泰坦為其命名。泰坦在古希臘神話中是統治宇宙的古老神族。 原子序23的釩(Vanadium),元素符號V,科學家用北歐神話中的女神Vanadis命名。 原子序34的硒(Selenium),元素符號Se,取自希臘的月亮女神塞勒涅(Selene),就是月亮的意思。 原子序41的鈮(Niobium),化學符號Nb,科學家用希臘淚水女神尼俄伯(Niobe)為其命名。 原子序52的碲(Tellurium),元素符號Te,科學家用拉丁文的地球(tellus)為其命名。 原子序58的鈰(Cerium),元素符號Ce,以羅馬農事女神Ceres命名。 原子序61的鉕(promethium),元素符號Pm,取自希臘之神普羅米修斯(Prometheus),即希臘神話中那位偷火種助人而被懲罰的神。 原子序73的鉭(Tantalum),元素符號Ta,取自希臘神話中的人物坦塔洛斯(Tantalus),為宙斯的小兒子。 原子序80的汞(Mercury),元素符號Hg,西方人用羅馬神墨丘利(Mercurius)來命名汞,墨丘利是羅馬神話中為眾神傳遞信息的使者。汞的元素符號Hg,則來自人造的拉丁詞hydrargyrum,這個詞的兩個詞根分別表示「水」(Hydro)和「銀」(argyros),和我們常說的水銀有異曲同工之妙。 原子序90的釷(Thorium),元素符號Th,取自北歐神話的雷神索爾(Thor)。 原子序92的鈾(Uranium),元素符號U,科學家以天王星(Uranus)為其命名,就古希臘神話中的烏拉諾斯,因為烏拉諾斯是天空之神,所以中譯為天王星。 原子序93的錼(Neptunium),元素符號Np,科學家以海王星為其命名,就是羅馬神話中的尼普頓(Neptunus),因為尼普頓是海神王,所以中譯為海王星。 原子序94的鈽(Plutonium),元素符號Pu,科學家以冥王星(Pluto)為其命名,就是羅馬神話中的普魯托(Pluto),因為普魯托是冥界之王,所以中譯為冥王星。 其實在元素週期表裡面,存在著許多有趣的科學和神秘的故事,不是那麼容易說的完的,像是大家是不是也發現到了,目前118個化學元素,竟然沒有字母J和Q的元素,也許是因緣巧合,也可能這兩個字母的拉丁文本來就不多見,詳細的原因並不太清楚,可能得請教負責審核元素命名的國際純化學和應用化學聯合會(IUPAC)。最近一次有機會出現J字母的元素是由日本人發現,原子序113的元素。一開始日本科學家是命名為Japanium,元素符號Ja,但是IUPAC並沒有核准這個名稱,而是退而求其次用日本的羅馬拼音Nihonium來為元素命名。 不管如何,依照元素命名慣例,發現該元素的科學家有命名權,畢竟每個元素發現的背後,都是科學家無止盡研究和心血的結晶。目前週期表第一到第七週期元素都已經被發現填滿了,期待有朝一日台灣科學家有幸能發現第八週期的新元素,相信Taiwanium,元素符號Tw,也會被寫上週期表的! 雖然,門得列夫一開始發現週期表的目的,是為了讓自己能夠快速地尋找到他想要的元素,但是發展至今,元素週期表已演變成一張具有重要歷史意義和人文特色的週期性圖表,就像一本百科全書一樣,可以讓人知道從古至今的科學發展歷史,更記錄了許許多多的科學家,窮其一生發現和尋找元素的過程。很多人的科學夢往往就是啟蒙於這張小小的週期表,並由這張週期表衍生出無限的可能 。 王宸瑋 國立鹿港高中學生 程長遠 國立鹿港高中化學科教師

2019年國際元素週期表年活動簡介

2019年國際元素週期表年活動簡介

