化學

微型電解裝置於化學教學的運用

文／潘俊宏、林威佑、郭子安 圖／潘俊宏 前言 氧化還原反應是化學中重要概念之一，所謂氧化還原反應是一種關於電子轉移的化學反應，而電解反應即為其中一種。在目前的中學課程中，電解硫酸銅溶液為介紹電解反應的實驗之一，除了實驗操作外，課程著重於電解產物種類的觀察，進而引進正負極的反應介紹，但對於產物（金屬銅） 的生長並無法藉課程所提供裝置對金屬生長過程進行觀察。 目前「十二年國民基本教育課程綱要總綱」（又稱 108 課綱） （1）中提出:教師在教學上應從激發學生對科學的好奇心為起始，引導學生主動探索與實驗操作，進而使學生能具備科學核心知識、探究實作與科學論證、溝通能力。在中學課程中，氧化還原的現象是可提供學生進行探究的主題之一，特別是在電解的部分，但局限於目前教材的實驗裝置，很難提供學生作進一步的現象探究，所以對電解實驗裝置便有改進需要了。在目前中學教材中，電解硫酸銅溶液實驗裡需要使用大量硫酸銅溶液，在實驗結束後廢液的處理便是一大問題，雖然目前各學校對廢液的處理有不同方法，但如何減少實驗中使用溶液的量便是重要課題。 本研究即是利用簡單的材料，設計一組可減少廢液量的微型裝置，提供給學生進行電解硫酸銅溶液的氧化還原實驗，經由此實驗裝置，學生在電解硫酸銅溶液時可觀察到金屬的金屬枝晶（metal dendrites）的生長情況，進而引導學生對金屬枝晶生長進行探究，重要的是在本實驗使用低濃度、低容量的裝置，以符合綠色化學之精神，更教導學生環保之概念。 壹、微型實驗裝置的材料與製作 本實驗裝置主要採用簡單、容易取得的材料（如: 壓克力板） 進行製作，當學生使用此微型裝置進行電解硫酸銅溶液實驗時，容易觀察實驗過程，以利學生進行學習、探究。 一、材料 壓克力板 （10 cm × 10 cm） 1片 壓克力黏著劑 1瓶 長尾夾 4個 銅線與銅片 適量 電池組 （數個串聯，或電源供應器） 1組 二、製作過程 Step 1 切割出適當大小的壓克力板（如圖1-1 ，板的尺寸可隨需求調整）。 Step 2 取其中一片壓克力板，用壓克力黏著劑塗於壓克力板四周，將切割出的小壓克力板黏於大壓克力板四周（如圖1-2）。 Step 3 取寬約3 ~5 mm 的銅片和適當長度的的銅線放入圖2中之壓克力板，並蓋上另一片壓克力板， 再加上四個長尾夾固定二塊壓克力板 （如圖2）。 Step 4 將壓克力板內加入電解液（如硫酸銅溶液）並接上電源 （如圖3）， 便可進行電解實驗。 圖1-1. 切割出的壓克力板 圖1-2. 完成的反應裝置 圖2. 簡易電解反應實驗裝置 圖3. 簡易電解反應架構圖 貳、實驗操作 實驗將以製作出的微型電解裝置來進行，實驗中使用電源供應器提供電壓以方便調整電壓大小（裝置如圖3），電解過程中使用手機或攝影機（高倍像素為佳） 拍攝與記錄銅金屬析出過程，以利實驗後的深入觀察、探究。 首先取0.001M硫酸銅溶液約2~5mL滴入微型電解裝置中，再調整銅片（正極） 和（負極） 的距離為1公分後，以電源供應器施加 15 V的直流電壓進行電解並以手機拍攝與記錄微型電解裝置中的反應過程，電解實驗銅金屬樹生長反應過程如表一所示。 電解進行時，發現在負極 （陰極） 銅線二側尖端處開始出現微小的團狀的金屬（如表一中5秒），隨電解的進行，負極尖端處生成樹狀銅金屬樹晶，金屬樹頂端開始向四周延伸（如表一中25秒），而經過一段時間後朝銅金屬樹晶向負極延伸速率加快（如表一中55秒和95秒），形狀漸成樹枝形。 當提高硫酸銅溶液濃度為0.006M時，維持正負極間的距離為 1 公分並施加 15 V 的直流電壓進行電解，以手機拍攝與記錄微型電解裝置中的反應過程，電解實驗銅金屬樹生長反應過程如表二所示。相同金屬從銅線尖端開始生成樹晶，再由樹晶頂端向四周生長，相較於電解0.001M硫酸銅溶液，開始生成時的樹晶較為茂密且整體形狀較近似為圓形（如表二中25秒），隨電解實驗的進行，樹晶偏向正極生長且形狀漸成橢圓形。 表1. 施加 15 V 的直流電壓進行電解 0.001M 硫酸銅溶液，銅金屬樹在不同時間的生長情況。 表2. 施加 15 V 的直流電壓進行電解 0.006M 硫酸銅溶液，銅金屬樹在不同時間的生長現象。 參、教學演示 在目前的教材中，在電解實驗裡，學生使用U型管來進行電解硫酸銅溶液，實驗中只要求學生觀察正、負極產生物質的種類，而較難觀察到產物的生成樣貌。在使用微型電解裝置進行實驗時，可由直接觀察到銅金屬析出（如表1），教師可藉由此反應現象介紹發生電解的原理，開始進行電解時，為負極銅線尖端處開始出現的團狀的銅金屬，其主要原因為開始電解時，溶液中分布於銅線附近的銅離子由負極得到電子後，發生還原半反應後形成銅金屬沉積，逐漸形成了銅金屬樹晶，而在另一端的銅片（正極） 因失去電子形成銅離子溶於電解液中（實驗中較不易觀察），析出的銅離子和原電解液中的銅離子受到濃度差和電場作用也朝向負極移動，進而在銅金屬的樹晶尖端形成沉積，銅金屬越接近正極，使得銅金屬沉積越快，隨電解時間經過，便形成了銅金屬樹晶。若提高硫酸銅溶液的濃度且在施加相同電壓電解時，由於溶液中銅離子的濃度較高，銅金屬析出便較快、較密（比較表１和表２） 。 除了觀察到負極的產物（銅金屬） 外，學生亦可觀察到銅金屬樹晶析出的樣貌，可欣賞化學變化之美感，更可進一步觀察銅金屬樹晶析出的細部結構和外形，進行深入的科學探究；除此之外，亦可改變電解液中不同金屬種類和濃度，進行比較不同金屬樹晶析出、堆疊的樣貌與反應狀況，對各種變因進行深入的探究與概念理解。 經由以上的實驗觀察、討論與分析後，教師可將已形成金屬樹晶的正、負極反接，請同學由已學習的概念推測可能出現的實驗結果，經討論後，教師可進行實驗驗證同學們的推論，進而加強同學對氧化還原概念的瞭解，達到學生的學習目的。 結論 在目前的電解硫酸銅溶液實驗中，實驗以燒杯（或U型管） 較大型裝置進行，實驗過程中學生只觀察到產物產生，而無產物產生的變化，只能記憶正負極的產物種類，對氧化還原概念的瞭解便較不深刻，更難有進一步對此現象的探索，且在實驗結束後，教師和學生對大量實驗廢液的處理更為一大問題。 微型電解裝置便可提供為較佳的實驗裝置，實驗採用微型電解裝置時，實驗中的電解質溶液（硫酸銅溶液） 為低濃度、低劑量，教師可藉此教導環保概念，也符合綠色化學精神，在實驗過程中，學生可觀察到銅金屬樹晶的生長過程與樣貌，進而對氧化還原的現象與概念更加深刻，也能欣賞到化學變化的美，以達到美感教學，若學生對此現象感到興趣，亦可使用微型電解裝置對電解實驗再進一步深入的探究。 誌謝 感謝淡江大學化學系王文竹教授與王伯昌教授對裝置設計與原理的指導。 參考資料 [1] 教育部（2014年11月28日）。十二年國民基本教育課程綱要。取自http://www.naer.edu.tw/ezfiles/0/1000/attach/87/pta_5320_2729842_56626.pdf 潘俊宏 臺北市立介壽國民中學教師 淡江大學化學系兼任助理教授 林威佑 臺北市立大同高級中學學生 郭子安 臺北市立第一女子高級中學學生

