Facebook
綠色化學創意競賽:
花蓮高工學生研究維他命C含量測定之藥品減量
劉怡如、黃淑雯、陳振信*
國立花蓮高級工業職業學校化工科
*[email protected]
n 教師指導心得
自獲知教育部公告第一屆「綠色化學創意競賽」活動後,即徵詢並遴選即將升上高三的化二學生,自去年(2014年)七月暑期開始進行資料蒐集、分組討論、題目確認、實驗設計與研究、數據整理、結果討論與結果分析等一系列實驗專題工作。
我(通訊作者)在帶領學生進行上述活動過程中感觸最深的是,學生們雖先天資質不如同年齡的西部學生,平時也無機會參加校外相關競賽或交流活動,惟其過程中願意忍受溽暑氣候,把握難得參賽的機會,努力不懈之態度與精神卻是我願意付出,適時給與指引的最大精神支柱。經由這次參賽過程與獲獎結果,深刻體認到若能適時指引學生,必能激發其蘊藏之無限潛能。
n 設計理念與探討
一、 得獎作品
l 作品名稱:維他命C含量測定之HCl減量使用方法之探討。
l 參賽學生:劉怡如、黃淑雯;指導教師:陳振信。
l 得獎名次:高工組綠色化學(減毒減量)創意競賽銀牌獎。
二、 實驗動機與目的
綠色化學的主旨是在討論如何減量、減毒以及減廢,經過多日的資料蒐集與討論後,我們選擇了丙級化學技術士技能檢定術科檢定題目之一的「維他命C含量測定實驗」作為此次參賽題目。由於實驗中配製碘溶液時所用到的濃鹽酸屬於高濃度與腐蝕性藥品,因此我們想要探討可否降低其濃度和使用量,以降低實驗時可能發生的腐蝕性危險,並且達到綠色化學減量、減廢的主旨。
本次實驗探討以不同實驗變因(改變藥品用量)對實驗結果(維他命C含量)的影響,以達到減量的目標。本研究的實驗變因有:(一)減少鹽酸用量之可行性研究;(二)降低鹽酸濃度之可行性研究;以及(三)碘化鉀減量可行性研究。
三、 實驗原理
碘酸鉀中的碘酸根離子(IO3–)與碘化鉀之碘離子(I–,過量的)在酸性下反應可生成碘分子(I2),由此反應可配製碘溶液,其反應如式[1]所示。
IO3–(aq)-+ 5I–(aq) + 6H+(aq) → 3I2(aq) + 3H2O(l) [1]
由式[1]可知,1 mol的KIO3可產生3 mol的I2。
由於I2會與維他命C進行氧化還原反應,並被還原為I–,因此可以利用碘溶液作為滴定液,並用澱粉當作指示劑,來測定維他命C的含量,其反應如式[2]所示。
C6H8O6(維他命C)(aq) + I2(aq) → C6H6O6(去氫維他命C)(aq) + 2I–(aq)-+ 2H+(aq) [2]
本實驗是利用I2來滴定維他命C的溶液,當達到滴定終點時,維他命C會完全被I2氧化,溶液中多餘的I2即會與澱粉作用,形成深藍色複合體。
四、 實驗步驟
本次實驗所需器材,試樣以碘標準溶液滴定至終點,如圖一所示。
圖一:試樣以碘標準溶液滴定至終點
實驗一:配製碘標準溶液/減少濃鹽酸的用量
A. 配製碘標準溶液(250.00 mL)
1. 原來藥品用量:精秤0.2000g乾燥的碘酸鉀(KIO3),加入約3 g的碘化鉀(KI),加100 mL的蒸餾水和2 mL的濃鹽酸(HCl)溶解固體,用容量瓶,加蒸餾水定量至250.00 mL。
2. 減少藥品用量:與上述步驟相同,唯濃鹽酸2 mL的用量減少到1.0 mL、0.50 mL、0.10 mL。
B. 測定維他命C含量
1. 精秤0.6000 g的維他命C,以蒸餾水溶解,用容量瓶加蒸餾水稀釋至100.00 mL。
2. 用移液管,取上述溶液20.00 mL,稀釋至50 mL,加入1 mL的3%偏磷酸溶液,再加入1mL的0.5%澱粉溶液,以碘標準溶液滴定至終點呈藍色。
3. 重複滴定步驟,計算維他命C含量的平均值。
實驗二:配製碘標準溶液/降低鹽酸的濃度
A. 配製碘標準溶液(250.00 mL)
