化學示範起始探究與實作:快速製造肥皂的教師示範和學生實作 / 賴愉方、施麗姍、楊凌宜、楊水平

星期六 , 7, 11 月 2020 Leave a comment

化學示範起始探究與實作:
快速製造肥皂的教師示範和學生實作

 

賴愉方1、施麗姍1、楊凌宜2、楊水平1,*

1國立彰化師範大學化學系

2臺南市立歸仁國民中學
*
yangsp@cc.ncue.edu.tw

n  前言

根據十二年國教自然科學領域課程綱要,在國中學習階段提到主題「物質的反應、平衡及製造(J」之次主題「有機化合物的性質、製備及反應(Jf」,其學習內容明確地列出「Jf-IV-3酯化與皂化反應」,且在學習內容說明提到「3-1 以示範實驗或實作方式進行酯化與皂化反應。並實際體驗酯類的特殊氣味及肥皂的清潔能力。」。此外,在國中學習階段提到該主題的次主題「化學反應速率與平衡(Je)」,其學習內容明確地列出「Je-IV-1實驗認識化學反應速率及影響反應速率的因素,例如:本性、溫度、濃度、接觸面積及催化劑。」本文作者設計一套不同於九年一貫課程綱要在國中理化課本裡的熱製法製造肥皂,而改為冷製法使用寶特瓶快速地製造肥皂,此設計不僅能夠從實驗中學習到皂化反應及其反應式,也能學到影響反應速率的因素,尤其是影響異相溶液反應速率的因素。

九年一貫課程綱要國中理化教科書編輯使用熱製法來製造肥皂,此方法使用酒精且需要加熱,不但消耗藥品而且浪費能源,危險性高且無法達到環境保護的需求。本實驗設計皂化反應的構想:使用冷製法來製造肥皂,使用的藥品只有氫氧化鈉和油酯,不需要添加酒精也不需要加熱。再者,依據不同的油酯具有不同的皂化值,學生在網際網路上可以找到皂化價計算器,藉由計算器來查知使用油脂氫氧化鈉和水的重量。透過計算器的皂化值,有利於學生學習肥皂的相關科學概念和原理。

n  化學示範實驗

一、  觀看示範實驗影片

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影片網址:快速製造肥皂,https://youtu.be/fqERZgcgcVg

二、  示範藥品與器材

橄欖油 200克、大豆沙拉油 200.克、氫氧化鈉 26克、蒸餾水 58.2毫升、玻璃杯或燒杯(100毫升) 3個、冰塊 若干(或可無)、玻棒 1支、溫度計(100 1支、寶特瓶(600毫升) 2個、食用色素 1盒(或可無)、香精 若干瓶(或可無)、模具 1個(廢棄的塑膠盒亦可)、保鮮膜 1卷、實驗衣 1件、手套 1副、護目鏡 1副,如圖一所示。

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圖一:教師示範所需器材和藥品

三、  事前準備

(一)   查詢皂化值和配方

本示範實驗是利用橄欖油來製造肥皂,根據網際網路的製造肥皂計算器得知(見下面的超連結),橄欖油的皂化值(皂化價)為0.134 g NaOH / Olive oil g

l   手工皂配方計算表 Helen’s Aromatherapy Lye calculatorhttps://bit.ly/36GdvgR

l   Lye Calculator and Fragrance Calculator, https://bit.ly/2UzJvxb.

為了製造的肥皂有潤滑的質感,作者設定本次製造肥皂的超脂(superfatting)或減鹼(lye discount)為5%。由上面第一個計算器查知,若使用橄欖油重量為200.克時,且預設減鹼為5%,則氫氧化鈉用量為25.5克,所需水量(2.4倍)為61.2克(此網站誤植為64.3克)。由上面第二個計算器(示範影片用此計算器)查知,若使用純的橄欖油重量為200.克時,且預設超脂為5%,則氫氧化鈉用量為26.03克,所需水量為58.21克。另類地,以手動計算:使用橄欖油製造肥皂需用氫氧化鈉用量 = 200. × 0.134 × 95% = 25.5克。

