化學教育

化學實驗、示範實驗、情境試題、實驗試題、形成性評量、總結性評量、化學發展史、化學家傳記

化學示範實驗：紙鈔含鐵嗎？（Is There Iron in Paper Dollar Bills?）﹝II﹞

2011/08/15
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化學示範實驗：紙鈔含鐵嗎？（Is There Iron in Paper Dollar Bills?）﹝II﹞
國立彰化師範大學化學系學生鄭舜竹 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

請按此連結，參閱「紙鈔含鐵嗎？﹝I﹞」

原理和概念

● 混合物是由二種或二種以上的物質所組成，在混合物中每一個純物質都有本身的物理和化學性質。由於這些性質的存在，因此使我們可以從混合物分離出物質。有些國家的紙鈔含鐵粉，因此紙鈔是混合物。

● 均質混合物（Homogeneous mixture）是每一個組成物質有相同的貢獻度的混合物；異質混合物（Heterogeneous mixture）是每一個組成物質有不同的貢獻度的混合物。鐵粉以細粉狀分散在紙鈔的兩端，因此紙鈔是異質混合物。

● 通常分析一個樣品會不可逆地改變這個樣品，本示範實驗也是如此。

● 會被磁鐵吸引是因為物體具有順磁性，順磁性是指一種物質的磁性狀態。有些物體可以受到外部磁場的影響，產生指同相向的磁化向量的特性，這樣的物質具有正的磁化率。與順磁性相反的現象被稱為抗磁性。

● 判斷一個物質是否可以被磁鐵吸引，就要看它是否有順磁性（paramagnetism）。簡單地說，我們把原子外圍的電子之量子數分成四種，分別是主量子 數、角量子數、磁量子數以及旋量子數。順磁性主要依據旋量子數，每一個軌域都可以填兩個旋量子數不同的電子（+1/2和-1/2），以鐵為例，鐵的電子組 態如圖十四所示：

圖十四 鐵的電子組態

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化學示範實驗：紙鈔含鐵嗎？（Is There Iron in Paper Dollar Bills?）﹝I﹞

2011/08/15
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化學示範實驗：紙鈔含鐵嗎？（Is There Iron in Paper Dollar Bills?）﹝I﹞
國立彰化師範大學化學系學生鄭舜竹 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

前言

大家都玩過磁鐵吸引鐵製物品，也試過很多物品看看是否可以被吸引。確實地，生活週遭有很多物品可以被磁鐵吸引，例如迴紋針、鐵釘、刺繡針…等，你（妳）試過有些紙鈔的邊緣也可以被強力磁鐵吸引嗎？可以用化學方法檢驗紙鈔含鐵嗎？

示範實驗影片

請按此連結：紙鈔含鐵嗎？（Is There Iron in Paper Dollar Bills?）﹝I﹞和〔II〕，YouTube。

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化學實驗室實驗：利用粉筆進行離子遷移（Migration of Ions using Chalk）〔III〕

2011/08/15
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化學實驗室實驗：利用粉筆進行離子遷移（Migration of Ions using Chalk）〔III〕
國立彰化女子高級中學化學科陳琬菁老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

連結：利用粉筆進行離子遷移（Migration of Ions using Chalk）〔II〕

教師手冊（Teacher’s Guide）

教學提示

● 上課時間：教師實驗解說：約15分鐘，學生粉筆鑽孔和在粉筆刻上凹痕：約5分鐘，學生實驗操作和實驗紀錄約60分鐘。討論與分享：約15分鐘。

● 本實驗所用的粉筆為傳統的粉筆，其主要成分為硫酸鈣，這是因為此種粉筆的孔隙較大，容易吸附電解液，而且也容易鑽孔洞。粉筆鑽孔洞亦可用鑽孔器和尖銳的筆尖等，但不可施力過大而造成粉筆鑽孔的破裂。

● 以鉛筆的筆芯當作電極，此筆芯可選用2B扁型筆芯，折取所需長度，十分方便且省時。

● 用市售9V電池代替電供應器亦可，只是反應速率過慢，不符合經濟效益。

● 使用濾紙進行離子遷移時所搭配的電解液以酸性溶液為佳，但使用粉筆時卻是鹼性溶液效果最佳。這是因為粉筆的主要成分為硫酸鈣，其次成分為碳酸鈣，其中硫酸 鈣不易與溶液反應，但碳酸鈣與酸性或鹼性電解液會產生反應，進而影響到離子在其中的移動。不同的電解液與碳酸鈣反應之比較，如表五所示。

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化學實驗室實驗：利用粉筆進行離子遷移（Migration of Ions using Chalk）〔II〕

