化學教室活動:感温貼片DIY—膽固醇型液晶的製備 / 連經憶

星期日 , 13, 五月 2018 Leave a comment

化學教室活動:
感温貼片DIY—膽固醇型液晶的製備

連經憶

國立嘉義大學應用化學系
*
kelly@mail.ncyu.edu.tw

n  前言

一、符合教室活動的實驗條件

「在教室裡進行化學實驗」,聽起來不太可能哦,做過實驗的學生都知道,化學與物理實驗不同,化學實驗常用到溶劑和化學藥品,操作時一定要小心,避免化學藥品噴濺,實驗後的器皿清洗更不可馬虎,以免影響下次實驗結果,因此一般認為化學實驗要在特定的實驗室,有耐酸鹼、抗腐蝕的實驗桌才能進行,實驗桌旁邊就有水槽,萬一發生意外才能及時應變。如果有足夠的空間且經費充裕,化學實驗當然最好在有專業設備的化學實驗室中進行,但往往囿於現實,在設備不完善的情況下,教師們仍需努力尋求合適的教材,克服困難,讓學生在教室中也能做實驗。

除了示範實驗之外,教師可以在教室演示,如果學生也能在教室內動手操作,實驗教學場域得以延伸,增加學生由「做中學」的機會。化學實驗因受到危險的限制,要讓學生能在教室中操作實驗,需以「在實驗室中操作的實驗」為基礎,加以改進,能在教室中操作的實驗需符合以下的條件。

l  使用到實驗器材種類及數目不要太多,或太過複雜,因教室課桌椅桌面較小,如能將器材微小化,進行微型實驗更佳。

l  實驗時所選用的藥品需特別注意劑型、用量、及安全性,儘量避免使用強酸、強鹼、及強氧化還原劑等;避免使用大量的液體,如果可能,以固態的試劑取代,以免因桌面空間小,造成翻倒、潑濺的意外。所使用的試劑量越少越好,以免產生大量的廢液,同時也較符合綠色化學的操作原則。

l  儘量選用不需要加熱的實驗,如需加熱,加熱時間不宜太長,而且宜使用沒有明火的加熱器材如電磁加熱攪拌器電磁爐或熱風吹風機。

l  儘量避免採用會產生大量氣體、熱、或發出氣味的實驗,因教學場所並無抽氣櫃等設備,如果教室內空氣不流通,即便是芳香的氣味,當濃度達一定程度以上,對某些學生而言也可能成為難聞的味道,造成不必要的危害。

l  實驗操作步驟不宜太過繁雜,這樣才能避免上述的情況,有利於實驗教學之推廣。

二、簡介膽固醇型液晶的製備

利用膽固醇的衍生物製備液晶是由美國威斯康辛大學材料科學與工程跨領域教育中心(UW Materials Research Science and Engineering Center Interdisciplinary Education Group; UW MRSEC IEG),依據BrownWolken1979年出版的書1,及ElserEnnulat1976年發表的文献2所開發出的實驗,加熱分子結構與膽固醇類似的衍生物,混合均勻後降温,形成液晶的狀態3,4,所用的藥品皆為固體,加熱時間短,隨著温度的改變又有豐富的顏色變化,做好的液晶材料可以做成簡易的感温貼片,測量體温的高低,如實驗硬體未臻完善,這個實驗是非常適合用來做為教室中的演示活動。

膽固醇型液晶之製備適用的範圍十分廣泛,從小學高年級學生,到大學一年級學生皆可操作,只需依年齡和時間調整原理解說的深淺,及動手操作的層次,如時間有限,學生年齡層徧低,可以事先製備好液晶材料,學生直接取膽固醇型液晶做成感温貼片。對於國中以上的學生,可以讓参與者自行混合、加熱及製備液晶材料;如参加人員為高中和大學生,可以在講解時加入鏡像異構物的概念,介紹對掌性(chiral)化合物及其性質,因所用的膽固醇衍生物具有掌性中心(chiral center),是具有對掌性的化合物。對於不具備化學實驗經驗的初學者而言,這個實驗可以作為入門的體驗實驗,操作過程中學生可以認識實驗器材、學習器材正確的使用方法、學會如何用酒精燈加熱、觀察、及建立實驗誤差的概念。

與一般教學用化學實驗所需的試劑相比,膽固醇衍生物的價格較高,但經修改後降低化合物使用量,除避免不必要的浪費,符合綠色化學的操作原則外,同時也使實驗材料的成本下降。實驗前的準備工作較多是這個實驗較大的缺點,在減少化合物使用量的前提下,又要讓實驗結果具有一定的精確度,讓膽固醇液晶能在特定的温度範圍內變色,建議在事前先用精確度較高的天平秤好膽固醇衍生物、分裝在微量離心管中,操作時學生只要將化合物倒出、混合、轉移到試管中加熱即可,實驗組數如果較多,實驗前置作業就要花較多的時間。將化合物倒出,移轉到試管中的動作看似簡單,但是否能確實將所有化合物倒入試管中,不掉落桌面,或沾附在管壁上是關係到實驗成功與否的重要關鍵,對不常做實驗的學生而言,這樣的操作步驟就可能有些難度,進而影響最後的成果,藉由實驗結果討論,正是讓學生了解實驗操作的重要性、建立誤差概念最好的時機。如無法事先秤好膽固醇的衍生物,也可以讓學生自行秤取所需的藥品,唯秤量時需注意學生是否遵守綠色化學的原則,不要任意浪費藥品。