(二)   準備油脂和配製溶液

教師事前準備示範的油脂(橄欖油)和配製氫氧化鈉溶液。配製溶液時,務必戴護目鏡和乳膠手套,穿實驗衣。

1.  使用燒杯或玻璃杯,稱取200克的油脂(橄欖油)。

2.  使用燒杯或玻璃杯,稱取26.0克的固體氫氧化鈉。

3.  使用燒杯或玻璃杯,稱取58.2克的蒸餾水。

4.  配製氫氧化鈉溶液:慢慢地倒入固體氫氧化鈉到裝有蒸餾水的燒杯中,小心地攪拌均勻,如圖二左所示。

5.  測量橄欖油與氫氧化鈉溶液的溫度,如圖二中所示。

6.  放置裝有氫氧化鈉溶液的燒杯在冰水塑膠盆中,促使溫度快速降低,如圖二右所示。當氫氧化鈉溶液與油脂的溫度相差小於5℃時,即可進行混合。〘若不急於製造肥皂,則以水浴降溫即可,不必準備冰塊。〙

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圖二:配製氫氧化鈉溶液(左);剛剛配製氫氧化鈉溶液的溫度在76-78℃之間(中左,透明液體),橄欖油的溫度為室溫(中右,黃色液體);放置氫氧化鈉溶液在冰浴中冷卻(右)

四、  正式示範

(一)      使用橄欖油和大豆沙拉油製造肥皂

1.  教師攜帶示範用的油脂(橄欖油)和氫氧化鈉溶液以及需用藥品和器材到教室,放置在示範桌上,如圖三所示。

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圖三:模具、寶特瓶、油脂、固體氫氧化鈉、已稱重的油脂及已配製的氫氧化鈉溶液

2.  首先,倒入已稱重(200克)的油脂(橄欖油)到一個寶特瓶中,如圖四左所示。

3.  然後,倒入已配製氫氧化鈉溶液到寶特瓶中,如圖四右所示。此時油脂在上層,氫氧化鈉溶液在下層。

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圖四:先倒入橄欖油,再倒入氫氧化鈉溶液到寶特瓶中

4.  蓋緊瓶蓋,以上下左右搖晃寶特瓶的方式,促使瓶內的溶液均勻混合,如圖五左所示。當溶液變成均勻的乳黃色且沒有分層濃稠狀的肥皂時,即可停止搖晃(一般而言,需時約2分鐘,時間依搖晃的頻率和大小而有差異)。

5.  倒入寶特瓶內的液體至模具中,如圖五右所示。使用迷你咖啡豆巧克力模具,可製造小塊的肥皂。

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圖五:搖晃寶特瓶內的混合溶液(左);倒入濃稠狀肥皂到模具中(右)

6.  在模具中的肥皂半成品,如圖六右所示。

7.  一般而言,肥皂於倒入模具中七日後即可進行脫模,取得肥皂成品,如圖六左所示。大塊的肥皂適合在家中使用,小顆的肥皂可以裝在塑膠盒中隨身攜帶外出使用。

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圖六:用橄欖油製得的肥皂半成品(左)和肥皂成品(右)

n  學生實作製造肥皂

一、  實驗用藥品和器材

每組製造肥皂用量:橄欖油100.克、大豆沙拉油 100.克、氫氧化鈉 31.3克、蒸餾水 75.3毫升、燒杯或塑膠杯(250毫升) 3個、冰塊 若干(或可無)、玻棒 1支、溫度計(100 2支、寶特瓶(約300毫升) 2個、食用色素 14色(或可無)、香精 若干瓶(或可無)、模具 2個(廢棄的塑膠盒亦可)、保鮮膜 1卷、實驗衣 1件、手套 1副、護目鏡 1副,如圖七所示。

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圖七:學生分組實作需用的藥品與器材

二、  查詢皂化值和氫氧化鈉用量

在學生實作方面,利用橄欖油和大豆沙拉油製造肥皂,根據網際網路的製造肥皂計算器得知(提供兩超連結如前面「查詢皂化值和配方」所示),橄欖油的皂化值(皂化價)為0.134 g NaOH / Olive oil g,而大豆沙拉油的皂化值為0.135 g NaOH / g大豆油

