臺灣化學教育

創意化學實驗—環保手動肥皂機

葉凡愉、周明毅、王冠智、沈明勳、黃琴扉*

國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
*[email protected]

n  前言

環境教育為目前我們極力推廣的教育理念，也希望此理念可以與各領域學科知識做結合，像是學生們在進行科學實驗課程時，也可以更有感地關心到他們的生活環境。其中，環保意識、水汙染防治的概念，更是要推廣到中小學的學生，以落實環境教育。國中理化有教導學生天然肥皂、合成清潔劑的原理與製程，天然肥皂的原料取得是比較環保，對環境的汙染低；使用過後排放到水中後是可以被細菌分解的，不會產生泡沫汙染。然而，合成清潔劑的原料取得為石化產品，在生產的過程中，對環境的傷害很大，並且排放到水中後會產生泡沫汙染。另外，市面上販售的合成清潔劑，可能還含有增稠劑、珠光劑、保濕劑、人工色素、香料、殺菌劑及防腐劑等化學添加物，因此，使用此種合成清潔劑，可能會導致洗劑殘留在皮膚上，侵入人體，並且可能會造成皮膚或肝腎的病變，對人體相當不好。

製作肥皂的方式大致上分為四種：熱製法、冷製法、再生法、融化再製法。目前國中理化實驗課大致上都使用熱製法教導學生製作肥皂。但是在實驗過程中，我們發現到：若是選擇不適當油品或者是加熱溫度過高，會產生不好聞的味道；然後最後製成的成品，也不太容易乾燥，這導致學生最終也不敢使用自己製做的肥皂。此種製作肥皂的方式，雖然學生學習到了實驗技巧，但如果實驗後就把成品都丟掉，那此實驗對環境是不友善的。有鑑於熱製法因需要加熱，對學生有危險性，加熱過程中，也有不好聞的氣味產生，因此我們選擇使用冷製法製作肥皂。冷製法做肥皂的過程，是無需加熱，並且不會有異味產生。但缺點就是要準備許多的容器裝原料，學生會覺得此實驗用到的器具過多，不好整理；然後需要用打蛋器攪拌四~五個小時，此過程是疲累而且無趣的。我們就此兩個缺點發想了一個「環保手動肥皂機」，希望可以藉此肥皂機，讓大家做起肥皂是輕鬆、簡單、環保，並且是有趣的。

為了提供一個更環保、更方便製作肥皂的器具，許多研究人員以及國、高中的學生都投入了環保手動肥皂機的研發。綜觀之前所有製作肥皂的實驗課程，是非常繁複，並且需要許多的器具，因此本文作者發想，是否可以製作一個一體成型的器具，只要使用這一個器具就可以輕鬆製作出肥皂，也不需加熱，所以我們就改良了身邊要丟掉的食物攪拌器，希望可以達到廢物利用的精神，開發出一個全新的「環保手動肥皂機」，然後再搭配本文作者研發之肥皂配方，就可以製作出天然、環保、又可以使用之手工肥皂。

n  裝置設計與製造肥皂

一、材料和藥品

廢棄的食物攪拌器（1公升） 1個、氫氧化鈉 75公克（購自五金行和化工原料行）、椰子油 125公克、棕櫚油 150公克、橄欖油 225公克、冰塊 150公克、電子磅秤 1個、量杯 1個、皂模 5個、紙碗 1個，如相片一所示。

 

  

相片一：所需材料和藥品（由左而右排列）

二、設計與製造過程

1.        先量出冰塊約150公克（±20公克），加入廢棄攪拌器中，如相片二所示。

相片二：將冰塊加入廢棄攪拌器中

2.        量出氫氧化鈉75公克，放入一個乾淨的紙杯內，如相片三所示。

相片三：氫氧化鈉75公克

3.        一邊攪拌冰塊，一邊慢慢少量加入氫氧化鈉（若一瞬間倒入，怕溫度突然升高），一直攪拌到氫氧化鈉完全溶解在水中，鹼水就製造完成，如相片四所示。

 

