跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇 廖旭茂1, 2,*、陳許玉鈴1 1台中市立大甲高級中等學校 2教育部高中化學學科中心 *nacl880626@hotmail.com n  簡介 數千年前，中國神農氏，嘗百草，解救了千千萬萬黎民眾生，形形色色的植物的根、莖葉、果實，成了華人醫療保健、養生飲食的首選，更進一步發展成獨具特色的中醫。本實驗模組研究肉桂、豆蔻、香草、檸檬、柑橘等具有特殊香氣的芳香植物，與其體內所含的精油理化性質的探究與鑑定1。 肉桂是古老的香料植物，也是長久以來最常用的中藥材之一；特殊的香氣，是五香之一，常用於燉肉提味上；近年來，肉桂皮研磨的粉末多用於風味麵包、甜點與調味咖啡的製作；肉桂在醫藥上可以增強消化功能，幫助排除消化道的積氣，甚至可以降低血糖的功用1。肉桂的氣味與功效主要來自製肉桂精油中的肉桂醛（含有90 %以上），學名為2-丙烯醛，結構中含有烯基與醛基，這兩個官能基在化學上可進行加成、氧化還原反應。本實驗利用自製的電熱式微型蒸餾器2，透過加熱酒精蒸氣，分離出土肉桂葉中的肉桂精油等成分；隨著運用薄層層析TLC鑑定經由中肉桂醛的存在，並檢測其分子不飽和的結構與反應性。肉桂醛因具令人愉悅的天然香氣，並具有殺菌功能，常用於口香糖，冰淇淋，糖果，飲料中。下圖為常見的肉桂。 圖1：由左而右依序為肉桂皮、肉桂粉與土肉桂葉 本單元是學校高二生物化學跨科探究與實作的課程的一部份，會選土肉桂做為題材，起因於2010年前後，筆者參加的一場演講說起，當時中央大學的洪蘭教授在會中分享了一個有關屏東縣新埤國中將肉桂葉變黃金的故事3，這麼一個有溫度、在地的故事深深吸引筆者，跟自然科討論後，列入探究與實作的主題。台灣土肉桂屬於樟科的常綠喬木，跟中國、東南亞的肉桂不同，其肉桂精油分布在土肉桂葉片而不是樹皮，取精油時，不用剝除其樹皮，傷其樹幹，因此適合作為探究的主題。本課程另一部分生物篇將探討抗菌設計的部分課程，有機會待下回再分享。 n  原理與概念 本實驗的設計分為精油的提煉、性質檢測，以及TLC鑑定三個部分，其原理和概念分述如下： 大部分的植物精油是疏水性的，密度也多比水輕，以水蒸氣蒸餾法來提煉法居多，為避免高溫影響精油的結構，也有一些使用溶劑萃取，或CO2超臨界流的方式萃取4；肉桂醛，微溶於水，密度為1.05g/mL，略重於水，可與酒精完全互溶，沸點為248℃。為避免高溫蒸餾，影響結構，先以酒精萃取肉桂葉粉末，並以超音波震盪，破壞細胞壁，促使精油提煉效率提高。下圖為肉桂醛的結構式。 圖2：肉桂醛的結構式 肉桂醛的結構中，有烯基、醛基，若欲檢測烯基，可使用溴水溶液，溴可與烯2-丙烯醛的烯基產生加成性反應，轉為2, 3- 二溴苯丙醛；若欲檢測醛基的存在，實驗室中最方便的可先以KMnO4(aq)溶液的酸性溶液反應，轉變成丙烯酸，而使紫紅色褪色；不過使用高錳酸鉀液來檢驗肉桂醛情況可能有些複雜，高錳酸鉀在酸性環境可與醛基反應，產生無色的亞錳離子與肉桂酸，但也有可能與酒精作用，只是反應速率較慢，此外高酸酸鉀亦有可能與烯基作用，生成二醇類與二氧化錳沉澱。下圖左、右發現第一排最左邊的對照組靜置5分鐘後，發生紫紅色褪色，且有黃褐色沉澱物，判斷為二氧化錳。 圖3：圖左為剛加入試液的顏色，圖右為5分鐘後的顏色，對照組的紫紅色發生褪色 有鑑於此，多侖試液可以用來檢驗醛基，產生銀鏡反應，似乎是比較適合的檢測試劑，下圖為肉桂醛與多侖試液作用。 