為了製造的肥皂有潤滑的質感,油脂的用量設定超脂或減鹼為5%。由上面第一個計算器查知,若使用橄欖油重量為100.克,並設定減鹼為5%,則氫氧化鈉用量為12.7克,所需水量(以2.4倍計)為30.6克(此網站誤植為32.2克)。若使用大豆油重量為100.克,並設定減鹼為5%,則氫氧化鈉用量為12.8克,所需水量(以2.4倍計)為30.8克(此網站誤植為32.4克)。由上面第二個計算器查知,若使用純的橄欖油重量為100.克時,且預設超脂為5%,則氫氧化鈉用量為13.02克,所需水量為29.10克,氫氧化鈉溶液為42.12克。若使用大豆油重量為100.克時,且預設超脂為5%,則氫氧化鈉用量為13.02克,所需水量為29.10克,氫氧化鈉溶液為42.12克。另類地,以人工手動計算:(1)使用橄欖油製造肥皂:需用氫氧化鈉用量 = 100. × 0.134 × 95% = 12.7克;(2)使用大豆油製造肥皂:需用氫氧化鈉用量 = 100. × 0.135 × 95% = 12.8克。

經作者實際測定皂化值,大豆沙拉油的皂化值為275.3 mg KOH/g油,亦即275.3 mg × (40.00 g/mol / 56.11g/mol) NaOH/g = 275.3mg × (1/1.403)NaOH/g = 275.3 mg × (0.7129) NaOH/g = 196.3 mg NaOH/g = 0.1963 g NaOH/g油(莫耳質量:NaOH = 39.997 g/molKOH = 56.106 g/mol)。實驗測得的皂化值(0.1963 g NaOH / g大豆沙拉油)與計算器查知的的皂化值(0.135 g NaOH / 大豆油)兩者差異很大。

本實驗依照大豆沙拉油的皂化值為0.1963 g NaOH/g油來製造肥皂,100.克大豆沙拉油皂化需用氫氧化鈉重量 = 100. × 0.196 × 95% = 18.6克。

三、  準備油脂和配製溶液

事前準備油脂(橄欖油和大豆沙拉油)並配製氫氧化鈉溶液。〘注意:氫氧化鈉易腐蝕皮膚和眼睛,配製時務必戴護目鏡和乳膠手套,穿實驗衣。

1.  使用燒杯(或塑膠杯),稱取油脂(100.克的橄欖油;100.克的大豆沙拉油)。

2.  使用燒杯(或玻璃杯),稱取固體的氫氧化鈉(12.7克用於橄欖油;18.6克用於大豆沙拉油)。

3.  使用燒杯(或玻璃杯),稱取蒸餾水(30.6克用於橄欖油;44.7克用於大豆沙拉油)。

4.  配製氫氧化鈉溶液:慢慢地倒入固體氫氧化鈉到裝有蒸餾水的燒杯中,並且小心地用玻璃棒攪拌均勻,如圖八所示。

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圖八:配製氫氧化鈉水溶液,用於橄欖油(左)和大豆沙拉油(右)的皂化。

5.  測量油脂與氫氧化鈉溶液的溫度,如圖九所示。

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圖九:剛剛配製氫氧化鈉溶液的溫度在75-80℃之間(分別在兩圖左側的透明溶液),

而橄欖油和大豆沙拉油的溫度為室溫(分別在兩圖右側的黃色溶液)

6.  放置裝有氫氧化鈉溶液的燒杯在冰水或室溫水的塑膠盆中,促使快速降低溫度。當氫氧化鈉溶液與油脂的溫度相差小於5℃時,即可混合,如圖十所示。

〘若不急於製造肥皂,則靜置自然降溫即可,不必準備冰浴或水浴。〙

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圖十:放置氫氧化鈉溶液在冰浴(左)或水浴(右)中快速冷卻

四、  使用油脂製造肥皂

1.  首先,倒入已稱重的油脂(100.克的橄欖油或100.克的大豆沙拉油)在一個小寶特瓶中,如圖十一所示。

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圖十一:首先倒入橄欖油(左)或大豆沙拉油(右)在小寶特瓶中。