相片四：攪拌食物攪拌器中的冰塊並且緩辦加入氫氧化鈉

4.          當鹼水完成時，把攪拌器放置在電子磅秤上歸零，慢慢倒入棕櫚油（150公克）、橄欖油（225公克）、椰子油（125公克），如相片五所示。

 

相片五：油品由我們改良的食物攪拌器上方漏斗倒入

5.        開始手動攪拌，攪拌約20分鐘左右，當皂化混合液呈現黏稠狀即可（注意液體中若有浮油，表示攪拌不完全，需繼續攪拌），且避免皂化混合液中有氣泡，因為皂化成形時肥皂中會有空洞，如相片六所示。

 

相片六：攪拌完成的肥皂（內無空洞產生）

6.        當肥皂混合液完全攪拌成功時，再慢慢倒入皂模中，放置在陰涼處約一星期脫模，如相片七所示。

相片七：將肥皂混合液倒入皂模中

7.        依上述步驟，製作並且使用「環保手動肥皂機」，環保好用的手工皂就完成了。

n  原理和概念

一、皂化反應

    油脂在鹼性溶液中加熱，發生水解反應，產生長鏈脂肪酸鹽（肥皂）和副產物甘油。肥皂分為鈉皂和鉀皂，通常稱鈉皂為肥皂。若鹼性物質使用氫氧化鈉，則生成鈉皂。若鹼性物質使用氫氧化鉀，則生成鉀皂。皂化反應如式[1]所示。

油脂 + 水  長鏈脂肪酸鹽（肥皂）＋ 甘油    [1]

二、肥皂之分子結構

1.        組成：具較長碳鏈的脂肪酸鹽。

2.        結構：為界面活性劑，具有親油性與親水性的結構，如圖一所示。(1) 親油端（圖一左方）：長鏈烷基具親油性（或稱疏水性），可溶於油汙。(2) 親水端（圖一右方）：羧酸酸根尾端具親水性，可溶於水。

圖一：肥皂的分子結構

3.        脂肪酸：含有4～28個偶數碳的直鏈羧酸稱為脂肪酸，高等動、植物脂肪酸有偶數個碳原子，通常介於14～22個碳之間，並且沒有支鏈。高級脂肪酸是指超過12個碳以上的長鏈羧酸。

4.        「環保手動肥皂機」的三種配方：

5.        皂化價：依油脂不同所需要的氫氧化鈉毫克數也不同，需視油脂的「皂化價」來決定氫氧化鈉的添加量，「皂化價」亦即皂化１公克油脂所需要之鹼質的毫克數。下表為油脂的皂化價：

 

一、   各種油脂需使用氫氧化鈉的克數（以配方二為例）

※油脂的公克數  皂化價 = 氫氧化鈉所需公克數

1.        125 g椰子油需使用氫氧化鈉的克數 = 125 g × 191 mg/g × (1 g/1000 mg) = 23.9 g

2.        150 g棕櫚油需使用氫氧化鈉的克數 = 150 g × 142 mg/g × (1 g/1000 mg) = 21.3 g

3.        225 g橄欖油需使用氫氧化鈉的克數 = 225 g × 135 mg/g × (1 g/1000 mg) = 30.4 g

4.        依照計算，需使用氫氧化鈉的總克數 = 23.9 g + 21.3 g + 30.4 g = 75.6 g

5.        依照用量，實際使用氫氧化鈉的克數 = 75.0 g

6.        實際使用氫氧化鈉重量百分比 = (75.0 g / 75.6 g) × 100% = 99.2%

7.        「配方二」實際使用氫氧化鈉的克數（75.0 g）稍低於計算所需的氫氧化鈉總克數（75.6 g），實際使用百分比為99.2%，不到100%或超過100%。亦即，當皂化完畢後如此用量製得的肥皂會有少許的油脂（0.8%）存在而有潤滑感。製造肥皂需要「減鹼」或「超脂」，減鹼是在計算配方時，依需求而定，先扣除3-9%的鹼量，使皂化後仍有少許的油脂未與鹼作用而達到不乾澀的洗滌效果。

