前言
第五屆亞洲化學教育國際研討會（5th International Conference Network for Inter-Asian Chemistry Educators, 5th NICE Conference），由國立屏東教育大學與中國化學會合辦，於2013年7月25至27日於國立屏東教育大學舉行，邀請亞洲日本、韓國、香港、澳門及臺灣等學者和教師共同參與和交流，汲取各國發展化學教育的經驗，以提昇亞洲化學教育的水準。本人很榮幸受到化學學科中心的推薦，獲邀於大會典禮中進示範「大型化學平板（Big ChemPad）」。這是利用一個改良的大型畫框，和一個暗藏玄機的電毛筆，在預先泡過稀硫酸鈉的水彩紙上，寫下優雅多彩的隸書—「2013 NICE 化學」。大型化學平板是利用隨手可得且可重複使用的材料，以及使用微量的和無害的化學藥品，運用精心設計與巧手製作的教具，不僅演示效果獲得大會一致熱烈的掌聲，而且符合綠色化學減廢的原則。本文詳述大型化學平版的製作過程及在研討會開幕的演示過程。
實驗影片
製作步驟
一、 示範前準備
- 先焊接8P3段滑動切換開關的電路，並以三用電表測試完成，相關8P3段切換開關的設計圖如圖一所示。
三段滑動切換開關示意圖 - 取一長130 cm、寬45 cm的木質畫框（可於美術材料行購買或訂做）。
【註】：訂做時，可請商家於長方形四個角落的連接處，塗上一層白膠，增加使用壽命。 - 在畫框背面，先以鉛筆標出電池座、切換開關以及電毛筆插座的位置。以水平鑽床，鑽出孔位後，然後安裝焊好的8P3段滑動切換開關、9V鹼性電池，以及插座線路。相關組裝機構圖如圖二所示。
圖二 大型化學平版組裝機構圖 - 另取一塊長120 cm、寬40 cm、厚0.1 cm的鋁板，置入畫框內，並以矽利康膠固定。相關製作組裝過程如圖三所示。
【註】：新購買的鋁板可先用酒精擦拭，去除表面油脂清潔，增加導電性。
圖三 大型化學平板的組裝過程 - 電毛筆的製作：取一張很細的不銹鋼鐵絲網，小心地拆下細鋼絲成為一根一根，排列整齊。然後，對折細鋼絲並在折彎處壓成條狀，以對折彎處當作電毛筆的筆毛。鋼絲網及拆下的細鋼絲如圖四所示。
【註】：拆解鋼絲網時，務必戴布手套，以防止刺傷手指。
圖四 鋼絲網（左）和拆下細鋼絲（右） - 用專用剪刀，剪掉捲曲度較高的細鋼絲前後部份，留下長度約10公分。先排列整齊，再前後對折（長度剩約5公分），然後在對折端用細鋼絲綑成束狀。裁剪過程如圖五所示。
圖五 細鋼絲裁剪成適當的長度 - 以銅線埋入成束的鋼絲中，然後裝入一支毛筆的筆身前端（筆毛事先移除），銅線的另一端穿越筆桿，從筆頭的一端引出，相關組裝圖如圖六所示。
圖六 電毛筆的組裝過程
二、 正式示範
- 在紙張的上半部三分之一處，以噴霧罐噴上酚酞指示劑，並於紙張的下半部左方，噴上0.5 M的碘化鉀溶液。在此次亞洲化學教育年會上的化學演示，相關演示如圖七所示。
圖七 亞洲化學教育研討會演示大型化學平板
請參考上面。
藥品與器材
- 木質畫框（長130 cm、寬45 cm） 1個
- 鋁板（長120 cm、寬40 cm、厚0.1 cm） 1塊
- 8P3段滑動切換開關 1個
- 9V鹼性電池 1個
- 香蕉插座 1對
- 鋼絲網（30 × 30cm） 1張
- 專用剪刀（剪鋼絲用） 1支
- 大毛筆（舊的） 1支
- 矽利康膠 1罐
- 快乾膠 1罐
- 全開水彩紙 2張
- 0.5 M硫酸鈉溶液（Sodium sulfate solution） 500 mL
- 1%酚酞指示劑（Phenolphthalein indicator） 100 mL
- 0.5 M碘化鉀溶液（Potassium iodide solution） 100 mL