你吃的不是你所想的──化學的「食作」探究

文／黃嘉郁 前言 「民以食為天」。作為人民生活的基礎，「食」的相關科學其實也是作為引導學生從事探究的最佳出發點。舉凡從食物烹調、製作、加工、保存等，無一不與科學有密關係；由此延伸的食品安全議題，更是引導學生進行議題反思與批判能力的跳板。 臺北市立新興國民中學自然領域團隊老師，歷來以從事「食的科學」相關探究學習活動為聞名，除在臺北市區域資優方案連續多年以「食」為主題，舉辦多次資優活動外，更以此為七年級的校本彈性課程，引導學生作為科學探究活動的初體驗，在食的科學探究方面累積了許多能量。以下茲由化學的角度出發，介紹具代表性的「食作」化學探究活動。 盲測與儀測 市售飲料喝來酸中帶甜，文學家形容有如「初戀的滋味」般地令人難忘，然而其中為了調整飲料酸甜程度所添加的人工風味，也常常欺騙了我們的味蕾。為了迎合不同愛好者的口感，調整之後的相同品項飲料（例如柳橙汁），在不同廠牌下所營造出的味覺也不盡相同。為了讓同學了解感官與儀器結果可能有所差別，我們以「盲測」方式開始這項活動。 進行「盲測」過程，首重不能讓學生有足以辨識產品的機會，因此事先須準備相同規格的試飲杯，杯上僅有標示飲料組別（如A組、B組等），在飲用過程，以相同的提示語提醒學生留意飲料的酸甜口感，並以文字進行記錄包含酸度大小、甜度大小等個人體驗資訊，甚至可請學生在其中預測果汁廠牌、何者才是真的鮮榨的果汁等。 圖1. 市售飲料盲測需準備相同規格之容器來進行 緊接著就是使用儀器進行糖度與酸度的驗證。糖度部分，現場教學可以使用比重計或糖度計會較為方便；酸度部分則可視學校設備狀況，使用理化實驗室現有的廣用試紙、延伸配合酸鹼鹽單元教學而使用滴定法或酸鹼度測定計（pH計）等來進行測定等。整個活動過程雖然相當簡單，然而必須提醒讀者的是：任何儀器都有使用上的限制條件，在闡釋結果過程不應過度衍伸。例如糖度計的使用，只能用在測定同種溶液的相對甜度，不能進行跨溶液（飲料）間的糖度比較。原因在於糖度計使用原理乃是利用光線在穿透不同濃度的液體時，光線折射角度不同而換算出液體的相對濃度，而折射角度容易受到溶液（飲料）中的其他成分影響，所以測量結果僅作為估算比較，不能作為實際含糖量的測定。 圖2. 學生操作糖度計的情形 圖3. 學生以滴定法測量果汁的酸度 教學建議方面，教師購買到的市售果汁（或飲料）種類越多，對於學生的挑戰與答案揭曉後的衝擊將會更顯探究過程的趣味。另外除了市售果汁以外，教師若事先準備時間充足，亦可以加入現榨果汁來進行盲測與實驗，如此會使活動的挑戰性及難度更為增加，也更易激發學生進行探究的動機。 若時間不足，可將酸鹼與糖度兩部分拆開進行，那麼可使用的材料將會更多樣，就不一定得侷限於果汁才行。例如就糖度而言，教師可由市售手搖飲所聲稱不同糖度飲料進行前述的盲測與檢定，末了並引導學生就生物課程所學，思考減糖、少糖等方式，是否有益於自己健康促進，甚至能夠減少胰腺癌發生的機會（中央研究院，2019）。 添加物的使用 除了飲料在製造過程會加入酸甜物質進行調整以外，其他常見食品在製造過程，往往為了不同目的，如口感、風味、增色、保存等因素，也會使用許多不同種類的添加物，而這些添加物的使用，也將使我們的感官與味蕾為之所迷惑。除了善用「盲測」，讓學生以「實做」方式，實際體驗添加天然與人工添加物所製造出的食品是存在差異，在校園之中最簡便的方式就是餅乾的製作。 我們的課程是讓學生製作抹茶餅乾。為了引起學生動機，我們仍使用「盲測」，在課程之前由老師事先製作添加天然抹茶粉、人工抹茶香精的餅乾，讓學生分別就外觀、呈色、味道、口感等進行個別評斷，之後帶領學生現場製作抹茶餅乾。在餅乾製作過程，學生除可以體驗家政課程餅乾的製作樂趣以外，亦可針對天然抹茶粉、人工抹茶香精等進行實際觀察與體驗；製作成品帶會家中，也可成為回家親子研討的主題，將食品添加物的議題帶入家庭之中。 教學建議方面，教師可以搭配不同季節的食材來進行此一課程，如芋頭vs.芋頭香精，來進行芋頭餅乾的製作與比較；延伸部分又可融入食品色素使用之教學，如讓學生實際看看天然芋頭製作的餅乾與添加色素製作的餅乾呈色結果差異等等，以激發學生進行相關議題的深入探究與反思。 圖4. 抹茶餅乾的盲測活動，猜猜誰才是天然的。 圖5. 自己動手做抹茶餅乾，融入化學原理的食品探究課。 自己配汽水 大熱天或劇烈體能活動之後的一大享受，往往就是痛快地暢飲一罐/一杯冰冷的汽水。其實深究汽水的製作原理，無外乎將糖漿添加至碳酸水中所製成。汽水工廠製作罐裝飲料的過程，為了增加二氧化碳的溶解度，因此往往需要降低溫度才行；趁著二氧化碳溶入量增加的同時，將罐子密閉起來。餐飲店的汽水機調製汽水並不需要密閉罐子，它僅需在客人按下汽水按鈕後，於低溫狀況下將水與二氧化碳氣體混合成碳酸水，再與糖漿以一定比例混合，就可以從機器釋放出冰涼的碳酸飲料了，所以餐飲店汽水機打開來看，裡面就是二氧化碳鋼瓶與糖漿瓶而已（劉宜叡，2018）。 圖6. 汽水機外部（左）與內部構造（右）。 打開後可看到二氧化碳鋼瓶與糖漿瓶。 實驗室中雖然沒有高壓二氧化碳鋼瓶可以製造碳酸水，也沒有糖漿可以調味，可是我們有化學藥品（檸檬酸、小蘇打粉），添在一起後會像汽水一樣冒泡泡，若再加入一些味道（橘子香精製造出橘子味、糖製造出甜味），然後再輔以一些顏色（黃色食用色素＋金黃色食用色素），那外表看起來就跟橘子汽水沒甚麼兩樣。實際教學過程，學生對於用一些簡單化學粉末就可以製造出橘子風味的汽水，一方面感到神奇訝異，另方面感到有點恐怖。從活動之中體驗化學藥品與添加物可以調配許多日常生活常見的飲品，而這些飲品使用糖分之多，也是讓學生在當下受到極大的衝擊。 教學建議方面，若調配比例適當，可準備市售常見橘子汽水等讓學生挑戰盲測，甚至以色素調成不同類型汽水（學生曾調成如可樂般的焦糖色）來增加活動過程的衝擊與反思程度。此部分課程若有時間，甚至可引導學生進行商品成本與販售倫理等，更高層次的思考。 圖7. 自己製作化學汽水，既有趣有恐怖。 結語：一個不同的開始 從化學的角度切入食品科學，是一個能夠吸引學習者目光的課程統整切入點。而以食品科學為主題的教學，除了可在自然領域內進行領域課程的統整外，亦可跨領域延伸至綜合領域家政課程、健康與體育領域的健康課程，甚至是社會領域課程。而研討內容除了食品的化學觀點外，亦可與個人健康、安全飲食、商品成本、生產者方面切入。學生除在課程之後能夠反思自己到底吃下去的是甚麼樣東西以外、也可以刺激學生進行高層次的思考。 透過本文的拋磚引玉，希盼可以激發不同背景的教師同仁的不同類型思考，一起為培養能夠合乎現代、面對未來的科學公民而努力。 參考資料 [1] 中央研究院 （2019年3月8日）。預防癌中之癌「胰腺癌」找上門 少糖就對了！. 中央研究院新聞稿。https://www.sinica.edu.tw/ch/news/6164 [2] 劉宜叡 （2018年3月28日）。拆解氣泡噴泉：汽水機如何讓水瞬間變成糖水炸彈？https://www.foodnext.net/issue/paper/5593114275 黃嘉郁 臺北市立新興國民中學教師

靜電遊戲

圖、文/陳坤龍 臺南市立佳興國民中學理化教師 在科學課程中，靜電是一個吸引人的主題，靜電無所不在，幾乎所有的物質都可能產生靜電。在冬天常見的尼龍衣服吸附身體、梳頭髮時的劈啪聲、手摸門把感到電擊、螢光幕容易吸附灰塵等，生活中到處都可以看到靜電。以下五個實驗利用生活中簡單的道具製造許多不同的靜電效果，藉由這五個實驗說明靜電產生的原理及特性，而各式各樣驚奇的靜電實驗，可帶給學生有趣又新奇的電學入門體驗。 一、鋁盤飛碟實驗 1. 實驗器材：小鋁盤、靜電棒 2. 實驗步驟：將小鋁盤疊好放在靜電棒前端，啟動靜電棒，會發現小鋁盤像飛碟一樣飛出去（圖1）。 3. 實驗原理：每一種物體都是由原子所組成的，而原子的外側有電子平均包圍著。當靜電棒啟動時，靜電棒會不斷的產生正電荷，這些正電荷會吸引小鋁盤中的負電荷，並且與這些負電荷中和，使小鋁盤中的正電荷多於負電荷而帶正電，那小鋁盤間彼此都帶正電，同電荷相斥的原理，所以小鋁盤就會像飛碟般一個一個的飛出去了。 4. 實驗總結：由本實驗了解當帶電體（靜電棒）接觸電中性物質（小鋁盤）時，靜電會因為接觸傳導至物質中，使原本不帶電的物質，因為帶電體的接觸而帶電。而靜電有分正電荷和負電荷兩種，同性電荷會互相排斥，異性電荷會互相吸引。 圖1. 小鋁盤像飛碟一樣陸續飛出去 二、蓄電瓶實驗 1. 實驗器材：靜電棒、鋁箔貼紙、塑膠空瓶、鐵釘、剪刀、膠水 2. 實驗步驟： (1) 先把鋁箔貼紙裁剪成適當大小，黏貼在塑膠空瓶的外側。 (2) 把塑膠空瓶內裝約7分滿的水，再把瓶蓋蓋上。 (3) 瓶蓋鎖緊後，把鐵釘從瓶蓋中間插入，並且外露長度約1公分。 (4) 手握緊包覆鋁箔貼紙的塑膠瓶，並啟動靜電棒接觸外露的鐵釘，再用手去碰觸外露的鐵釘，就會有觸電的感覺（圖2）。 圖2. 蓄電瓶完成圖 3. 實驗原理：利用帶正電荷的靜電魔法棒接觸瓶蓋上的鐵釘時，因為接觸起電，故會使鐵釘帶正電荷，並中和水中的負電荷，使水亦帶正電。而塑膠瓶外圍的鋁箔因為靜電感應後，會吸引空氣中的負電荷，所以塑膠瓶裡面的水帶正電荷，外圍鋁箔紙帶負電荷，兩者互相吸引就會達到蓄電的效果，當蓄電到達一定的量時，用手指去接觸鐵釘就會有觸電的感覺了。 4. 實驗總結：本實驗是利用正負電荷相吸的原理來達到蓄電儲存的效果，但靜電的實驗與空氣中的濕度關係很大，夏天濕度高，靜電容易傳導而流失，不易成功。建議在冬天或是在較乾燥中的環境進行，成功率會比較高。 三、旋轉黑洞 1. 實驗器材：靜電棒、塑膠盤、銅貼紙、導電球 2. 實驗步驟： (1) 將塑膠盤裁剪成直徑18.5公分的圓。 (2) 再裁剪銅貼紙長15公分、21公分，寬1公分，且兩端剪成圓弧狀，各2條共4條。 (3) 將長度15公分的銅貼紙十字交叉貼於盤子的正面，超出盤子的銅貼紙折貼於盤子的背面。 (4) 再將長度21公分的銅貼紙十字交叉貼於盤子的背面，黏貼時勿與15公分的銅貼紙接觸，超出盤子的銅貼紙折貼於盤子的正面。 (5) 把導電球放入盤中，將靜電棒啟動接觸盤子中心的15公分銅貼紙，就會發現導電球在盤中不斷地旋轉，彷彿盤子中心像神秘的黑洞不斷地吸引著（圖3）。 圖3. 旋轉黑洞裝置 3. 實驗原理：靜電棒啟動時會產生正電，當與盤子中心15公分的銅貼紙接觸時，因為接觸起電的關係，靜電棒上的正電荷會中和15公分銅貼紙上的負電荷，使正電荷多於負電荷，而帶正電；然而，21公分的銅貼紙因為受到正電荷的靜電感應，負電荷被吸引到盤子的上端而帶負電。當導電球放入盤中時，若接觸到15公分帶正電荷的銅貼紙，會因為接觸起電而帶正電，因為同性電荷相斥的關係，所以導電球會被推開，同理可推，當導電球被推開接觸21公分帶負電荷的銅貼紙時，正電荷就會被中和而帶負電，又因為同性電荷相斥的關係，導電球在盤中就會一直轉動。 4. 實驗總結：本實驗說明了當帶電體（靜電棒）靠近電中性的金屬物質時（21公分的銅貼紙），帶電體會吸引金屬物質中的異性電荷，使金屬物質一端帶正電另一端帶負電，這個過程稱為感應起電。實驗中必須注意兩條不同的銅貼紙不能接觸，不然兩條銅貼紙就不會帶異性電荷，這樣導電球就不能在盤中一直轉動。 四、靜電跳跳球 1. 實驗器材：透明塑膠管5公分、導電球、靜電棒 2. 實驗步驟：把透明塑膠管直立於桌面上，將導電球丟入透明塑膠管中，啟動靜電棒接觸透明塑膠管的上端，會發現導電球在透明塑膠管內不斷地跳動（圖4）。 圖4. 靜電跳跳球實驗 3. 實驗原理：一開始的導電球表面正負電荷是平均分配，當靜電棒啟動產生正電荷時，因為感應起電的關係，導電球上半部充滿負電荷，下半部充滿正電荷，因為異性電荷相吸的關係，所以導電球被吸引上去。導電球被吸引上去與靜電棒接觸時，靜電棒上的正電荷就會中和導電球中的負電荷，接觸起電的關係，使導電球帶正電荷，因為同性電荷相斥的關係，所以導電球被推開往下運動。當導電球往下接觸地面時，地面上的負電荷會跑到導電球中中和正電荷，使導電球又回到正負電荷平均的狀態。不斷地重複以上這些循環，就會看到導電球在透明塑膠管內不斷的來回跳動了。 4. 實驗總結：本靜電實驗中有感應起電與接觸起電，我們可以發現感應起電在靠近帶電體的一端會帶異性電荷，所以會相吸；而接觸起電，當物質與帶電體接觸時，物質會與帶電體帶同性電荷，所以會相斥。這同性電荷相斥，異性電荷相吸的靜電現象也是造成導電球不斷的在塑膠管中彈跳的主要原因。 五、驗電除塵瓶 1. 實驗器具：鋁箔紙、鐵線、寶特瓶、鋁箔貼紙、靜電棒、剪刀、線香 2. 驗電實驗步驟： (1) 把鋁箔紙裁剪成1×2公分兩張，並且在上方鑽一個小洞。 (2) 把鑽洞的鋁箔紙穿過鐵線，移至鐵線中間，並把鐵線對折。 (3) 把對折鐵線中間部分捲成麻花狀，下方擺放鋁箔紙，上方預留5公分。 (4) 用剪刀在塑膠瓶蓋上鑽一個小洞，再把鐵線上端穿過塑膠瓶蓋，並攤平在瓶蓋上，把多餘超出瓶蓋的鐵線用剪刀剪掉。 (5) 最後用鋁箔貼紙黏貼瓶蓋上的鐵線，並把多餘超過的部分剪掉。 (6) 這樣驗電瓶就完成了，把要測試的物體接觸瓶蓋上的鋁箔貼紙，如果鐵線下端的鋁箔紙有張開，則表示此物體是有帶電的（物質表面正、負電荷分配不平均）；反之，若鐵線下端鋁箔紙沒有張開，則表示此物體沒有帶電（物質表面正、負電荷分配平均）（圖5）。 圖5. 驗電瓶完成圖 3. 驗電實驗原理：一開始驗電瓶中正、負電荷分配平均，鐵線下端的鋁箔紙是閉合的狀態，當帶正電的物質接觸瓶蓋上的鋁箔貼紙時，因為接觸起電，鐵線下端鋁箔紙中的負電荷會跑上去與正電荷中和，使正電荷多於負電荷，讓鋁箔紙帶正電，因為同性電荷相斥關係，所以鋁箔紙會張開；同理可推，當帶負電的物質接觸瓶蓋上的鋁箔貼紙時，因為接觸起電，負電荷會跑到鐵線下端的鋁箔紙，使負電荷多於正電荷，讓鋁箔紙帶負電，因為同性電荷相斥關係，所以鋁箔紙會張開。結論就是，當有帶電的物質接觸瓶蓋上端鋁箔時，鐵線下端的鋁箔紙就會張開，當不帶電的物質接觸時，鋁箔紙就不會張開，所以可以用來檢測物體是否帶電。 4. 除塵實驗步驟 (1) 延續驗電瓶的器具使用，先在驗電瓶的瓶身側邊鑽一個小洞。 (2) 點燃線香，讓線香穿過瓶身側邊小洞，收集煙霧。 (3) 當煙霧收集完畢時，拿出線香，並用膠帶貼住小洞，避免煙霧跑出去。 (4) 啟動靜電棒接觸瓶蓋上端鋁箔貼紙，會發現煙霧在慢慢地散去，達到除塵去煙的效果（圖6）。 圖6. 除塵實驗結果 5. 除塵實驗原理：線香煙霧充滿瓶身時，瓶身與煙霧都是正、負電荷平均，當靜電棒啟動產生正電荷時，接觸瓶蓋上端鋁箔貼紙時，因為接觸起電，鐵線上的負電荷會被靜電棒產生的正電荷中和，瓶內煙霧分子也有跟鐵線接觸，所以煙霧上的負電荷也被正電荷中和，使正電荷多於負電荷，讓鐵線與煙霧分子帶正電。塑膠瓶外因為感應起電，當瓶內鐵線與煙霧分子帶正電時，塑膠瓶外的負電荷會被吸引，使塑膠瓶身帶負電，因為異性電荷相吸的關係，所以帶正電荷的煙霧分子就通通被吸附在塑膠瓶身上，達到除塵去煙的效果。 6. 實驗總結：實驗中可以了解驗電瓶可以檢測物質是否帶電，當鋁箔紙張開時，檢測的物質就有帶電；而鋁箔紙垂下時，檢測的物質就沒有帶電。在檢驗時要先確認驗電瓶本身沒有帶電，若發現沒有帶電物質靠近或接觸時，鋁箔紙一直呈現張開的狀態，那表示此時驗電瓶有帶電，可用手直接接觸驗電瓶上端，把驗電瓶多餘的電荷由手的接觸導走或中和，使驗電瓶呈現電中性的狀態。