n  原理和概念

液晶(Liquid crystal)是一種物質的狀態,發現液晶狀態可以追溯到西元1888年,奧地利的化學家Friedrich Reinitzer為了決定一種膽固醇衍生物的化學式和分子量時,發現一種奇妙的現象,當他在測量膽固醇衍生物(安息香酸膽固醇酯或稱為苯甲酸膽固醇酯,cholesterol benzoate)的熔點時發現,這個化合物好像有二個熔點,當加熱到145.5°C時化合物呈現霧狀的液體,直到178.5°C時突然變為澄清透明液體。為確認這奇妙的現象並非因雜質所造成的,Reinitzer轉向德國的物理學家Otto Lehmann求教,進而發現霧狀液體的分子排列具有特殊的規則性,當温度升高時,澄清物質就像正常的液體般不具規則性,最後Lehmann了解霧狀液體為新的物質狀態並將其稱之為「液晶」。

能形成液晶的分子,通常具有特定的形狀,如桿狀或平板狀,當分子排列成類似晶體的整齊形態時,又可以因温度、壓力、濃度、溶劑、磁力、電力等因素而改變分子排列的方式。以本實驗的膽固醇型液晶為例,膽固醇分子與其衍生物具平板狀的結構(見圖一上),同層分子間為向列型排列,層與層間的分子互相平行,但各分子的長軸方向不同,代表在相鄰二層間分子的長軸夾著一個角度,兩個平面中分子長軸的方向相同時,這兩平面之間的距離稱為一個螺距(pitch)(見圖一下),螺距的長度隨温度的改變而改變,進而反射不同波長的光,產生不同的顔色,因此常用在温度感測器上。温度越高,螺距越短,當膽固醇衍生物排列成液晶的狀態,隨著温度的增加,呈現出的顏色依序為紅、橘、黃、綠、藍、最後為紫色5。膽固醇苯甲酸酯、膽固醇壬酸酯,及膽固醇油醇碳酸酯是常見可以形成液晶的材料(見圖一上),三者的主要差別在A3號碳上所接的基團,其中膽固醇油醇碳酸酯與膽固醇壬酸酯具有長碳鏈基團,二者的熔點較膽固醇苯甲酸酯低(表一、三種膽固醇型液晶組成表)。美國威斯康辛大學材料科學與工程跨領域教育中心開發出的實驗教材中,每種液晶都含有這三種膽固醇的衍生物,可在不同温度範圍變色,膽固醇衍生物的總質量相同,但比例不同,藉由調整三者的比例,使液晶能在接近室温的範圍內改變顏色。膽固醇油醇碳酸酯的熔點最低,增加這個成份的比例,可以讓液晶在較低的温度下變色,膽固醇油醇碳酸酯的量越多,變色的温度範圍越低。單獨加熱膽固醇壬酸酯,熔化降温後也可以形成液晶,但變色範圍較高,不易用手的温度加熱,且變色過程快速,不易觀察,加入膽固醇油醇碳酸酯,會降低液晶變色的温度,如經費有限,可以省略膽固醇苯甲酸酯,但只含二種物質的液晶,其變色温度與文献提及之温度略有不同,需經測量才能決定。

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圖一:膽固醇及其衍生物的化學結構(上);膽固醇型液晶結構示意圖(下),淺棕色長方格代表膽固醇衍生物,藍色箭頭代表其長軸方向。

n  實驗器材與藥品

膽固醇苯甲酸酯(Cholesteryl benzoate, 5-cholesten-3-yl benzoate)、膽固醇壬酸酯(Cholesteryl pelargonate, Cholesteryl nonanoate)、膽固醇油醇碳酸酯(Cholesteryl oleyl carbonate)、試管、試管夾、試管架、酒精燈(或熱風吹風機)、竹筷、透明塑膠片、黑色塑膠片、秤量紙、冰浴。

n  實驗步驟

(一)膽固醇型液晶的製備

1.        實驗前,依表一先分別秤取膽固醇苯甲酸酯及膽固醇壬酸酯,加入微量離心管中,(見圖二),秤取膽固醇油醇碳酸酯加入小試管中備用。

表一:三種膽固醇型液晶組成表

試管

變色之温度範圍(°C

Cholesterol oleyl carbonate

(膽固醇油醇碳酸酯)

Cholesterol pelargonate

(膽固醇壬酸酯)

Cholesterol benzoate

(膽固醇苯甲酸酯)

mp(熔點)

20°C

74-77°C

148-150°C

1

17-23(低温)

