綠色化學創意競賽:花蓮高工學生研究維他命C含量測定之藥品減量 / 陳怡真、黃淑雯、陳振信

星期一 , 6, 七月 2015 Leave a comment

綠色化學創意競賽:
花蓮高工學生研究維他命C含量測定之藥品減量

劉怡如、黃淑雯、陳振信*

國立花蓮高級工業職業學校化工科
*asn970@gmail.com

n  教師指導心得

自獲知教育部公告第一屆「綠色化學創意競賽」活動後,即徵詢並遴選即將升上高三的化二學生,自去年(2014年)七月暑期開始進行資料蒐集、分組討論、題目確認、實驗設計與研究、數據整理、結果討論與結果分析等一系列實驗專題工作。

我(通訊作者)在帶領學生進行上述活動過程中感觸最深的是,學生們雖先天資質不如同年齡的西部學生,平時也無機會參加校外相關競賽或交流活動,惟其過程中願意忍受溽暑氣候,把握難得參賽的機會,努力不懈之態度與精神卻是我願意付出,適時給與指引的最大精神支柱。經由這次參賽過程與獲獎結果,深刻體認到若能適時指引學生,必能激發其蘊藏之無限潛能。

n  設計理念與探討

一、  得獎作品

l   作品名稱:維他命C含量測定之HCl減量使用方法之探討。

l   參賽學生:劉怡如、黃淑雯;指導教師:陳振信。

l   得獎名次:高工組綠色化學(減毒減量)創意競賽銀牌獎。

二、  實驗動機與目的

綠色化學的主旨是在討論如何減量減毒以及減廢,經過多日的資料蒐集與討論後,我們選擇了丙級化學技術士技能檢定術科檢定題目之一的「維他命C含量測定實驗」作為此次參賽題目。由於實驗中配製碘溶液時所用到的濃鹽酸屬於高濃度與腐蝕性藥品,因此我們想要探討可否降低其濃度和使用量,以降低實驗時可能發生的腐蝕性危險,並且達到綠色化學減量、減廢的主旨。

本次實驗探討以不同實驗變因(改變藥品用量)對實驗結果(維他命C含量)的影響,以達到減量的目標。本研究的實驗變因有:(一)減少鹽酸用量之可行性研究;(二)降低鹽酸濃度之可行性研究;以及(三)碘化鉀減量可行性研究。

三、  實驗原理

碘酸鉀中的碘酸根離子(IO3)與碘化鉀之碘離子(I,過量的)在酸性下反應可生成碘分子(I2),由此反應可配製碘溶液,其反應如式[1]所示。

IO3(aq)+ 5I(aq) + 6H+(aq) → 3I2(aq) + 3H2O(l)    [1]

由式[1]可知,1 molKIO3可產生3 molI2

由於I2會與維他命C進行氧化還原反應,並被還原為I,因此可以利用碘溶液作為滴定液,並用澱粉當作指示劑,來測定維他命C的含量,其反應如式[2]所示。

C6H8O6(維他命C(aq) + I2(aq) → C6H6O6(去氫維他命C(aq) + 2I(aq)+ 2H+(aq)    [2]

本實驗是利用I2來滴定維他命C的溶液,當達到滴定終點時,維他命C會完全被I2氧化,溶液中多餘的I2即會與澱粉作用,形成深藍色複合體。

四、  實驗步驟

本次實驗所需器材,試樣以碘標準溶液滴定至終點,如圖一所示。

image

圖一:試樣以碘標準溶液滴定至終點

實驗一配製碘標準溶液減少濃鹽酸的用量

A.      配製碘標準溶液(250.00 mL

1.        原來藥品用量:精秤0.2000g乾燥的碘酸鉀(KIO3),加入約3 g的碘化鉀(KI),加100 mL的蒸餾水和2 mL的濃鹽酸(HCl)溶解固體,用容量瓶,加蒸餾水定量至250.00 mL

2.        減少藥品用量:與上述步驟相同,唯濃鹽酸2 mL的用量減少到1.0 mL0.50 mL0.10 mL

 

B.       測定維他命C含量

1.        精秤0.6000 g的維他命C,以蒸餾水溶解,用容量瓶加蒸餾水稀釋至100.00 mL

2.        用移液管,取上述溶液20.00 mL,稀釋至50 mL,加入1 mL3%偏磷酸溶液,再加入1mL0.5%澱粉溶液,以碘標準溶液滴定至終點呈藍色。