1. 原來藥品用量:精秤0.2000 g乾燥的碘酸鉀(KIO3),加入約3 g的碘化鉀(KI),加100 mL的蒸餾水和2 mL的濃鹽酸(HCl)溶解固體,用容量瓶加蒸餾水定量至250.00 mL。
2. 減少藥品用量:與上述步驟相同,唯2 mL的濃鹽酸之濃度降低到6 M、3 M、1.5 M、0.5 M、0.25 M、0.125 M、0.0625 M。
B. 測定維他命C含量
1. 與「實驗一」相同。
實驗三:配製碘標準溶液/減少碘化鉀的用量
A. 配製碘標準溶液(100 mL)
1. 減少藥品配製量(從減少250.00 mL到100.00 mL):精秤0.0800 g乾燥的碘酸鉀(KIO3),加入約1.2 g的碘化鉀(KI),加30 mL的蒸餾水和0.8 mL的濃鹽酸(HCl)溶解固體,用容量瓶,加蒸餾水定量至100.00 mL。
2. 改變藥品使用量:與上述步驟相同,唯1.2 g的碘化鉀(KI)的用量減少到0.9 g、0.6 g、0.3 g。
B. 測定維他命C含量
1. 與「實驗一」相同。
五、 實驗結果和討論
實驗一:配製碘標準溶液/減少濃鹽酸的用量
在配製碘標準溶液方面,減少濃鹽酸的用量對測定維他命C含量之影響,如表一和圖二所示。
表一:減少濃鹽酸的用量與測定維他命C含量之數據
試驗 |
濃鹽酸用量(mL) |
維他命C含量 |
標準偏差(%) |
1(原本) |
2.0 |
30.46 |
— |
2 |
1.1 |
29.12 |
4.40 |
3 |
0.50 |
29.58 |
2.89 |
4 |
0.10 |
29.02 |
4.73 |
圖二:減少濃鹽酸的用量對測定維他命C含量之影響
以圖二來看,由減少濃鹽酸用量的實驗結果,我們發現濃鹽酸用量可以從原本的2.0 mL降低至0.10 mL,雖然維他命C含量平均值稍微地逐漸減少,但是此與原來實驗結果之標準偏差為4.73,接近丙級化學技術士技能檢定術科之核可範圍(4%)內。因此,實驗中的濃鹽酸取用量可以被降低(降低幅度達95%),減少廢液排放量。
實驗二:配製碘標準溶液/降低鹽酸的濃度
在配製碘標準溶液方面,降低鹽酸的濃度對測定維他命C含量之影響,如表二和圖三所示。
表二:降低濃鹽酸的濃度與測定維他命C含量之數據
試驗 |
鹽酸濃度(M) |
維他命C含量 |
標準偏差(%) |
1(原本) |
12.0 |
30.46 |
— |
2 |
6.0 |
30.35 |
0.36 |
3 |
3.0 |
29.01 |
4.76 |
4 |
1.5 |
30.87 |
1.35 |
5 |
0.50 |
31.22 |
2.50 |
6 |
0.25 |
30.41 |
0.16 |
7 |
0.125 |
28.04 |
7.94 |
8 |
0.0625 |
27.45 |
9.88 |
圖三:降低濃鹽酸的濃度對測定維他命C含量之影響
原本實驗使用的鹽酸為濃鹽酸(12 M),本實驗我們想要降低鹽酸的濃度,除了減少廢液排放量之外,還可以降低實驗時的危險性。以圖三來看,由鹽酸濃度改變的實驗的結果,我們發現,本實驗的鹽酸可以用較低的濃度,鹽酸的濃度最低可以降至0.25 M來測定維他命C的含量。我們持續試著降低至0.125 M鹽酸,導致標準偏差過大,這可能是因鹽酸濃度過低而導致滴定量及含量降低;為了確保降低鹽酸濃度而維他命C的含量也隨之降低,我們使用0.0625 M的鹽酸探討其結果,從結果得知因鹽酸濃度過低而維他命C的含量會逐漸下降。故本實驗鹽酸濃度下降至最低濃度為0.25 M。
實驗三:配製碘標準溶液/減少碘化鉀的用量
在配製碘標準溶液方面,減少碘化鉀的用量對測定維他命C含量之影響,如表三和圖四所示。
表三:減少碘化鉀的用量與測定維他命C含量之數據