圖4：左邊孔穴為對照組，右邊是肉桂醛標準液發生銀鏡反應     TLC的鑑定，展開液的選擇是一個大問題，考量點有二，一是從溶劑的極性考量，根據文獻5溶劑的相對極性的大小：醋酸（1.049）>水（0.998）>甲醇（0.762）>乙醇（0.654）>乙酸（0.648）>丙酮（0.355）>氯仿（0.259）>乙酸乙酯（0.228）>乙醚（0.117）>苯（0.111）>四氯化碳（0.052）>正己烷（0.009）。二是方便性，容易取得，三是安全考量，毒性越低的適當。因此選了正己烷與乙酸乙酯。 展開結束後，以殺菌用254nm的紫外光照射事先塗布螢光劑的TLC片，標準肉桂醛溶液會出現紫黑色信號，如果蒸餾液也在相同位置出現信號，則可確認蒸餾液中含有肉桂醛。下圖為紫外光下的肉桂醛信號。 圖5：UVC光下TLC片出現的肉桂醛吸收光的情況 n  器材與藥品 1.      藥品：乾的肉桂葉0.5克、試藥級肉桂醛（>98 %）、乙醇5毫升、0.01 M高錳酸鉀（KMnO4）溶液 (盛裝於10毫升樣本瓶中）、1.0 M硫酸（H2SO4）溶液（盛裝於10毫升樣本瓶中）、0.5M硝酸銀（AgNO3）溶液(盛裝於10毫升樣本瓶中）、乙酸乙酯2毫升、正己烷6毫升。 2.      器材：微型電熱式蒸餾模組、陶瓷孔盤（3ⅹ4）1個、TLC薄層層析片（3 cm × 7 cm）/組、120毫升樣本瓶/組、毛細管（10 cm）2支/組、塑膠滴管（3毫升）3支、強力磁鐵（Φ=5mmⅹ2mm）、L型鍍鋅角鐵。 n  建議實施實施步驟 l 建議實驗活動步驟-1：利用微型蒸餾萃取土肉桂中的精油 1.      事先摘取土肉桂葉，曬乾後（亦可用烘箱60℃低溫烘乾），撕裂成碎片後，以研磨機(或磨豆咖啡機器)打成粉末，備用。下圖為研磨成品。 圖6：研磨成品的肉桂粉及肉桂葉 2.      取自製的電熱式蒸餾瓶2，打開瓶蓋，以刮勺取約0.5公克的肉桂葉粉末，加入瓶中，再加入10毫升的酒精，隨後以玻棒適當攪拌均勻，蓋在瓶蓋，隨後以超音波震盪約5~10分鐘，水溫設定50℃。下圖為震盪過程。 圖7：多組肉桂液試液一起震盪的過程 3.      震盪結束，將微型電熱式蒸餾器組裝好，冷凝管循環水杯中放入少許冰塊與自來水，以冷卻凝結蒸餾出蒸氣。再取一直流電源供應器，將紅、黑鱷魚夾線導線分別連接微型蒸餾器的兩個卡扣（作法如筆者前一篇文章所述，請參見台灣化學教育期刊1），下圖為微型蒸餾與收集瓶的裝置圖。 […]

綠色創客-3：微型電熱式蒸餾器的設計與製作 廖旭茂 台中市立大甲高級中等學校 教育部高中化學學科中心 nacl880626@hotmail.com 簡介 蒸餾是化學工業上用來分離混合物的方法之一，它是利用混合物中的各成分沸點的差異來進行分離的。當對溶液加熱時，沸點低的成分會先分餾出，此技術普遍應用在釀酒與石化產業1。一般中學實驗室都是以簡單蒸餾為主，其主要的組成配件包括：盛裝蒸餾液的圓底燒瓶、防止突沸的沸石、作為加熱源的加熱包、偵測溫度的溫度計、冷卻蒸氣的李必氏冷凝管以及收集蒸餾液的錐形瓶等2。下圖為簡單蒸餾裝置圖。 圖1：實驗室中的蒸餾裝置圖。 體積過於龐大、造價過於高昂，且玻璃易碎，一般都是作為老師演示實驗用，學生無法分組實作；如何克服這些限制，改良蒸餾裝置，成了此次研發的重點。 