3.        重複滴定步驟,計算維他命C含量的平均值

實驗二配製碘標準溶液降低鹽酸的濃度

A.      配製碘標準溶液(250.00 mL

1.        原來藥品用量:精秤0.2000 g乾燥的碘酸鉀(KIO3),加入約3 g的碘化鉀(KI),加100 mL的蒸餾水和2 mL的濃鹽酸(HCl)溶解固體,用容量瓶加蒸餾水定量至250.00 mL

2.        減少藥品用量:與上述步驟相同,唯2 mL的濃鹽酸之濃度降低到6 M3 M1.5 M0.5 M0.25 M0.125 M0.0625 M

B.       測定維他命C含量

1.        與「實驗一」相同。

實驗三配製碘標準溶液減少碘化鉀的用量

A.      配製碘標準溶液(100 mL

1.        減少藥品配製量(從減少250.00 mL100.00 mL):精秤0.0800 g乾燥的碘酸鉀(KIO3),加入約1.2 g的碘化鉀(KI),加30 mL的蒸餾水和0.8 mL的濃鹽酸(HCl)溶解固體,用容量瓶,加蒸餾水定量至100.00 mL

2.        改變藥品使用量:與上述步驟相同,唯1.2 g的碘化鉀(KI)的用量減少到0.9 g0.6 g0.3 g

B.       測定維他命C含量

1.        與「實驗一」相同。

五、  實驗結果和討論

實驗一配製碘標準溶液減少濃鹽酸的用量

在配製碘標準溶液方面,減少濃鹽酸的用量對測定維他命C含量之影響,如表一和圖二所示。

表一:減少濃鹽酸的用量與測定維他命C含量之數據

試驗
編號

濃鹽酸用量(mL

維他命C含量
平均值(%

標準偏差(%

1(原本)

2.0

30.46

2

1.1

29.12

4.40

3

0.50

29.58

2.89

4

0.10

29.02

4.73

image

圖二:減少濃鹽酸的用量對測定維他命C含量之影響

以圖二來看,由減少濃鹽酸用量的實驗結果,我們發現濃鹽酸用量可以從原本的2.0 mL降低至0.10 mL,雖然維他命C含量平均值稍微地逐漸減少,但是此與原來實驗結果之標準偏差為4.73,接近丙級化學技術士技能檢定術科之核可範圍(4%)內。因此,實驗中的濃鹽酸取用量可以被降低(降低幅度達95%),減少廢液排放量。

實驗二配製碘標準溶液降低鹽酸的濃度

在配製碘標準溶液方面,降低鹽酸的濃度對測定維他命C含量之影響,如表二和圖三所示。

表二:降低濃鹽酸的濃度與測定維他命C含量之數據

試驗
編號

鹽酸濃度(M

維他命C含量
平均值(%

標準偏差(%

1(原本)

12.0

30.46

2

6.0

30.35

0.36

3

3.0

29.01

4.76

4

1.5

30.87

1.35

5

0.50

31.22

2.50

6

0.25

30.41

0.16

7

0.125

28.04

7.94

8

0.0625

27.45

9.88

image

圖三:降低濃鹽酸的濃度對測定維他命C含量之影響

原本實驗使用的鹽酸為濃鹽酸(12 M),本實驗我們想要降低鹽酸的濃度,除了減少廢液排放量之外,還可以降低實驗時的危險性。以圖三來看,由鹽酸濃度改變的實驗的結果,我們發現,本實驗的鹽酸可以用較低的濃度,鹽酸的濃度最低可以降至0.25 M來測定維他命C的含量。我們持續試著降低至0.125 M鹽酸,導致標準偏差過大,這可能是因鹽酸濃度過低而導致滴定量及含量降低;為了確保降低鹽酸濃度而維他命C的含量也隨之降低,我們使用0.0625 M的鹽酸探討其結果,從結果得知因鹽酸濃度過低而維他命C的含量會逐漸下降。故本實驗鹽酸濃度下降至最低濃度為0.25 M

實驗三配製碘標準溶液減少碘化鉀的用量

在配製碘標準溶液方面,減少碘化鉀的用量對測定維他命C含量之影響,如表三和圖四所示。

表三:減少碘化鉀的用量與測定維他命C含量之數據

試驗
編號

碘化鉀用量(g

維他命C含量
平均值(%

標準偏差(%

1(原本)