關於美麗，也關於錯誤-淺談海爾蒙特和他的柳樹實驗

文／葉房蒲 臺大科學教育發展中心特約撰稿 我從這項手工勞作中領悟到一件事： 植物立即性、物質性的發展 確實只來自於水這個元素。因為， 我之前準備了一個瓦器， 放入200磅 使用火爐烘乾過的土壤， 澆上雨水溼潤後， 再植入5 磅重的楊柳枝幹； 最後，五年過去了， 柳樹從土壤中抽長， 重達169 磅又3盎司： 但我曾使 用雨水或蒸餾水澆灌這個瓦器（ 每當有需要的時候），它長得這麼大， 植根在土壤之中，而且空氣中飛揚的灰塵，應當只有最低限度的量混雜 入土壤中， 我事先在瓦器的開口上覆蓋一塊馬口鐵片， 並留下許多可穿 透的小洞。我並沒有把過去四個秋天裡掉落的葉片重量算進去。最後， 我再度將瓦器裡的土壤烘乾，發現同樣是200 磅，但少了約2 盎司。因此 164磅的木材、樹皮和樹根皆只因水而產生。― 海爾蒙特（JanBaptist van Helmont ）， 1648 科學史上鼎鼎有名的柳樹實驗發生在十七世紀的歐洲，由比利時科學 家海爾蒙特完成。這是生物學和植物學史上第一個定量實驗，不僅是在實 驗手法上有所突破，海爾蒙特的結論 並引來各方討論。一百多年後，經過 許多科學家的努力，如同拼圖一般終於將植物的生長之謎破解了。然而， 在海爾蒙特留下的著作當中，關於這個實驗的敘述卻相當簡短，寥寥數百字而已。任何一位有接受過現代科學基礎教育的讀者，就算 原先沒有聽過其人其事，讀完首段的引文後也能輕易指出其結論的錯誤之處：海爾蒙特忽略了空氣中的二氧化 碳以及日光，這兩者和水是植物行光合作用製造養分的必備材料，當然，他也忽略了土壤中的微量礦物質也會 被植物所吸收、利用。在海爾蒙特逝 世後深受其實驗啟迪的英國科學家波 以耳，儘管他和海爾蒙特一樣深深著 迷於「植物生長皆只來自於水元素」 這個想法，甚至還把柳樹實驗重現了 三次，但他也不得不承認土壤依然有 決定性的影響―因為他將柳樹種在水 裡，柳樹卻無法順利生長。 植栽水中得？ 讓我們先放下從教科書裡學到的 知識，試圖重返十七世紀的歐洲去思 考這個實驗。在當時，水栽植物相當 常見，人們也普遍相信水才是植物生 長的養分來源，因為園丁必須天天澆 水，卻不見得那麼常換土。在海爾蒙 特的實驗出版前，培根就曾經將幾種 陸生植物養在水裡，效果蠻好的，其 中有一株玫瑰甚至存活了三個月。 但他的結論並不像海爾蒙特這般武斷， 他說： 「從這些水的例子中可以發 現，幾乎所有的養分都來自於水，而 土地所做的不過是讓植物挺直，免於 過度的寒暑。」可見，不像動物能張 口覓食的植物究竟如何生長？土壤和 水份哪個發揮的作用較大？一向都是 當時科學家和老百姓深深感到困惑與 好奇的。 於是， 海爾蒙特為了解開這個 謎團，我們從引文中可以發現他特地 在瓦器上加上蓋子，甚至還鍍錫以避 免生鏽。這個設計非常關鍵，顯示他 已經意識到空氣中懸浮的灰塵可能會混入實驗系統的瓦器土壤中，影響到 他最後秤重的數據。但問題正在於， 或許是為了澆水方便，他同時也在蓋 子上打了許多洞，水分能夠輕易流入 的孔洞，怎麼可能有效阻絕灰塵飄入 呢？ 以當代的眼光審視柳樹實驗的有 限敘述，我們不免要覺得這個實驗疑 點重重、充滿瑕疵，他的實驗設計也 無法正確呼應其實驗目的。除了上一 段提到的蓋子，海爾蒙特只秤了土壤 前後的重量變化，並沒有將五年來每 次澆水的份量紀錄下來，就草率地推 論因為土壤幾乎沒有變化，所以柳樹 增加的164磅全來自於水。 然而， 土壤的重量真的毫無變 化嗎？從敘述中，我們知道他確實發 現土壤有兩盎司的誤差，卻從未對此 做出解釋。此外，就實驗的技術層面 而言，不管是在十七世紀歐洲或是當 代，我們都無法徹底分離植物和植物 生長的土壤。關於這點，海爾蒙特也 沒有對他使用的方法多做說明。 泰利斯的信徒 文章前面將關於植物生長的一系 列實驗比喻成拼圖，而海爾蒙特等於 是放下第一塊拼圖的人，儘管結論錯 得離譜，依然有其重要貢獻。但這並 不代表，他的想法、實驗設計以及推 論方法並沒有受到習見或是其他人的 影響。早在十五世紀，發明溼度計的 德國人「屈斯的尼古拉」（Nicolaus de Cusa）在書中就描述了一個差不多 的實驗構想，但沒有證據顯示他曾經 付諸實行。而海爾蒙特忽略那消失的 2盎司土壤並做出如此武斷的結論， 或許是因為他和波以耳在客觀的實驗 數據外，都深深著迷於古希臘哲人泰 利斯（Thales）的理論：「萬物皆孕 育自水。」（註一） 這或許正是海爾蒙特迷人之處。 早年求學的過程一波三折， 唸過人 文、神學，最後以醫學學歷畢業，一 生中卻沒有一天執業過。他在科學 史上的定位是化學家、生理學家， 但同時也被認為是煉金術士和哲學 家。許多科學史家對於海爾蒙特是否 「GAS」（氣體）一詞的創始者爭論不下，但誰都不能否認，他在實驗中 發現許多有別於空氣的氣體，並率先 將「GAS」用來指涉氣體，此後更影 響了波以耳等人的學說，被尊為「氣 體的發現者」、「氣體化學之父」。 但他同時也信奉「自然產生論」，認 為點金石真能點石成金、在製造傷口 的武器上塗抹油膏則能促發傷口的自 癒。 在他的作品裡，我們可以發現一 種混雜神秘主義、煉金術、魔法和新 科學的傾向。就算是極為推崇他的波 以耳也不能理解一個做出這麼多重大 科學發現的人，怎麼能同時生產出如 此「不科學」的胡言？ 英國科學家菲利普． 巴爾 （Philip Ball）將柳樹實驗列為史上 十大美麗化學實驗之一。柳樹在西方 文學中通常是悲傷和哀悼的象徵，但 海爾蒙特柳樹實驗的美麗或許並非來 自於此。而是在那個科學發展的早期 階段，我們在海爾蒙特的身上同時見 到兩套對於世界的不同解釋方法，前 此的偽科學以及正在萌芽中的新科學 於此匯聚， 「既是英雄也是傻瓜」 （Allchin, 1993）。 海爾蒙特許多古怪的見解觸怒了 他的同代人，最終被判處全家監禁， 死於1642年。畢生唯一一本著作，兩 年後由兒子出版，影響了無數世代的 科學家。 註一： 泰利斯（ 約西元前624 ～ 564年），古希臘七賢之一，創建米利都學派，他開創了理性思維，試圖用觀測到的事實而非希臘神話來解釋世界。他也是西方思想史上第一個名字流傳下來的哲學家。 參考資料 1. David Hershey, Misconceptions about Helmont＇s Willow Experiment, The Botanical Society of America:The Society for ALL Plant Biologists FALL 2003 VOLUME 49 NUMBER 3, from http://helmont1.tripod.com/hersheypsb49-3.htm 2. 張文亮。2002。深嘗知識的甜蜜―海爾蒙特與生理化學的興起。行政院國家科學 委員會，科學發展月刊，9108：30-35。

