臺灣化學教育

常見消毒液的介紹及居家實作

陳映辛1,*、林亭佑²、江承翰¹

國立竹山高級中學
國立東華大學
[email protected]

 

n  前言

從2019年入冬以來，流感和新冠肺炎肆虐全球，確診人數屢創新高，雖然衛福部建議大家勤洗手做好基本的防護，但是並非所有環境都能找到水源來洗手，這時候替代品就相對的重要！由於確診病例屢創新高，讓大家搶購消毒用品，只是市面上消毒抗菌品牌爆增，產品琳琅滿目，酒精、次氯酸水、乾洗手液、漂白水等，該如何用？何時用？可以消滅什麼病菌？一般大眾並不是很清楚的知道。本文介紹常用消毒液的消毒原理，並帶大家一起動手實作居家消毒液。

n  常用消毒液簡介

一、酒精

(一)殺菌原理

酒精含有的化學物質是乙醇(CH₃CH₂OH)，酒精的殺菌原理是因為可以讓蛋白質變性，導致細菌的死亡或病毒的失去活性。但是酒精濃度並不是越高越好，市售的95％酒精因為濃度過大，會使細菌、病毒的表面蛋白質急速凝固，形成硬膜，反而無法順利穿透到病菌的內部，因此病菌的內部仍是具有活性的。75%的酒精兼具蛋白質凝固作用和穿透效果，可以完全滲透到細菌、病毒體內，凝固病菌的蛋白質使其失去活性，達到徹底的殺菌功能。研究顯示，只要濃度介於70-78％的酒精都可以達到殺菌99％的效果。

(二)缺點

酒精具備高揮發度性，且味道刺鼻，噴在皮膚上容易帶走角質層上的水分，讓皮膚乾癢、緊繃進而造成過敏、濕疹等皮膚問題，常用皮膚變乾燥及粗糙。具有可燃性，不適合在密閉空間中大量噴灑使用，必須遠離火源，以免造成火災。

(三)使用方法及時機

75%酒精用在手部或是環境周遭、器物上都適用，將少量75%酒精噴在雙手上，手心、手背、指尖、指縫、虎口、手腕等部位要徹底搓一搓，來殺死附著在雙手上的病菌。民眾也可沾取適量酒精，擦拭日常生活中常用的物品，如手機、平板、鍵盤、滑鼠等3C產品，用來殺菌並保持清潔。

二、乾洗手

(一)殺菌原理

市面上乾洗手產品琳瑯滿目，組成成分類型相當多元，大致上主要以酒精、甘油、香精、高分子膠、三氯沙（triclosan）、三氯卡班（triclocarban）等成分組成。殺菌原理最主要還是利用所含的酒精成份使病菌蛋白質變性。乾洗手大部分做成凝膠狀，以減少酒精揮發度，尤其是幼童，建議以含有75%酒精的乾洗手凝膠取代酒精噴霧，以增加安全性。

(二)缺點

市售乾洗手的組成成分過於分歧，添加物太過複雜，所以在殺菌、抗病毒效用上也較難分析；尤其是含有三氯沙成分的產品，美國食品藥物管理局（FDA）及加拿大政府在2017年已經禁止銷售含有三氯沙的產品。所以選購時盡量選擇添加物少的產品。

(三)使用方法及時機

在沒有水源可以清洗雙手的情況下，不得已的折衷手部清潔方式，擠一些在雙手上，手心、手背、指尖、指縫、虎口、手腕等部位要徹底搓一搓，來殺死附著在雙手上的病菌，因為添加物較多，所以皮膚敏感者不建議使用。

三、次氯酸鈉（漂白水）

(一)化學性質與特性

漂白水是一種强而有效的家居消毒劑，其主要成分是次氯酸鈉（Sodium hypochlorite, NaClO），能使微生物的蛋白質變質，有效殺滅細菌、真菌及病毒。1787年被法國化學家柏瑟列（Berthollet）將氯氣通入鹼液，製成次氯酸鈉，其反應如式[1]所示。

Cl₂(g)+ 2NaOH(aq) → NaClO(aq) + NaCl(aq) + H₂O(l)    [1]

1820年法國化學家拉巴拉克（Labarraque）將次氯酸鈉當作漂白水來使用；英國化學家達金（Dakin）在第一次世界大戰時，用4%次氯酸鈉溶液幫傷患進行傷口消毒及清創，而他所發明的配方後來被命名為達金溶液（Dakin’s solution）。除了在醫學上的貢獻，次氯酸鈉在我們的生活也同樣扮演重要的角色，游泳池、廁所乃至於免疫系統，都可以發現次氯酸鈉的存在。

(二)缺點

漂白水稀釋前後都有一定的揮發和刺激性，民眾在稀釋及使用時應配戴口罩和手套，並保持在通風的環境下，以防止對皮膚及呼吸道黏膜造成刺激，吸入過多揮發氣體而造成頭暈、嘔吐不適感。漂白水遇熱和光會分解，絕對不要跟酸、氨、胺類成分混合，以免產生有害物質。漂白水與鹽酸反應會放出有毒的氯氣，如式[2]所示，常常在新聞裡看到民眾在大掃除時，將鹽酸和漂白水混用，而造成氯氣中毒。次氯酸鈉與大多數氮化合物反應形成揮發性一氯胺，二氯胺和三氯化氮，其反應如式[3]-[5]所示。因此，使用相關製品時應注意避免混合。

NaClO(aq) +2HCl(aq) → NaCl(aq) + H₂O(l) + Cl₂(g)    [2]

NH₃(aq) + NaOCl(aq) → NH₂Cl(g) + NaOH(aq)    [3]

NH₂Cl(g) + NaOCl(aq) → NHCl₂(g) + NaOH(aq)    [4]

NHCl₂(g) + NaOCl(aq) → NCl₃(g) + NaOH(aq)    [5]

(三)使用方法及時機

雖然漂白水的殺菌、抗病毒效果佳，但是未稀釋的漂白水鹼度常在pH值在11~12之間，容易傷害皮膚且殘留性高，即使稀釋後一樣可能刺激人體皮膚和黏膜，因此建議只用於環境消毒、清潔。使用時，確保通風的環境下，擦拭物品或是消毒環境，擦拭後靜置5-10分鐘，效果會更好。

四、次氯酸水

(一)化學性質與特性

次氯酸（Hypochlorous acid, HClO），是一種不穩定的弱酸，在水溶液中，次氯酸部分解離為次氯酸根離子（ClO⁻）和氫離子（H⁺），隨著次氯酸的濃度不同，其pH值也不同，50 ppm的次氯酸水其pH值在5.5～6.5之間，接近中性。濃度高於1000 ppm時，其pH值在2.2~3.2之間，一般用作漂白劑、氧化劑、除臭劑和消毒劑。次氯酸是一種比氯氣（標準狀況下）更強的氧化劑，較難保存且易被光分解。在酸性的條件下，次氯酸的氧化力極強，其還原半反應及其電位如式[6]所示。次氯酸在酸性環境下非常不穩定，與鹽酸反應生成氯氣，其反應如式[7]所示。次氯酸與氨水反應生成單氯胺，其反應如式[8]所示。次氯酸與有機胺反應生成N-氯胺，其反應如式[9]所示。

2 HOCl(aq)+ 2 H⁺(aq) + 2 e⁻ ⇌ Cl₂(g) + 2 H₂O(l)    E_R = +1.63 V    [6]

HOCl(aq) + HCl(aq)→ Cl₂(g) + H₂O(l)   [7]

HOCl(aq) + NH₃(aq)→ NH₂Cl(aq) + H₂O(l)    [8]

HOCl(aq) + RNH₂(aq)→ RNHCl(aq)+ H₂O(l)    [9]

(二)殺菌原理

次氯酸的分子小，可以穿透無套膜病毒，使病毒外殼的蛋白結構崩壞並與病菌的蛋白質、核酸等有機分子發生氧化反應，而殺死病菌微生物。

(三)缺點

次氯酸水不耐儲存，怕熱怕光，會因為陽光（紫外線）照射而分解，所以必須儲存在不透光的密封容器中，並放置於陰涼處，只能保存半年。如果在太陽下直接曝曬，約2個小時後會慢慢發生自身氧化還原反應而分解成鹽酸和氧氣，其反應如式[10]所示。

2HOCl (aq)→2HCl(aq)+O₂(g)     [10]

(四)使用方法及時機

市售的次氯酸水濃度僅在200ppm以下，pH值多在5.0～6.5之間，林口長庚醫院臨床毒物科主任顏宗海建議，200 ppm以下的次氯酸水可用於手部消毒，溫和有效。可作為沒有水源清洗雙手時的暫時性替換選擇。下表一為酒精、漂白水及次氯酸水三種消毒液的綜合整理。

表一：常用消毒液的整理

n  居家消毒液實作

一、由95%藥用酒精稀釋

 

