雞蛋的美麗與哀愁:奈米雞蛋與滲透雞蛋 / 張函郁、黎渝秀

星期三 , 2, 五月 2018 Leave a comment

雞蛋的美麗與哀愁:奈米雞蛋與滲透雞蛋

張函郁1、黎渝秀2

國立中央大學附屬中壢高級中學
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hanyuchang0820@clhs.tyc.edu.tw

2candy@clhs.tyc.edu.tw

n  前言

108課綱籌備以來,「自然科學探究與實作」和「多元彈性選修」一直是新課綱的核心精神[1]。民國九十六學年起,國立中央大學附屬中壢高級中學優質化校務經營計畫「從AA+全面優質」願景下,設置課程多元創新的學園在高一課程開設二節「彈性選修」,提供學生在高二選組前各式各樣不同課程的學習和體驗;目前,更是在高二和高三各開設一節「彈性選修」,讓學生在多元課程薰陶下,找出自己的方向,其中課程「趣味化學」即是期望學生透過親自動手實驗中,觀察現象,發現問題,解決問題,進而提出自己的想法,提供對化學領域有興趣且願意實地操作的學子們契機,探索這未知又令人著迷的化學世界。

n  雞蛋實驗設計圖

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【實驗一】:奈米雞蛋

n  實驗器材

以每3人組成一小組:雞蛋(2顆,白)、鐵夾(試管夾)1支、蠟燭1根、火柴1盒(或打火機1個)、去離子水(100 mL)、燒杯(200 mL1個、塑膠滴管(3 mL1支。

n  操作步驟

1、  先點燃蠟燭,滴些許蠟油在桌面上,使蠟燭可以站立在桌面。

2、  再以鐵夾夾住雞蛋,放置雞蛋於蠟燭火焰之中,不可以高於火焰(見圖一左),如此才容易附著上不完全燃燒的碳微粒,使蠟燭燃燒完後的碳微粒可以均勻附著於雞蛋上。

注意:勿在雞蛋上同一點燻過久,均勻地燻黑雞蛋,以免受熱不均造成蛋殼破裂(見圖一右)。

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圖一:雞蛋不可以高於火焰(左);均勻地燻黑雞蛋(右)

3、  〚活動一〛:在步驟2中完成燻黑的雞蛋,並取另取一顆未燻黑的白雞蛋,分別以塑膠滴管吸取1 mL去離子水,滴加水到這兩顆雞蛋殼的表面(見圖二左),觀察其現象並比較其差異。

4、  〚活動二〛:擦乾雞蛋表面的水,再重新燻成全黑,盡可能再讓整顆雞蛋的表面都燻成黑色,並壓入裝有100 mL去離子水的燒杯中(見圖二右),觀察其現象。

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圖二:用水噴灑雞蛋殼的表面(左);壓入燻黑的雞蛋到水中(右)

5、  〚活動三〛:分別放入白殼雞蛋與燻黑雞蛋到1 M HCl中,以橡皮管引導至澄清石灰水溶液中,觀察這兩顆雞蛋與稀鹽酸反應產生的氣泡(見圖三左)。放置一天後,觀察並紀錄澄清石灰水溶液的變化(見圖三右)。

註:澄清石灰水端的軟木塞務必稍微鬆開,以免產生氣體過多而使試管爆開。

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圖三:雞蛋放到稀鹽酸中:放入不久(左):放置一天後(右)

n  實驗紀錄

1、  經由活動一中,滴加水滴到燻黑蛋殼表面上,可觀察到不容易附著,甚至滾動,與荷葉上水滴一般。而未滴加水滴到燻黑蛋殼(白殼雞蛋)表面上,可觀察到水滴附著到蛋殼表面上。兩者差異非常明顯。

2、  經由活動二中,可觀測到原本在空氣中為全黑的雞蛋,在壓入水中後變成透明並帶有一點銀白色,極像一顆銀雞蛋,非常美麗。

3、  經由活動三中,可觀察到白殼雞蛋與鹽酸反應產生氣泡的速率較快,且氣泡量明顯較多,經由一天後,澄清石灰水明顯混濁。而燻黑雞蛋與鹽酸混合,四個小時後,表面的燻黑物逐漸脫落,部分未被燻黑物包覆的蛋殼與鹽酸接觸,才明顯產生氣泡,經由一天後,雖然澄清石灰水變成混濁,但是不如白殼雞蛋明顯。

n  實驗討論

l  蠟燭主要成分為烷類,燃燒的產物為後燃燒完全的二氧化碳和水氣以及燃燒不完全的殘餘碳粒。在活動一中,因燃燒不完全的碳微粒附著在蛋殼表面,水滴在燻黑的蛋殼上不容易附著,甚至滾動,如同蓮葉顯現出疏水性,因此燃燒不完全的碳微粒在蛋殼表面已形成奈米級的碳粒,因而有「蓮葉效應」(Lotus effect)的疏水性(hydrophobicity)顯現。

l  若以酒精燈替代蠟燭,由於酒精(乙醇)燃燒幾乎完全反應,因此無法在蛋殼上形成奈米碳(見圖四)。

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圖四:酒精燃燒無法燻黑雞蛋外敤的表面

l  若將物質尺度縮小至奈米等級(10‒9 m)以下,其物質表現的物理特性和化學活性與巨觀(肉眼可觀測)尺度極為不同。奈米的疏水性即是其物理表現之一,疏水的程度大小,則可用科學家楊格接觸角(contact angle, Ɵ)定義,接觸角指固體表面至液滴切線的夾角Ɵ,隨著接觸角Ɵ變大,其表面疏水特性越明顯(見圖五)。