卡文迪西由氣生水

文／林雅凡 臺大化學系講師 從希臘哲人亞里斯多德（Aristotle, 384-322 BC）以來，西方人有很長一 段時間相信：物質世界由「土、火、空 氣、水」這四種元素所組成。直到18世 紀，人們在化學實驗上累積足夠的技能 與分析方法後，方能推翻此一假設。 如果仔細觀察坊間礦泉水上的包 裝，有的會標示「H2O純水」，意味著 水是由氫（H）和氧（O）所組成的化 合物。這是否有點不可思議呢？氫和氧 都是看不見摸不著的氣體，如何形成能 碰能觀的水？ 這個問題的答案跟氫氣 的發現有關。 如今一般咸認英國科學家卡文狄西 （Henry Cavendish, 1731-1810 AD） 是氫元素的發現者；然而他卻不是史上 第一位發現、製備氫氣的人。西元16世 紀的瑞士醫生帕拉塞斯（Theophrastus Paracelsus, 1493-1531 AD）曾在將鐵 屑溶於稀硫酸的過程中， 發現有氣體 （也就是氫）釋出，他描述那情形：「空氣上升而像 風一樣溢散。」 一個世紀後， 旅居英法的瑞士籍醫生梅耶 （Turquet De Mayerne, 1573-1655 AD）重複帕拉塞 斯的實驗時，發現氫氣「可燃」的性質。西元1670 年間，英國科學家波以耳（Robert Boyle, 1627-1691 AD）嘗試收集氫氣，並進一步發現氫氣只有和其他 空氣混合時才可燃。 圖一 坊間所賣的純水，包裝上標有水的化學式H2O 排水集氣 雖然科學家早懂得製備氫氣，在18世紀以前， 卻沒有科學家能對氫氣的性質作精確的描述與分析。 為其帶來曙光的，正是英國貴族科學家亨利．卡文狄 西。西元1766年，卡文狄西將鐵、鋅、錫等金屬分別 與鹽酸與硫酸反應，發現都有氣體釋出。為了研究這 些實驗所釋放出來的氣體性質，卡文狄西嘗試以「排 水集氣法」收集它們。他發現，這三種金屬與足量的 各種酸作用，產生的氣體性質相同；不僅如此，使用 某種金屬實驗時，只要用量固定，且酸供量足夠，收 集到的氣體量便相同，與酸的種類、濃度無關。 卡文狄西估計出此氣體密度僅為空氣的9%，這 就是現在我們熟知的氫氣。從這些定量與定性的結果 來看，卡文狄西推斷「從不同種類金屬與酸製備出的 可燃氣體應為同一種物質。」不過因為卡文狄西信仰 當時流行的「燃素說」，對於「可燃氣體從何而來」並未能夠進一步解釋。什麼是燃素說 呢？十七世紀前後的人們大多認為： 「燃燒是一種分解過程，物質燃燒時 會釋放出燃素。金屬裡當然也含有燃 素，透過燃燒而釋放出來。」卡文狄 西於是認定這可燃的奇妙氣體是鋅、 鐵、錫的基本成分，在加入酸時被釋 放出來；甚至一度認定氫氣即為當時 所討論的燃素。只是，經由精確實驗 測定，發現氫氣雖輕，卻仍具備正質 量，這與當時對「燃素質量」的認知 不完全一致，也讓他對氫氣的研究陷 入膠著。 氧氣加入 對於氣體的研究，在當時社會蔚 為風潮。其中包括氧的製備與研究， 普里斯特利（Joseph Priestley, 1733- 1804 AD）將氧命名為「脫去燃素的 空氣」。西元1 7 8 1 年， 普里斯特利 與其助手瓦爾提爾（John Warltire, 1725/6-1810 AD）利用電火花引爆 空氣和氫氣，發現反應後在瓶壁上有 露珠形成，且大量釋出熱；若秤量反 應後質量，則較反應前為少。他們認 為質量的減輕乃因反應後熱的溢失所 致。這個實驗引起了卡文狄西的興 趣，他認為實驗結果得到質量的減輕 應為實驗誤差，因為他並不相信熱具 備質量。 在好奇心與實事求是的精神驅使 下，卡文狄西除了重複普里斯特利的 實驗，更進一步以氧氣取代空氣，進 行相同的實驗，並精確記錄各成分體 積與重量的變化。他發現如果將壁上 露珠也列入計算，反應前後的質量便 相同。經由仔細的確認，他發現這些 露珠即是「水」。並經由精密量化實 驗，卡文狄西確認當氫與氧體積為二 比一時，能得到最大量的水。 前面提到，在卡文迪西的時代， 人們還相信水是四大元素之一，也相 信有燃素存在。因此，卡文迪西遷就 「燃素」與「水是元素」這兩個觀 念， 而對實驗結果做出如下詮釋： 「可燃氣體由燃素與水組成，『脫去 燃素的空氣』盜取水元素後，水自燃 素中脫離而釋出。」 圖二 卡文狄西用以收集氫氣的「排水集氣法」裝置。排水集氣法為17世紀一 位英國牧師黑爾斯 （S t e p h e n H a l e s , 1 6 6 7 - 1 7 6 1 ） 首先發明， 1 8 世紀普里斯特利做進一步改進。 聰明的瓦特 不過在這同時，蒸氣機的發明者 瓦特（James Watt, 1736-1819 AD） 早已猜想到「水在足夠熱量下，應會 轉換成其他氣體」。普里斯特利得知 卡文狄西的實驗結果後，再重複相同 實驗，結果與卡文狄西一致，納悶之 餘找瓦特切磋討論。瓦特結合過去自 己合理的懷疑，提供這相同的實驗結 果截然不同的註解：「水由『脫去燃 素空氣』與『可燃氣體』所組成。」 1782 年， 拉瓦節（Antoine - LaurentdeLavoisier, 1743 - 1794 AD）再度進行此實驗，並進一步將 水蒸汽分解成氫與氧，再根據他提出 的新化學觀念，判斷「水不是元素， 而是氫和氧結合的化合物」。拉瓦節 並將過去稱為「可燃空氣」的氫氣， 更名為「Hydrogen」，意思是「生成 水的」。這才終結兩千多年來，人們 把水視為元素的迷思。 事後觀之， 究竟誰才配得這頂 「揭示真理」的桂冠？是做出美麗實 驗，卻扼腕於無法提出有新意之解釋 的卡文狄西？還是僅以創意脫穎而出 的瓦特？抑或是集此系列實驗於大成 的拉瓦節？直到如今，這仍是一個頗 具爭議性的問題。這未曾停止辯論的 議題，一方面啟迪了我們：先鋒者的 競爭固然促成知識的演進，但真理終 能全然被闡明，卻不僅歸功於個人的 智慧，也應考慮整個時代科學家的努 力累積。另一方面，卡文狄西的實驗 也的確展現了化學的美學典範之一： 觀察詳實，計量精確。 回顧這段科學史，可以發現人們 最初對世界萬物的假設，或許會在下 一刻被推翻，但卻不會僅因如此，而 讓過去的努力變得毫無價值。卡文迪 西未能跨越燃素說，對自己的實驗提 出符合新科學潮流的解釋，但他的實 驗卻是將亞里斯多德的四元素論送進 棺墓，釘上了最後一根釘子。從那裡 拉瓦節看見了帷幕揭開的一角，與新 世代化學的微光。