延續之前的撰文（綠色創客-2：霍夫曼微型電解水模組的設計與應用3）風格，應用跨領域的技術，從無到有，一步一步地完成新式的微型蒸餾裝置的設計，以及實驗模組的教學應用；微型的設計中以20毫升樣本瓶取代傳統的圓底燒瓶，作為待蒸餾物的盛裝；應用雷射切割技術，製作支撐架；利用纏繞的電熱帶，搭配變壓器加熱，維持穩定熱源，取代昂貴的電熱包，或不夠安全的酒精燈；利用珍珠奶茶吸管作為冷凝管，加上USB沉水小馬達循環冷卻，達成節水的目標；整個裝置具有不易摔破、攜帶方便、安全穩固的優勢，除可將蒸餾的技術透過實作普及外，並可實際應用於探究與實作–「植物精油的提煉」課程上。下圖為兩款微型蒸餾器的外觀圖。   圖2：微型電熱式蒸餾裝置（尚未纏繞電熱片） 本文除描述「微型電熱式蒸餾裝置」的製作方法外，亦提供教學使用示例。期盼透過本刊物的分享，提供讀者瞭解蒸餾實驗的參考；落實實驗減量、減廢，實踐環境友善與綠色永續的教學目標。 器材與藥品 1.      功率80W的雷射切割機。 2.      透明壓克力板60cm × 40 cm，厚度8mm一塊（約可切出18組微型蒸餾器支架） 3.      寬為1mm的鎳鉻帶120cm【購自電子材料行】 4.      聚醯亞胺絕緣耐熱膠帶【購自電子材料行】 5.      功牙機1台（含3.2mm、6.0mm鑽頭各1支） 6.      電子本生燈1台 7.      24V變壓器1個【購自電子材料行】 8.      USB沉水馬達【購自水族館】 9.      耐熱玻璃管（直徑Φ＝4mm，壁厚1mm，長300mm）1支 10.  雙面膠帶（寬＝5mm、）1捲 11.  珍珠奶茶大吸管或環保矽膠吸管 12.  矽膠管2根（外徑＝4.5mm，內徑2.5mm，長400mm） 13.  M6螺絲組（含120mm長螺桿1支、螺母5個）【購自五金材料行】L 14.  鱷魚夾端子1條（DC5.5*2.5(母)轉鱷魚夾，長15cm）【購自電子材料行】 15.  塑膠空心圓管2支（直徑3mm，長3cm） 16.  #0、#5矽膠塞各2個（因樣品瓶口大小並無統一規格，矽膠塞規格會有異動） 17.  電子溫度計【購自水族館】 18.  紅葡萄酒一瓶。 製作微型電熱式蒸餾器裝置 1.      […]

利用簡易光電比色法測定溴瑞香草酚藍的解離常數 廖旭茂*、林翊菲、陳淳煜 台中市立大甲高級中等學校 教育部高中化學學科中心 *nacl880626@hotmail.com 簡介   基礎化學(三)中提到可逆反應會因為反應物的濃度與溫度的變化，而改變反應行進的方向，而造成現象的可逆變化可以用勒沙特列原理來解釋。關於平衡常數的測定實驗，多年來都是以硝酸鐵與硫氰化鉀反應生成血紅色的硫氰化鐵離子，再以比色法求出相關溶液的濃度，藉此求出平衡常數。本實驗聚焦在課本化學平衡中平衡常數測定實驗的改良，以溴瑞香草酚藍(Bromothymol Blue，以下簡稱BTB)的解離平衡常數Ka的測量取代課本的硫氰化鐵的比色實驗，並與標準儀器分光光度計(UV-Vis)測量結果進行比對。BTB是常用中性範圍變色指示劑，實驗用量低，使用後可完全回收再利用的特性，可以降低環境造成負擔；靈敏但便宜的光電二極體取代昂貴的分光光度計，除減輕學校購置的財務壓力外，也可以讓學生透過麵包板的簡單電路，學習組裝簡易量測儀器，學習進階的比爾定律。  