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圖五:水珠在親水性和疏水性的形狀差異

l  市售防汙防水塗料和噴霧具有奈米微粒,以穿隧式掃描顯微鏡放大觀測可發現噴出的奈米微粒所形成表面結構有類似鉚釘釘頭群聚,使水顆粒或者汙染微粒「高架」起來,避免這些顆粒汙染衣服或鞋子表面。

l  雖然防汙塗料和噴霧的確在生活中帶給民眾許多方便,但是其噴灑過程中微小的奈米粒子粒徑過小,極有可能穿過人類皮膚與呼吸道的防護黏膜,造成人體吸入造成呼吸道刺激與疾病問題。

l  由於活動一燻黑的蛋殼形成奈米級的碳粒,因此進行活動二〛繼續探討,壓入全黑的雞蛋水中變成銀白色,主要是奈米雞蛋的疏水表面與水形成一層很細微的空氣薄膜,當水中四面八方的光線入射到奈米雞蛋時,入射角較小的光線(見圖六的藍色箭頭)可以折射進入空氣層,再照射到黑色碳被吸收(黑色物體不反射光線)。入射角較大的光線(見紅色箭頭)則發生「全反射」(即沒有折射),反射至水面再折射進入空氣,因此在水面上方可以看到光線,看起來銀白色,看起來非常美麗。(註:水發生全反射的臨界角度是49度)[2]

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圖六:入射角較小的光線(藍色箭頭)可發生折射,入射角較大的光線(紅色箭頭)則發生全反射

l  在〚活動三〛中,雞蛋殼主要成分為碳酸鈣(CaCO3),與鹽酸反應產生二氧化碳(CO2)氣體。白殼雞蛋的蛋殼在放入鹽酸後,立即反應產生二氧化碳氣泡,速率較快且氣泡量明顯較多;而在反應一天以上,產生氣體使澄清石灰水變混濁。燻黑的雞蛋殼表皆被奈米級碳粒附蓋,因此形成疏水性的保護膜,起初幾乎不反應,四個小時後,表面奈米碳粒脫落,部分蛋殼才有機會與鹽酸溶液開始反應,因此同一觀察時間下,燻黑的雞蛋使澄清石灰水變成混濁度不如白殼雞蛋。

【實驗二】:滲透雞蛋

n  實驗器材

3人組成一小組:雞蛋1顆、大頭針1支、透明吸管1支、蠟燭1根、火柴1盒(或打火機1個)、燒杯(100 mL1個。

n  實驗步驟

1.        取新鮮的雞蛋一個,觀察雞蛋的兩端,可以看出雞蛋的兩端並不相同。在桌面上輕敲鈍端(有氣室的一端),使蛋殼上有細小的裂縫,再以指甲剝去蛋的外殼,小心不要弄破外殼膜,直至有約一個一元硬幣的大小的面積。

2.        在蛋的另一端(尖端),用大頭針插穿蛋殼(外殼與內膜),得一小孔,以此孔為起點,揭開蛋殼成一小孔洞,孔洞的大小約為吸管的直徑。小心不要讓蛋白流出。

3.        蛋的尖端(小孔洞)朝上,放置雞蛋於燒杯內,取一支透明吸管,插入小孔洞中,深度約為雞蛋高度的2/3),以熔融的蠟固定,密封小隙縫,使之傾斜510度。

注意事項:(1)吸管插入時勿將鈍端蛋膜刺破;(2)若密封過程中蠟油不小心熔化吸管,請更換新的吸管以確保密封度。(3)插入透明吸管到小孔洞時,避免噴出蛋汁液回流而堵住吸管影響到現象的觀察。

n  實驗討論

1.        撥開雞蛋殼後可觀察在蛋殼與蛋白之間有兩層薄膜,內層為霧狀白色且無結構的外殼膜,主要功用是防止雞蛋內的水份蒸發。外層較靠近蛋白為內殼膜,此薄膜功能主要是讓空氣能自由通過,而雞蛋中常見的氣室是二層薄膜之間的空隙,主要儲存氧氣等空氣。若蛋內氣體遺失,氣室會不斷地增大,因此我們可以藉由觀察雞蛋氣室的大小粗略判斷雞蛋放置的時間與新鮮度[5]