巴斯德召喚光之美

文／周炳辰 臺大科學教育發展中心特約撰稿 這是微生物學之父巴斯德 （Louis Pasteur，1822-1895）年輕時 候的故事。 巴斯德在法國鄉下一個叫作多 爾（Do l e ） 的小鎮出生。在他三歲 那年，全家遷至阿伯瓦（Arbois）定 居。父親是皮匠，收入不多，但盡可 能幫助他學習，母親也很努力地鼓勵 他追求知識，供予他完善的教育。 起初他在學校表現普通，但很愛 問問題，凡事追根究底，甚至因此成為某些老師的眼中釘。就這樣不斷地 發問、學習，對化學、物理和藝術都 有深厚興趣的巴斯德漸漸變成優秀的 學生。 當他從法國高等師範學校 （l'École normale supérieure）畢業， 考官發現他有教授化學和物理的能 力， 甚至還說： 「這屆畢業生中只 有巴斯德有教育上的才華。」他很 快就收到圖爾農中學（l e Lyc é e de Tournon）物理教師的約聘書。這對 巴斯德來說是令人沮喪的消息，他想 在巴黎作科學研究。於是他盡可能拖 延赴職時間，計畫在高等師範學校多 待一年， 並寫信給巴黎中央理工學 院（l'École centrale）的創辦人之一 杜瑪（Jean-Baptiste Dumas，1800- 1884）尋求在巴黎任教職的機會： 「敝校考官會在三年級評估學 生的能力，而他們對我的評語，讓我 可以自信地告訴您：我能夠清楚、熱 情地教導科學。我向您保證：這個請 求和金錢無關，僅僅是希望能夠和像 您一樣被科學界敬仰的人物連繫。我 此生最大的希望就是將生命奉獻給教 育……」 杜瑪終究沒有幫助巴斯德。不 過這件事被巴萊（An t o i n e J é r ôme Balard，1802-1876）知道了。 巴萊 年輕時發現溴元素，名氣很大，他決 定幫助巴斯德留在巴黎。就這樣，巴 斯德在二十六歲那年，進入巴萊的實 驗室當博士班研究生，也暫時不用去 圖爾農中學擔任物理教師。 巴萊認為自己的研究生涯已告一 段落，想把所有的精神放在學生上， 也給予他的學生很大的自由，任憑他 們選擇學習的方法和方向。他注重學 生的原創力和想像力，不希望他們使 用既有的實驗器材，如果他們必須使 用器材，只能自行設計。為了待在巴 萊的實驗室，巴斯德欣然接受這個特 別的要求。 「酒的味道有如詩」 巴斯德在巴萊的實驗室確認自 己想成為化學家。當時晶體的研究開 始蓬勃發展，巴斯德也很有興趣，認 為晶體的研究是「有用的科學」，可 以補足拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier，1743-1794）等較早期化 學家比較缺乏的分子結構、分子組成 的理論。 巴斯德喜歡酒， 從啤酒到葡萄 酒都愛。他曾說：「酒的味道像精緻 的詩」、「仔細想想，酒其實是最健 康、乾淨的飲品」。他注意到製酒時 酒石酸（tartaric acid）的晶體會在 醱酵過程中沉積，於是選擇酒石酸鹽 類當研究題材。其實在醱酵桶槽沉積 的不只有酒石酸，還有在當時被稱為 類酒石酸（paratartaric acid）的沉積 物。 碰巧酒石酸和類酒石酸的分子式 剛剛被定出來，而且竟然一模一樣！ 這是令人難以信服的事情――因為酒 石酸溶液和類酒石酸溶液特性大不相 同，極化光通過酒石酸溶液會產生右 旋光，通過類酒石酸溶液則什麼事也 不會發生。 為什麼分子式一模一樣的化合物 會有截然不同的光學特性？ 當時有位德國化學家米切利希 （Eilhard Mitscherlich，1794-1863） 表示：「真令人困惑，它們的原子數 和相對距離完全一樣！ 」並寫信和 光學權威畢歐（Jean-Baptiste Biot， 1774-1862）討論這個問題。畢歐認 為這個問題很有趣，連忙重複自己的 酒石酸鹽類實驗，但沒有獲得新的結 論。對結晶很有熱忱的巴斯德當然也 聽說這個問題，他覺得困擾：酒石酸 和類酒石酸在當時被認為是很熟悉的 化合物，已經作過非常多實驗了，幾 乎不可能有更深入的理解，然而米切 利希指出的問題顛覆他對分子的認識 和想像！其中一定有被大家忽略的地 方，必須找出來。 左旋與右旋 巴斯德決定仿傚他先前作過的 石英結晶實驗，運用他化學和物理的 知識，來解決這個問題。他以驚人的 直覺，假設這裡的問題和不對稱性有 關，然後用鑷子慢慢挑出酒石酸鹽類 結晶。細心的觀察結果發現：酒石酸 鹽類結晶有一面較長，不是完全對稱 的，也因此通過酒石酸溶液的極化光 會產生右旋現象。這個發現符合巴斯 德的假設，所以他並不感到意外。 巴斯德接著假設： 類酒石酸鹽 類晶體應該是對稱的，也因此通過類 酒石酸溶液的極化光才不會改變。然 而當他將類酒石酸鹽類結晶挑出來觀 察，卻嚇一大跳！類酒石酸鹽類結晶 和酒石酸鹽類結晶一樣，都有一個較 長的、不對稱的晶面。 原以為解開謎底的巴斯德再次 陷入困惑之中。為什麼酒石酸鹽類結 晶和類酒石酸鹽類結晶都有不對稱的 晶面，但前者有光學活性，後者卻沒 有？他想了想，只能更大膽地假設： 某些結晶較長的晶面在左邊，某些結 晶較長的晶面在右邊，只有這樣，才 可能解釋為什麼類酒石酸鹽類結晶具 有不對稱的晶面，卻沒有光學活性。 想到這裡，巴斯德興奮地重新檢 視類酒石酸鹽類結晶。果然！他發現 其中有些晶體較長的晶面在左邊，另 外一些則在右邊，就像左手和右手， 像本體和鏡像。當他把所有較長的晶 面在左邊的晶體一一挑出、溶解，然 後將溶液通過極化光，即產生左旋現 象；而若將所有較長的晶面在右邊的 晶體挑出、溶解，然後將溶液通過極 化光後， 即產生右旋現象。換句話 說，類酒石酸溶液不具有光學活性， 是因為它是混合物，同時具有左旋和 右旋的光學特性，互相消弭所致。 讓前輩先瞧瞧 巴斯德以他極其細心的觀察力， 小心實驗、大膽假設，解決米切利希提出的問題。他自然欣喜若狂，想立 刻發表研究成果，但是他的指導老師 巴萊建議他應該先請教年長巴斯德半 世紀，研究光偏振多年的畢歐，較符 合當時法國科學界的禮俗。 謹慎的畢歐知道巴斯德的實驗 後，決定在擁護巴斯德的發現之前， 親自重複這個實驗。當他最終獲得相 同的結論，畢歐激動地對巴斯德說： 「親愛的孩子，我這一生熱愛科學， 這個結果撼動我的心。」從此，畢歐 屢屢給予巴斯德實驗上的建議，也成 為他重要的良師摯友。 巴斯德的成功確實有運氣的成 分，歷年來許多化學家重複巴斯德的 實驗，想找出影響實驗的每個細節。 巴斯德到底有多好運呢？在酒石酸鹽 類中，酒石酸銨鈉是惟一可以形成肉 眼即可分離的晶體，而酒石酸鈉、酒 石酸鉀、酒石酸銻鉀都只會形成單一 種晶體；再者，巴斯德是在寒冷的巴 黎進行這項實驗，若環境溫度超過攝 氏 26 度，同樣也只會形成單一種晶 體。 許多教科書上提及巴斯德利用鑷 子配合放大鏡挑選晶體，但巴斯德的 紀錄並未明確記載。晶體的差異真有 大到憑肉眼即可分辨嗎？日本中崎教 授重複檢驗這個實驗，發現控制良好 的晶體成長環境，甚至可長出不用放 大鏡也可分辨的晶體。不過中崎教授 表示，需要相當多次的嘗試，才能再 現巴斯德的成果。這說明巴斯德的實 驗縱然有部分來自機運，但他豐富的 知識與嚴謹的態度才是引領至成功的 關鍵。

拉塞福的黃金火花

文／周炳辰 臺大科教中心特約撰述 每位讀者大概都聽過原子，也聽 過原子是由質子、中子和電子組成的。 像這樣的知識，其實是有漫長的發展 歷史。在很久很久以前，距離今天大 約一百年前，有位叫作湯姆森（Si r Joseph John Thomson，1856-1940）的 科學家。湯姆森很偉大，他發現電子可 以從原子射出，也因此獲得1906年諾貝 爾物理學獎。對於原子的結構，他提 出著名的梅子布丁模型（plum pudding model），認為帶負電荷的電子會均勻 分布於帶正電荷的質子海之中，宛若梅 子均勻分布於美味的梅子布丁之中。這 個模型可以解釋很多事情，所以當初大 家都相信它。 不過，我們今天要說的是他的學 生拉塞福（Ernest Rutherford，1871- 1937）和他的研究夥伴蓋格（Johannes Wilhelm Geiger，1882-1945）和瑪斯 登（Ernest Marsden，1889-1970）的故 事。 拉塞福生於紐西蘭一個有十二個 孩子的貧困家庭。他非常聰明，從小喜 愛數學和物理，大學畢業後即獲得獎 學金成為英國劍橋大學（University of Cambridge）最早錄取的外國研究生之 一，並且追隨湯姆森作研究。在劍橋大 學讀書的拉塞福很愛說話，非常喧鬧但 很友善，好發表評論，對所有的事情都 很感興趣。當時的英國沒有汽車、飛機、電視或收音機，電話和燈尚未普 及，實驗室是陰暗簡陋的小地方，如果 想要作研究，就必須自己製作實驗器材 來用，但也因此拉塞福學會細心地操作 實驗。 圖片來源： h t t p : / / c a s c i e n c e 6 . w i k i s p a c e s . c o m / Ernest+Rutherford+09 在他二十七歲那年，他到加拿大麥 基爾大學（McGill University）擔任教 授。自從古希臘以來人類想到「原子」 都覺得原子很安定，無法切割，無法改 變（原子的希臘文就是「不可 切割」的意思），但是拉塞福不這麼認 為。他認為原子可以衰變，衰變後會產 生輻射。他致力於α和β輻射的研究， 終於因此獲得諾貝爾化學獎。不過他顯 然對此覺得有些尷尬，因為他始終認 為自己是物理學家，常常告訴其他人：「除了物理之外的科學都不過是集郵般 的活動罷了！」 他在 1907 年回到英國作實驗， 在曼徹斯特大學（The University of Manchester）任職物理系主任，年僅 三十五歲。當時他仍在進行α粒子的實 驗，觀察α粒子撞擊金箔的情形。他和 來自德國的實驗夥伴蓋格發明蓋格計數 器（Geiger counter），這對他的實驗有 很大的幫助。拉塞福曾經半開玩笑地 說：「蓋格數粒子的模樣就像守財奴數 他的金子！」 兩年後瑪斯登也加入他的研究團 隊。拉塞福和蓋格為瑪斯登安排研究計 畫，讓瑪斯登負責觀察α粒子撞擊金箔 的實驗。拉塞福的實驗設計很有趣：首 先，α粒子由一個裝有放射線物質的小 鉛盒射出，通過真空的環境，朝著一塊 僅 0.0000086 cm 厚的金箔撞擊。其實 拉塞福為了驗證他的金箔實驗事後嘗試 過許多不同的金屬，包括鋁箔、鐵箔和 鉛箔，但還是以他的金箔實驗最出名。 在金箔的後面他架設了一個可以觀 察火花的觀察孔，拉塞福請瑪斯登特別 注意是否有粒子向後散射的情形，向後 散射的α粒子會撞擊在硫化鋅屏幕上， 產生細小的火花，可以清楚地看到。拉 塞福當時只是隱約覺得梅子布丁模型似 乎沒有辦法解釋他作金箔實驗觀察到的 某些情況，而瑪斯登則認為這是磨練實 驗技巧的好機會，於是相當小心地操作實驗。他先讓自己身處於黑漆的房間裡 至少一小時，讓雙眼習慣黑暗，然後耐 心地看著屏幕…… 結果竟然看到好多小小的火花閃爍 著，約每秒一次！ 當時包括拉塞福的科學家都沒有 預料到這個結果。如果電子的分布如他 們所以為的，像好吃的梅子般均勻地分 布在布丁之中，那麼帶正電荷的α粒子 （α粒子其實是少兩個電子的氦離子） 應該會若無其事地穿過金箔，然後從 金箔的另一面散射開來，因為金箔裡帶 正電荷和負電荷的粒子應該是均勻分布 的。可是事實顯然並非如此，居然可 以觀察到有 α 粒子被金箔反彈回來。 「太不可思議了！」拉塞福說：「這就 像你拿大砲朝著衛生紙射擊，砲彈卻彈了回來！」 拉塞福從這個觀察推測―顯然砲 彈（射擊出去的 α 粒子）撞到金原子 中某個位於中心的微小粒子，這個粒子 至少和 α 粒子質量相當，同樣帶有正 電荷的「核」，才有可能讓 α 粒子往 後散射回來。他推測原子的結構是由位 於中心的「核」和環繞在外園的電子所 組成的，這個「核」僅僅只有原子的十 萬分之一大，卻占有原子絕大部分的質 量，而原子大部分是空的，所有的電子 都繞著這個「核」旋轉。拉塞福提出的 模型一點也不像梅子布丁或任何好吃的 布丁，反倒像地球所在的太陽系了。 拉塞福的發現推翻他的老師湯姆森 所提出的梅子布丁模型，然而當時的科 學家還是比較喜歡梅子布丁模型，比較 不喜歡太陽系模型，因為太陽系模型沒 有辦法解釋為什麼原子內部帶負電的電 子不會繞呀繞的最終就被吸引到帶正電 的原子核中心去了。這個問題拉塞福也 沒有辦法答覆，直到數十年後量子力學 的概念發展起來，波爾（Niels Henrik David Bohr，1885-1962）才用量子力學 代替拉塞福回答這個問題。波爾回答這 個問題讓他也得到諾貝爾獎。 就如同波爾將他的許多研究建構於 拉塞福的太陽系模型之上，許多科學家 也將他們的研究構築於波爾修正過的模 型之上。拉塞福昔日的同事或學生之中 共有十一人得到諾貝爾獎。這些研究讓 科學飛快地前進了，我們因此才能夠預 測化學反應的結果，才能夠揣摩宇宙另 一端的星辰的故事。

