2025-03-04

定影歷程

定影劑與硫代硫酸鈉殘留整理

定影的目的,是將底片或相紙中未曝光、未顯影的殘留鹵化銀溶解並清除,只留下顯影後形成影像的金屬銀。若未顯影的鹵化銀仍留在材料中,日後仍可能繼續對光線敏感,造成影像變色、霧化或保存性下降。因此,定影是讓影像在光線下穩定並可長期保存的重要步驟。

定影液濃度範例

以 AP 顯影罐約 300 c.c. 工作液為例,若配製 20% 硫代硫酸鈉溶液,可理解為約 60 g 硫代硫酸鈉加上約 240 g 水。
硫代硫酸鈉的化學式為 Na2S2O3。在傳統黑白攝影中,它是定影劑的主成分,能與溴化銀 AgBr 反應,使原本不溶於水的銀鹽形成可溶性的銀硫代硫酸錯合物。

定影反應

硫代硫酸鈉與溴化銀的整體反應可簡化表示為:

AgBr + 2 Na2S2O3 → Na3[Ag(S2O3)2] + NaBr

其中 AgBr 是感光乳劑中未曝光或未顯影的溴化銀晶體;Na2S2O3 是硫代硫酸鈉;Na3[Ag(S2O3)2] 是可溶於水的銀硫代硫酸錯合物;NaBr 是可溶於水的溴化鈉。
反應的核心並不是單純把溴化銀「洗掉」,而是硫代硫酸根離子 S2O32− 與銀離子 Ag+ 形成可溶錯合物,使未顯影的銀鹽離開乳劑層並進入定影液中。錯合過程可用下列步驟表示:

Ag+ + S2O32− → [Ag(S2O3)]
[Ag(S2O3)] + S2O32− → [Ag(S2O3)2]3−

這個可溶錯合物可隨定影液與後續水洗被移除。若定影不足,未完全溶出的鹵化銀可能殘留在底片或相紙中;若定影後水洗不足,定影鹽、銀硫代硫酸錯合物或其他含硫殘留物也可能影響長期保存。

亞硫酸鈉清除劑的作用

亞硫酸鈉 Na2SO3 可作為 hypo clearing agent 或 washing aid 的主要成分之一。它的主要功能不是直接將硫代硫酸鈉 Na2S2O3 化學分解為 Na2SO4 與 Na2S,而是促進殘留定影鹽、硫代硫酸鹽與銀硫代硫酸錯合物從乳劑、明膠層或紙基中擴散出來,使後續水洗更有效率。

因此,以下反應式不建議作為正式說明:

Na2S2O3 + Na2SO3 → Na2SO4 + Na2S

這個式子沒有平衡,也會誤解成亞硫酸鈉能直接把硫代硫酸鈉轉化成硫酸鈉與硫化鈉。比較正確的寫法是:亞硫酸鈉清除劑主要是水洗助劑,能降低殘留定影鹽留在材料中的機會,但使用後仍須充分水洗。

亞硫酸根可被氧氣氧化成硫酸根,反應可表示為:

2 SO32− + O2 → 2 SO42−

硫代硫酸根在特定氧化條件下也可能進一步氧化為硫酸根,例如在鹼性條件下可用下列總反應表示:

S2O32− + 2 O2 + 2 OH → 2 SO42− + H2O

若同時把硫代硫酸根與亞硫酸根納入理論氧化反應,鹼性條件下可配成:

2 S2O32− + 2 SO32− + 5 O2 + 4 OH → 6 SO42− + 2 H2O

不過,這些式子應視為理論氧化總反應,不能直接等同於一般暗房清除劑在短時間內的主要作用。攝影處理中的重點仍然是讓殘留物更容易被水洗帶走,而不是依賴亞硫酸鈉把所有硫代硫酸鹽氧化成硫酸鹽。

硫代硫酸鹽殘留與影像劣化

如果定影或水洗不完全,材料中可能殘留硫代硫酸鹽、銀硫代硫酸錯合物或其他含硫殘留物。這些殘留物在高濕、高溫、酸化或污染環境下,可能使影像變黃、變褐、產生斑點或降低保存壽命。
硫代硫酸根在酸性環境中可能先形成不穩定的硫代硫酸,再分解為硫、二氧化硫與水:

S2O32− + 2 H+ → H2S2O3
H2S2O3 → S + SO2 + H2O
SO2 溶於水時,可與水形成亞硫酸平衡:
SO2 + H2O ⇌ H2SO3

因此,若要說明 H2SO3 的來源,較合理的寫法是:酸性條件下,硫代硫酸根可能分解產生 SO2,而 SO2 溶於水後形成亞硫酸平衡。不宜簡化成「硫代硫酸鈉遇水直接生成 H2SO3」。
H2S 也不宜寫成硫代硫酸鈉殘留的直接結果。硫化氫通常需要硫化物 S2− 或 HS 在酸性條件下生成,例如:

S2− + 2 H+ → H2S
HS + H+ → H2S

這類情況通常需要更還原性的環境、硫化物污染、微生物作用或其他副反應。單純少量硫代硫酸鈉殘留,不應直接寫成會產生 H2S。

殘留含硫物質與影像銀的反應,是影像劣化的重要風險之一。不過,以下反應式不適合作為正式簡化式:

2 Ag + Na2S2O3 → Ag2S + Na2SO4

這個式子沒有平衡,也過度簡化硫代硫酸鹽殘留導致影像變質的路徑。比較安全的寫法是:殘留定影鹽、銀硫代硫酸錯合物或其他含硫降解產物,可能在不良保存條件下與影像銀反應,形成黃色、褐色或黑色銀化合物,其中包含硫化銀 Ag2S 的可能性。

若只是表示硫化銀形成的終點,可用概念式表示:

2 Ag + S → Ag2S

若環境中有硫化氫與氧氣參與,可用下式表示銀表面硫化的概念:

2 Ag + H2S + 1/2 O2 → Ag2S + H2O

這些式子只能表示可能的劣化結果,不應直接等同於硫代硫酸鈉殘留的單一步驟反應。

水洗與保存注意事項

定影、清除劑與水洗時間不可一概而論,應依材料種類與保存需求調整。底片、RC 相紙與 FB 纖維紙基相紙的吸水性、藥劑殘留程度與水洗難度不同;定影劑是否為快速定影劑、是否含硬膜劑、定影液是否接近耗盡,也會影響後續水洗需求。

一般來說,底片的藥劑較容易洗出;RC 相紙因有樹脂塗層,水洗時間通常比 FB 纖維紙基相紙短;FB 相紙的紙基會吸收更多化學物質,若追求長期保存,通常需要較完整的定影、清除劑與水洗流程。若使用清除劑,仍不能省略最後水洗,因為清除劑本身與被置換出的殘留物也需要被水帶走。

實務上可掌握幾個原則:定影液不可過度耗盡;底片或相紙定影後應先短暫沖洗,再使用清除劑;清除劑處理後需充分水洗;若作品要長期保存,應依底片、相紙與定影劑廠商的保存級流程調整時間。保存環境也很重要,完成處理後的底片與相紙應存放於乾燥、避光、低溫且通風良好的環境,避免高濕、高溫與污染氣體加速影像劣化。

結論

定影劑中的硫代硫酸鈉會使未顯影的鹵化銀形成可溶的銀硫代硫酸錯合物,讓影像只留下顯影後的金屬銀。亞硫酸鈉清除劑的主要功能是幫助殘留定影鹽與錯合物被洗出,而不是直接把硫代硫酸鈉分解成硫酸鈉與硫化鈉。硫代硫酸鹽殘留確實可能影響影像保存,但應以「殘留含硫化合物在不良保存條件下導致影像銀劣化」來表述,不宜使用未配平或過度簡化的反應式。定影、清除劑與水洗時間應依底片、相紙、定影劑種類與保存標準調整。

顯影歷程

顯影劑主要成分與作用整理

一般來說,顯影劑包含以下幾個主要成分:

  • 主劑
  • 鹼劑
  • 抗氧化劑
  • 防霧劑

主劑

顯影劑是一種還原劑。過程中,顯影劑會將 AgBr 還原為 Ag,而顯影劑自身則被氧化。
2 AgBr + 2 R–OH → 2 R=O + 2 H⁺ + 2 Br⁻ + 2 Ag