2.  然後,倒入已配製氫氧化鈉溶液到此寶特瓶中,如圖十二所示。

此時油脂在上層,氫氧化鈉溶液在下層,有明顯的分界。

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圖十二:倒入氫氧化鈉溶液到裝有橄欖油(左)或大豆沙拉油(右)的寶特瓶中

3.  再來,先上下搖晃而後左右搖晃寶特瓶。每次搖晃約半分鐘後,仔細地觀察瓶內肥皂流體的稠度和小氣泡下降的流速。當皂化接近結束時,混合物呈現像優酪乳黏稠狀的流體且有小氣泡沿著寶特瓶內壁會緩慢下降,如圖十三所示。
一般而言,需時約2分鐘,時間依搖晃的頻率和大小而有差異。

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圖十三:當皂化接近結束時,呈現黏稠狀的流體。

4.  當皂化接近結束時,加入4-5滴的食用色素或/2-3滴的香精,如圖十四所示。
〘若想要製得天然的肥皂,則可不加入食用色素和香精。〙
〘注意:若過早加入食用色素或香精,因氫氧化鈉濃度過高而使得食用色素的顏色和香精的香氣發生變化。〙

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圖十四:視自己的需要,加入食用色素(左)和香精(右)。

5.  蓋緊瓶蓋,先上下而後左右搖晃寶特瓶,促使瓶內的溶液混合均勻,如圖十五所示。當瓶內的溶液變成像洗潔精的濃稠狀流體時且有小氣泡向下流速非常緩慢時,立即停止搖晃。

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圖十五:當溶液變成像洗潔精的濃稠狀流體時,停止搖晃。

6.  倒入寶特瓶內濃稠狀的流體至模具中,如圖十六左和中所示。使用迷你咖啡豆巧克力模具,以便製造小塊的肥皂,如圖十六右所示。

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圖十六:倒入濃稠狀流體到模具中,橄欖油(左)和大豆沙拉油(中)製得有造型的大塊肥皂;大豆沙拉油(右)製得的小顆肥皂。

五、  分組實作的肥皂成品

一般而言,肥皂於倒入模具約七日後即可進行脫模,如圖十七所示。大塊的肥皂適合在家中使用,小顆的肥皂可以裝在塑膠盒中隨身攜帶,在外出時使用。

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圖十七:使用橄欖油(左)和大豆沙拉油(右)製得的肥皂成品。

圖十八左和中為展示有美觀的成品,以下肥皂皆用橄欖油製造。此外,大塊肥皂可切成小塊肥皂,放在小塑膠盒中,易於隨身攜帶外出使用,如圖十八右所示。

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圖十八:藍紫色(左)和粉紅色(中);切成小塊的肥皂(右)

n  學生實作二檢驗肥皂

一、  檢驗用藥品和器材

每組檢驗肥皂需用藥品和器材及其用量:石蕊試紙(酸式和鹼式) 4張(或pH試紙 4張)、試管 1支、玻棒 1支、油脂(橄欖油或大豆沙拉油) 20毫升、氯化鈣 少量、蒸餾水 100毫升、自來水 50毫升、飲用水 50毫升、燒杯或透明塑膠杯(100-150毫升),如圖二所示。

二、  檢驗肥皂的性質

(一) 酸鹼度測試

分別放置蒸餾水(2滴)、自來水(2滴)、剛剛製造的肥皂(2滴)、皂化三個月的肥皂(少量,滴加少許的水)及合成清潔劑(洗潔精,2滴)在一張黑色的塑膠板上,然後用石蕊試紙或pH試紙接觸這些待測物。觀察石蕊試紙或pH試紙的變色並比對其對應的pH值,如圖十九所示。

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圖十九:pH試紙未接觸到(由左而右)蒸餾水、自來水、剛剛製造的肥皂、皂化三個月後肥皂及合成清潔劑(左);pH試紙接觸到待測物(右)

檢驗結果:蒸餾水、自來水、剛剛製造的肥皂、皂化三個月後肥皂及合成清潔劑的pH值分別為6(淡綠色)、7(綠色)、>10(紫紅)、9(深綠色)、7(綠色),亦即分別為弱酸、中性、強鹼、弱鹼、中性。