米勒與尤里的生命起源實驗

文／周炳辰 臺大科教中心特約撰述 1953年，米勒（Stanley Lloyd Miller，1930-2007）在尤里（Harold Clayton Urey，1893-1981）的實驗室作 實驗。在五○年代世界上有許多實驗室都在尋找生命的起源。1924 年歐帕 林（Aleksandr Ivanovich Oparin，1894- 1980）提出假說，他認為地球早期的大 氣層和現在的組成成分不太一樣，原始的大氣層缺乏氧氣，只要給予充足的能量，例如閃電或紫外線，就可以組成簡 單的有機化合物，這些有機化合物會再 進行更複雜的有機化學，形成更複雜的 化合物，參與各種演化的過程，最終形成生命。在那之後，哈爾登（John Burdon Sanderson Haldane，1892-1964）也獨立 提出類似的假說，例如蘊釀生命的原湯理論（Primordial Soup Theory），溫暖 的大海有點像以太陽為能源的超大型實驗室，簡單的分子互相碰撞和反應，終於形成胺基酸，生命就此開始。這些關於生命起源的假說非常迷人，許多研究 如火如荼地展開，尤里的實驗室也不例外。 圖片來源： http://www.daviddarling.info/encyclopedia/M/Miller.html 米勒是尤里的學生，剛到芝加哥 大學（The University of Chicago），尤 里在課堂上介紹實驗之後，隨口說了一句：「也許該有人來作這些實驗。」米 勒就在下課後自告奮勇：「我想作這些 實驗。」起初尤里想勸退米勒，他認為這些實驗的未知數太多，可能會害米勒 沒辦法準時畢業，但是米勒非常堅持，終於說服尤里。米勒的實驗很直接，他把原始大氣層可能有的成分通通放在一個封閉的系 統裡，然後持續通電。電流代表閃電，他相信那個時候的地球可能是一個雷電 交加、風雨頻仍的世界。在一個星期後 他再來分析實驗結果，發現約有一成的 碳變成有機化合物的一部分，有百分之 二的碳甚至成為胺基酸的一部分。這是一個令人驚喜的成果！如果科學家想像 的原始地球環境是正確的，那麼米勒的 實驗可以證明：這樣的環境確實有可能 誕生生命。米勒使用的實驗設備並不複雜，他 在封閉的玻璃器皿之中灌入甲烷、氨、 氫和 200 mL 的水，其中有一個不斷蒸 煮的水瓶，提供必要的水蒸氣――象徵 溫暖的大海。這些混合甲烷、氨、氫和 水蒸氣的氣體會經過細細的管子和連接 高壓電的玻璃球――象徵滿布雷電的天 空，然後通過冷凝管冷卻，回到一開始 蒸煮的水瓶。他將通往水瓶的最後一段 管路設計成Ｕ形，盡量避免回流，如此 一來，倘若產生胺基酸或比較安定的有 機化合物，就會慢慢累積在水瓶裡，方 便他分析實驗結果。 實驗才進行第一天，蒸煮用的水瓶 就變成粉紅色的，一週之後甚至變成深 沉的酒紅色，看起來很混濁的樣子。溶 液會混濁主要是因為矽溶膠（colloidal silica）產生，而隨著實驗進展，有機化 合物附著在玻璃壁上，溶液就會看起來 偏紅。實驗結束後米勒立刻加入高濃度 的氯化汞避免微生物滋長，他必須這麼 做才能夠確定：如果發現有機化合物， 是因為他灌入的甲烷、氨、氫和水進行 反應所形成，而不是因為操作過程中可能遭遇的生物汙染。 透過這個實驗，米勒可以清楚 地解釋他觀察到的反應，例如甘胺酸 （glycine）會在甲醛和氰化氫出現之 後才產生，但當他試圖在《科學》 （Science）期刊發表實驗結果時，還 是遇到一些問題。他的發現意義重大，即使尤里為他的實驗背書，《科學》仍 然不敢輕易刊登。幸好他的實驗方法簡 潔明白，容易重複，其他人很快就能夠 驗證，不過還是有人質疑他的實驗或許 遭受微生物汙染。為此，米勒將整套玻 璃器材放入滅菌釜中進行高壓滅菌，滅 菌條件設在 15 psi，時間長達十八小時（通常僅須十五分鐘），結果獲得同樣 的結果。 如同許多偉大的發現，米勒和尤里 的實驗也有運氣的成分。 尤里從一開始 就認定甲烷是原始大氣層的主要成分， 事後我們知道只要使用還原性氣體就可 以獲得類似的結果，只是效果可能沒那 麼好。此外，他們架設玻璃器皿和蒸煮 用水瓶的方式也有很大的幫助，顯然他 們的方法很成功，因為一下就「煮」出 許多胺基酸。許多年後，在默奇森（Murchison, Australia）發現一顆隕石，在大約 100 Kg 的隕石上有高濃度的胺基酸（約 100 ppm），種類多達九十種，情況和米勒的實驗中產生的胺基酸類似。如果 胺基酸可以在歷經漫長的太空旅行，穿 越大氣層後仍存留下來，那麼隕石是不 是也應該納入生命起源的考量之中？米 勒認為：無論是原始地球或隕石，或某 個遙遠的地方，只要環境和條件正確， 就有可能誕生生命！「其實不一定要溫 暖的大海！」米勒說：「古老的地球除 了大海，還有湖泊、潟湖和海灘，這些 地方容易沖積化合物，只要溫度適合，也很可能孕育生命！」有批評者認為原始大氣層中不一 定像歐帕林、哈爾登和尤里等人認為的 充滿還原性氣體，氨僅能夠在前三萬 年穩定存在於大氣之中，而相對於地球 生命的時間軸，甲烷也只存在百分之一 的時間，在宏觀的演化進程下，地球實 際的情況很可能和米勒數週的實驗非常 不同；也有人認為米勒在實驗中持續對混合氣體通電，不能夠代表早期的大氣 層，因為再怎麼頻繁的閃電也不會「持 續通電」。或許因為這些原因，地球生 命中發現的蛋白胺基酸（proteinogenic amino acids）僅二十二種，而不是像實 驗或隕石上發現的九十種。可是，就算 如此，米勒的實驗仍然提供給我們重要 的立足點，和對於生命起源的許多想像。

柏魁合成正十二面烷

文／柯昭儀 臺大科教中心特約撰述 化學是一門專門研究分子的科學，今日的金科玉律都來自昔日一次又一次的實驗，化學家透過探索分子的分分合合來觀察世界，更期盼藉由它展開另一段全新的文明脈動。化學的演進過程中，不難發現人們在滿足對於特殊結構分子好奇心的過程中，意外發現全新化學現象的例子，為了解開幾何賦予分子的謎題，承先啟後的化學家們傾注熱情、發揮創意，在實驗室裡成就出一個個特殊結構的分子，其中以完美對稱的正十二面烷（dodecahedrane）最為人津津樂道。 這個對稱性僅次於球體的立體烷，早在1964年伍德瓦（Woodward）合成三並五元環（Triquinane）時就被預言存在，卻一直到1982年美國俄亥俄州立大學的柏魁教授（Paquette），才成功完成它的全合成。柏魁是美國有機化學家，他出生於 1934年，1959年從麻省理工學院獲得博士學位，1969年至今任教於俄亥俄州立大學，他在有機合成試劑和有機合成反應的貢獻卓越，發表超過千篇的論文，其中最具代表性的就是1983年正十二面烷全合成。 圖一 目前仍任職美國俄亥俄州立大學的柏魁教授 當幾何預見分子 早在二千多年前，希臘哲學家柏 拉圖已經指出頂角及每一面均相同的封 閉正多面體，只有四面體、正六面體、 正八面體、正十二面體和正二十面體等 五種（圖二），他用前四個立體分別象 徵火、土、空氣及水等宇宙基本元素，至於宇宙整體的本質，則以渾圓外觀 的正十二面體（又名「以太」）喻意。 正十二面體高對稱的幾何之美及柏拉圖 所賦與的神祕性，讓眾多數學家、藝術 家及科學家持續投入研究，第一位探討 它的化學家是舒爾茨（Schultz），他在 1964年提出以碳氫原子建構柏拉圖立體 烷的構想。 正十二面烷是正十二面體的碳氫化 合物，它是除了球體之外的最高級的對 稱體，高對稱性使它的變形能量較小， 連接碳原子的化學鍵不須大幅扭曲，因 此分子結構較為穩定，事實上從理論計 算的結果而言，正十二面烷的碳碳鍵夾 角（108度）與標準正十二面體（109 度）相當接近，因此推測的正十二面烷 的合成並非不可能。 從幾何的觀點來看，正多面體每 一頂角均由三個棱面相交，而飽和碳氫 化合物每個碳原子都以三個單鍵和相鄰 的碳原子結合，因此兩者在結構上可說 具有異曲同工之妙。然而真正困難的是 僅由碳和氫兩種元素所組成的正十二面 烷，本身缺乏極性分子的電荷吸引力， 要如何克服張力、扭曲、彎曲及空間擁 擠等立體障礙，在維持結構的穩定性 外，同時展現完美形體，這項艱鉅的任 務，正考驗著化學家的智慧。 圖二 完美對稱的柏拉圖立體 正十二面烷全合成 正十二面烷（dodecahedrane； C20H20），共由二十個碳及二十個氫所 組成，為了形成完美而對稱的正十二面 體，化學家如同設計師般，妥善將這 二十個碳排列成十二個正五邊形，而且 每一個正五邊形的連接部分都朝同一個 方向偏轉，來捲成成立體形狀，整個正 十二面烷分子的骨幹由三十個碳碳化學 鍵所架構，而且每一個碳碳鍵完全相 似，當然先決條件是必須滿足化學軌域 及立體空間等基本原則。 最初化學家們想到先合成兩個完 全相等的正十二面烷半球，再利用施予 一定的溫度及壓力條件，使兩者凝合為 一。世界各地的實驗團隊先後研究出不 同方式，完成正十二面烷半球的合成， 但真正的難題卻是兩個半球的凝合步 驟，誰也沒料到它們的抗合成性出乎意 料的頑強，即使到達多數有機化合物足 以分解的高溫（400度），仍舊徒勞無 功，甚至加上40,000個大氣壓力，同時 給予金屬催化劑也毫無動靜。 柏魁想到一個全新的方法，他先 做一個「碗」狀分子（C16-hexaquina cene），再向往上封住開口。先從一個 四角對稱的分子開始，在分子的一邊 發展成五邊形的雙環，最後巧妙切斷雙 環上的兩個碳化學鍵，創造出「碗」的 形狀。這個具有正十二面體上六個完整的面的碗狀分子終於在1977年成功合 成，但是缺乏的那四個角並不容易處 理。 他改採用「花籃」加「蓋子」的 工法。其實花籃狀的分子就是拱柱烷 （peistylane），希臘意義代表由一排 圓柱拱起的屋頂；它一共有十五個碳原 子，經由二十個化學鍵連結成五個正五 邊形，具有一個C5對稱軸，柏魁藉著X 光繞射精準掌握原子定位，但由於結構 上的限制也太多，拱柱烷加屋頂的工作 進行多年並未成功。 一連串的失敗並未讓柏魁因此氣 餒，他綜合先前累積的經驗，嘗試以類 似合成「碗」狀分子的工法，合成一朵 「花苞」狀分子，這個分子由二十個碳 原子組成，其中幾處保持開口，待最後 再巧妙合攏成正十二面烷。儘管合攏的 工程並不容易，尤其是最後一個缺口更 是所費力，但值得欣慰的是這一次總算 完成第三十個碳鍵的連結，柏魁在1982 年完成正式正十二面烷全合成，聽說產 物純化後，要鑑定結構那天，柏魁帶了 數盒甜圈圈到核磁共振實驗室，等到光 譜結構測出只有一個吸收峰，證實是正 十二面烷時（圖三），欣喜的他當場發 給每人一個甜圈圈分享甜美成果。 掀開正十二面烷神秘面紗 早在正十二面烷尚未問世前，化 學家就對它投入相當多的探討；像是 1977年西德的艾默教授（Ermer）預 測，高對稱性將使它的吸收光譜將極度 簡化，這項預言也從後來的核磁共振光 譜圖獲得驗證。德國的普林巴克教授 （Prinzbach）教授則嘗試直接將正十二 面烷的二十個氫摘除，來獲得C20。化 學家對於正十二面烷的反應多樣性與特 殊立體的應用更是充滿期待，預期認為 像它這樣體積龐大的有機圓球，應該有 極佳的脂溶性，可以容易穿透細胞膜， 若將它與藥物結合，應該能讓藥物快速 滲入細胞質中，對於疾病治療必有助 益。化學家們除了進行正十二面烷與特 定的官能基結合的研究外，也試著把金 屬原子塞入正十二面烷中，然後觀察封 閉其中的金屬原子會產生何種有趣的現 象。 普林巴克在90年代初改良合成方 法，讓正十二面烷達到克級產量，但它 距離量產應用仍有一大段距離，儘管如 此但柏魁教授的多年的努力，讓人們在 幾何與分子之間，再次目睹化學的千變 萬化。這個美麗的實驗提醒了大家一個 重要的觀念，就是看起來鍵結情形不理 想的分子，實際上卻可能具有高度穩定 性，換而言之，要判斷一個分子能否存 在，不能僅憑鍵結理論的刻板印象，分 子形體也可能為分子帶來全新的化學性 質，當然這都必須從實驗中去驗證。 圖三 對稱的正十二面烷