2011/08/15
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化學實驗室實驗：利用粉筆進行離子遷移（Migration of Ions using Chalk）〔II〕
國立彰化女子高級中學化學科陳琬菁老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

連結：利用粉筆進行離子遷移（Migration of Ions using Chalk）〔I〕

學生講義之二（Student Handout II）

實驗步驟

D. 相同元素不同價數的離子移動

1. 先用一支美工刀切斷一支白色粗粉筆成兩半，每段粉筆的長度約4 cm，再使用一支合適大小的一字形螺絲起子在粉筆的兩端鑽孔洞，深度約0.5 cm。

2. 在粉筆的中間位置刻上環狀的凹痕，順著凹痕滴入0.1 M的FeCl2和FeCl3混合液，使其完全滲入。

3. 浸入在粉筆的一端在0.1 M NaOH溶液中，讓溶液慢慢地擴散至接近混合液時立即拿起，另一端亦復如此。

4. 插入2B筆芯於粉筆兩端的孔洞中，以鱷魚夾導線連接筆芯與直流電源供應器。調整電源供應器電壓為為15 V，每隔五分鐘記錄離子移動的位置。

5. 在粉筆上塗上0.1 M K3[Fe(CN)6]（鐵氰化鉀，赤血鹽）溶液，以便觀察Fe2+的移動。

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化學實驗室實驗：利用粉筆進行離子遷移（Migration of Ions using Chalk）〔I〕

2011/08/15
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化學實驗室實驗：利用粉筆進行離子遷移（Migration of Ions using Chalk）〔I〕
國立彰化女子高級中學化學科陳琬菁老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

學生講義之一（Student Handout I）

實驗介紹

本實驗的目的是學生使用粉筆當作電解液的離子遷移之媒介，施以直流電當作電場，控制適當的電壓，直接地觀察有顏色的陰陽離子以及間接地觀察呈色的陰陽的移動情形，圖一為利用粉筆進行不同陽離子的離子遷移。

圖一 利用粉筆進行不同陽離子的離子遷移

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化學實驗室實驗：酚酞的合成及其四種形式的觀察（Synthesis of Phenolphthalein and Observation of Its Four Forms）〔II〕

2011/08/05
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化學實驗室實驗：酚酞的合成及其四種形式的觀察（Synthesis of Phenolphthalein and Observation of Its Four Forms）〔II〕
國立彰化師範大學化學系學生方浩羽 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

連結：酚酞的合成及其四種形式的觀察〔I〕

教師手冊（Teacher’s Guide）

進階原理

● 由苯酚和鄰苯二甲酸酐合成酚酞的反應機構分成兩階段：(1)在酸性條件下，鄰苯二甲酸酐的酸酐先進行質子化，然後正電荷轉移到酸酐上的碳。接著，苯酚的苯環富含電子去攻擊鄰苯二甲酸酐的酸酐上帶正電的碳，進行親電子芳香族取代反應（electrophilic aromatic substitution reaction），或說進行傅-克醯化反應（Friedel-Crafts acylation）。(2)同樣地，在酸性條件下，第一階段產物分子的酮基，先進行質子化，然後正電荷轉移到酮基上的碳。接著，第二分子的苯酚與其進行親電子芳香族取代反應，或說進行傅-克醯化反應。酚酞合成的反應機構簡單地如反應式[2]所示。

教學提示

● 上課時間：教師實驗解說：約20分鐘，學生合成酚酞：約30分鐘，學生觀察酚酞四種形式：約20分鐘。學生歸納所觀察到的現象和回答問題：約20分鐘。

● 在酚酞合成後，若酚酞四種形式的顏色觀察，改為直接以逐滴地加入極強鹼（高濃度）的氫氧化鈉溶液之方式進行，仍然可以觀察到與實驗步驟（先加入水和濃硫 酸，後加氫氧化鈉顆粒）有相同的顏色變化。然而，實際上會遭遇到一些困難。其一為無法配製極強鹼（高濃度）的氫氧化鈉溶液，其二為在測試溶液pH值時，由 於溶液過於濃稠而不易塗在pH試紙上，進而影響到pH值的判讀。

● 若在酚酞合成後不加入乙醇只加入水來溶解酚酞，則溶液會呈現混濁狀。在觀察顏色上會受到混濁狀況的干擾，而且在極鹼性條件下，會造成沉澱的現象。

● 實驗時，必須戴手套防止苯酚滲入皮膚而造成灼傷。如果學生不慎接觸到苯酚，應該先快速利用清水沖洗，然後塗抹凡士林。

● 全班可以共用一台加熱器和一個砂浴。如果沒有加熱器和砂浴，那麼也可以用沸水浴取代砂浴，只是反應時間需要20分鐘。沸水浴比砂浴更容易觀察酚酞合成是否完全，如圖六所示。