二、抗菌精油乾洗手

(一)      藥品和材料：95%酒精、高分子膠Carbopol 940（增稠劑）、三乙醇胺（Triethanolamine）、水、抗菌精油（如茶樹、白千層、百里香、羅文沙葉）

(二)      配製步驟

1.         秤取0.3克高分子膠Carbopol 940（見圖1左），分批加入10克水中（見圖1右），攪拌均勻（攪拌至沒有團狀或顆粒狀），約10分鐘。如所示。

 

圖1：秤量Carbopol 940（左）和水（右）

2.         分別加入40 mL 95%酒精、20滴抗菌精油和加入2-3滴三乙醇胺到一個50 mL壓瓶中，然後攪拌均勻，如圖2所示。

 

圖2：加入95%酒精、抗菌精油和三乙醇胺到壓瓶中

3.         攪拌均勻後，即為乾洗手，如圖3所示。

 

圖3：自製乾洗手的成品

註：如果怕手太乾，可以在步驟2加入1 mL甘油。

三、稀釋漂白水

(一)      藥品和材料：市售漂白水 1罐、600 mL礦泉水 1瓶

(二)      配製步驟

1.         取一罐600 mL 的礦泉水和一瓶市售漂白水，如圖4左所示。

2.         打開礦泉水，取一瓶蓋的漂白水，加入礦泉水中，搖勻即可，如圖4中所示。

3.         未一次用完時，瓶外可包覆不透材質，避免陽光直接照射，以減緩分解速率。

 

圖4：加入漂白水到礦泉水中

註1：一瓶蓋的容量約6 mL。

註2：濃度計算：市售漂白水濃度約5%，也就是50000 ppm，要稀釋成500 ppm，就是要以1份市售漂白水，加入99份水中。

n  結語

現在防疫如火如荼的進行，市售「抗菌、抗病毒」的防疫產品不勝枚舉，想要遠離病毒、細菌威脅，除了善用消毒液之外，正確的勤洗手才是最重要且最有效的方法。藉著多洗手有效去除皮膚表面上的微生物，再配合使用上述有抗菌效果的產品來輔助，相信一定可以減少與感染源的接觸，達到防疫效果。

n  參考資料

1.      漂白水的使用，衛生署，https://www.info.gov.hk/info/sars/tc/useofbleach.htm。

2.      酒精、次氯酸水、漂白水消毒怎麼用？完整抗病毒Q&A一次搞懂：「這樣」防疫最有力，https://thebetteraging.businesstoday.com.tw/article/detail/202002120064/

3.      乾洗手和消毒液有用嗎？醫師教你正確預防病毒細菌感染，https://www.medpartner.club/personal-disinfection-basics-introduction/。

4.      次氯酸鈉，維基百科，https://zh.wikipedia.org/zh-tw/次氯酸鈉。

5.      Sodium hypochlorite, https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_hypochlorite.

6.      次氯酸，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/次氯酸。

7.      Hypochlorous acid, https://simple.wikipedia.org/wiki/Hypochlorous_acid.

8.      Hypochlorous acid, https://en.wikipedia.org/wiki/Hypochlorous_acid.

9.      歷史悠久的消毒水：次氯酸鈉的過去與今天，https://pansci.asia/archives/148876。

10.  酒精、漂白水、異丙醇抗病毒正確使用法！環境防疫「這樣」消毒殺菌…一定可以減少感染源，https://thebetteraging.businesstoday.com.tw/article/detail/202002210017/177630

11.  酒精、次氯酸水、漂白水，三種消毒液哪一種抗病毒最強？「這樣選」抑制新型冠狀病毒！https://thebetteraging.businesstoday.com.tw/article/detail/202003230017/157883

12.  「酒精」和「次氯酸水」消毒、抗菌怎麼挑選？藥師10秒教你分辨五種市售消毒液，https://thebetteraging.businesstoday.com.tw/article/detail/202002120033

新聞議題融入自然科探究實作－環境用消毒水的製作

劉曉倩

 國立彰化高級中學
*[email protected]

前言

新型冠狀病毒疫情已經被聯合國稱為「第二次世界大戰後最大的危機」，在這場危機中國際政壇就病毒來源產生爭執及各種陰謀論。姑且不論新型冠狀肺炎（covid-19）的起源為何，截至目前為止，疫情持續擴散到全世界，而且因為極易傳染，市面上各種的防疫產品也變得搶手甚至是無法取得。

為了避免病毒擴散，其中最引起大家熱烈討論的就是各種消毒水的殺菌效果了。常用的殺菌劑有酒精、次氯酸水、次氯酸鈉及次氯胺水。濃度75%的酒精對於一般細菌雖有殺菌效果，但是目前受到政府管制，不易取得。家庭常用的漂白水（次氯酸鈉）是一種强而有效的消毒劑，能使微生物的蛋白質變質，有效殺滅細菌、真菌及病毒，價錢便宜，功效快速，但因為漂白水對黏膜、皮膚及呼吸道具刺激性，且容易與其它物質產生化學反應，消費者在使用上疑慮較多，因此刺激性較弱且仍有殺菌力的次氯酸水成了選項之一！

其實次氯酸水的製備並不困難，甚至只需應用日常生活中的器材即可完成，我們在課程設計上可以將週期表中的元素性質、製備及應用，融入教學設計中，提醒學生元素與生活密切相關。在實際進行教學活動時，帶領學生走出校園，讓學生自己思考自製儀器中所需的生活素材與工具，老師在引導者的角色，訓練學生系統性思考及動手做，藉著一個題材將學生的能力培養起來，讓學生不僅可以學知識而已，還可以「學能力」！

如此一來，以後學生遇到生活中的議題，會開始覺察，也會反思議題的真實性，接著就會提出問題，甚至設計實驗去論證。這種將生活化議題融入新課綱「自然科學探究與實作」的課程活動設計，對於學生科學素養的培養很有幫助。

此教學設計中，學生因為疫情而有更強的學習動機，透過有系統的教學活動設計，學生可以將市售漂白水及次氯酸水做酸鹼度測定及有效氯濃度做比較，接著自己動手自製次氯酸水製作機，並進行實驗比對自製的次氯酸水與市售的差異性，對於學生深化學習很有幫助。

設計理念

■問題導向學習的起源

問題導向學習（problem-based learning，簡稱PBL）是一種課程設計與教學模式，主要是以學習者為中心並利用真實的議題來引發學習者興趣及討論，透過老師決定教學目標與進行問題的引導，藉由小組的架構培養學習者的思考、討論、批判與問題解決能力，有效提昇學習者自主學習的動機，並進行目標問題的知識建構、分享與整合。

■問題導向學習的特色

1、以問題為學習活動的核心：

議題目標問題為學習活動的核心，「提出問題」對於引發探究十分重要，但是實際進行教學活動時並不容易，教師可以視學生程度決定目標問題廣度及深度。若是學生剛開始進入探究課程，則目標問題可以由教師決定。若是學生已經漸漸熟悉課程進行方式，可以由各組學生提出想法，相互分享，再由師生共同決定。其決定的問題核心必須具有一定程度的複雜度與挑戰性，並須具備有足夠的資訊及線索可以引導學習者進行資料的蒐集與積極參與。

2.以小組合作為學習模式：

學生針對所設定的問題透過小組合作方式進行討論與擬定解決策略。

3.以討論為主的學習過程：

在小組討論的過程中，學生依循所設計的目標問題進行批判與討論，藉以整合出能夠解決問題的方案，而教師在討論當中也可以適時參與及建議，以提昇學生進行更高層次的互動討論學習。