碘的昇華與凝華

文/余甄紘 蕭次融 大學入學考試中心 目的 觀察封閉試管（安瓶）內碘的昇華與凝華現象。 材料 含有碘的安瓶 1個 透明杯（200 mL） 2個 熱水壺 1個 說明 物質的狀態隨溫壓而變，常見的狀態有三：固態、液態、氣態。以最常見的水為例，在常溫常壓時，水為液 態；降溫則可變為固態的冰（0。C）；溫 度越高，水越容易變成氣態的水。物 質三態的關係可用圖一來表示： 在室溫（例如2 5 。C），若在一個透明 的玻璃罐裡，放入一塊冰後蓋緊罐 蓋，這時所看到的是一塊固態的冰。 隨著時間，冰塊會慢慢熔化（或熔 解），就可以看到冰塊與液態的水同 時存在。等到冰塊完全熔解，這時所 看到的H 2 O是液態的水，看不到固態 的冰，但是確實有看不見的氣態水同 時存在。在室溫，水的蒸氣壓約為2 5 毫米汞柱，亦即水蒸氣的分壓，但是 肉眼看不到。燒開水時所看到的白煙 是看不見的氣態水凝結下來的微小水 滴。因此本實驗很特別，不僅可以看 到固態的碘昇華變成氣態的碘（紅紫 色），而且也可以看到氣體的碘凝華 變成固態的碘，亦即可以看到昇華與 凝華現象。 圖一 物質的三態關係圖 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。 圖二 碘固體的昇華 照片一 安瓶置於熱水中 圖三 碘氣體的凝華 想一想 1 .暗紫色晶體如何變成紅紫色的氣體？這個過程叫做什麼？ 2 .紅紫色氣體如何變回暗紫色的晶體？這個過程叫做什麼？ 3 .有哪些物質，在室溫就可以由固態不經液態，直接變成氣態的？ 教師手冊封閉試管的製作 1 .取一支試管，用火焰先均勻加熱離 試管口約3公分的地方，如圖四， 然後改為強火焰繼續加熱，俟玻璃 軟化後移出火焰，拉成細頸，如圖 五。2 .從試管口的細頸，放入一些小顆粒 的碘晶體（約10毫克）。 3 .先用酒精燈均勻加熱整體試管後， 固定位置繼續加熱試管底的碘晶 體。 4 .觀察碘晶體氣化後，趕走試管內空 氣的情形。 5 .俟試管內充滿碘氣體後，同時用強 火焰加熱試管細頸部分，如圖六， 以封閉試管口，即得含有碘的安 瓶。 註：碘蒸氣的顏色明顯，而碘氣體又重， 其往管口進行的前線（f r o n t）易見。因此 前線一到細頸，就立即封口，可以控制碘 蒸氣，防止其跑出來。不過，最好還是要 在通風櫃中操作，以防萬一漏氣遭害。 照片二 市售的安瓶與封了口的安瓶 圖四 先均勻加熱 圖五 強熱後拉成細管 6 .封閉的試管（亦即安瓶）要讓其慢 慢冷卻，冷後安瓶的管壁上會有碘 凝結出來，而管內成為相當低的真空，有利於碘晶體的昇華。 註：要將試管拉成細頸，要用玻璃細工 用的瓦斯燈， 而且需要有相當的技術。 後來筆者（蕭）找到裝注射液用的安瓶 （amp o u l e或amp u l e）如照片二。照片中 有一支尚未封口的安瓶，是市售的原樣。 另一支已封口的是已重複使用過數次的安 瓶，可見安瓶的一端有碘的顆粒，另一端 則有凝華下來的細小碘固體。 圖六 試管內充滿碘氣體後封閉管口 補充說明 1 .這個實驗用到的碘只約1 0毫克，不僅量少，而且因其封閉在玻璃 試管內，不會溢出，可以重複使用，因此不消耗器材，符合微型實驗與環保的要求。 2 .關於物質由固態不經液態，直接變成氣態，最常見的例子是乾冰，亦即： 由上式的變化可見物質的本質並沒有改變，只有物質的狀態改變，顯然 這是物理變化，由固態的CO2，亦即乾 冰變成氣態的二氧化碳，這在常溫常 壓下是常見的，但是反過來由氣態的 CO2要變成固態的的CO2則不多見，不 像一小塊乾冰置於室內，不久即不見 了那麼簡單。 要二氧化碳由氣態變成 固態，通常需要特別的器具，在加壓 與冷卻之下行之，或讓加壓的二氧化 碳自鋼瓶噴進布袋，達到絕熱膨脹， 急速降溫以得之。因此本篇所介紹的 實驗： 可說是最簡便的方法，只要製好含 有碘的封閉試管，可重複使用，可讓 學生人手一個，個別動手做實驗，易 於觀察昇華與凝華的現象。 3 .物質由固態直接變成氣態稱為昇華 ( s u b l ima t i o n )，毫無疑問，但其反 過來的過程，亦即物質由氣態直接 變成固態，昔時也稱為昇華，兩 者不分。不過，近來已有教科書 將物質由氣態變成固態改稱為凝華 (depos i t ion)。 4 .在常溫常壓下，由固態會直接變成 氣態的物質，亦即會昇華的物質， 在生活中較常見的除了乾冰之外， 還有樟腦。

搖一搖再變色-組合顯示劑的顯色實驗

文／周芳妃 北一女中化學科教師 實驗室中常用的酸鹼指示劑種類繁 多， 顏色變化也各不相同， 如表一所 示。溶液在不同的酸鹼值， 指示劑會 呈現不同的顏色， 但是通常溶液中僅 能看到一次顏色的轉變。本實驗希望 利用同一杯醋酸溶液中， 因為底部鹼 性固體（ 碳酸氫鈉或碳酸鈉） 不斷的 溶解及向上擴散， 造成杯中溶液的酸 鹼值， 因高度的不同而互異。此時若 溶液中存有多種指示劑， 則在杯中的 不同高度， 將呈現出多樣的顏色。因 此， 若能細心調配各種指示劑的組 合， 便能讓同一杯不同酸鹼值的溶液 中呈現不同的顏色， 也能讓學子了解 廣用指示劑的配製原理。 一、實驗原理 表一 酸鹼指示劑的呈色 實驗室常見的酸鹼指示劑及其顏色變化如表一所示。酸鹼指示劑的變色範圍，常以溶液的酸鹼度pH值表示。以酚酞為例 ,溶液pH值，在8.2以下時呈 現無色； 溶液p H 值在1 0 . 0 以上時呈現 粉紅色。 醋酸在水溶液中會解離出氫離子，如下式： 此時溶液呈酸性，若加入溴瑞香草酚 藍指示劑， 溶液呈現黃色。將碳酸鈉 溶於水中， 所產生的碳酸根離子和水 作用如下式，將產生氫氧根離子。此時溶液呈現鹼性，若加入溴瑞香草酚藍溶液則呈現藍色。 依上述， 如果將碳酸鈉固體加入裝 有醋酸溶液的玻璃瓶中， 由於固體密 度較大， 會沈在瓶底。此時稍加搖 晃， 部分的固體溶解， 產生的氫氧根 離子向上擴散， 酸鹼中和附近的一些 氫離子，造成不同高度的溶液其pH值 各不相同， 愈高處其值愈小， 酸性較 大。此時水溶液中若同時存在數種指 示劑， 便能在不同高度出現不同的顏 色。不同指示劑的顏色透過彼此混合 後， 其間的變化更加多樣。若顏色已 呈固定時， 再輕輕搖動瓶子， 讓瓶中 不同高度的溶液混合，使pH值產生變 化， 就可以在同一杯水溶液中看到很 多次的顏色變換， 非常漂亮。因此透 過本實驗， 只要耐心的將指示劑做適 當組合的嘗試， 當水溶液能陸續呈現 像彩虹般不同顏色時， 便具備自製廣 用指示劑的能力了。 二、實驗器材 要進行以下實驗， 需準備下列器材 與藥品： 空玻璃瓶（ 每個約2 0 0 - 2 5 0 m L ， 4 個/ 組） 、滴管（ 1 支/ 組） 、小刮勺 （ 1 支/ 組） 、試管刷（ 1 支/ 組） 、2 % 醋酸( 1 0 0 mL/組)、碳酸氫鈉固體或碳 酸鈉固體（ 每份1 . 0 g ， 1 0 份/ 組） 、酸 鹼指示劑四種（ 每種至少5 m L / 組） 【註】。 【註：酸鹼指示劑包含甲基橙、甲基紅、溴瑞 香草酚藍(也稱為溴瑞香草藍)及酚酞】 三、實驗步驟 1 . 配製或購買四種不同的酸鹼指示 劑， 甲基紅、甲基澄、溴瑞香草藍 及酚酞裝於滳瓶，其顏色如圖一。 2 . 取空玻璃瓶數個， 都裝大約八分滿 的水， 在各杯中分別滴入不同的酸 鹼指示劑大約1 0 滴（ 可依據酸鹼指 示劑濃度，改變滴數）。 3 . 攪拌溶液並觀察顏色， 記下中性水 溶液中的指示劑顏色。 4.在各杯中分別加入2%醋酸10mL，攪拌溶液並觀察顏色， 記下酸性水溶 液中指示劑的顏色如圖二。 5.靜置後，在各瓶子中分別加入1.0g量 的碳酸氫鈉或碳酸鈉粉末， 先不要 攪拌， 如圖三。觀察溶液上層與下 層的顏色，如圖四。 6 . 手持杯子輕輕搖動一、兩下後， 均 放回桌上靜置數秒，再觀察顏色。 7 . 將四種酸鹼指示劑依表一之編號 為A 、B 、C 、D 。重複上述1 ~ 5 的步驟， 指示劑添加方法改為兩 種混搭、三種混搭及四種混搭， 例如( A + B ) 、( A + C ) 、( A + D ) … 、 ( A + B + C ) 、( A + C + D ) 、( B + C + D ) … 及 (A+B+C+D)，以適當的比例組合。 四、實驗結果 進行這項實驗時，大家可一起先討 論四種酸鹼指示劑共有多少種混搭的 方式。等實驗結束之後， 再討論選出 自己最喜歡的混搭結果， 或是找出可 看到出現最多種顏色變化的配方， 再 進一步應用至練習調配廣用指示劑。 下列圖五及圖六舉例二項碳酸氫鈉與 碳酸鈉實驗結果的照片， 實驗操作都 非常簡單， 小小實驗就可以看到許多 顏色的變化，樂趣無窮，試試看喔！ 圖一 四種酸鹼指示劑，由左而右依序為 甲基紅、甲基澄、溴瑞香草藍及酚酞 圖二 四種酸鹼指示劑在醋酸水溶液中所 呈現的顏色，由左而右依序為甲基紅、甲基澄 、溴瑞香草藍及酚酞 圖三 於瓶中加入碳酸氫鈉粉末 圖四 四種酸鹼指示劑於醋酸與碳酸氫鈉 混合物溶液中所呈現的顏色，由左而右依 序為甲基紅、甲基澄、溴瑞香草藍及酚酞 圖五 醋酸與碳酸氫鈉(NaHCO3)混合溶液中加入甲基紅、甲基澄、 溴瑞香草藍及酚酞四種指 示劑，並逐次輕搖瓶子，觀察顏色的變化 圖六 醋酸與碳酸鈉(Na2CO3)混合溶液中加入甲基紅、甲基澄、 溴瑞香草藍及酚酞四種指示 劑，並逐次輕搖瓶子，觀察顏色的變化 五、參考資料 1 . p H i n d i c a t o r ， 2 0 1 0 年3 月1 3 日，取自h t t p : / / e n . w i k i p e d i a . o r g / w i k i /p H _ i n d i c a t o r 2 . 高瞻計畫資源平台/ 自製酸鹼指示劑， 2 0 1 0 年3 月1 3 日， 取自h t t p : / / h i g h s c o p e . c h . n t u . e d u . t w /w o r d p r e s s / ? p = 6 8 8 3

