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大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:
國立屏東大學應用化學系之普化實驗室規劃
鍾旭銘
國立屏東大學應用化學系
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n 前言
國立屏東大學於103年8月1日由國立屏東教育大學與國立屏東商業技術學院合併成立,同年本系由化學生物系更名為應用化學系;因此,國立屏東大學應用化學系今年剛邁入第九年,亦為全國最年輕的化學系,在前三任系主任歷經系所更名、課程重新規劃、師資聘任、教學實驗設備添購與實驗教室改建等工作,目前已經完成軟硬體初步的修改與增建工作。
n 普通化學實驗課程規劃
普通化學實驗課程是化學系的第一門實驗課程,從高中進入大學就讀的化學新鮮人,在高中時期大部分的學生皆未經過實驗課程訓練,普化實驗課程需肩負實驗室安全、實驗基礎操作與實驗器材設備介紹等規劃。在實驗課程內容規劃上,包含有機化學的酯化反應–人工香味製備、皂化反應–清潔劑製備、從茶葉中萃取咖啡因與乙醯化反應–阿斯匹靈製備;分析化學的酸鹼指示劑及pH值測試、酸鹼滴定、分光光度計在定量分析上應用與氧化還原滴定–維生素C含量測定;物理化學的樂沙特列原理實驗、色彩震盪反應與碘鐘實驗;無機實驗的廢鋁鐵罐製備鋁明礬與草酸鉀錯化物的製備;生物化學的醣類結構與檢驗、蛋白質的變性及檢驗與牛奶成分分析;上述實驗的規劃,讓大一學生初步認識化學系大二與大三主要必修課程,可以更快適應專業化學相關課程;國立屏東大學是由高教、技職與師培合流的大學,普化實驗課程亦規劃針對國小教師培育之課程,如:熱冰實驗、葉脈書籤(見圖1)、化學花園、天氣瓶製作與濾紙色層分析等實驗課程;另外,實驗亦規劃了抗菌潔手露、防曬隔離霜、紫雲膏(見圖2)與萬金油等產品製作課程,讓學生了解如何運用乳化反應、萃取技術與藥劑調配等化學觀念結合至生活用品中。普通化學實驗課程是一門須動手操作課程,需藉由實驗動手操作、數據量測記錄與細心觀察結果,來印證與了解教科書上化學原理的入門課程,所以本課程涵蓋各類需求考量下完成規劃。
課程規劃目的
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1. 藉由操作器材與儀器,熟練基本操作技巧,並驗證普通化學的重要現象及理論。
2. 培養學生良好的科學態度及素養,熟練及統整科學過程技能,培養科學探究的能力。
3. 提高學習化學之興趣,並能獲得日常生活中此方面之知識、應用於日常生活中,及日後從事此相關行業時所需之基本知能。
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上學期普化實驗課程規劃
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課程名稱
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課程內容概述
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實驗安全與衛生規定說明
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課堂說明實驗室安全衛生規定並演練緊急灑水設備、洗眼器與滅火器等。
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實驗器材使用與化學藥品說明
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介紹普化實驗中需使用的實驗器材,與化學藥品以及其危險性。
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基本實驗操作說明與演示
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介紹藥品取用秤重、安全吸球與移液吸管、抽氣過濾、滴定管使用以及藥品配製等基本操作說明與演練。
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抗菌潔手乳實驗
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介紹三乙醇胺對高分子膠之作用,進行75%酒精與精油抗菌之效果。
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勒沙特勒原理實驗
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在一個平衡的反應中,藉由改變濃度、壓力與溫度等影響平衡的因素,改變平衡狀態後,讓反應重新達到平衡。
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酸鹼鹽與指示劑實驗
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認識酸鹼性與pH值的關係,學習使用吸量管配製不同濃度的酸鹼標準溶液,觀察各種指示劑在不同酸鹼度時的顏色變化,並嘗試由紫色高麗菜萃取液自製酸鹼指示劑。
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鹼的腐蝕–葉脈書籤製作
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使用氫氧化鈉與碳酸氫鈉等化學藥品,針對葉子進行葉肉腐蝕作用,以及觀察葉脈之組織,進而製作葉脈書籤。
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化學層析–葉綠素分離
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利用有機溶劑萃取菠菜,獲得的萃取液,藉由濾紙分離葉綠素瞭解色層分析概念;並利用不同溶劑比針對菠菜萃取液,在薄層色層分析進行物質分離。
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酯化反應實驗
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自然界中有許多食物與植物的香味來自於酯類化合物,進一步使用有機化合物中的醇類化合物與有機酸化合物進行反應,形成酯類化合物之方法操作。
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皂化反應實驗
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將油脂與鹼性物質(氫氧化鈉)共熱,酯鍵斷裂形成甘油與脂肪酸鈉鹽,藉由氯化鈉溶液進行鹽析,進而獲得肥皂;再與市售清潔劑比較其清潔能力。
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金屬鹽類之結晶–化學花園製作
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水玻璃(矽酸鈉)加入過渡金屬鹽類後,形成半透膜藉由滲透壓不同而產生金屬結晶物,因不同過渡金屬鹽類形成結晶速度與形狀皆不同,所形成之結果。
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天氣瓶製作