4.強調學生主動學習：

學生必須主動思考學習目標，了解自我能力，學習擬定計劃或階段性學習目的，並主動地與他組進行討論與分享。

5.教師是學習的引導者

教師需以引導者角色適時介入小組的學習過程，參與問題解決討論過程，並提供適當的回饋，以幫助學生釐清思考過程產生的問題，並協助解決問題，進而提昇思考的層次。

表一教學計畫表

週次	具體目標	教學內容
第一週	1.      引導學生對於新聞議題的探究學習 2.      建立學習目標所需的相對應知識，並針對所討論的議題進行實驗設計。 3.      實驗中所使用的儀器與原理介紹	1.引導學生了解冠狀病毒與一般病毒的差異。為何冠狀病毒比較會突變？ 2.市售消毒水的種類及殺菌效果。 3.市售自製次氯酸水製作機是否真的產生次氯酸水？ 4.將市售機製作的次氯酸水進行酸鹼度檢測 5.介紹酸鹼度計及酸鹼試紙的測定原理及進行實作測試。
第二週	1.      氧化還原的原理說明 2.      氧化還原在電解的應用 3.      學生自行組裝電解裝置，進行實作結果討論 4.      教師引導學生運用生活用品自行完成實驗設計	1.教師介紹氧化還原及電解原理 2.將舊的手機充電器改良為直流電電解裝  置的電源供應器，完成簡易型電解裝置。 3.進行電解食鹽水實作。 4.探討實驗結果中出現的異常因素，進行改進 。
第三週	1.引導學生運用生活用品改良電解實驗裝置 2.將自製儀器中實作結果出現的問題與同學相互討論 3.學生探討操縱變因不同（電壓大小、電解時間…）對於實驗結果產生的影響	1.學生設計自製次氯酸水製造機。 2.教師帶領前往學校附近書局及雜貨店進行採買，利用生活中的材料進 行改裝及設計。 3.在學校實驗室進行實作，並進行操縱變因的探究實作。
第四週	1.學生將自製次氯酸水製作機的實驗結果與其他組同學分享。 2.教師進一步引導學生探究酸性與濃度的關係。	1.學生使用自製機器實際電解食鹽水進行測試。 2.將市售漂白水、次氯酸水及自製次氯酸水進行有效氯的檢測。 3.學生完成自製次酸水機最佳食鹽水濃度及電解時間，並能舉出實驗數據論證。
第五週	1.學生了解探究主題的先備知識、相關科學原理及設計實驗流程的準確性。 2.學生進行實驗時，遇到問題的解決能力。 3.學生在學習過程中是否印證了自己想要的結果。	1.各組學生將所做的實驗結果，使用電腦做數據分析或圖表比較，並做成簡報發表。 2.學生聆聽其他組別簡報準備的充份度、口語表達能力及分析統整能力，進行互評 3.學生提出對於發表組別的未來研究方向建議。

教學流程分享

新聞議題融入自然探究實作教學活動，教師在課程規劃上可以從最新的新聞議題開始，引起學生學習動機，學生分組上網查閱相關資料、政府因應政策及作法、學生相互分享新聞來源的正確性、哪些主題適合深入實驗探究及實際進行的可行性等。最後引導學生能夠自己設計實驗，自己組裝儀器及實驗驗證，並分組以PPT發表互相評分。筆者除了列出教學計畫表提供教師參考外，下面會將每週實際進行的實驗活動與大家分享，每位老師可以依照開課需求與學生程度稍加調整。

一、新聞議題的介紹及市售消毒水實驗檢測

1.引導學生了解新型冠狀病毒議題。

（1）什麼是冠狀病毒？

（2）冠狀病毒會造成什麼樣的人類疾病？

（3）動物的冠狀病毒感染會傳染給人類嗎？

（4）動物的冠狀病毒如何傳染給人類嗎？

（5）新型冠狀肺炎是從哪裡來？怎麼被發現？

（6）新型冠狀肺炎在哪裡傳播？

（7）我怎麼預防新型冠狀肺炎？

（8）居家檢疫跟自主健康管理的差別

（9）其他爭議性的議題

2.市售消毒水的種類及殺菌效果。

（1）酒精、次氯酸水、漂白水對抗病毒的效果比較

（2）消毒殺菌劑比溼洗手更好？

（3）酒精濃度越高越好？

（4）酒精無法殺死冠狀病毒？

（5）次氯酸水比漂白水（次氯酸鈉）更好？

3.市售漂白水及市售次氯酸水製作機產生的次氯酸水進行實驗檢測

（1）學生將市售漂白水（次氯酸鈉）進行酸鹼度檢測

（2）市售次氯酸水製作機產生的次氯酸水進行酸鹼度檢測

（2）將市售漂白水及次氯酸水製作機檢測結果進行討論及分析。

4.課程實施心得分享

（1）學生對於課程參與度高且對於新聞議題討論熱烈。

（2）老師可以採取快問快答方式讓學生搶答相關議題的了解程度，以組別加分的方式提高學生學習參與度。

（3）將市售某牌漂白水稀釋（漂白水：水＝1：100（mL/mL））後測其pH值為10.13。

（4）將食鹽5克加水500毫升放入市售某牌次氯酸水製作機中電解5分鐘，測其溶液pH值為8.55。

（5）理論上次氯酸水應為酸性（pH值應小於7），但是製作機產生的次氯酸水實測結果卻是鹼性（pH值大於7），所以研判市售製作機利用前述方法所產生水溶液和次氯酸水的性質不同。

（6）課程安排上有議題探究，培養學生閱讀、理解、分析資料的能力，同時有實驗實作，培養學生敏銳的觀察力並找出證據來支持論點，如此一來可以訓練學生做系統性思考。

二、實驗原理及應用，自組裝電解裝置測試

1.引導學生了解氧化還原原理

（1）氧化還原的原理說明。

（2）氧化還原在電的應用（鹼氯工業、電解食鹽水…）

（3）電解水溶液時，電源的要求、電極的種類及電解液對陰陽兩極所得電解產物的影響。

2.教師引導學生自組裝電解裝置

（1）教師引導學生運用生活用品自行完成實驗設計

（2）將舊的手機充電器改良為直流電電解裝置的電源供應器，完成簡易型電解裝置。

（3）進行電解食鹽水實作。

（4）探討實驗結果中正負極中溶液所出現的異常顏色，進行改進 。

3.課程實施心得分享

（1）學生將舊的手機充電器改良為直流電電解裝置的電源供應器。

※使用器具及器材

廢棄不用的手機充電整流器 IMPUT：110VAC                  60Hz OUTPUT：9~12VDC               500mA (並非各種手機充電整流器都可以改裝來使用，非專業人士勿任意嘗試改裝，可以使用多個乾電池串聯)	鱷魚夾紅色及黑色                    各1包
剪刀                                  1把	粗鉛筆心2B以上                       2支
塑膠滴管                              2支	不鏽鋼鑽子                            1支
小試管                                2支	燒杯                            250mL 2個

 

（2）學生使用碳棒為電極，食鹽水當作電解液進行電解測試，發現氣泡產生速率較快（產生氫氣）的應為負極（陰極），氣泡產生速率較慢（產生氧氣）的應為正極（陽極）。

（3）將鱷魚夾連同電極（碳棒）放入電解槽內時，隨電解時間增長，溶液漸漸出現黃色。經過觀察與討論後，研判鱷魚夾的主要材質為鐵，鐵的氧化電位高，會在陽極失去電子氧化成黃色的鐵離子。

（4）學生進行自製電解裝置討論及設計更優質化的產品。

三、學生利用生活器材自組裝次氯酸水製作機及進行測試

1.學生上網蒐集資料，設計自製次氯酸水製造機

（1）學生上網蒐集資料，並相互討論自製次氯酸水製作機的設計圖。

（2）儘量採用生活廢棄物回收用品進行改裝，相互討論其可行性後列舉所需的用品。

2.教師帶領學生走出校園

（1）教師帶領前往學校附近書局及雜貨店進行採買，利用生活中的材料進行改裝及設計。

（2）學生可以就書局及雜貨店所提供的現有器材修正實驗及討論其實用性，做到低成本考量。

3.學生回實驗室組裝自製裝置並進行實驗測試

（1）將自己採買的器材進行組裝。

（2）學生探討操縱變因不同（電壓大小、電解時間…）對於實驗結果產生的影響。

（3）進行操縱變因的探究實作。

4.課程實施心得分享

（1）學生完成紙本設計圖後，相互討論分享設計的原理及設計亮點。

（2）教師帶領學生走出校園到附近書局及雜貨店進行採買，可以增進師生交流。

（3）學生在書局採買看到各種文具時，意外激發出設計理念，進而優化實驗設計。

圖七 學生使用的器材：2B筆蕊、600mL手搖杯、鑽子、熱溶膠、塑膠培養皿、三向閥、塑膠板薄片及塑膠滴管

圖八 學生自行組裝實驗裝置，設計重點在於將鱷魚夾放在塑膠杯子外側固定，只需將筆蕊電極插入杯子內，以免鱷魚夾在溶液中產生不必要的反應

 （4）學生自製次氯酸水製作機的設計亮點，在於將正負極以塑膠隔板隔開，但是必須在底部留些縫隙否則不能導電，接著在正極的瓶側挖洞以熱熔膠黏上三向閥開關，收集電解產生的次氯酸水（HClO）。

正極：2Cl^－_(aq) → Cl_2(g)＋2 e^－      

Cl_2(g)＋H₂O—→HClO _(aq)＋HCl_(aq)

負極：2H₂O_(l)＋2 e^－→ H_2(g)＋2 OH^－_(aq)     