二、   脂肪酸莫耳數計量方法：每一莫耳脂肪酸，需一莫耳氫氧化鈉來皂化。

※脂肪酸莫耳數 = 氫氧化鈉莫耳數（氫氧化鈉的莫耳質量：39.99 g/mol）

1.        125 g椰子油的脂肪酸莫耳數 = 125 g × 191 mg/g × (1 g/1000 mg) / (39.99 g/mol) = 0.597 mol

2.        150 g棕櫚油的脂肪酸莫耳數 = 150 g × 142 mg/g × (1 g/1000 mg) / (39.99 g/mol) = 0.533 mol

3.        225 g橄欖油的脂肪酸莫耳數 = 225 g × 135 mg/g × (1 g/1000 mg) / (39.99 g/mol) = 0.760 mol

4.        依照計算，使用油脂的脂肪酸總莫耳數 = 需使用氫氧化鈉的莫耳數 = 0.597 mol + 0.533 mol + 0.760 mol = 1.890 mol

5.        依照用量，實際使用氫氧化鈉的莫耳數 = 75.0 g / (39.99 g/mol) = 1.875 mol

6.        使用氫氧化鈉的莫耳數百分比 = (1.875 mol / 1.890 mol) × 100% = 99.2%

7.        「配方二」需使用油脂的脂肪酸總莫耳數（1.890 mol，過量反應物）稍高於使用氫氧化鈉的莫耳數（1.875 mol，限量試劑），這樣製得的肥皂會有少許的油脂（0.8%）存在而有潤滑感。

n  安全注意事項

l  氫氧化鈉為強鹼、腐蝕性藥品，實驗時應戴實驗用手套，避免直接接觸皮膚、眼睛，若不小心接觸，應該儘快用大量清水沖洗，沖洗15分鐘。

l  在調配鹼液過程中，因氫氧化鈉為強鹼性藥品，溶於水後會大量放熱，因此在此步驟要小心操作，避免被燙傷。

n  環保手動肥皂機之特點

「環保手動肥皂機」，可以讓連結課本上的學科知識，也可以讓老師教導實驗課程時，簡單、有趣、又方便。此「環保手動肥皂機」的發想是由廢棄的食物攪拌器來改良，完全符合環境保護，減廢減量等微型裝置與環境教育的整體概念，其特點如下：

l  器具廢物利用，組裝費用低廉。

l  裝置一體成型，課堂攜帶方便。

l  操作皆不沾手，實驗不需加熱。

l  天然肥皂製程，方法簡單有趣。

n  結語

所謂的環境教育是可以與各學科領域來做結合的，在自然科學實驗過程中，我們更需要讓學生有環境教育的概念，希望每個學生在學校的實驗課程不要對環境是不友善的，然後學習愛護環境、保護環境，並且運用學生的環境問題解決能力，思考如何降低實驗對環境破壞、環境汙染，進而開發一個可以簡化實驗過程以及對環境友善的「環保手動肥皂機」。

過去都是以傳統方法製作肥皂，熱製法：需要加熱、有安全疑慮、過程產生之氣味不好聞，學生製作出來的成品大多丟棄。冷製法：需要準備許多的器具，並且用打蛋器攪拌四~五個小時，導致學生會覺得此實驗是無趣的。為了解決上述一系列的問題，本文作者自行開發了全新的「環保手動肥皂機」，此環保手動肥皂機是由廢棄的食物攪拌器改良，製作方便簡易。由此環保手動肥皂機結合冷製法製作肥皂，簡化了繁雜的實驗，並且成功製作出可以使用的手工肥皂。

除此之外，環保手動肥皂機為一個一體成型的裝置，製作肥皂的過程，僅需要此一裝置即可，整組裝置攜帶方便，並且是廢物利用；實驗過程無廢棄物產生、不需加熱、安全性高，達到綠色化學的概念，讓學生、老師、一般民眾可以以這個裝置的發想，體驗到環境教育的核心價值，並也學習到了自然科學的理論。期盼本文的撰寫可以鼓勵此領域之研究人員、教師、學生、民眾等加入環境友善生活用品或教材教具的開發，一起為下一代孩子更完善的科學教育以及環境教育努力。

n  附註

本文之環保肥皂製造機，已獲得經濟部智慧財產局新型專利審核通過。