文/邱美虹 2017年由聯合國(UN)公佈2019為「國際元素週期表年」(International Year of Chemical Elements of Periodic Table, IYPT),藉此表彰化學對人類文明發展的貢獻,並慶祝俄羅斯化學家門得列夫(Dmitri Mendeleev)所提出之元素週期表150週年。國際上為慶祝這重要的科學貢獻,世界各國化學會及各團體組織都積極的辦理各項與週期表相關的慶祝活動。臺灣為國際純化學與應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)會員,為響應這次的國際化學界盛會,在許多單位的共同規劃下,將有一連串多元的年度性慶祝活動,藉由各層面的多元活動,讓全國民眾能瞭解化學與生活之間密不可分的關係,並促進社會大眾更加關注社會上的科學議題,以期提升全體國民之科學素養。 前言 俄國科學家門得列夫於1869年透過分析63張寫上元素名稱的紙牌上元素的性質,發現化學元素週期性,並透過其週期律預測當時尚未發現的元素,讓科學家瞭解眾多元素間有系統的規律性以及預測力,開創科學基礎研究的新里程碑。當年門得列夫預測三個未知元素的原子量和性質,他以類硼(eka- boron)、類鋁(eka-aluminum)和類矽(eka-silicon)來命名這三個元素。這些元素後來分別在1875年(gallium, Ga, 鎵)、1879年(Scandium, Sc, 鈧)、和1886年(germanium, Ge, 鍺)被證實是存在的,且性質和位置都準確無誤。門得列夫並不是第一位提出元素間具週期性概念的科學家,但是他的週期表與其他較為保守的科學家所建立的週期表最主要的不同是它更具解釋力與預測力,因而奠定他在科學史上的崇高地位。門得列夫曾說:「我因為懷著一個有確切目標的意識,不斷研究、不斷努力的結果才有了那個夢。」,這種鍥而不捨的研究態度與精神,足以作為後代科學家反覆提醒自己的典範。2019年是門得列夫提出元素週期表的第150週年,許多國家都以辦理不同形式的元素週期表活動來緬懷這位偉大的科學家,紀念他發現的元素週期律及其所展現的強大預測力,使當時的科學得以在一片混沌中找到曙光為科學發展開創嶄新的一頁,這位終身未獲得諾貝爾獎肯定的科學家,卻為科學界留下不可抹滅的功績(見圖1)。 圖1. 門得列夫及其元素週期表 國際IYPT活動 IYPT開幕式於2019年1月29日在法國巴黎聯合國教科文組織 (UNESCO) 總部舉辦,共有來自世界各地的科學家和學會代表700多人參加。IYPT的主要目的是希望透過引起世人重視元素週期表發現的歷史脈絡、科學發展與元素的密切關係、元素在生活上的價值以及稀缺元素(endangered elements)的影響等議題。同時也藉此指出2019年是IUPAC成立100年(IUPAC100),IUPAC將進行各項活動,以彰顯化學家對全球環境議題的關懷與努力與對社會的責任。作者有幸擔任IYPT Management Committee委員,受UNESCO邀請出席開幕式,見證歷史的一刻(見圖2)。 圖2. 作者出席IYPT開幕式 IYPT活動主要是由IUPAC的成員組成,包括前理事長Natalia Tarasova教授和無機化學委員會前主任委員Jan Reedijk教授,和四位管理委員會委員(Chris Brett, Chris Ober, Lars Ohrstrom, 和作者),分別曾任或現任IUPAC各委員會的主席。其他還有UNESCO代表和各科學委員會代表(如IUPAP、國際科學理事會/ISC、國際天文學會/IAU、歐洲化學會/EuChemS等)國際科學組織。臺灣的化學會也未缺席,是IYPT活動的贊助單位之一,以表共襄盛舉之意。 開幕式活動包括數場專題演講、現場動手做實驗活動、虛擬實境、擴增實境、以及來自於許多研究單位的展品,還有小朋友的1001夜的化學元素話劇和小小實驗活動,活動對象從小學生到科學從業人員,使參訪的人能有不同的收穫。專題演講中有2016年諾貝爾化學獎得主班.