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將硝酸鉀及氯化銨加入水中,再將樟腦加入乙醇中(樟腦不溶於水),兩溶液合併加熱即完成,藉由溫度變化生成樟腦結晶。
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紫雲膏製作
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紫草、當歸兩種主成分利用橄欖油等油脂進行萃取,加入蜜蠟形成膏狀物,再加入相關精油增加其風味。
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下學期普化實驗課程規劃
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滴定實驗–酸鹼滴定
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酸鹼滴定的操作步驟及技巧、標準酸、鹼液的配製、酸鹼液濃度的測定計算以及食醋的酸度及洗衣粉的鹼度測定。
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氧化還原實驗–維生素C含量滴定
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利用滴定方式,進行氧化還原反應與當量之計算,再比較市售錠劑和果汁內容的維生素C含量。
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醣類結構與檢測
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初步了解醣類的分類,利用班尼迪克試劑測試單醣、雙醣與多醣的還原能力之實驗操作。
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廢鋁罐製備鋁明礬
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使用回收廢棄鋁罐,利用抽氣過濾、結晶等分離純化技術,獲得鋁明礬的結晶構造。
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動力學實驗–碘鐘實驗
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本實驗使用刻度吸量管,進行初期反應速率法決定過硫酸根離子與碘離子反應,藉由澱粉產生顏色變化之時間,進而獲得反應級數及速率常數。
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牛奶成分分析
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本實驗進行牛奶中的酪蛋白、脂肪、蛋白質與乳糖等組成與成份之試驗。
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色彩震盪反應
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本實驗進行安息香、丙二酸與葡萄糖等,藉由氧化還原等化學反應,而產生色彩變化生成震盪。
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蛋白質變性與檢驗
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本實驗進行蛋白質經由溫度、酸鹼、有機溶劑與重金屬反應後,觀察其變化狀況,以及進行蛋白質組成之元素測試。
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草酸鐵鉀錯化合物製備
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本實驗以最常見的鐵離子為核心,探討其錯離子及錯化物之製備及反應,再利用再結晶法獲得草酸鐵鉀錯鹽。
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乙醯化反應–阿斯匹靈製備
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本實驗進行利用柳酸與乙酸酐,藉由硫酸進行催化形成乙醯柳酸,經過再結晶後,會得到較純的阿司匹靈。
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從茶葉中萃取咖啡因
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本實驗利用沸水萃取茶葉,使用氯仿進行液液萃取,再去水乾燥與再結晶方式獲得咖啡因。
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分光光度計在定量分析上應用
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配製不同濃度硫酸銅溶液,使用分光光度計進行檢量線製作,再分析未知濃度硫酸銅測試。
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圖1:學生葉脈書籤作品 |
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圖2:學生防曬隔離霜與紫雲膏作品 |
n 普通化學實驗教室規劃
本系於民國76年從數理教育系開始多次更名,直至民國103年方始更名為應用化學系,所以先前本系無化學專業實驗教室設置,為了符合應用化學系課程需求,陸續改建普通化學實驗室、有機化學實驗室、分析化學實驗室與生物化學實驗室等專業教室。
普通化學實驗課程為銜接有機化學與分析化學實驗課程,所以實驗教室規劃需涵蓋實驗安全與實驗空間運用,普通化學實驗教室規劃成兩個區域:
一、學生實驗操作區域:學生實驗操作皆在此空間進行(見圖3),包括藥品取得、藥品秤量與實驗操作等,所以在每個實驗桌上設置抽風罩(見圖4),讓實驗進行時所生成之氣體方便抽取,並且在講台旁設置緊急沖眼器(見圖5),另外在實驗室前方放置醫藥箱與安全防護用品(見圖6),確保學生實驗進行之安全;實驗室後方放置廢液回收桶與抽風櫃(見圖7),並設置安全衛生公告欄進行實驗室安全宣導(見圖8),此實驗室改建以空間明亮且動線寬闊進行,讓學生可以在學習與實驗操作中更加安全。
圖3:普通化學實驗教室空間 |
圖4:實驗桌上方抽氣罩 |
圖5:講台上的緊急沖眼器 |
圖6:醫藥箱與安全緊急防護箱 |
圖7:廢液回收桶與抽風櫃 |
圖8:安全衛生公告欄 |
二、實驗器材藥品收置與準備區域:普通化學實驗課程的器材與藥品種類繁多,所以規劃實驗器材放置區(見圖9)、藥品櫃(見圖10)與實驗準備區(見圖11);實驗器材在期初進行分組與分配,讓同學保管自已本學年實驗用器材,實驗課程結束洗淨後就須放置規定位置。實驗課程前助教需至實驗準備區取出藥品,並配置該實驗課程所需要的藥品。
圖9:實驗器材放置區 圖10:藥品櫃
圖11:實驗準備區
n 結語
國立屏東大學應用化學系為全台灣最南端的化學系,目前已經邁入第9個年頭,系上專任教師共有11位,與其他化學系教師人數相比較為精簡,而且在成立時間上最為年輕,但經由系上師長的努力規劃爭取,硬體設備亦逐漸到位,所以教學用實驗教室皆完成改建,可以讓同學有一個舒適又安全的實驗空間進行學習。近年來,本系師長在教學之餘也致力於研究工作,因此國立屏東大學應用化學系,是一個教學與研究並進的小而美化學系。