(二) 油水分離測試

在一支試管中,裝入水與油脂,使其呈現分離狀態,如圖二十左所示。然後加入製造的肥皂並加以搖晃,觀察油水之間沒有界面,如圖二十右所示。

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圖二十:油水分離(左);油水之間無界面(右)

檢驗結果:未加入製造的肥皂到水和油脂中無明顯的界面,加入製造的肥皂到水和油脂中有明顯的界面。

(三) 硬水和軟水測試

準備四個燒杯,分別裝入硬水(加少許的氯化鈣至自來水中)、自來水、飲用水及蒸餾水,然後加入剛剛製造的肥皂,用玻棒攪拌,觀察變化現象,如圖二十一所示。 clip_image084[4]

圖二十一:硬水、自來水、飲用水、蒸餾水(由左至右)的硬度檢驗

檢驗結果:硬水產生沉澱最多,自來水與飲用水相差不多,蒸餾水則無沉澱。

n  安全注意事項

l  在進行實驗時,務必戴上乳膠手套和護目鏡並穿上實驗衣,避免化學物質接觸到皮膚及眼睛。

l  氫氧化鈉具有腐蝕性,高濃度溶液可能會導致皮膚和眼睛灼傷。

n  原理與概念

一、  皂化反應

植物和動物的油脂是皂化的傳統材料,這些油膩的三酯物質,稱為三酸甘油酯(triglycerides),是衍生自多種脂肪酸的混合物,圖二十二是常見的三酸甘油酯之一硬脂酸酯。

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圖二十二:硬脂酸酯的結構式

(圖片來源:Saponification, https://en.wikipedia.org/wiki/Saponification

在傳統的方法中,三酸甘油酯使用強鹼(例如:氫氧化鈉溶液)製造肥皂,鹼性溶液會裂解酯鍵(ester bond),釋放出脂肪酸鹽(即肥皂)和甘油,如反應式[1]所示。此方法也是生產甘油的主要工業方法。在某些肥皂製造中,甘油留在肥皂中;但是如有必要,可透過添加食鹽(氯化鈉),以鹽析法來沉澱肥皂並取得甘油。

clip_image088[4][1]    (圖片來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/File:SaponificationGeneral.svg

二、  皂化值

在指定條件下,皂化值(Saponification value,又稱皂化價)表示1克脂肪皂化所需的氫氧化鉀毫克數(或克數)。此數值是特定油脂中所有脂肪酸的平均分子量(或鏈長)的量度。皂化值可用於比較平均脂肪酸的鏈長。在脂肪中具有長鏈脂肪酸的皂化值較短鏈者為低,因為與短鏈脂肪酸相比,每單位質量的脂肪中羧酸官能基的數量相對較少。若需要更多莫耳數的鹼來皂化相同質量的油或脂肪,則表示存在更多莫耳數的油或脂肪,且脂肪酸的鏈長相對較小,這取決於關係式[2]

油脂莫耳數 = 油脂質量/油脂平均分子量    [2]

手工肥皂製造者利用各種油脂的皂化值來確定使用NaOH(氫氧化鈉)所需的用量。目前,有一些線上計算器表列各種油脂的NaOH(氫氧化鈉)和KOH(氫氧化鉀)皂化值。NaOH的皂化值可透過KOH的皂化值轉換而得到,亦即用KOH的皂化值除以KOHNaOH的式量之比(56.11 g/mol / 40.00 g/mol = 1.403)而得到。使用NaOH可製成固體肥皂(鈉皂,一種硬肥皂),使用KOH可製成糊狀凝膠狀或液體肥皂(鉀皂,一種軟肥皂)。

由於不同的油酯具有不同的皂化價,因此在實驗前需要透過的皂化值來計算氫氧化鈉或氫氧化鉀的用量。目前有很多線上計算器,只要輸入指定油脂的種類及其用量,即可輸出鹼量和水量。這些計算器不僅可以改變油脂與重量,而且可以設定超酯或減鹼的百分比,超酯或減鹼的大小代表製得肥皂的潤滑程度。

三、  肥皂性質檢驗

剛剛製造的肥皂,由於皂化不完全而有殘留氫氧化鈉,因此這類肥皂測得的pH值較高,鹼性較強;而製造多日的肥皂,由於皂化幾乎完全而沒有殘留氫氧化鈉,因此這類肥皂測得的pH值相對較低,鹼性較弱。