福林加(Ben Feringa,見圖3) 的Periodic Table for Society and the Future,演講內容從門得列夫的歷史道起,再以深入淺出的方式介紹元素在食衣住行醫學等方面的影響,並點出化學人必須對科學發現具有熱情(passion for discovery)才能做好研究。另外一位受邀講者是發現元素118的尤里.奧格奈西恩(Yuri Oganessian,見圖4),以其化學研究與元素發現為主題(New comers in the Periodic Table)。還有Martyn Poliakoff 介紹歐洲化學會(EuChemS) 在今年年初(2019年1月25日)發布的稀缺元素(endangered elements)週期表(見圖5),該週期表說明因人類過度使用化學元素而將於100年後瀕臨自然元素缺少的危機,希望藉此引起世人的重視。舉例來說,我們用的智慧型手機裡就有至少31種元素(圖5中有畫手機圖案者),根據調查EU每個月就有將近1,000萬手機在升級中,使得這些元素都將慢慢地在自然界中消失! 同理,也請別再用裝氦氣的派對氣球,氦氣最後會在空中散失,無法回收再利用。幾位國際重量級大師的演講分別點出化學對人類生活、醫藥、科技發展的重要貢獻外,也提醒世人要更珍惜有限的自然資源,幾場深度演講為當天的活動帶來高潮。 圖3. Ben Feringa,2016年諾貝爾化學獎得主 圖4. Yuri Oganessian發現元素118 圖5. 稀缺元素週期表 (上為英文版,下為中文版) 除此之外,大會還針對週期表118個元素向全世界徵求118位傑出年輕學者代表特定元素(臺灣大學化學系戴桓青教授榮獲代表元素原子序為15的磷,誠為臺灣之光!)(見圖6),開幕式當天有來自五大洲獲獎的年輕化學家代表致詞,這種傳承的安排讓人可預見化學為人類帶來更長遠的未來與期待。 圖6. 年輕化學家週期表 大會還於現場展出一個現今最古老教學用的元素週期表掛圖(見圖7),該週期表是維也納Lenior 和 Forster根據1885年當時已確認的元素所製作的,其中包括門得列夫在1869年所預測後又被證實的鎵(Ga,1875年發現)和鈧(Sc,1879年發現)都出現在此週期表上。圖7所示掛圖於1888年由St Andrews大學化學系Thomas Purdie教授從一本德國的目錄中採購而得。2014年由該校Dr. R. Alan Aitken 在清理上課教室時發現的,經與同仁Pilar Gil合作進行分析後確認屬門得列夫之週期表,此次有幸能看到真品,實在難得。 圖7. 最古老的元素週期表掛圖(1885年版) 除此之外,IUPAC還舉辦一項非常有挑戰性的「挑戰週期表」(Periodic Table Challenge)活動,希望全世界各地對元素具有好奇心或是想挑戰自己對化學元素認識多寡的人皆來參加挑戰,報名參加者可以自由選擇週期表上任何一個或多個元素作答,20個題目隨機由資料庫中抽取出來測試,第一階段答對12題 (即60%)者即可獲得IUPAC所提供的通過測驗證明書一紙,並取得進入第二階段製作影片或海報等作品參賽的資格,得獎者可以獲得諾貝爾獎得主簽名週期表一件。目前全世界參賽者上萬人,臺灣各地亦有多人參與,熱鬧滾滾。意者可上該網站試試身手,自我挑戰(見圖8)! 圖8. 元素挑戰活動參與人分布圖 最後,有一項相當有趣的學齡前孩童或小學低年級學童的實驗活動(1001 Inventions: Journeys from Alchemy to Chemistry,話劇表演等等,讓小朋友可以在輕鬆愉快的活動中認識化學、探索化學,這寓教於樂、向下扎根的做法令人佩服! 中國化學會(臺灣)非常重視IYPT,並積極參與國際性組職的活動。