四、自組裝次氯酸水製作機測試

1.學生了解各種消毒水有效殺菌濃度的差異及做市售漂白水有效氯濃度的檢測

（1）學生了解溶液常用的濃度表示法（體積莫耳濃度、體積百分率及百萬分點濃度）及市面上各種消毒水標示中有效濃度殺菌效果的差異。

（2）將市售漂白水進行有效氯濃度檢測。

2.自製次氯酸水製造機進行實驗測試

（1）學生規劃實驗流程，學習操縱變因（食鹽水濃度、電解時間…）對於產生次氯酸水的酸鹼度及濃度的影響

（2）分析實驗結果，舉出實驗數據論證。

3.課程實施心得分享

（1）學生對於市售各種消毒水濃度的表示方法並不熟悉，藉由此教學活動可以更深入了解。

	使用濃度	滅哪些菌	應用範圍	盛裝容器	注意事項
酒精	70~75%	有套膜病毒 （冠狀病毒、流感病毒）、細菌	人類及一般環境	HDPE（2號） PP（5號）	皮膚敏感者略微刺激
漂白水 （次氯酸鈉）	1% （500ppm）	有套膜病毒 （冠狀病毒、流感病毒）、無套膜病毒（腸病毒、諾羅病毒）、細菌	一般環境及常用物品	不透光HDPE（2號）或PP材質	不可用於熱水及鹽酸、避免陽光直射及接觸皮膚
次氯酸水	200ppm	有套膜病毒 （冠狀病毒、流感病毒）、無套膜病毒（腸病毒、諾羅病毒）、細菌	可以用於食器及一般環境	不透光容器且避免使用於含有金屬容器	不建議用於皮膚、用於食器時須待其風乾後或擦拭後再使用

（2）學生查閱資料得知，漂白水中有效氯濃度測定法

※參考資料如下：

一、Na₂S₂O₃溶液的配製：

1.在燒杯內加入6.2克的硫代硫酸鈉（Na₂S₂O₃）和0.1克碳酸鈉（Na₂CO₃），加水稀釋至250毫升。

2.將上述Na₂S₂O₃溶液倒入滴定管內。

二、未知濃度Na₂S₂O₃溶液的標定：

1.以250mL錐形瓶精確0.14 g的KIO₃。

2.加入50 mL蒸餾水，使KIO₃完全溶解。

3.在50 mL燒杯內加入3克KI和10 mL蒸餾水，攪拌使其完全溶解，再加入10mL 3M H₂SO₄溶液攪拌混合後，倒入上述錐形瓶溶液中，緩慢搖動使其均勻混合後，靜置約5分鐘。

4.以Na₂S₂O₃溶液滴定上述錐形瓶內的混合溶液，直至顏色變淡。

5.加入5 mL澱粉溶液於上述混合溶液中，繼續以Na₂S₂O₃溶液滴定，直到顏色消失為止，此即為滴定終點。記錄Na₂S₂O₃溶液的使用體積 (V_a)。

6.空白實驗：在125 mL錐形瓶中，加入3克KI和10 mL蒸餾水，緩慢搖動使其完全溶解，再加入10mL 3M H₂SO₄溶液、50 mL蒸餾水，緩慢搖動使其均勻混合後，靜置約5分鐘。接著加入5 mL澱粉溶液，再以Na₂S₂O₃溶液滴定至顏色消失為止，記錄Na₂S₂O₃溶液的使用體積(V_a0)。

7.利用公式計算Na₂S₂O₃溶液的標定濃度。

三、市售漂白水中有效氯含量測定

1.在250 mL錐形瓶中，加入3克KI和10 mL蒸餾水，緩慢搖動使其溶解後，再加入10mL 3M H₂SO₄溶液、50 mL蒸餾水、2 mL市售漂白水，緩慢搖動使其均勻混合，靜置約5分鐘。

2.以Na₂S₂O₃溶液滴定上述錐形瓶內的混合溶液，直至顏色變淡。

3.加入5 mL澱粉溶液於上述混合溶液中，繼續以Na₂S₂O₃溶液滴定，直到顏色消失為止，此即為滴定終點。記錄Na₂S₂O₃溶液的使用體積 (V_b)。

4.空白實驗：Na₂S₂O₃溶液的使用體積(V_b0)。

四、實驗結果與討論

 (分子量Na₂S₂O₃∙5H₂O= 248; KIO₃= 214; KI = 166; Cl₂ = 71)

(一)硫代硫酸鈉溶液的配製與滴定

1.硫代硫酸鈉的使用重量：           克 

2.平衡與完成下列方程式：

(a)      I^– →     I₂ +           

(b)      I₂ +    S₂O₃^2- →           +            

(c)      IO₃^– +     I^– +     H⁺ →           +             

3.空白實驗中，Na₂S₂O₃溶液使用體積V_a0 =        mL

4.標定過程中，Na₂S₂O₃溶液的使用量

V_a =          mL

V_a–V_a0 =           mL

Na₂S₂O₃溶液的標定濃度：               M。(必須寫出計算過程)

市售漂白水的使用量：               mL。

空白實驗中，Na₂S₂O₃溶液的使用體積V_b0 =    mL

測定過程中，Na₂S₂O₃溶液的使用量V_b=    mL

V_b–V_b0=    mL

市售漂白水中，Cl₂的含量(w/v)：              %。

（3）學生將氯化鈉（NaCl）1克加入100毫升水中，攪拌均勻後倒入自製次氯酸水製作機，將電解時間間隔固定，測所收集到的次氯酸水酸鹼性。由實驗結果得知，自製次氯酸水製作機在正極收集到的溶液為酸性，可能是次氯酸（HOCl）及氫氯酸（HCl）的水溶液。

2Cl^－_(aq) → Cl_2(g)＋2 e^－

Cl_2(g)＋H₂O—→HClO _(aq)＋HCl_(aq)

電解時間	30秒	60秒	90秒	120秒	150秒	180秒
pH值	6.28	6.14	5.54	4.12	3.88	3.70

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

（4）學生自製次氯酸水有效氯濃度測定。

Time(s)	30	60	90	120
VNa₂S₂O₃∙5H₂O	0.005mL	0.005mL	0.005mL	0.01mL

（5）學生做市售漂白水中有效氯含量測定 （市售漂白水使用量2.0mL）測定過程中，Na₂S₂O₃溶液的使用量

Na₂S₂O₃溶液的使用量（mL）	Vb	Vb－V0
第一次	5.8mL	4.0mL
第二次	5.9mL	4.1mL

（6）學生做自製次氯酸水有效氯濃度分析，發現不管通電時間多長，取正極收集到的次氯酸水2mL進行Na₂S₂O₃溶液滴定，發現滴定時總是使用不到0.1ml
Na₂S₂O₃就達當量點？！學生感到很疑惑，為什麼pH值雖然隨著電解時間下降了，但是有效氯含量卻不多呢？

（7）學生深入探究發現，當我們電解收集正極的電解液時，產生的次氯酸在常壓下並不穩定，會很快自身氧化還原變成鹽酸和氯酸，而且pH愈低時，會促進此反應進行。

2HClO(aq)+ 2H⁺+2e⁻  ⇌  Cl₂(g) + 2 H₂O　　E=+1.63V

註：次氯酸不穩定，會慢慢發生自身氧化還原反應而分解，降低pH會促進該反應的進行

其他相關反應方程式

2HClO⇌2HCl+O₂

3HClO⇌2HCl+HClO₃

由上述資料得知，市售次氯酸水中應該是以鹽酸（HCl）居多，具有殺菌效果的次氯酸含量應該不高。

（8）學生與生物老師討論後得知，酸性溶液的殺菌效果比鹼性溶液好，所以電解自製的溶液仍具有相當的抑菌效果，且不像次氯酸鈉有刺鼻的味道。

（9）學生與生物老師討論各種漂白水滅菌效果的檢測，進一步地做跨科的實驗探究。

五、學生學習成果分享

1.課前準備

（1）教師準備「評量標準單」及「表達分享回饋單」，請小組在報告時互相評分並且給予具體回饋意見。報告結束後須整理回饋意見並提供小組改善方案。

（2）「評量標準單」內容須包含：實驗題目是否與內容相符？實驗目的及原理闡述是否清楚？自製儀器設計的亮點、實驗流程（操縱變因有幾個？）、實驗結果是否符合實驗目的（分析數據、製作圖表及歸納結論是否正確合理？）、結論及未來展望與應用、參考文獻、組員口語表達能力、PPT簡報設計等。

（3）「表達分享回饋單」內容須包含：對於發表組別的提問及建議

（4）學生PPT表達分享「探究過程與成果」報告內容需要有：

   （a）實驗題目

   （b）實驗目的

   （c）實驗原理

   （d）研究過程（含自製儀器設計、實驗步驟、實驗結果、數據分析）

   （e）討論與結論

   （f）未來展望與應用

   （g）參考文獻

2.小組報告

（1）教師安排小組報告順序及學生控制時間，每組報告時間10分鐘，其他組提問或給建議5分鐘。

（2）若是時間關係學生來不及提問，可以將提問或建議寫在表達分享回饋單。

3.檔案報告繳交及問卷

（1）教師告知學生一週內將「表達回饋單」上所建議的事項在PPT簡報上補足，繳交完整的PPT簡報光碟檔案給老師，可以作為教師評分的依據。

（2）教師可以發「問卷」讓學生填寫，參考學生問卷，改善課程內容。

結語

學生是探究實作課程的主角，教師的功能在於引導、鼓勵及陪伴。學生在課程進行時常常會有意外的發現及問題，而這些現象往往也是老師可能忽略或者沒有注意到的，有些老師會認為老師只要被動接納各種問題就好，絕不負責解決問題，這樣可以激發學生自己去探究，養成自己負責解決問題的習慣。但是對於習慣食譜式實驗及剛接觸探究實作的學生，若是老師可以多提點一些建議，甚至參與討論及一起尋找問題的答案，更可以讓學生感受老師的教學熱誠，同時在教學相長之下，教師可以意外獲得很多知識，產生成就感，這些都是始料未及的。

有些學生會將探究的成果參加小論文比賽，有些學生甚至進一步地規劃科展競賽，這些都是探究實作課程的收穫。若是有的學生無法順利找出操縱變因、控制變因與應變變因的關係，也沒有關係。學生至少已經在課程中學到了發現問題、實驗規劃、結果分析、歸納結論及表達分享，日後只要遇到類似的情境，應該就能掌握背後派絡，知道該如何聚焦探究主題、設計實驗及推理論證，這正是一零八課綱中期待學生成為終身學習者的終極目標！

參考資料

1.吳清山，林天佑。教育新辭書，臺北高等教育，2005年

2.陳志銘，圖書館學與資訊科學大辭典，漢美公司，2012年

3. Edens, K. M. (2000). Preparing problem solvers for the 21st century through Problem-based Learning. Colleg，eTeaching, 48(2), 55-60.