朝向設計低毒性化學藥品取代有毒藥品實驗、改進實驗流程和化學藥品可回收再使用的實驗設計，除了能印證課本的勒沙特列原理外，更能有效降低有毒物質的使用及排放，達到綠色化學永續經營的目標。     器材與藥品 一、器材： 每組需要：可攜式簡易型光電比色計(組件材料包括：光電二極體、可變電阻、LED燈泡、麵包板等)。比色管6根、塑膠滴管數支、電源供應器等，Vernier分光光度計1台(比較用)、pH計一台。  二、藥品： 溴瑞香草酚藍(Bromothymol Blue，以下簡稱BTB)、0.1M HCl(aq)、0.1M NaOH(aq)。      研究方法與步驟 一、 簡易光電比色計的原理： 1.       本實驗用電子元件套件購自易儀科技，相關原理可參考其出版的探究與實作一書[3]。光電二極體(photodiode SP-1KL)為光強度的偵測器，將通過樣品溶液的不同強度的光轉為電壓訊號；以紅、黃、綠、藍、白各色LED發光二極體為測試光源，找出最適合的光源；以黑色發泡板製成的比色液槽，作為放置塑膠比色管的容器；利用可變電阻控制LED燈光源的電流大小，避免燈泡被燒毀；因光電二極體輸出的光電流不大，故使用一個1MΩ的使用電阻調整光電二極體輸出的電壓。作法上先以蒸餾水作為空白測試，假設以可變電阻調整電壓約為V0伏特，當溶液的顏色變深時，通過的光電流會變小，輸出的電壓(假設為Vt)也會變小，溶液越濃時，量測的電壓值越小。同理，V=IR，在固定電阻情況下，光電二極體輸出的電壓V值可與光電流I成正比；套用比爾氏定律，溶液的吸收度A= – log ( It /I0) ( I0為光源的強度，It為光通過溶液後的強度)， 其中A = – log ( It /I0)亦可以A= – log ( Vt/V0)表示，下圖為光電比色計的核心機構圖。 圖1：光電比色的機構圖 2.       有關比色的方法都是遵循的Beer’s Law[4]，A代表吸收度，ε為吸光係數，為光通過的路徑長，c為溶液的濃度；溶液越濃，吸收度A越大。Beer’s Law如下式所示： …………[式1] 3.       此簡易型光電比色計，電源一般可使用電源供應器調整適當的電壓即可；亦可使用9V電池經過7805穩壓晶片及一個可變電阻，亦可提供穩定電源給Led光源。下圖為簡易型光電比色計的簡圖。   […]

綠色膠黏，交聯：硼砂的取代調查 廖旭茂*、王玉睿、梁書銘 台中市立大甲高級中等學校 教育部高中化學學科中心*nacl880626@hotmail.com n   影片觀賞 本實驗影片由大甲高中提供，綠色交聯成品的體驗過程介紹。 影片網址：https://youtu.be/jyNZPxNz6NM, YouTube. n 簡介     在中小學的實驗課堂裡或科學社團活動中常利用透明PVA膠水(Polyvinyl alcohol，簡稱PVA, 聚乙烯醇)或白膠(Polyvinyl acetate，簡稱PVAc，聚醋酸乙烯酯)，跟不等量的硼砂產生交聯作用，可以製作黏彈性不一的異形(putty，另稱橡皮泥)或QQ球1；或在其中加入四氧化三鐵粉末(Fe3O4)，製作可被磁鐵所吸引，逗趣的磁力異形2，但這個熱門又耳熟能響的科學玩具卻隱含著一個被輕忽的風險–硼砂。2017年就曾經報導過，新竹有學童就誤食了同學私下買來製作「史萊姆」的食用級硼砂，而緊急住院的案例3。     