0.130

0.050

0.02

2

29-32(中温)

0.086

0.094

0.02

3

35-38(高温)

0.068

0.112

0.02

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圖二:秤好的膽固醇衍生物放入微量離心管。

2.        將微量離心管和試管分組,每一種液晶材料含三種不同的膽固醇衍生物。

3.        製備在較低温範圍變色液晶。取一秤量紙,將二種膽固醇衍生物全部倒在秤量紙上,再將二種化合物倒入有膽固醇油醇碳酸酯試管中。

4.        以試管夾夾住試管,用酒精燈加熱(或熱風吹風機加熱)至固體完全熔化呈透明狀。

註:如用酒精燈加熱,加熱時可將試管以進出火焰的方式加熱,避免燒焦,一邊加熱一邊搖動試管,使化合物充分混合。加熱方式可以用熱風吹風機取代酒精燈加熱,但較為費時。為考量要讓學生都能操作實驗,不要花太多時間等待,使用酒精燈加熱,教師必須強調操作酒精燈的安全性,教導學生酒精燈加熱的正確方法。

5.        降温冷卻,在膽固醇型液晶尚未固化時,轉動試管,讓液晶材料均勻地塗佈在試管壁周圍(見圖三),觀察並記錄試管中顏色的變化。

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圖三:膽固醇型液晶塗佈在試管上的狀況

6.        待試管完全冷卻後,以手加熱試管(見圖四),觀察並記錄顏色的變化。

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圖四:以手加熱試管並觀察顏色變化

7.        重覆步驟3~6,製備另外二種液晶,觀察並記錄實驗結果。

註:當室温較高時,在低温範圍變色的液晶需冰浴才能觀察到顏色變化。

(二)簡易温度貼片的製備

1.        以竹筷取少量自行製備的液晶,塗抹在透明塑膠片上,在材料上覆蓋一塊約2.5公分大小的黑色塑膠,四周用透明膠帶貼好、固定,做成感温貼片(見圖五)。

註:不要塗抹太多的液晶材料,以免材料因擠壓而流出。

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圖五:簡易感温貼片製備流程

2.        將感温貼片放在手臂上,觀察並記錄感温貼片的變化。

n  教學小撇步

膽固醇液晶的製備是會讓學生眼睛為之一亮的實驗,除亮麗的色澤變化讓人驚豔外,高成功機率增加學生的成就感,但學生在讚嘆之餘因缺乏實作經驗,顏色變換的速度又很快,往往忽略了出現的順序,因此需明確地告訴學生找出隨温度的上升或下降,顏色出現的順序。這個實驗適用於不同年級的學生,表二列出不同年齡層學生的操作方式、實驗目標、及學習重點,提供給大家参考。

表二:各年齡層學生對膽固醇液晶的學習目標及其學習重點

年級

實驗單元目標

操作方式

學習重點

小學中高年級生

l 自製感温貼片。

l 能分辨温度從低到高,顏色出現的順序。

l 課前先製備好膽固醇液晶,讓學生直接利用做好的材料製備感温貼片。

l 了解液晶是什麼。

l 觀察化合物在外觀,了解其性質之不同。

國中生

l 製備出在3個温度範圍變色的液晶和温度貼片。

l 學習實驗器材正確的使用方法。

l 利用秤量好的膽固醇衍生物製備液晶。

l 了解液晶是什麼。

l 觀察化合物在外觀,了解其性質之不同。

l 了解膽固醇型液晶之顏色為何隨温度改變而改變。

l 能說出影響實驗結果的主要因素。

高中生和大學生

l 製備出在3個温度範圍變色的液晶及温度貼片。

l 學習實驗器材正確的使用方法。

l 利用秤量好的膽固醇衍生物製備液晶。

l 了解液晶是什麼。

l 觀察化合物在外觀,了解其性質之不同。

l 了解何謂對掌性化合物。

l 了解膽固醇型液晶之顏色為何隨温度改變而改變。

l 了解化合物結構對液晶的影響。

l 了解膽固醇型液晶螺距與顏色間的關係。

l 能說出影響實驗結果的主要因素。

l 當實驗結果不如預期時能找出可能的原因。

n  参考資料

1.        G. H. Brown and J. J. Wolken, Liquid Crystals and Biological Systems, Academic Press, NY, 1979, pp 165-167.

2.        Elser, W. and Ennulat , R. D. Selective Reflection of Cholesteric Liquid Crystals. Advances in Liquid Crystals,1976, 2, pp 73-172.

3.        Cholesteryl Ester Liquid Crystals Preparation, and Cholesteryl Ester Liquid Crystal Thermometer Preparation. https://education.mrsec.wisc.edu/video-lab-manual/.

4.        Preparation of Cholesteryl Ester Liquid Crystals. http://goo.gl/M1EvkS.

5.        Lisensky, G. and Boatman, E. Colors in Liquid Crystals, Journal of Chemical Education, 2005, 82, 9, 1360A-1360B.

 

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