1.2

29.82

2.10

2

0.9

30.74

0.92

3

0.6

32.05

5.22

4

0.3

無法測得

無法測得

image

圖四:減少碘化鉀的用量測定維他命C含量之影響

由於碘化鉀的價格相當昂貴,因此我們試著減少碘化鉀的使用重量,原本用1.2 g開始減少ˊ0.9 g0.6g0.3 g的碘化鉀來比較維他命C含量的變化。以圖四來看,若碘化鉀秤取量達0.3 g時即產生黑色顆粒沉澱物,而會導致反應無法完成,故碘化鉀可降低至最低秤取量為0.9 g

根據上述三個實驗,分別進行個別的實驗條件(0.10 mL的濃鹽酸、2.00 mL0.25 M鹽酸、配製100 mL碘標準溶液之0.9 g的碘化鉀)的結果是可接受的。然而,若合併這些實驗條件之研究(亦即合併使用0.10 mL的濃鹽酸和0.9 g的碘化鉀,或使用2 mL0.25 M鹽酸和0.9 g的碘化鉀),則維他命C含量之測定結果是否仍在可接受範圍內呢?由於學生在三年級尚需上課等因素,以致合併這些條件的研究未能延續,尚不知其可行性。

n  參賽學生心得

很感謝教育部給遠在東部的我們(第一和二作者)參賽的機會,也讓我們從中體認到對於環境的愛護其實可以從實驗時就開始做起。參與這次「綠色化學創意競賽」是一個思考創意的過程,全程中我們總思考著如何才能降低實驗對環境之危害,如何在維持相同精準的實驗結果之情況下亦能夠達到減毒減量以及減廢的宗旨。

我們從一開始選擇題目到研究討論之過程,經過一連串實驗的瓶頸,經常有想要放棄的念頭,但此同時又會想到放棄是懶人一事無成的藉口;最後仍然堅持了下來。經過了半年多來的努力,從暑期一開始就投入全部心力,致力於綠色化學這項競賽活動中,因此,這次的收穫不只是在獲得實質的獎牌、獎狀及獎金上,我們也學到了對於環境的維護、用最簡單的方式,達到最完善的實驗,這就是我們想做的,目的為的就是減少對環境的破壞,盡力地在綠色化學這個領域上做推廣。圖五為參賽師生領獎現場,花蓮高工校長親臨道賀。

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圖五:師生領獎現場,校長親臨道賀

n  結語

在化學丙級技術士技能檢定術科考試的「錠劑中維他命C含量之測定」實驗中,我們探討在配製碘標準溶液方面,使用鹽酸的體積用量和濃度對維他命C測定,我們發現:(一)濃鹽酸用量改變可以從原本2.0 mL減量至0.10 mL,降低幅度達95%;(二)2.0 mL的鹽酸濃度可以從原來的12 M降低至0.25 M,減量幅度達98%;以及(三)實驗所需配製之碘標準溶液可從250.00 mL降至100.00 mL碘化鉀的重量也可從3 g減量至0.9 g,減量幅度達70%。根據實際實驗,分別進行個別的實驗條件的結果是可接受的。若合併這些條件,則維他命C含量之測定結果是否仍在可接受範圍內呢?目前尚不知其可行性,有待進一步研究。

花蓮高工能在全國性的競賽中獲得獎項,對東部學生來說是莫大的榮耀與鼓舞,相信日後憶起參賽過程中付出之點滴甘苦與獲獎結果,能在其遭逢人生困境時燃起努力奮鬥不懈之火花

n  參考資料及其他

1.        丙級化學學術科通關寶典(2012版)。台灣科大。編著:廖建治、蔡永昌。

2.        定量分析及實驗(1998)。林敬二、楊寶旺、陳寶山。高立圖書有限公司(台北市)。

3.        普通化學實驗II2001)。楊永華。東大圖書公司(台北市)。

4.        分析化學實驗II2008)。鄭新讚、鄭茜如。東大圖書公司(台北市)。

5.        分析化學實驗II2002)。張國華、傅芳馨。全華科技圖書股份有限公司(台北市)。

6.        化學實驗環境保護篇(2002)。廖明淵。新文京開發出版有限公司(台北縣)。

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