試驗 |
碘化鉀用量(g) |
維他命C含量 |
標準偏差(%) |
1(原本) |
1.2 |
29.82 |
2.10 |
2 |
0.9 |
30.74 |
0.92 |
3 |
0.6 |
32.05 |
5.22 |
4 |
0.3 |
無法測得 |
無法測得 |
圖四:減少碘化鉀的用量對測定維他命C含量之影響
由於碘化鉀的價格相當昂貴,因此我們試著減少碘化鉀的使用重量,原本用1.2 g開始減少ˊ至0.9 g、0.6g、0.3 g的碘化鉀來比較維他命C含量的變化。以圖四來看,若碘化鉀秤取量達0.3 g時即產生黑色顆粒沉澱物,而會導致反應無法完成,故碘化鉀可降低至最低秤取量為0.9 g。
根據上述三個實驗,分別進行個別的實驗條件(0.10 mL的濃鹽酸、2.00 mL的0.25 M鹽酸、配製100 mL碘標準溶液之0.9 g的碘化鉀)的結果是可接受的。然而,若合併這些實驗條件之研究(亦即合併使用0.10 mL的濃鹽酸和0.9 g的碘化鉀,或使用2 mL的0.25 M鹽酸和0.9 g的碘化鉀),則維他命C含量之測定結果是否仍在可接受範圍內呢?由於學生在三年級尚需上課等因素,以致合併這些條件的研究未能延續,尚不知其可行性。
n 參賽學生心得
很感謝教育部給遠在東部的我們(第一和二作者)參賽的機會,也讓我們從中體認到對於環境的愛護其實可以從實驗時就開始做起。參與這次「綠色化學創意競賽」是一個思考創意的過程,全程中我們總思考著如何才能降低實驗對環境之危害,如何在維持相同精準的實驗結果之情況下亦能夠達到減毒、減量以及減廢的宗旨。
我們從一開始選擇題目到研究討論之過程,經過一連串實驗的瓶頸,經常有想要放棄的念頭,但此同時又會想到放棄是懶人一事無成的藉口;最後仍然堅持了下來。經過了半年多來的努力,從暑期一開始就投入全部心力,致力於綠色化學這項競賽活動中,因此,這次的收穫不只是在獲得實質的獎牌、獎狀及獎金上,我們也學到了對於環境的維護、用最簡單的方式,達到最完善的實驗,這就是我們想做的,目的為的就是減少對環境的破壞,盡力地在綠色化學這個領域上做推廣。圖五為參賽師生領獎現場,花蓮高工校長親臨道賀。
圖五:師生領獎現場,校長親臨道賀
n 結語
在化學丙級技術士技能檢定術科考試的「錠劑中維他命C含量之測定」實驗中,我們探討在配製碘標準溶液方面,使用鹽酸的體積用量和濃度對維他命C測定,我們發現:(一)濃鹽酸用量改變可以從原本2.0 mL減量至0.10 mL,降低幅度達95%;(二)2.0 mL的鹽酸濃度可以從原來的12 M降低至0.25 M,減量幅度達98%;以及(三)實驗所需配製之碘標準溶液可從250.00 mL降至100.00 mL;而碘化鉀的重量也可從3 g減量至0.9 g,減量幅度達70%。根據實際實驗,分別進行個別的實驗條件的結果是可接受的。若合併這些條件,則維他命C含量之測定結果是否仍在可接受範圍內呢?目前尚不知其可行性,有待進一步研究。
花蓮高工能在全國性的競賽中獲得獎項,對東部學生來說是莫大的榮耀與鼓舞,相信日後憶起參賽過程中付出之點滴甘苦與獲獎結果,能在其遭逢人生困境時燃起努力奮鬥不懈之火花。
n 參考資料及其他
1. 丙級化學學術科通關寶典(2012版)。台灣科大。編著:廖建治、蔡永昌。
2. 定量分析及實驗(1998)。林敬二、楊寶旺、陳寶山。高立圖書有限公司(台北市)。
3. 普通化學實驗II(2001)。楊永華。東大圖書公司(台北市)。
4. 分析化學實驗II(2008)。鄭新讚、鄭茜如。東大圖書公司(台北市)。
5. 分析化學實驗II(2002)。張國華、傅芳馨。全華科技圖書股份有限公司(台北市)。
6. 化學實驗環境保護篇(2002)。廖明淵。新文京開發出版有限公司(台北縣)。