4.李佳玲，探究與實作主題教案，科學探究MIT，龍騰出版社，2018年十月

5.劉曉倩，探究點子王，龍騰出版社，2020年5月

6.嚴重特殊傳染性肺炎本署Q&A，衛生福利部疾病管制署https://www.cdc.gov.tw/Category/QAPage/B5ttQxRgFUZlRFPS1dRliw

綠色化學:綠色化學創意競賽—掀起綠色實驗探索新風潮

廖旭茂

台中市立大甲高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]

 

•  綠色實驗正風行

    很幸運在臺灣師大邱美虹教授的帶領、提攜及引薦下，自2010年開始，有機會參加國際研討會，接觸到國外一些實驗教具的設計高手–如日本東京學藝大學Masahiro Kamata教授的設計。深具巧思、巧手的微型實驗總是吸引著與會者的目光，代表減量、減廢，促進環境永續的概念也在化學教育領域中受到關注。受此股氛圍感召，筆者開始以學校實驗室為基地，與學校工科老師合作，結合木做、機械製造、數位繪圖與雷射切割等跨領域技術，致力開發出獨樹一格，符合綠色化學原則的微型實驗教具，並推廣、應用於實際的實驗教學上；多年下來，已經累積不少創作，其中最受喜愛的是「電化學蝕刻教具」^{[1], [2]}，這項教具以乾電池為電源，免去強酸、強鹼等高腐蝕的使用，僅需數滴的食鹽水就可在不鏽鋼等金屬上進行蝕刻；簡單、創新的設計，驚奇的效果總是贏得參與體驗的來賓讚賞。下圖為2019國際周期表年閉幕典禮（IYPT2019 CLOSING CEREMONY）東京展覽會場剪影。

圖1：參觀綠色電化學蝕刻體驗的來賓合照(左圖的左邊為作者) 

 

• 綠色化學推手

為鼓勵更多綠色化學教育小尖兵，自從2014年教育部與環保保署共同舉辦第一屆高中職「綠色化學（減毒減量）創意競賽」^[3]以來，隨後每兩年一次，分別接續於2016年、2018年各辦理相關活動；以創意為名，鼓勵全國高中時生，利用日常生活隨手可得的材料，發揮想像力，進行實驗改良的研究；以減量、減毒、減廢、物盡為目標，為培育綠色思維、動手做人才，付諸實際行動。

在臺灣化學教育主編邱美虹教授的邀請擔任本期專題主編，本次專題總共邀請到第三屆比賽7位參賽得獎的指導老師，分享得獎作品與指導心得，內容包羅萬象；有國立竹南高中林麗悅老師指導的『「灰灰乎」必有餘地』，學生利用回收廢棄的粉筆與粉筆灰，製作對人、環境無害的土壤栽培介質，取代原有的珍珠岩、硅藻土，此作品因跟生活校園生活連結，並利用學校既有的設備，接地氣的優異表現，榮獲高職組的金牌；有高雄高工的洪鼎惟老師指導的「天然環保強力清潔劑」，學生分別自茶籽粉與檸檬皮中萃取茶皂素與檸檬烯，按不同比例調配出不同配方，並測試立可白、指甲油等汙垢的去汙效果，作品利用天然植物的成分，清除日常生活中的污垢，獲得不少肯定；有政大附中姚月雲老師指導的「漂白水–醇類的老化殺手」，介紹利用漂白水取代高錳酸鉀或二鉻酸鉀重金屬氧化劑的使用，探討醇類的氧化過程，達到減毒、取代的目標。政大附中也是比賽的常勝軍，為綠色化學人才培育付諸行動。

    接下來有北一女中周芳妃老師等化學科團隊共同撰寫的「多元選修課程與綠色化學小論文設計」，內容說明北一女中發展綠色化學多元選修課程內容，並引導學生進行綠色化學創意論文的設計過程，並分享得獎的作品的教師指導心得。自99課綱開始，北一女中化學科目光獨到，開風氣之先，由周芳妃老師領軍，大力推動綠色化學教育，培育精英，績效顯著；還有原來服務於臺北市立中崙高級中學，目前在無界塾服務的洪敬明老師撰寫的「植物色素分離與鑑定」，文章除了介紹植物葉綠素與花青素的分離與鑑定外，並分享完整教案，闡述實際教學歷程，是難得的跨科實驗，此實驗在2019年七月在亞洲化學教育年會上發表，得到大會海報獎，在筆者的邀請下撰文分享。

    利用Arduino開源的微控制器，撰寫程式，結合各種感測器來調查溫度、照度、濕度、等環境的變化已蔚為風潮，台南一中的劉獻文老師指導的『倒「洗」相「螢」–螢光棒毒性降低之研究』就是利用廉價的Arduino結合照度計等感測器，取代螢光光譜儀，紀錄螢光棒的反應過程，並提出以洗衣粉內添加的增白劑(CBS)螢光棒內的染料成分，達成低毒與可解的目標；近來大量的電子3C產品問世，如鋰電池，ITO導電玻璃的大量使用，使得鋰、鈷、銦等金屬日漸匱乏，台南女中陳俊佑老師指導的「新式TDESs之研發並應用於戰略金屬回收」，研發以電化學沉積的方式回收高純度的稀有金屬，取代強酸高腐蝕溶液的使用，有效降低對環境傷害。

    每篇文章的方向都不同，各有精采之處，希望可以為有興趣的老師帶來一些啟發與參考。

• 綠色思維：我們可以做些甚麼？

    一般而言，高中的化學實驗室環境都是大同小異，如固定的空間配置、硬體設施，一樣的實驗器具、藥品；雖然教科書有版本問題，但各年級常規的實驗也幾乎是一樣的。從踏入教職，進入學校實驗室的第一天開始，腦海出現一個念頭–「我的天啊，可以不要嗎？」

    為什麼燒杯的體積都是固定，有1000毫升、500毫升、250毫升、100毫升、50 毫升，為甚麼就沒有10
毫升；為什麼實驗室加熱只能用酒精燈或本生燈；為什麼一定要用U型管來當鹽橋，塞口的棉花還常常滑進正、負極的燒杯中？為什麼安全吸球好像不怎麼安全？有關於實驗室林林總總的限制，我想有很多老師跟我有同樣的疑問與念頭。

  不想被框架綁住，就只能努力改變它；改變燒杯的大小，讓實驗在多孔盤中進行；改變藥品的使用，減少毒化物的使用；加熱的方式，讓實驗過程更安全；改變實驗的器材，取材日常生活的回收，物盡其用。教師基本思維模式的改變–越少量、越綠色，依筆者的經驗，會帶來很多好處，因為所有減量、減廢、減毒、物盡的友善環境的作為，可以帶來給學生更安全的實驗環境，更減少教師在實驗室內手忙腳亂的機會，學生學習的專注度與互動性都會提升。下圖為亞太化學教育研討會報告簡報截圖。

圖2：微型實驗的優點整理圖

「綠色」的風潮已起，衷心期盼「Green maker」可以趁勢揚帆，也期待越來越多老師投入改造自己的實驗室，改良不適切的實驗，讓綠色漫延到台灣校園的每一個角落。Change，2020！ 

 

• 參考資料

1.      廖旭茂，家庭化學實驗：行動電化學蝕刻。科學研習月刊，2013，卷52，期11，頁16~19。http://blog.ntsec.edu.tw/index.php?tid=531&id=228。

2.      廖旭茂、黃維靜（2014），行動電化學蝕刻──印台和金屬書籤的製作。台灣化學教育期刊，第二期，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=2174。

3.      2018年得獎名單，參閱自綠色化學教育網，https://chem.moe.edu.tw/green/AwardsDetail/ef324f3a-7b72-417d-9da8-9e126e67b6ed