硼砂(Na2B4O7·10H2O)，生活中廣泛地被使用在食品防腐、眼科醫藥、肥料，以及蟑螂的餌劑中；成人若攝入用1~3 公克硼砂即可能中毒，15~20 公克有致命危險；孩童則因為代謝效率較慢，食用5 公克可能造成死亡4。鑒於硼砂潛在的風險，本文將探討比較小蘇打(NaHCO3)、三偏磷酸鈉Na3(PO3)3與硼砂和膠水與白膠的交聯作用，並描述利用小蘇打取代硼砂，製作史萊姆異形、磁力異形、感溫變色異形的製作方法外，也提供其成品有趣的演示影片，並且詳細地說明此實驗所涉及的原理與概念。   期盼透過本實驗文章的分享，能拋磚引玉，推前瞻化學教育素養–「綠色思維與風險意識」，讓中小學的化學實驗能真正達到趣味性、動機性、安全性，符合綠色化學原則，落實永續教育的經營目標。 n  器材與藥品 一、器材： 250毫升燒杯、10毫升量筒、成型模具(自製)、智慧型手機、數位拉力計-5Kg、電子天平、數位硬度計、密封袋#6 等。    圖1：由左而右依序為成型模具、拉伸力測量機台、簡易數位硬度計 二、藥品： 透明膠水(聚乙烯醇)、白膠(聚醋酸乙烯酯)、硼砂Na2B4O7、三偏磷酸鈉Na3P3O9、碳酸氫鈉NaHCO3、四氧化三鐵Fe3O4(s)、感溫藍31度、黃色絹印油墨。 下圖為各分子的結構式。     圖2：由左而右依序為白膠(聚醋酸乙烯酯)、透明膠水(聚乙烯醇)、硼酸根(硼砂水解物) n 硼砂可以被取代嗎？利用小蘇打、三偏磷酸鈉取代硼砂，與高分子作用，在不同條件下，依序調查聚合物的重量變化、硬度、單位長度拉伸力等物性變化。 一、交聯劑與透明膠水(聚乙烯醇，PVA)的作用調查 1.   交聯時間的不同：取出成型模具，倒入10克的PVA膠水，並加入0.08M的硼砂溶液10毫升，均勻攪拌後，將模具放入密封袋，靜置5分鐘後。依序進行重量測量、拉力測試、硬度測試。重複前面實驗，將靜置時間分別提高至1小時、1天、1星期。依序進行重量測量、硬度測試。 2.   承上，將交聯劑換成小蘇打、三偏磷酸鈉，重複上述實驗測試。下圖為拉力測試。 圖3：高分子的拉力測試過程 3.   交聯劑的濃度：取出成型模具，倒入10克的PVA膠水，並加入0.01M的硼砂溶液10毫升，均勻攪拌後，將模具放入密封袋，靜置5分鐘後。依序進行重量測量、拉力測試、以及硬度測試。重複前面實驗，將硼砂的濃度分別提高至0.02M、0.04M、0.08M，均勻攪拌後，將模具放入密封袋，靜置5分鐘後。進行單位長度拉力測試。 4.   承上，將交聯劑換成小蘇打、三偏磷酸鈉，重複上述實驗測試。 二、交聯劑與白膠(聚醋酸乙烯酯，PVAc)的作用調查 1. 交聯時間的不同：將透明膠水換成白膠，重複上述1~2實驗，調查白膠分別與硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉在不同反應時間下，重量、以及硬度測試下的變化。 2. 交聯劑的濃度：重複上述3~4實驗步驟，調查白膠分別與硼砂、小蘇打、三偏磷酸鈉在不同濃度下，單位長度拉力測試的差異。 三、綠色交聯作用在科學玩具上的開發：史萊姆、磁力異形、感溫變色異形的等科學玩具的製作。 1.   綠色史萊姆異形的製作：取50克透明膠水，一邊以攪拌棒攪拌，一邊緩慢滴入飽和小蘇打溶液，約加入20 毫升的小蘇打溶液後，即可取出，並在手中搓揉均勻，備用。隨後將聚合物壓平略呈四方形，可與另一位同學一人兩手，緩慢自四方形的四個角落往外拉伸成薄膜，測量薄膜最大展開的面積是多少？ […]