當 R = Metol 時:
CH₃C₆H₄(NH₂)OH → CH₃C₆H₄(NH₂)O + H⁺ + e⁻

當 R = Hydroquinone 時:
C₆H₄(OH)₂ → C₆H₄O₂ + 2 H⁺ + 2 e⁻

Metol 還原速度較快,能夠在影像的初期階段快速產生低對比度的圖像。Hydroquinone 還原作用較強,但速度較慢,通常用來產生較高的對比度。
這兩個藥劑都有安全疑慮,操作前需有安全規定相關說明。可用以下影片作為說明素材:


影片中有些值得討論的點:

  • 是否接受活體捐贈眼角膜?
  • 攝影師的相機倒影是什麼倒影?
  • Hydroquinone 的毒性屬於什麼性質?
  • 被有疑慮的藥劑噴濺到眼睛時,緊急處理應為何?
  • 正常的藥劑應該如何處理?

鹼劑

pH 越高,顯影效力越大,反差也越大。弱鹼對水溶液 pH 的改變較緩和,因此在這裡主要以亞硫酸鈉和硼砂作為弱鹼緩衝溶液。
以下為利用 100 g 無水亞硫酸鈉溶於 1 L 水,所得酸鹼值的計算歷程:

Na₂SO₃ → 2 Na⁺ + SO₃²⁻
SO₃²⁻ + H₂O ⇌ HSO₃⁻ + OH⁻
Kᵦ = K_w / Kₐ₂
Kᵦ = 1.0 × 10⁻¹⁴ / 6.6 × 10⁻⁸ ≈ 1.52 × 10⁻⁷
C = 100 g/L ÷ 126.04 g/mol ≈ 0.793 mol/L
[OH⁻]² ≈ Kᵦ × C
[OH⁻]² ≈ 1.52 × 10⁻⁷ × 0.793 ≈ 1.21 × 10⁻⁷
[OH⁻] ≈ 3.47 × 10⁻⁴ M
pOH = −log(3.47 × 10⁻⁴) ≈ 3.46
pH = 14 − 3.46 ≈ 10.54


抗氧化劑

抗氧化劑的主要功能,是避免顯影主劑受氧影響而降低效力。因此,在配製顯影劑時,常會透過一些方式降低溶氧量,包含:

  • 先溶一點亞硫酸鈉,但不能太多,因為高濃度亞硫酸鈉不利於 Metol 的溶解。
  • 使用煮沸過的水,可以趕出一部分溶氧。
  • 保存瓶填裝液體時,盡可能接近瓶口,或使用可壓縮體積的瓶身。

若以 Hydroquinone 為例,其氧化反應如下:
C₆H₄(OH)₂ + O₂ → C₆H₄O₂ + H₂O₂

Hydroquinone 會被氧化為對苯醌(quinone),使 Hydroquinone 的還原力下降。氧氣作為氧化劑,會搶奪 Metol 和 Hydroquinone 釋放的電子。
若有亞硫酸鈉介入,則反應如下:
2 Na₂SO₃ + O₂ → 2 Na₂SO₄

  • 亞硫酸鈉與氧氣的反應速率:亞硫酸鈉與氧氣的反應速率非常快,特別是在鹼性環境中。反應速率常數 k 受溶液 pH 和溫度影響,但在一般顯影條件下,亞硫酸鈉與氧氣的反應速率常數約在 10³–10⁴ M⁻¹s⁻¹。
  • Metol 與氧氣的反應速率:Metol 與氧氣的反應速率相對較慢,通常在 10¹–10² M⁻¹s⁻¹ 的範圍。這使得 Metol 更容易被亞硫酸鈉保護,因為亞硫酸鈉會先與氧氣反應,減少 Metol 的氧化。

防霧劑

在顯影時,若有不應曝光的區域卻產生曝光效果,即是發生銀離子不正確地還原出銀原子。正常說來,光會使 AgBr 分解,釋出 Br⁻ 和 Ag⁺;Ag⁺ 捕捉到電子後,形成銀原子。
若有未曝光的區域卻出現顯影反應,可以加入溴化鉀來抑制灰霧發生。