肥皂浮渣(Soap scum)是由於硬水中的鈣和鎂離子加到肥皂而產生的白色固體。在反應式[3]中,肥皂中的鈉陽離子被鈣取代形成硬脂酸鈣。

2C17H35COONa(aq)+ Ca2+(aq) → (C17H35COO)2Ca(s) + 2Na+ (aq)    [3]

目前最常用的合成清潔劑為長鏈烷基苯磺酸鈉鹽,例如:十二烷基苯磺酸鈉。合成清潔劑為強酸強鹼鈉鹽,水溶液呈中性。

四、  皂化反應速率

影響反應速率的因素有反應物的性質濃度壓力反應順序溫度溶劑電磁輻射催化劑同位素表面積攪拌和擴散極限。反應物種的數量它們的物理狀態(形成固體的顆粒的運動比氣體或溶液中的顆粒的運動慢得多)反應的複雜性和其他因素會極大地影響反應的速度。攪拌對異質溶液的反應速率有很大影響,攪拌使反應物顆粒保持運動,增加碰撞的機會因而提高反應速度。本實驗用上下左右搖盪的方式促使皂化的反應速率加速。

n  附記肥皂破壞病毒的活性

正值新冠肺炎(嚴重特殊傳染性肺炎,COVID-19)疫情嚴峻之際,戴口罩、勤洗手及避免到人群聚集之處等作法是避免感染新型冠狀病毒的良策。病毒本身是無生命的有機體,只有在生命體中才會進行複製並增生。病毒是由DNA(去氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)基因為核心和蛋白質為外殼所組成的,有些病毒的外層還有脂質構成的包膜,例如:新型冠狀病毒,主要結構由RNA、蛋白質、最外層由脂雙層包膜(Lipid Bilayer Envelope)所構成。因此,用肥皂洗手能夠破壞病毒的最外層的包膜,降低病毒的活性,而達到消滅病毒的效果。澳洲新南威爾士大學化學教授Palli Thordarson稱:肥皂比酒精能更有效地殺死冠狀冠狀病毒,濕洗手比乾洗手更有效果對付新型冠狀病毒。關於用肥皂洗手可破壞病毒的活性,請參閱「參考資料」第56文章的圖示說明以易於理解。

n  結語

由實驗結果觀之,利用冷製法以人工搖動方式可以快速製造肥皂,此實驗的作法可以作為學生學習符合新課綱的學習內容皂化反應和反應速率之用,透過減鹼和超脂的設定也可以學到化學計量的限量試劑和過量試劑之概念,並且親自體驗製造肥皂的樂趣。此外,用色素染製使肥皂更加美觀並用模具製造各式各樣的造型,學生學到藝術與化學的結合。使用較小的模具或切割成小塊肥皂,便於隨身攜帶,易於在戶外使用,有效果對付新型冠狀病毒。另外,作者設計的學習單可作為國中理化實驗教學的參考。

n  學生實驗手冊

下載學習單以冷製法快速製造肥皂

n  參考資料

1.  十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域,國家教育研究院,107年。取自:https://bit.ly/2WPsz6I

2.  手工皂製作,https://bit.ly/3lwwW1O

3.  手工皂配方計算表 Helen’s Aromatherapy Lye calculatorhttps://bit.ly/36GdvgR

4.  病毒,https://zh.wikipedia.org/wiki/病毒

5.  為什麼用肥皂洗手能抗病毒?https://bit.ly/3lwxhl6

6.  化學教授:殺滅冠狀病毒,肥皂比酒精更有效,https://bit.ly/38NNu1B

7.  Lye Calculator and Fragrance Calculator, https://bit.ly/3pFHYUW.

8.  A History of Violence—How Soap Attacks a Coronavirus, https://bit.ly/3kyShGz.

9.  Why does soap work so well on SARS-CoV-2? https://bit.ly/3nwsLDP.

10. Soap scum, https://en.wikipedia.org/wiki/Soap_scum.

11. Reaction rate, https://en.wikipedia.org/wiki/Reaction_rate.

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