- 噴霧罐（50毫升） 3個
- 1%維他命C（抗壞血酸）水溶液 200 mL
- 塑膠杯（500 mL） 1個
- 細砂紙 1張
原理和概念
- 在此次亞洲化學教育研討會上，演示大型化學平板的原理是根據電化學。利用外加的9V直流電源，在預先浸泡硫酸鈉水溶液的濕潤水彩紙上，噴上酚酞指示劑和碘化鉀溶液，以不鏽鋼絲製作的電毛筆，直接在水彩紙面上撰寫文字，進行電解反應。以下是在電解時陰極和極陽發生的半反應。
陰極（-）：2H2O(l) + 2e– → H2(g) + 2OH–(aq) 陽極（+）：2I-(aq) → I2(aq) + 2e– 總反應：2H2O(l) + 2I-(aq) → H2(g) + 2OH–(aq) + I2(aq)
電毛筆與電池負極連接時，筆尖（陰極）與水彩紙（含水）接觸之處，產生氫氧根離子，若水彩紙事先噴上酚酞指示劑，則此處轉為紅色（“2013 NICE”字跡）。若切換開關，改變電子流的方向，電毛筆與電池正極連接時，則筆尖（陽極）與水彩紙（含碘化鉀溶液）接觸之處，碘離子（I-）被氧化，生成碘分子（I2），又與I-反應生成I3-，此處呈現黃棕色（“化學”字跡），如圖八所示。
圖八 演示大型化學平板的成果 - 然後，用沾濕維他命C（抗壞血酸）水溶液的毛刷，來回擦拭字跡，紅色和黃棕色的字跡隨即變為無色。這是因為維他命C為酸性，中和水彩紙上紅色的字跡，如圖九所示；再者，維他命C為還原劑，碘分子（I2）被維他命C還原為無色碘離子（I-），如圖九所示。值得注意之事是維他命C水溶液不可擦拭過量，否則無法立即再次使用，因為陰極產生的氫氧根離子和陰極產生的碘分子，會立即分別被中和及被還原。
圖九 用沾濕維他命C水溶液的毛刷擦過
教學提示
- 水彩紙應事先浸泡硫酸鈉水溶液，讓整張水彩紙完全濕潤，以幫助導電，若當場以噴霧罐噴塗，恐導電不佳，影響演示結果。
- 演示前務必先以三用電表測試電毛筆、切換開關、插座電路是否斷路，以免影響演示結果，尤其是市售的香蕉插座插頭的品質不穩定，宜反覆測試。
- 每次演示結束，鋁板上極易因氧化留下字跡，可以細砂紙輕輕研磨該處後，再以乾抹布擦拭乾淨即可。
- 此次使用的鋼絲網極細，不易在水彩紙上書寫。建議：對折細鋼絲並在折彎處壓成條狀，以對折彎處當作電毛筆的筆毛，即可在平板上書寫流暢。
安全
- 本次示範實驗所用的藥品皆非毒化物，演示結束後請以抹布擦拭乾淨後，於通風處陰乾即可。
- 本化學平板的製作，需要使用電動工具，具有相當的危險性，務必在專業人員的指導下方可製作。
- 焊接切換開關時，烙鐵頭溫度甚高，使用時須事先小心操作，避免燙傷。
- 演示後的水彩紙可水洗後，陰乾後重複使用。
致謝
感謝國立大甲高工電機科杜志敏老師，指導與協助滑動開關切換電路設計。
感謝國立大甲高中室內設計科卓慶良老師，協助製作平板的木框架結構。
參考資料
- 廖旭茂，化學平板的新戲法，科學研習月刊。第51卷（2012），第8期，頁21-28。
- 方金祥，科玩DIY-化學魔術畫板。科學教育月刊，2001，239期，頁51-54。
- Paul Price, Writing with Electricity Chemical Demonstration Kit,
http://www.flinnsci.com/store/Scripts/prodView.asp?idproduct=22082. - TeacherExpt:Electrolysis of potassium iodide solution,
http://www.rsc.org/learn-chemistry/wiki/TeacherExpt:Electrolysis_of_potassium_iodide_solution.
沒有留言:
張貼留言