已曝光的區域

  • 顯影劑還原更多 Ag,使之成為最終可見影像的一部分。
  • Ag 會吸引更多 Ag⁺ 聚集,並還原形成密集的銀顆粒。

未曝光的區域

  • Br⁻ 抑制顯影劑對未曝光區域的活性,防止 Ag⁺ 被還原成 Ag。
  • Br⁻ 會與顯影劑中的還原劑競爭未曝光的 Ag⁺,並將不應被還原、但已部分還原的 Ag 物質氧化回 Ag⁺。

Ag⁺ + e⁻ → Ag   E° = +0.7996 V
2 Br⁻ → Br₂ + 2 e⁻ E° = +1.065 V

已曝光區域的 Ag⁺ 還原為 Ag,此反應由顯影劑中的還原劑提供電子。對於未曝光區域,Br⁻ 會阻止 Ag⁺ 還原;若已有銀原子形成,Br⁻ 還可以氧化這些 Ag,使其回到 Ag⁺。


顯影劑配方

D-76

  • 水,52℃,750 mL
  • Metol:2 g
    低對比、低亮度
  • Na₂SO₃:100 g
  • Hydroquinone:5 g
    高對比、高亮度
  • Borax:2.0 g
    Na₂B₄O₇,四硼酸鈉
  • 加水至 1 L

D-23

  • 水,52℃,750 mL
  • Metol:7.5 g
  • Na₂SO₃:100 g
  • 加水至 1 L

Caffenol

  • 咖啡
  • 蘇打:Na₂CO₃,54 g
  • 維他命 C:16 g
  • KBr:1 g
    咖啡顯影的補充如下:

C₉H₈O₄

  • 多酚化合物,具有酚羥基 –OH。
  • 通過氧化釋放電子,將銀離子還原為銀原子。氧化後,咖啡酚轉化為對苯醌類的氧化產物。
    C₉H₈O₄ + 2 Ag⁺ → C₉H₆O₄ + 2 Ag + 2 H⁺ E° ≈ +0.3 V

C₆H₈O₆

  • 強還原劑。
  • 適合用於初期顯影。
  • 釋放出氫離子(H⁺),需要鹼性環境(Na₂CO₃)來中和,避免 pH 值下降。
    C₆H₈O₆ + 2 Ag⁺ → C₆H₆O₆ + 2 Ag + 2 H⁺ E° ≈ +0.06 V

氧化還原造相機

做了一個相機專案,十年前曾帶學生做過針孔相機,因沒有對應設備自己也還不會,就沒帶學生沖片,就少了顯影歷程後面那一大半。在協助科技中心發展教案時,就重新將流程走一次,發現整體說來很適合現在要推的 PBL 課程,在科學課程中包含了物理的光學、化學的氧化還原沖片歷程、生活科技的快門機構連動、資訊科學的 Ai 以及快門偵測模組。



教學設備

電腦、Raspberry pico板、光敏電阻、麵包板、麵包線、雷射切割機、MakerCase、TinkerCAD、帶鋸、斜口鉗、顯影罐、暗袋、燒杯、電子秤、手套、口罩個人防護用具

先備知識

Micropython基本語法、麵包線接線方式、氧化還原、光學透鏡相關知能

學習目標

1 能簡短彙整資料表達相機科技發展歷史,並說明科技與科學發展兩者互動關係

2 運用光學所學紀錄並設計設備、泡製顯影所需要藥劑、能運用氧化還原正確步驟加入正確藥劑

3 根據所需製作出機體外殼、設計模擬繪圖

4 製作出相機本體

5 根據製作出的相機撰寫程式偵測快門速度、能根據成像三要素完成攝影、能說明 Ai 基本運作原理與應用


學習內容與學習表現雙向細目表

雙向細目

 ti-Ⅳ-1能依據已知的自然科學知識概念,經由自我或團體探索與討論的過程,想像當使用的觀察方法或實驗方法改變時,其結果可能產生的差異;並能嘗試

在指導下以創新思考和方法得到新的模型、成品或結果。

 pe-Ⅲ-2能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器、科技設備及資源。能進行客觀的質性觀察或數值量測並詳實記錄。