化學會贊助IUPAC國際元素週期表年的Logo也名列在IYPT大會手冊和IUPAC官方網站贊助單位之中,受到與會者的矚目與肯定。 臺灣IYPT的慶祝活動 臺灣是IUPAC會員,長期參與IUPAC各項活動,此次更不能置身事外。作者除率領臺師大研究團隊積極參與規劃與執行相關活動外,還邀請中國化學會、中華民國科學教育學會、淡江大學科教中心、臺灣科學教育館、國立自然科學博物館、新北市課程發展中心、教育部化學學科中心、臺師大自然領域教學研究中心,共襄盛舉。活動內容除了民眾動手做科學實驗外,並增加元素海報展、元素方塊活動、光雕科學藝術投影,希望集合眾人之力將科學藝術與化學帶入科教館、科博館、和校園中。一方面慶祝這屬於國際性的科學活動,同時也藉此機會激起社會大眾對於科學的價值與其正負面影響的認識,並達到科普傳播的目標。此處先行介紹整體規劃,未來期待在年底時可再就完成的活動做一完整的報導。 整體活動對象 此次規畫活動的對象可分為三個層面: 1. 對於一般民眾 科教館與科博館將規劃與辦理相關展覽活動,讓民眾能對元素週期表有較深入的認識;淡江科教中心則辦理貼近大眾的打卡活動,讓化學融入每個人的日常生活中;而臺師大團隊將製作大型元素方塊週期表,從不同的角度來呈現週期表元素的性質與應用面,並結合光雕投影和動手做活動來認識化學元素的面面觀。 2. 對於教育工作者 科教學會、化學學科中心與新北課發中心將分別辦理工作坊、教材教具競賽與公開觀課活動,藉此提升教育工作者以更多元的角度來認識化學元素,以有助於教學增能。 3. 對於學生 科教館、化學學科中心與臺師大自然領域教學研究中心設計競賽與課程,由實際參與學習活動來提升對科學學習的興趣。 化學會則將建立網站彙整今年所辦理之各項慶祝活動與推廣工作項目,並提供有關元素週期表的資源供社會大眾與學校使用。同時化學會與臺灣維基媒體協會(WikiMedia Taiwan)合作,希望藉由這一年可以對維基百科中的化學元素進行中文條目的撰寫與編輯。 一、活動簡介 1.《臺灣化學教育》電子期刊發行專刊 《臺灣化學教育》電子期刊業已於2019年一月出刊《2019國際週期表年(IYPT)》專刊,共收集13篇文章,內容含:門得列夫週期表的發展史、化學學習與元素週期表、日文與中文元素命名、元素英文命名的由來、微量元素的介紹、鹵素的性質、元素與藝術等等,有興趣者可至官網查閱。 2. 元素方塊你我他 由臺灣師範大學邱美虹教授研究團隊負責「元素方塊」這項活動,根據「化學性質」、「相關實驗」、「生活中常見的狀態或應用」、「發現的國家或科學家」與「臺灣或其他國家文化常見的例子」做為設計的方向,廣邀學者與學生來參與元素方塊的設計(見圖9),希望這些成品可以提供民眾認識元素與生活息息相關的機會。此項徵稿業已完成,將進行美化成品的工作。配合臺師大團隊設計的元素方塊,亦將使用光雕投影以不同的角度展現週期表發展的歷史與文化脈絡與元素的應用。這些展品將在科教館與科博館展出,並將推廣到校園中。 圖9. 元素方塊 二、 淡大科教中心--週遊臺灣 由淡江大學科教中心王伯昌主任與高憲章執行長主導,於選定與特定元素相關聯的地點設置「元素週期表-臺灣週遊點」,讓全臺民眾在旅遊時可進行打卡與實體印章收集的活動。該活動設計是希望能讓臺灣民眾不論年齡、職業都能透過這個活動正確的認識化學與生活的關聯性,正視臺灣天然資源缺乏的問題,並在活動的收集過程中,認識臺灣各地產業,以及特殊的地理、歷史與文化。 三、 科教館--化學元素週期表課程開發、演示及推廣 科教館(見圖10)在陳雪玉館長的領導下預計進行全年性的活動,藉由各項活動推展科普教育。活動包括以下幾類: (1) 化學元素週期表課程開發 (2) 結合本館展區、實驗室、劇場、戶外生態場域的「化學元素尋寶趣」 (3) 配合科學巡迴車規劃全新化學演示活動,提供各地的巡迴教育服務 (4) 化學元素課程、演示活動及推廣活動轉化為科普影片製作 圖10. 