綠色化學:『灰灰乎』必有餘地

林麗悅*、黃柏翔、林祈霈、王盛

國立竹南高級中學

*[email protected]

n  簡介

本實驗以減少垃圾量、廢物再利用為出發點，學生利用在學校學習到的專業知識和技能，發揮巧思，在符合綠色化學十二項原則的條件下，將本應丟棄的粉筆及粉筆灰試著做成土壤栽培介質，賦予廢棄粉筆更多的價值。並進一步對成品進行性質分析及植物栽種測試。

n  器材與藥品

一、器材與設備：

名稱	數量	名稱	數量
燒杯50mL	10個	坩鍋	12個
燒杯250mL	5個	濾紙	1盒
量筒50mL	1個	銅幣(一元硬幣)	1枚
量筒250mL	2個	石墨棒	1根
錐形瓶 125 mL	12個	鑷子	2支
滴定管	1支	乾燥皿	1個
槓鈴片	1組	錶玻璃	4片
玻棒	5根	寶特瓶	5瓶
碼表	1個	高溫爐	一台
球磨機	一台	烘箱	一台
pH計	一台	天秤	一台
黃金葛	60株

 

二、藥品：

聚丙烯酸鈉（Sodium polyacrylate 或 acrylic sodium salt polymer，簡稱ASAP）1瓶、粉筆灰500g、矽砂1000g、水耕肥料（品牌：花寶一號）1盒、土壤（名稱：有機質栽培介質）1500 g

n  研究方法與步驟

一、 土壤輔助栽培介質的製作：

1.   粉筆灰混ASAP

(1)     粗秤1公克ASAP，取13mL去離子水，放入燒杯攪拌至膠狀。

(2)     粗秤8公克粉筆灰與40克矽砂加入燒杯混合均勻。

(3)     將試樣放入塑膠袋，用擠花方式，將試樣擠成球形至表玻璃上。

(4)     將成品放置烘箱以100℃ 烘乾。下圖為三者的混合物。

圖1：粉筆灰混ASAP加矽砂混合

2.   粉筆灰混陶土（1：1、2：1、3：1）

(1)     粗秤陶土15克，共秤取三份。

(2)     分別粗秤粉筆灰15克（1：1）、30克（1：2）、45克（1：3），加入陶土中。

(3)     加入適量的水將陶土與粉筆灰混合均勻後搓至球形（圖2左）。

(4)     放置陰影處陰乾4~7天。

(5)     於高溫爐中分別進行無氧與有氧燒製（圖2右），條件如下：以每1小時上升100℃的速率加熱上去，燒至500℃，以每1小時200℃，燒至800℃，最後恆溫30分鐘後再開始自然降溫。

圖2：圖左為陶土加粉筆灰（1：1），圖右為高溫爐無氧燒製

二、 成品的性能測試：

1.   透水性測試

(1)     將寶特瓶對半剪開，取上半部，將瓶蓋取下改用濾紙包住開口。

(2)     對照組加入200mL土壤。

(3)     實驗組加入180mL土壤、20 mL陶土成品混勻。

(4)     另外一組粉筆灰混ASAP放在土壤的表層上。

(5)     將濾紙置於上方。

(6)     將寶特瓶的上半部倒放置於下半部。

(7)     利用滴定管控制流速以每秒3滴速率（0.15mL/s），持續加入100mL的水，記錄水開始滴出至下半部的時間及總時間。

(8)     滴完後若水60秒內不再流出，紀錄流出的水重。

(9)     重複步驟3~7測試其他成品。下圖為透水性測試。

圖3：為透水性的實驗測試

2.   保水率測試

(1)     取不同成分（比例）的成品各三顆，精秤重量，分別放入50mL燒杯裡，貼上標籤，進行三重複。

(2)     放入烘箱，烘至恆重後放入乾燥皿待冷卻。

(3)     加入20 mL去離子水，放置24小時後（精秤），記錄總重量差。

(4)     計算保水率。下圖為保水率測試。

圖4：保水率測試過程

3.   抗壓性測試

(1)     取不同成分（比例）的成品各4顆，放在木板的四個角下。

(2)     逐一輕放5kg、10kg、15kg、20kg、25kg的槓鈴片及水。

(3)     紀錄成品碎裂時的槓鈴片重量。

(4)     重複步驟1~3測試其他成品（比例）。

圖5：抗壓性測試

4.   水中耐久度測試

(1)     取不同成分（比例）的成品放置於50mL的燒杯。

(2)     加45mL的去離子水。

(3)     持續觀察記錄三星期。

圖6：水中耐久度測試，左圖為第一周，右圖為第二周

3.   相對硬度測試

(1)     利用莫氏硬度試驗。

(2)     用銅幣（莫氏硬度3）、指甲（莫氏硬度2.5）、皮膚（莫氏硬度1.5）、石墨（莫氏硬度1）來進行測試。

(3)     確認成品硬度範圍，再用不同成分（比例）的成品互相刻劃，比較各自的硬度大小。下圖為硬度測試。

圖7：硬度測試過程

三、 水耕植物的配置與性質測試及觀察

1.   水耕植物的配置

(1)     粗秤一公克的水耕肥料，溶於1000 mL的水中，配成水耕用水。

(2)     錐形瓶內倒入90 mL的水耕用水，再加入無氧2：1的成品10 g，為第一組。

(3)     錐形瓶內倒入90 mL的水耕用水，再加入ASAP的成品10 g，為第二組（圖十五）。

(4)     錐形瓶內倒入100 mL的水耕用水，為第三組（對照組）。

(5)     每一組放入4~5株（8~9 g）的黃金葛（圖8）。

(6)     重複步驟1~ 4三次，共四重複的實驗測試。

圖8：水耕植物配置

2.   pH値的檢測

(1)     pH計開機暖機15分鐘。

(2)     以pH=7與pH=10的緩衝液校定（圖9左）。

(3)     將pH計放入含有植物的錐形瓶，等待pH值穩定後記錄（圖9右）。

(4)     重複步驟1~3測試其他成品（比例）。

圖9：pH值的量測過程

n  實驗結果與討論

一、透水性測試

由透水性實驗的結果（圖10）發現，本研究所製造的土壤輔助栽培介質可有效提升透水性。其中以無氧比例中2：1效果最佳。

圖10：透水性結果

二、保水率測試

由保水率實驗結果（圖11）發現，保水率最好的成品為ASAP，可達到高達130%的水分，超越了土壤本身。

圖11：保水率結果

三、抗壓性測試

由抗壓性實驗結果（圖12）發現有氧的成品以2：1的比例抗壓性最佳。

圖12：抗壓性結果

四、水中耐久度測試

觀察水中耐久度測試結果表（表一），ASAP在水中容易因軟化而分解，但粉筆灰混陶土則可保持原有的型態及硬度。測試結果如下表所示。

表一：水中耐久度測試結果表

 

 

第一周

 

第二周

 

第三周

 

無氧1：1

 

水面上有少量白灰

 

水面上白灰變多依然是硬的

 

沒有明顯改變

 

無氧2：1

 

水面上有少量白灰

 

水面上白灰變多依然是硬的

 

沒有明顯改變

 

無氧3：1

 

水面上有少量白灰

 

水面上白灰變多依然是硬的

 

沒有明顯改變

 

ASAP

 

已有大量的沙子掉落

 

已經沒有掉落但已軟化

 

沒有明顯改變

 

有氧1：1

 

水面上有少量白灰

 

水面上白灰變多依然是硬的

 

沒有明顯改變

 

有氧2：1

 

水面上有少量白灰

 

水面上白灰變多依然是硬的

 

沒有明顯改變

 

有氧3：1

 

水面上有少量白灰

 

水面上白灰變多依然是硬的

 

沒有明顯改變

 

 

五、相對硬度測試

利用莫氏硬度測試，所有成品皆小於石墨棒，於是將成品互相磨損，測試相對硬度，硬度的大小順序為無氧2:1＞有氧2:1＞無氧3:1＞有氧3:1＞無氧1:1＞有氧1:1＞ASAP。（表二）

表二：莫氏硬度的測試結果表

 

 

指甲(莫氏硬度2.5)

 

皮膚(莫氏硬度1.5)

 

石墨(莫氏硬度1)

 

無氧1：1

 

無氧1：1受損

 

無氧1：1受損

 

互相受損

 

無氧2：1

 

無氧2：1受損

 

無氧2：1受損

 

互相受損

 

無氧3：1

 

無氧3：1受損

 

無氧3：1受損

 

互相受損

 

ASAP

 

ASAP受損

 

ASAP受損

 

ASAP受損

 

有氧1：1

 

有氧1：1受損

 

有氧1：1受損

 

互相受損

 

有氧2：1

 

有氧2：1受損

 

有氧2：1受損

 

互相受損

 

有氧3：1

 

有氧3：1受損

 

有氧3：1受損

 

互相受損

 