圖六 試管放入沸水浴中進行反應

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化學實驗室實驗：酚酞的合成及其四種形式的觀察（Synthesis of Phenolphthalein and Observation of Its Four Forms）〔I〕

2011/08/05
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化學實驗室實驗：酚酞的合成及其四種形式的觀察（Synthesis of Phenolphthalein and Observation of Its Four Forms）〔I〕
國立彰化師範大學化學系學生方浩羽 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

學生講義（Student Handout）

實驗介紹

酚酞（Phenolphthalein）常當作酸鹼指 示劑來區分物質的酸鹼性，也用於酸鹼滴定的終點判定。酚酞在酸性條件下是什麼顏色的？也許很多人毫不猶豫地回答是無色。酚酞在鹼性條件下又是什麼顏色呢？ 也許有人會立即回答是粉紅色或紅色。這樣的回答是正確嗎？其實不然，酚酞有四種不同的形式，在不同的酸鹼條件下會對應到不同的顏色。

本實驗的目的是利用實驗室簡單的器材和少量的藥品，讓學生學會酚酞的合成，並且控制酚酞在不同的酸鹼條件下，觀察其四種形式所對應的顏色，如表一所示。

表一  酚酞的四種的形式及其對應的顏色

資料來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Phenolphthalein

酚酞的合成可以利用兩當量的苯酚（phenol）和一當量的鄰苯二甲酸酐（phthalic anhydride）在濃硫酸的催化下合成而得，其反應如反應式[1]所示。這個方法由阿道夫‧馮‧拜爾（Adolf von Baeyer）於1871年發現。如果酚酞的合成條件是在濃硫酸的催化下，亦即在強酸的條件下，那麼產物為In+的形式，此形式的酚酞顏色為橘紅色。

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化學實驗室實驗：利用天竺葵葉合成銀奈米粒子（Synthesis of Silver Nanoparticles using Geranium Leaves）［III］

2011/08/05
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化學實驗室實驗：利用天竺葵葉合成銀奈米粒子（Synthesis of Silver Nanoparticles using Geranium Leaves）［III］
國立彰化師範大學化學系學生羅翊瑋 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

連結：利用天竺葵葉合成銀奈米粒子［II］

教師手冊（Teacher’s Guide）

教學提示

● 上課時間：教師實驗解說：約20分鐘，學生實驗操作（含器材清洗）：約40分鐘，實驗觀察記錄：約10分鐘。學生回答問題（師生問題討論或家庭作業）：約20分鐘。

● 在進行本實驗時，學生可以透過視覺上的觀感，瞭解到雖然金屬銀（如銀鏡反應）具有灰白色的金屬光澤，但是當尺寸縮減至奈米級的尺度時，因表面電漿子共振吸收效應而呈現黃色，使學生對奈米粒子有更深刻的認知。

● 由於當氫氧化鉀與蒸餾水接觸時，會產生微量發煙並且發生放熱的現象，因此教師應該提醒學生在配製洗滌液的過程必須多加小心。

● 由於硝酸銀溶液接觸到皮膚時使皮膚產生黑色污點，需要幾天的時間才會自然脫落，因此教師應該提醒學生在使用時必須格外小心，戴乳膠手套和安全眼鏡。

● 最好選用乾淨的器具進行本實驗，未曾使用過的器具更佳。如果無去離子水和超純水，只使用蒸餾水，那麼本實驗還是可以得到如預期的結果，只是無法持續幾個星期之久。

● 本次實驗的各種溶液濃度之配製和體積的量度不必過於精準也可以合成出黃色的銀奈米溶液。

藥品配製

● 0.001 M AgNO3溶液：取0.017 g的硝酸銀（AgNO3）固體，置入一個乾淨的100 mL的容量瓶（或錐形瓶）中，加入約50 mL的蒸餾水，搖晃促使硝酸銀的顆粒完全溶解後，再稀釋溶液至總體積100 mL。

觀察記錄樣本

1. 觀察並記錄在銀奈米粒子的合成過程中，反應溶液顏色的變化情形。

記錄：原本天竺葵葉子的萃取液呈現淡黃綠色澄清狀，在加入25 mL的0.001 M硝酸銀溶液後呈現透明無色狀。在加熱過程中，約5分鐘後溶液逐漸變成黃色，再過3~4分鐘後變成橘色，接著漸漸變成棕紅色，直到加熱過程結束。銀奈米粒子的合成過程之顏色變化，如圖四的所示。