國中理化實驗設計學習模組

文/大學入學考試中心 蕭次融 壹、前言 許多國中生常覺得理化很深奧不容易懂，而有排斥學習理化的想 法。因此如何引起學生學習理化的動機，成為許多教師需要設法克服的 課題。許多從事科學教育的專家學者認為若能將理化實驗帶進教室，利 用日常生活周邊的簡易器材，讓學生能在教室內親自動手操作實驗，從 「做中學」，甚至在「玩中學」，如此比較容易引起學生的學習動機， 進而提高學習效果。 本文所設計的酸鹼實驗模組，其實施流程是先由教師演示活動一 的「酸與鹼以及其指示劑」以及附件的「神奇的五個杯子」等實驗，以 期由多樣的顏色變化引起學生的興趣，然後讓學生動手做實驗。如此學 生會更清楚地學習到酸與鹼的概念，因為百聞不如一見，而百見不如一 試。在學生有了酸與鹼的基本概念後，以「化學尋寶」（未知溶液的分 析）的方式，由同組的學生互相討論，自行設計實驗步驟，培養其創 意，進而解決問題。 貳、學習目標 一、學習酸鹼指示劑的呈色 二、學習酸與鹼中和的概念 三、瞭解混和指示劑的呈色 四、自我發展設計創意實驗 參、活動流程 圖一 活動流程 肆、本模組的規劃特色 一、 取材生活化，設計趣味 化，讓學生做中學、玩中 學。 二、 時間4小時，各活動單元可 單獨施行，也可視教學時 間組合施行。 活動一 酸鹼指示劑 一.酸鹼指示劑的顏色 (226,3a,3b,3c,4e,4f) 目的 學習酸鹼指示劑在酸性溶液 與鹼性溶液中，所呈現的顏色。 器材 透明塑膠杯 2個 鹽酸（1M） 1瓶 點滴盤或調色盤（白色） 1張 氫氧化鈉（1M） 1瓶 面紙 1包 酚紅（0.04﹪） 1瓶 咖啡棒 4支 酚紅（0.04﹪） 1瓶 H2O（100 mL） 1瓶 甲基紅（0.04﹪） 1瓶 溴瑞香草酚藍（0.04﹪） 1瓶 註： 以上試劑均裝於5 mL的點滴瓶 實驗步驟 1.在點滴盤（或水彩畫用的調色 盤）上，每相隔約2公分的三 地方，各滴下1滴溴瑞香草 藍。 2. 在最左邊的溴瑞香草酚藍上，滴下1滴氫氧化鈉溶液後，用咖啡棒攪拌均勻，觀察並紀錄顏色的改變。（記錄如下表中的「藍色」） 3. 同樣操作，在最右邊的那一滴溴瑞香草酚藍上，滴下一滴鹽酸後，用咖啡棒攪拌均勻，觀察並紀錄顏色的變化。 4. 比較在點滴盤上，三個點的顏色。 5. 用面紙擦掉點滴盤上的溶液後，滴下蒸餾水數滴，用咖啡棒在原來的三個點上擦一擦點滴盤，然後用面紙擦乾點滴盤與咖啡棒。如此可以洗乾淨點滴盤與咖啡棒，供下一個實驗用。 6. 同上步驟，但改用其他指示劑，例如酚紅、酚紅、甲基紅，結果如何？ 7. 將所有觀察到的顏色寫在下面的表格內。 整理 將上面實驗結果（顏色）， 寫在下面的表格內。 想一想 1.如何辨別一杯未知水溶液是酸性或鹼性？ （226-3a、3b、4c） 2.紫色高麗菜（紫甘藍），在不同酸鹼度的溶液中，會顯現不同的顏色。 （226-3a、3b、3c） 想一想，若在紫色高麗菜中， 滴入食醋數滴會呈什麼顏色? 二`自製酸鹼指示劑(226-3b) 器材 紫甘藍（紫色高麗菜）、茶壺（如圖2過濾式的泡茶器）、茶杯、畫圖用紙。 步驟 1.紫甘藍（紫色高麗菜）數葉，用手撕成小片放入茶壺（最好使用如圖2的過濾式茶壺）後，倒入滾燙的熱水。 2.冷後過濾即得紫色的菜汁，可做為酸鹼指示劑。 3.取濾紙（濾咖啡用的）或畫圖用紙，剪成0.7×40 mm長條，浸泡於紫甘藍汁數分鐘後取出，於紙巾上，移入冰箱（註）涼乾（數天），即成酸鹼試紙。 註: 紫甘藍汁也是食品，溫度高容易長霉，而且變黃。若要保存紫甘藍汁，加一點食醋使其變成酸性的紅色，倒入瓶子加蓋後保存於冰箱。使用時，加點氨水或小蘇打，使其變成中性的紫色溶液。 圖二 用泡茶器萃取紫甘藍汁 三`紫甘藍彩虹(226-3a`3b`3c) 器材 食醋、氨水、小蘇打粉、小茶喝飲壺、透明茶杯（7個）、料用吸管（數支） 步驟 1.將上一實驗所得紫甘藍汁，適當地沖稀後平分於6個透明茶杯（每一杯約50 mL），並標號1-6。 2.在第1杯滴入食醋數滴（用點滴吸管或自製吸管，見註），則見溶液變為紅色。將第1杯的紅色溶液倒一點（約2 mL）於第2杯，搖搖 杯子，即見第2杯呈粉紅色 。 3.取一點點（約10 mg）的小蘇打粉，放入第5杯，搖一搖杯子，則見混濁的綠色溶液，靜置一會兒溶液變成澄清的綠色溶液，而杯底有未溶的小蘇打沉澱。將綠色的澄清溶液倒入另一個茶杯。 4.將第5杯的澄清綠色溶液倒一點（約1 mL）於第4杯，搖一搖杯子，均勻後得藍色溶液。 5.於第6杯滴入氨水約0.5 mL，初見溶液呈現綠色，但放置一會兒，溶液變成黃色。 以上操作即可得六杯不同顏色的溶液，依序為紅、粉紅、紫、藍、綠、黃，也就是說紫甘藍汁，依溶液的酸鹼度呈現不同的六個顏色。之外，想一想，飯店的大廚師炒出來的青菜綠油油的，有人說那是因為大廚師放了一點點小蘇打的緣故，信不信？不妨自已試一試。 註:自製滴管 取一支喝飲料用的吸管，用打火機火焰溫熱一下吸管的一端，見其軟化了就取出，在桌上用打火機的側面壓一下，即得一支一端封閉的吸管，可當做點滴吸管使用。 活動二 酸鹼中和 目的 學習酸鹼中和(226-3a、3b、3c、4a、4e、4g) 器材 同活動一 實驗步驟 1.在點滴盤上，滴下1滴氫氧鈉，在其上滴下1滴溴瑞香草酚藍指示劑，用咖啡棒攪拌均勻，觀察顏色的改變。 2.在步驟1的溶液上，滴入1滴鹽酸後，用咖啡棒攪拌均勻，觀察顏色是否改變？再滴入1滴鹽酸，結果如何？ 3.在步驟2的溶液中，再滴入1滴氫氧化鈉後，用咖啡棒攪拌均勻，觀察顏色是否改變？再滴入1滴氫氧化鈉，結果如何？ 4.重複步驟2與3，所看到的現象如何？ 5.重複步驟1-4，但改用其他的酸鹼指示劑，結果如何？ 補充說明 1.酸的特性是溶液中的氫離子H+，而其濃度可用符號〔H+〕表示。 2.鹼的特性是溶液中的氫氧離子OH-，其濃度可用符號〔 OH-〕表示。 3.一種水溶液是酸性或鹼性，要看其 H+與 H- 的濃度： 酸性：〔 H+ 〕＞〔OH- 〕 中性： 〔H+ 〕＝〔 OH-〕 鹼性： 〔H+ 〕＜〔 OH- 〕 4.溶液中的H+與加入的OH- 反應，稱為中和。 H+(aa)+OH-(aa)→H1O(2) 5.溶液酸鹼度可用pH值來表示。pH值愈小，酸性愈 大；pH值愈大，鹼性愈大。pH值可以0-15，但一般都在 1-14。pH值等於7表中性，小於7是酸性，大於7是鹼性。 6.酸或鹼的「量」，分別可用其《濃度N》與《體積V》的乘積來表示，因此中和時：NaVa=NbVb 式中 Na＝ 酸的濃度 Va＝ 酸的體積 Nb＝ 鹼的濃度 Vb＝ 鹼的體積