s-IV-1能繪製可正確傳達設計理念的平面或立體設計圖。

c-IV-1能運用設計流程,實際設計並製作科技產品以解決問題。

t-IV-4能應用運算思維解析問題。

Jc-Ⅳ-5生活中常見的氧化還原反應與應用。


活動二

泡製顯影所需要藥劑

能運用氧化還原正確步驟加入正確藥劑




Ka-Ⅳ-9 生活中有許多運用光學原理的實例或儀器,例如:透鏡、面鏡、眼睛、眼鏡及顯微鏡等


活動二

運用光學所學紀錄並設計設備

活動五

能根據成像三要素完成攝影




N-IV-3科技與科學的關係。

活動一

連結相機發展時科學與科技關聯性





P-IV-2設計圖的繪製。



活動三

設計模擬繪圖



P-IV-6常用的機具操作與使用。



活動三

設計模擬根據所需製作出機體外殼繪圖

活動四

製作相機本體


S-IV-4科技產業的發展。

活動一

能簡短彙整資料表達相機科技發展歷史





P-IV-5模組化程式設計與問題解決實作。





活動五

製作出的相機撰寫程式偵測快門速度


說明 Ai 基本運作原理與應用

領域/科目別:

主要科目

自然科學





次要科目

生活科技





次要領域

資訊科技




核心素養:

-J-A1能應用科學知識、方法與態度於日常生活當中。



-J-A2運用科技工具,理解與歸納問題,進而提出簡易的解決之道。



-J-B3了解美感應用於科技的特質,並進行科技創作與分享。


學習表現:

 ti-Ⅳ-1能依據已知的自然科學知識概念,經由自我或團體探索與討論的過程,想像當使用的觀察方法或實驗方法改變時,其結果可能產生的差異;並能嘗試

在指導下以創新思考和方法得到新的模型、成品或結果。



 pe-Ⅲ-2能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器、科技設備及資源。能進行客觀的質性觀察或數值量測並詳實記錄。



s-IV-1能繪製可正確傳達設計理念的平面或立體設計圖。



c-IV-1能運用設計流程,實際設計並製作科技產品以解決問題。



t-IV-4能應用運算思維解析問題。


學習內容:

Jc-Ⅳ-5生活中常見的氧化還原反應與應用。



Ka-Ⅳ-9 生活中有許多運用光學原理的實例或儀器,例如:透鏡、面鏡、眼睛、眼鏡及顯微鏡等



N-IV-3科技與科學的關係。



P-IV-2設計圖的繪製。



P-IV-6常用的機具操作與使用。



S-IV-4科技產業的發展。



P-IV-5模組化程式設計與問題解決實作。



評量方式


單元

評量編號

以學習表現作為評量標準

對應之學習內容類別

評量名稱

具體評量方式

活動一

科技產品演進

1

 ti-Ⅳ-1能依據已知的自然科學知識概念,經由自我或團體探索與討論的過程,想像當使用的觀察方法或實驗方法改變時,其結果可能產生的差異;並能嘗試

在指導下以創新思考和方法得到新的模型、成品或結果。

S-IV-4科技產業的發展。

筆記本:簡易相機發展歷程

檔案評量:根據上課歷程完成筆記本,能完善記錄並額外補充者 100 分,完善記錄者 95分,部分完成根據比例給分

活動二

底片相機科學與數學原理

2a

 pe-Ⅲ-2能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器、科技設備及資源。能進行客觀的質性觀察或數值量測並詳實記錄。

Ka-Ⅳ-9 生活中有許多運用光學原理的實例或儀器,例如:透鏡、面鏡、眼睛、眼鏡及顯微鏡等

2a 操作透鏡進行成像

口頭發言:能說出以下類別生活實例者,加平常分數一分:

  • 使用平板以及電腦差異者
  • 不同電腦作業系統差異
  • 平板與手機差異

2b

Jc-Ⅳ-5生活中常見的氧化還原反應與應用。

2b 實作評量:藥劑泡製

實作評量:確認是否配藥正確。能正確配藥者 100;部分完成者 80 ; 無法完成但能說明各配藥原則 60 分。

2c

Jc-Ⅳ-5生活中常見的氧化還原反應與應用。

2c 使用沖片罐

小組實作評量:能正確組裝者 100;部分完成者80 ; 無法完成但能說明各組裝原則 60 分。

活動三

相機結構

3a

s-IV-1能繪製可正確傳達設計理念的平面或立體設計圖。

P-IV-2設計圖的繪製。

3a 小組評量,makerCase作品呈現

小組實作評量:能正確組裝者 100;部分完成者80 ; 無法完成但能說明各組裝原則 60 分。

3b

3b 個人分數,TnkerCAD 3D 圖檔繳交

實作評量:能繪製設計圖且尺寸規格符合需求者100;尺寸不符合需求或部分完成者 80 ; 無法完成但能說明繪圖原則或操作流程者 60 分。

活動四

相機機構

4

c-IV-1能運用設計流程,實際設計並製作科技產品以解決問題。

P-IV-6常用的機具操作與使用。

實作評量

小組實作評量:能正確組裝者 100;部分完成者80 ; 無法完成但能說明各組裝原則 60 分。

活動五

攝影課程

5a

t-IV-4能應用運算思維解析問題。

P-IV-5模組化程式設計與問題解決實作。

5a 能利用模板進行快門偵測器改寫與使用

實作評量:

能正常配線兩個電阻的線路,且能讓程式正常運作者 100 ;程式正常運作但配線部分完成者 80 ;沒有串接電阻但正負極配程式部分 while loop 主結構正確者 60 分。此項務必通過。不通過者需補交至及格以上

5b

 pe-Ⅲ-2能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器、科技設備及資源。能進行客觀的質性觀察或數值量測並詳實記錄。

Ka-Ⅳ-9 生活中有許多運用光學原理的實例或儀器,例如:透鏡、面鏡、眼睛、眼鏡及顯微鏡等

5b 能根據曝光與時間表格讀取曝光表

小組口頭評量:小組能搭配溫度-時間表回答正確快門光圈組合者100;不能回答出的組別 0 

5c

Jc-Ⅳ-5生活中常見的氧化還原反應與應用。

5b 根據不同底片進行查表作業,能根據不同溫度進行不同時間的顯影流程

實作評量:

能搭配時間表正確使用沖片罐且片軸上片正常者100;能正確使用沖片罐,但上片軸過程部分失敗導致底片折損者或顯影時間錯誤估量導致顯影或定影失敗者 80  ; 上片軸失敗,但沖片罐能在正確步驟開啟者 60 分。若顯影和定影步驟顛倒或因先後順序錯誤、開蓋影響顯影者則不及格,此項務必通過。不通過者需補測至及格以上

5d

t-IV-4能應用運算思維解析問題。

P-IV-5模組化程式設計與問題解決實作。

5d 討論與小組作業

檔案評量:

於書面報告上呈現 Ai 利用黑白轉為彩色需要哪些步驟,並附註說明相關模型如何建置


課程開發歷程

前測時,需確認是否能自沖,添購二手底片相機、沖片設備、藥水,先試沖確認成功後,轉給學生實作針孔相機版本,為了加速歷程,使用紙板進行,後續製作雷切版本模板方便快速成型,學生確認沖片成功後再製作本次活動主要的機型。以下為課程開發測試流程:

1. 相機拍照

2. 購置現成沖片罐暗袋使用

3. 購買 kit 藥劑洗底片

4. 即可拍拆解

  • 帶鋸左右桶位
  • 頂透明蓋
  • 計數器
  • 保留快門
    • 是:元件較完整、避免過片引發震動、
    • 否:機構簡易、快門不需設計觸發

5. 機殼設計

  • makercase 建模
  • 開洞
    • 正面
    • 頂蓋
  • 修正高低
  • 伸縮部件修改
    • 纖維方向平行於伸縮縫
    • 切面朝內:折合時內徑較小、雷切後部分削除有利折合
    • 延長
    • 定位後雷射機台調整中心點焦距以切除完整
    • 側邊纖維方向修正
  • 底片位置
    • 右:回卷後往右過片,置入底片後,拉出底片固定於左側空白筒
    • 左:過片並拍攝、完再回卷 

6. 紙片針孔相機製作

  • 內中外三層
  • 注意遮光

7.自行配藥

  • 顯影
  • 定影