六、水耕植物重量變化，如下圖所示。進行四週水耕測試，觀察對照組後發現隨著時間變化ASAP的介質測試會使pH值慢慢升高。而粉筆灰混陶土組的pH值先達到一定的值後會慢慢下降至穩定。

圖13：水耕植物重量變化

七、水質pH值變化，如下圖所示。由於pH值較高導致植物的生長環境不佳，使其重量減輕。

圖14：水耕植物pH值變化

八、粉筆灰中最佳比例的無氧粉筆灰1:2與粉筆灰混ASAP，在水耕植物的鹼度檢測與重量觀察的實驗中表現較差，可推測出在水中浸泡會使成品中的碳酸鈣溶於水中使其培養液成鹼性，未來我們會調整其在水中的比例，讓水中的鹼度不會太高。

九、粉筆灰混ASAP的抗壓性及相對硬度的結果都為成品中最低，若將其放入土壤中容易磨損，所以我們打算將ASAP的成品在園藝中使用時，放在土壤表層使用，較不易因磨損而失去效力。

十、本實驗的產品，可在土壤中自然分解，且所使用的成分對人體、環境無毒無害，比起原始的土壤栽培介質（珍珠岩、硅藻土），使用的原料原本是廢棄物的粉筆灰，若是在小規模測試良好後，有機會可以持續生產。

十一、本次實驗符合以下綠色化學原則:

1、  防止廢棄物。

2、  避免衍生物。

3、  用後可降解。

4、  安全且無毒。

5、  降低輔助材料。

6、  避免意外事故。

n  參加心得：

直到參賽結束後，才有空回想及沉澱這段期間的感想。我想可以分成兩個部份和大家分享：

一、教師的角色：指導者、陪伴者

指導者：大多時候的角色。適時給予建議，讓他們各組都能完成專題（專題製作是化工科的必修課程）。但困難之處是每組的狀況、能力都不一樣，需要的協助也會不同，這時候真的需要視各組的能力去要求他們。這樣一來，每組學生都能完成屬於他們自己的專題，老師也不會壓力過大。

陪伴者：有時候學生需要更多的時間消化，我們能做的就是等待和陪伴。撐過這段時間，可能就會有驚豔的感覺！

二、學生的成長

對化工科學生來說，專題製作課程可以說是對其過去這段時間所學的知識和技能作總體檢，也是從被動學習轉成主動學習的一門課。舉凡蒐集資料、確定主題與實驗方法、整理實驗數據、撰寫報告、上台演示，都必須自己練習做決定。從一開始的生疏、不成熟的作品，進而能做出圖文並茂的投影片，上台報告頭頭是道不怯場，到後來學生充滿自信、富有成就感，這些成長會讓人覺得辛苦是值得的。

真的非常感謝教育部和工研院辦理綠色化學創意競賽，不僅讓大家對綠色化學有更深入的了解，也提供學生發表的舞台，讓他們可以有機會接受更多的挑戰。

n  安全注意及廢棄物處理

l   使用高溫爐，要注意安全。

l   實驗過程沒有產生有機物和重金屬廢液。

n  參考文獻

1.      蔡尚光（2013）。水耕栽培的魅力：從基礎知識到全盤性的瞭解。臺北市：淑馨出版社

2.      張仲民（2008）。普通土壤學。臺北市：茂昌出版社。

3.      黃春翔（2007）。具保水性顆粒介質之燒製與物理性質。國立成功大學土木工程學系碩博士班：碩士論文。

4.      楊昆憲（1996）。不同粒徑與保水性顆粒介質之物理性質。國立成功大學土木工程學系碩博士班：博士論文。

5.      謝榮忠（2009）。化工裝置II：固體的性質。全華圖書股份有限公司。

6.      楊永華‧謝幸娟。（2007）。普通化學實驗Ⅰ：硬水檢測與軟化作用。東大圖書股份有限公司。

7.      CAS數據庫列表－聚丙烯酸钠。2013年3月12日。取自
https://www.chemicaLbook.com/ChemicaLProductProperty_CN_CB9741267.htm#%E8%81%9A%E4%B8%99%E7%83%AF%E9%85%B8%E9%92%A0%E8%AF%95%E5%89%82%E7%BA%A7%E4%BB%B7%E6%A0%BCchemicaLbook

綠色化學:天然環保強力清潔劑

洪鼎惟*、李品志、呂柏融

高雄市立高雄高級工業職業學校化工科

*[email protected]

n   簡介   

    生活周遭參雜著許多既擾人又頑固的汙垢，但目前市面上許多強效的清潔劑，常使用過多的人工化學成分以達到快速的去汙效果，這些清潔劑在使用之後可能對於地球環境有傷害，因此本組研究重點在於如何能夠製造一款對環境友善及對人體無害，並能有效清除污垢的清潔劑。在研發的過程中，更希望利用人類使用後的廢棄物來製造清潔劑，達到綠色化學再生、物盡與低毒的功效。

    在普通化學第七章水的單元中，我們發現台灣的水質大多為硬水，業者為了使民眾在清洗時有大量的泡沫，增加了許多人工的化學物質，但卻也製造了更多的環境問題；在普通化學第十八章有機化學中，我們認識了需多的有機化合物及其作用，因此我們希望可以將所學的有機化學知識應用於實驗探究過程，並使用分析化學第六章的定量分析中所教的pH計與基礎化工第三章的液體的性質中所學的表面張力測定儀進行我們的實驗。

    本次實驗研究目的：製造成分天然、無人工化學添加、清潔、抗菌雙效合一、環保無毒不傷手的清潔劑

n  器材與藥品

一、器材：

設備、器材名稱	規格	數量
高效能微波萃取機		1台
杜努強表面張力計		1台
抽氣過濾裝置		1組
精秤天平		1台
pH計		1台
燒杯	500 mL	3個
燒杯	250 mL	10個
燒杯	150 mL	10個
玻棒		數支

二、藥品：

藥品名稱	規格	數量
茶籽粉		500 克
酒精	75%	500 mL
榨過汁的檸檬		約2公斤

 

 n  研究方法與步驟

一、配製茶籽酒精溶液

    利用精秤天平秤取3.00g茶籽粉 (如圖1所示)，再將茶籽粉溶於75%酒精，並稀釋至90 mL(如圖2所示)，利用抽氣過濾法 (如圖3所示)，將未溶解的茶籽粉過濾，其濾液為本實驗所使用的茶籽酒精(如圖4所示)。

 

 

                                 

 

 

 

           圖1 秤取3.00克茶籽粉               圖2 茶籽粉溶解於酒精

                                        

 

 

 

 

         

 

  圖3 進行抽氣過濾                                                              圖4 茶籽酒精

二、萃取檸檬精油

    先取榨過汁的檸檬約500克，剪成約2×2公分大小，放入萃取瓶(如圖5所示)，利用高效能微波萃取機(如圖6所示)，進行萃取，時程約45分鐘後可得10 mL的檸檬精油(如圖7所示)與50 mL的檸檬露，本實驗僅使用檸檬精油，捨棄檸檬露。

 

 

 

 

 

 

 

圖5 將檸檬皮切成小塊                     

     

 

                                                                                                     圖6 高效能微波萃取機                         

圖7 檸檬精油

 

三、調配適當比例

    我們將製得的茶籽酒精與檸檬精油調製成不同茶籽酒精與檸檬精油比例(如圖8所示)，整理如表3所示，其中A為純茶籽酒精，B為純檸檬精油。

表3 不同比例的樣品成分

編號	A	B	1	2	3	4	5
茶籽酒精	5 mL	0 mL	5 mL	5 mL	5 mL	5 mL	5 mL
檸檬精油	0 mL	5 mL	5 mL	10 mL	15 mL	20 mL	25 mL

圖8 不同比例清潔劑

五、清潔劑性質檢測

    除了去汙能力實測之外，我們認為清潔劑應該具有與膚質接近的pH值，如此才可使我們在使用上無後顧之憂，因此我們利用pH計(如圖10所示)量測不同比例的清潔劑。

    此外，清潔物體也與表面張力有關，ㄧ般而言，表面張力愈小，清潔劑的攤平性、滲透性及濕潤性愈好，因此清潔的效果也愈好，因此我們利用基礎化工所學的表面張力測試方法，以杜努強表面張力計 (如圖11所示)測定自製清潔劑及水的表面張力。

 

 

 

 

 

 

 

                               

 圖10 pH計                                  圖11 杜努強表面張力計

四、測試不同比例清潔劑對不同汙垢的清潔能力

將配製好不同比例的清潔劑，分別對於以下常見的汙垢進行清潔能力測試。測試方法為先以純茶籽粉酒精（A）進行測試，再依序以1→2→3→4→5→B進行測試，當汙垢完全清除乾淨後，就不再進行後續清潔劑的測試，本研究測試的汙垢如下：