科教館的元素週期表設備 四、 科博館--展出元素相關展品 科博館除展出臺師大團隊的元素方塊與光雕投影外,孫維新館長與張鈞翔主任擬展出館藏與元素相關的收藏品(如礦石等),以共襄盛舉。 五、新北課發中心--教師工作坊 由新北課發中心鍾曉蘭執行秘書辦理,活動內容為介紹週期表年的活動意義與各項活動,活動分別有教材競賽、教案競賽與教案發表會等。對象主要為全國化學教師,活動以工作坊形式辦理活動;推廣活動以教材、教案競賽成果為主並辦理週期表同課異構公開觀課活動等。 六、科教學會-元素週期表教材教具媒材展示品設計比賽 由科教學會盧玉玲理事長主導,活動內容為利用元素週期表設計教材教具與媒材。活動對象為各級學校單位或個人報名參加;活動辦理方式為媒材徵選活動;時程預計於2019年5-6月。科教學會負責邀請評審進行媒材的初審與複審工作,並選出優良作品頒發獎金。 七、 化學學科中心與臺師大自然領域教學研究中心--元素週期表線上有獎徵答活動 由化學學科中心林威志執行秘書負責辦理線上有獎徵答活動。活動對象為全國高中以上學生,將採線上有獎徵答活動的方式進行。活動辦理的時程預計於2019年7-8月。化學學科中心負責相關試題設計,並尋找相關活動平台建置方式。歡迎大家一起來! [化學學科中心與新北市課程發展中心-教案設計競賽] 由化學學科中心與新北課發中心共同辦理,活動內容為運用科教學會舉辦之元素週期表教材教具媒材競賽的得獎作品進行週期表教學活動之設計。活動對象為全國化學教師;活動辦理方式為教案徵選活動;時程預計於2019年7-9月辦理,活動將選出優良作品並頒發獎品。 8. 新北市課程發展中心--教案發表會與公開觀課 由新北課發中心主導,活動內容為教案競賽得獎作品之成果發表會。活動對象為全國化學教師,以工作坊形式辦理活動;時程預計於2019年10-11月辦理一場工作坊,場地預計在新北高中;至於推廣活動,則是以辦理週期表同課異構公開觀課的形式進行。 9. 科普環島列車 由科技部科普計畫召集人李旺龍教授負責的科普列車亦將於各地展開收集與該地文化與發展相關的元素之故事(如金瓜石曾經擁有的黃金、新北市的硫、新竹的矽)等,做為2019年環島列車的主題,以共襄盛舉。 10. 中國化學會--IYPT各項活動之共同網頁平臺建立 各項活動的推廣除各單位本身的資訊平臺與社群之外,中國化學會將設計IYPT各項活動之共同網頁平臺,此部分將由學會秘書長趙奕姼教授目前規劃與執行,此平臺成立的功能共有以下六點: (1)介紹聯合國IYPT以及週期表與生活、永續發展的關係。 (2)在同一頁面呈現所有活動並提供該活動之連結。 (3)推播最新消息。 (4)提供參與元素週期表線上有獎徵答活動網頁連結。 (5)提供活動花絮報導。 (6)透過IUPAC連結至國際上其他IYPT活動網頁。同時化學會與臺灣維基媒體協會(WikiMedia Taiwan)合作,邀請學者與學生共同編輯元素條目,希望可以建立具可信度的維基資訊供大眾使用。 結語 IYPT是一項由聯合國發起的國際性的活動,此次臺灣積極辦理相關活動,希望這些活動可以觸及到臺灣每個角落、每個國民,且能在所觸及的地方與人在2019之後還能持續化學教育的生根與人才培育的永續經營志業,才不枉眾人的努力與付出。 致謝 感謝科技部和化學局提供經費補助,使本團隊得以執行慶祝IYPT之各項活動。同時,感謝中研院經費補助以及化學會的推薦,使本人得以出席IYPT開幕式,受益良多。更感謝所有參與單位、籌備委員和諮詢委員在各方面的支持,使元素週期表的科普活動有機會得以推廣到各個層面的人群中。 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所教授