圖四  合成過程中溶液的顏色變化由開始的無色到最後的紅棕色

2. 觀察並記錄天竺葵葉萃取液及其加入食鹽是否具有膠體溶液的廷得耳效應。

記錄：天竺葵葉萃取液加入食鹽顆粒後，溶液顏色並無任何改變，即使靜置一段時間也是如此。再者，不論是否有加入食鹽，兩隻試管以雷射筆的雷射光束檢驗均有廷得耳效應的現象，如圖五所示。

圖五 加入食鹽後的萃取液（左）和原萃取液（右）都具有廷得耳效應

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化學實驗室實驗：利用天竺葵葉合成銀奈米粒子（Synthesis of Silver Nanoparticles using Geranium Leaves）［II］

2011/08/05
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化學實驗室實驗：利用天竺葵葉合成銀奈米粒子（Synthesis of Silver Nanoparticles using Geranium Leaves）［II］
國立彰化師範大學化學系學生羅翊瑋 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

連結：利用天竺葵葉合成銀奈米粒子［I］

學生講義之二（Student Handout II）

實驗步驟

A. 清洗器材

1. 配製洗滌液：取60 g的氫氧化鉀（KOH）溶於60 mL的蒸餾水中，待完全溶解後，置入此溶液到1000 mL的燒杯中，再加入500 mL的藥用酒精（95%乙醇，95% enthanol），然後以玻棒攪拌均勻即可。
註：洗滌液多組共同配製並共用，用後回收作為最後清洗器具之用。氫氧化鉀溶於蒸餾水時會放熱，在配製時須小心。

2. 在通風櫥內或通風良好之處，以洗滌液浸潤錐形瓶、量筒、漏斗、PE滴管、磁攪拌子、和樣品瓶等器材的內壁約1分鐘，再倒回洗滌液於原燒杯中，然後以大量的蒸餾水沖洗乾淨器皿，然後倒置滴乾。
註：最好選用乾淨的或未曾使用過的器材進行本實驗，所有的器材需以洗滌液浸洗，洗滌液必須完全被沖洗乾淨，以免殘餘的洗滌液影響後續的反應。

B. 天竺葵葉萃取液的製備

1. 以一支25 mL量筒量取25 mL的蒸餾水，置入250 mL的燒杯中。放置此燒杯於電磁加熱攪拌器上面並開啟加熱，直至沸騰。此時加入約5 g的乾淨天竺葵葉子，沸騰約1分鐘後，即可關閉加熱並且移走燒杯到實驗桌上。加熱前後的天竺葵葉子，如圖二所示。
註：天竺葵葉子由盆栽取下後不需經任何的切割，先用蒸餾水清洗乾淨後，再以完整的葉片進行加熱萃取。若使用切割過的葉片進行加熱，則萃取液會有懸浮物，且無法經由過濾使萃取液呈澄清狀，而影響後續的合成。

圖二 加熱前天竺葵葉子（左），加熱後的天竺葵葉子（右）

2. 放置摺好的濾紙在一支漏斗的上方，並放置此濾紙在一個125 mL的錐形瓶的開口上，形成簡易的過濾裝置。待步驟B-1的燒杯中溶液冷卻後，即可倒入此溶液到漏斗中，透過濾紙進行過濾，取得天竺葵葉子的萃取液。

圖三 簡易過濾裝置（左），過濾後的萃取液呈淡黃綠澄清溶液（右）

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化學實驗室實驗：利用天竺葵葉合成銀奈米粒子（Synthesis of Silver Nanoparticles using Geranium Leaves）［I］

2011/08/05
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化學實驗室實驗：利用天竺葵葉合成銀奈米粒子（Synthesis of Silver Nanoparticles using Geranium Leaves）［I］
國立彰化師範大學化學系學生羅翊瑋 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

學生講義之一（Student Handout I）

實驗介紹

本實驗希望學生利用生活中隨處可見的盆栽植物─天竺葵葉子的萃取物來合成銀奈米粒子。由天竺葵葉子的萃取成分當作還原劑，還原硝酸銀的銀離子成為金屬銀，其成分也當作穩定劑，以製得銀奈米粒子。接著以雷射筆的雷射光束照射合成後的溶液，觀察是否有廷得耳效應（Tyndall effect），以鑑定是否成功地合成銀奈米粒子。圖一為本實驗所使用的天竺葵和一些藥品。

圖一 本實驗所使用的天竺葵和一些藥品 （由左至右：天竺葵、氫氧化鉀、藥用酒精、氯化鈉和硝酸銀）

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