六、產品設計與包裝

    除了產品的實際用途之外，本產品也針對各種不同汙垢的處理方式，進行商品的設計與包裝，希望可以設計出適合各種汙垢的產品設計。

n  實驗結果與討論

一、不同比例清潔劑對不同汙垢的清潔能力

    針對七種不同的汙垢，每種汙垢皆使用我們自製的七種不同比例清潔劑進行測試，其研究結果分述如下：

(一)   電梯門上的汙垢：此汙垢主要是黏膠所導致，在清潔前明顯門上有不規則的殘膠痕跡，經由七種不同比例清潔劑測試後，第四種的清潔劑 (5 mL茶籽酒精+20 mL檸檬精油)的效果最好，如圖12所示：

圖12 電梯門上殘膠清潔前後比較圖

(二)   塑膠桌面上的立可白汙垢：桌面上塗滿不雅的立可白，是學生在學校遇到最困擾的課題之一，桌上常有立可白卻無法去除。經由七種不同比例清潔劑測試後，第1種的清潔劑 (5 mL茶籽酒精+5 mL檸檬精油)的效果最好，如圖13所示：

圖13塑膠桌面上立可白清潔前後比較圖

(三)   塑膠桌面上的奇異筆：桌面上除了立可白之外，也容易出現奇異筆所寫的不雅字句，而坊間幾乎沒有任何產品可以輕易清除奇異筆。經由七種不同比例清潔劑測試後，第1種的清潔劑 (5 mL茶籽酒精+5 mL檸檬精油)的效果最好，如圖14所示：

圖14塑膠桌面上的奇異筆清潔前後比較圖

(四)   咖啡垢或茶垢：當使用馬克杯喝咖啡或茶，長久下來，馬克杯常會積有咖啡垢或茶垢。最惱人的是這些汙垢很難直接清洗，清潔效果也欠佳，但是使用本產品僅需滴入數滴清潔劑，放置數分鐘後，再以清水直接清洗，即可將咖啡垢或茶垢清除乾淨。經由七種不同比例清潔劑測試後，第1種的清潔劑 (5 mL茶籽酒精+5 mL檸檬精油)的效果最好，如圖15所示：

 

圖15馬克杯底的咖啡垢清潔前後比較圖

(五)   浴室的汙垢(橡膠材質)：大掃除時，最令人困擾的髒汙就是浴室橡膠材質上常沾有很多的髒汙，卻又無法單純用水沖洗乾淨，常需使用強效的清潔劑，但這些強效的清潔劑一但碰到身體，總會使皮膚感到不舒服，經由七種不同比例清潔劑測試後，第5種的清潔劑 (5 mL茶籽酒精+25 mL檸檬精油)的效果最好，且經實際測試後，接觸自製的清潔劑並不會對人體的皮膚感到不適，實驗結果如圖16所示：

 

圖16浴室的汙垢(橡膠材質)清潔前後比較圖

(六)   指甲油：指甲油雖然不是汙垢，且在市面上，去光水已經是卸除指甲油的產品，但經查過資料後發現，去光水包含許多有機溶劑，主要成分是丙酮，丙酮對人體有害。因此我們希望可以使用自製清潔劑來取代去光水，經由七種不同比例清潔劑測試後，第2種的清潔劑 (5 mL茶籽酒精+10 mL檸檬精油)的效果最好(如圖17所示)：

 圖17指甲油清潔前後比較圖

(七)   汽機車油漬：在停車場常見的汙垢就是汽機車的油漬，這些油漬除了破壞美觀之外，最大的隱憂是這些油漬容易使人滑倒，特別是老人家萬一因此摔倒，所造成的後遺症更是令人困擾，因此我們希望可以使用本產品來去除汽機車油漬，經由七種不同比例清潔劑測試後，第五種的清潔劑 (5 mL茶籽酒精+25 mL檸檬精油)的效果最好，如圖18所示：

圖18汽機車油漬清潔前後比較圖

(八)   綜合比較：我們將七種不同汙垢的最佳化條件整理如下表4，可以發現不同種的汙垢均有合適的自製清潔劑。

表4本產品最佳比例綜合比較

編號	A	B	1	2	3	4	5
電梯門上的汙垢						✓
塑膠桌面上的立可白			✓
塑膠桌面上的奇異筆			✓
咖啡垢或茶垢			✓
浴室的汙垢							✓
指甲油				✓
汽機車油漬							✓

二、不同比例清潔劑pH值比較

    由實驗結果可以發現，單純的檸檬精油pH值偏低，因此若單獨使用檸檬精油對於皮膚的傷害較大，而茶籽酒精的pH值很接近中性，當兩者以適當的比例混和時，pH值介於4.64~6.05之間，所得趨勢與預期相符，檸檬精油含量愈高的pH值愈低，但多在人體膚質的接受範圍，因此在使用上的限制較少，不需要特別使用手套做為防護。

正常皮膚表面的pH值約為5.0～7.0之間，屬於偏弱酸的情況，因此本產品的清潔劑若能介於這個範圍之間，將不會傷害皮膚也不容易產生刺激感。在室溫下，各種清潔劑測試其pH值如表5所示：

表5 不同清潔劑的pH值

編號	A	B	1	2	3	4	5
pH值	6.70	4.19	6.05	5.67	5.52	4.86	4.64

 

三、不同比例清潔劑表面張力比較

    純水的表面張力為69 dyne/cm，而我們自製的七種清潔劑的表面張力都介於25~30 dyne/cm之間，與水相較均有明顯的下降，也顯示出自製的清潔劑具有良好的清潔效果。

    本組利用杜努強表面張力計量測自製的清潔劑，表面張力愈小的清潔劑其清潔效果愈好。除了實測之外，利用儀器量測表面張力亦可證實自製清潔劑的功效。在室溫下，經由杜努強表面張力計量測結果如表6所示：

表6不同清潔劑的表面張力

編號	A	B	1	2	3	4	5	純水
表面張力 (dyne/cm)	25.0	30.0	27.0	29.5	29.0	26.5	29.0	69.0

 

四、不同比例清潔劑對不同汙垢的清潔能力

    茶籽粉是由油茶樹或一般茶樹的種子製成，是一種天然草本洗劑，富含茶皂素（15~18%的茶皂素），其去油污能力非常強，通常可用來清洗蔬菜也可清洗身體，具有好沖洗並且對手部不傷害的優點。

    檸檬皮中富含檸烯，其結構如圖19所示，檸烯用以做為清潔用品中之有機溶劑，以取代礦物油，或做為天然的芳香、抗菌劑、驅蟲劑使用。一般的檸檬精油是用有機溶劑萃取檸檬皮的精油，但過程中使用有機溶劑，所以會產生有機溶劑殘留的疑慮。本組利用高效能微波萃取機萃取的精油，不添加任何的溶劑，甚至連水都不需要，因此所得的精油純度高且不含任何有機溶劑，兼具實用及環保之功效。

圖19 檸烯結構式

    由實驗結果可以發現，最容易的汙垢，例如：立可白、奇異筆及咖啡垢，都是以第一種的效果最佳；較難清除的汙垢，例如：浴室的汙垢及汽機車油漬則是以第五種的效果最好。由此可知，檸檬精油的含量愈多，愈能有效清除難解的髒污，但總結一般家庭常見的汙垢，都能在本研究自製的清潔劑中完全被消除。

n  參加心得

很榮幸可以參與綠色化學創意競賽，在進行實驗的過程中，我們從思考題目到實際進行實驗，這過程中花了很多的時間、汗水，也讓我們能夠體會到研究是件多麼不容易的事情，過程中無數次的失敗及再嘗試。當然過程中也得感謝我們的指導老師及科裡每位師長的協助，讓我們的成果在最後得以展現。本研究主要是利用廢棄的果皮製造出可以具有強效清潔效果的清潔劑，這樣的想法也是以前在課本上沒有學到的，以前總是覺得果皮是個很麻煩的垃圾，沒想到經過適當的處理竟然可以變成這麼好的清潔劑。此外，我們的研究成果也符合綠色化學十二原則，我們使用對人體健康和環境幾乎沒有影響的果皮及茶籽粉；利用高效能微波萃取機使我們得到精油萃取液不須添加額外的有機溶劑，也因此在使用後也不會造成對環境的污染，也希望藉由我們的研究能會地球更盡一份心力！

n  安全注意及廢棄物處理

一、注意清潔劑的使用對象，請勿使用濃度高的來清潔肌膚或是較脆弱的表面。

二、調配的濃度高可使用鹼性溶液酸鹼中和至中性再倒掉。

n  參考文獻

1.          蔡永昌（2010）。普通化學I、II。新北市：台科大圖書股份有限公司。

2.          蔡永昌（2015）。基礎化工I。新北市：全華圖書股份有限公司。

3.          謝澤民 (2011)。普通化學實驗 I。新北市：台科大圖書股份有限公司。

4.          蔡榮哲（2005）。柑橘類果皮加工利用。台灣柑橘產業發展研討會專刊，249-25

5.          陳秀容 (2007)。從頭洗到腳，茶籽粉妙用一級棒。女性電子報，第233期。