2.        蛋殼內與之緊密貼附者有二層薄膜,此薄膜為半透膜(semipermeable membrane)的一種類型,對粒子具有選擇性,可讓某些特定分子或溶劑通過[3],例如:水。雞蛋內的蛋汁溶液濃度較高,溶劑水會藉由雞蛋薄膜從低濃度(燒杯中清水)向高濃度(蛋殼內)不斷滲透,直到內外滲透壓相同為止,溶劑自低濃度經過半透膜往高濃度移動現象稱之為滲透(osmosis)(見圖七)。

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圖七:雞蛋的半透膜的滲透現象:剛開始實驗的吸管內蛋黃的高度約與雞蛋尖端等高(左);3小時20分後蛋黃幾乎充滿整支吸管(右)

3.        滲透壓公式[5]由荷蘭科學家凡特何夫(Van ‘t Hoff)於1884年提出。滲透壓相關公式:clip_image030,其中clip_image032滲透壓clip_image034:凡特何夫因數clip_image036:體積莫耳濃度、R:理想氣體常數、T:絕對溫度。

4.        即使在稀薄溶液,溶液的滲透壓也是很大的。舉例來說,0.2 M的氯化鉀(KCl)水溶液在27時的滲透壓有9.84 atm。溶液中的粒子數與滲透壓的大小息息相關,若溶質為電解質形成溶液時粒子數增加 clip_image038,滲透壓clip_image039亦為倍數成長。

5.        滲透壓的現象與理論也應用在食物的保存上。果醬和果凍中常加入大量的糖,這些糖不只是為了讓食物具有甜味,更是保持食品處於高滲透壓的狀態,使食物內的溶液比容器內的糖水濃度低,如此高張溶液將食物內大量水分滲透出來,降低食物內的水份含量。因此,即使有少許在高溫殺菌過程中殘留的細菌,這些細菌也會因處於高滲透壓的環境,生長受到抑制而保鮮。鹽醃漬的食品如火腿、培根等都是利用相同的原理[3]

           學生活動學習單

以下為兩位學生的學習報告。

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圖八:兩位學生的學習報告

n  教學回饋

1.        在進行實驗之前,教師先說明本次實驗目的(奈米現象與滲透現象的觀察)及其需注意的事項,並要求學生在動手進行實驗前畫出實驗流程圖(類似預報的概念),確認學生清楚知道實驗流程,避免茫然未知而亂做實驗或發生危險舉動。

2.        在實驗中,若學生有問題,教師會給予提示與引導幫助學生思考。若有危險行為,則立即要求其停止實驗。

3.        在進行實驗後,發覺學生從不了解滲透現象及其意義到可以延伸推敲逆滲透濾水器原理以及在生活中應用滲透現象。

n  探究與實作設計

經由本次的課程設計,我們發現生活中常見的且平凡的一顆雞蛋居然能進行跨領域的教學,在生物方面可探討蛋殼孔隙通道的粒子選擇性、蛋殼對孵出小雞的關聯性;在化學方面可探討以化學方式造成蛋白質變性、溫度對蛋黃與蛋白的蛋白質的影響;以及在物理方面可探討利用鹽巴增加雞蛋與桌面的摩擦力實驗和蛋殼耐受力的測試,非常適合作為108新課綱「自然科學探究與實作」的能力培養。以下是雞蛋延伸跨領域探究與實作的相關題材。

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圖十二:雞蛋延伸跨領域探究與實作相關題材

n  參考文獻

1.      十二年國民基本教育課程綱要總綱(教育部發佈版),https://www.naer.edu.tw/ezfiles/0/1000/attach/87/pta_5320_2729842_56626.pdf

2.      奈米碳的奧秘,http://scigame.ntcu.edu.tw/chemistry/chemistry-018.html

3.      科技大觀園,https://scitechvista.nat.gov.tw/c/nxWV.htm

4.      滲透現象,龍騰文化事業股份有限公司,選修化學(上)。

5.      原子世界,http://www.hk-phy.org/atomic_world/lotus/lotus02_c.html

6.      科學Onlinehttp://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/p=4474

7.      蛋,https://zh.wikipedia.org/wiki/蛋

8.      蛋殼何處易敲破,https://kknews.cc/zh-tw/news/p43kn2j.html  

9.      飲食文化與化學:蛋的化學(下),http://chemed.chemistry.org.tw/?p=15000

10.  冷凍生雞vs. 白煮蛋之蛋白與蛋黃的差異,http://zfang.zipko.info/777.html

11.  無蛋殼也能孵出小雞?!https://www.youtube.com/watch?v=3tZVKSoZNfs

12.  微在蛋隙─探討蛋殼奈米孔隙的通透性質,https://goo.gl/M7wpsA

n  學生實驗手冊

下載本化學教室活動的學生實驗手冊雞蛋的美麗與哀愁:奈米雞蛋與滲透雞蛋」。

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