理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—國中、小「維生素C的定量分析」 實驗設計與闖關實作 連經憶 國立嘉義大學應用化學系 Email:kelly@mail.ncyu.edu.tw 前言 化學是基礎科學，日常生活中食、衣、住、行都離不開化學。當學生開始學習科學時，多半是從具體地、看得到、摸的到、或是符合學生生活經驗的題材開始，例如：植物的構造；這樣學生容易進入況，降低學習科學時的挫折感。國小自然科學課本中生物及物理方面的實驗較多，化學實驗相對較少，多為物質的變化、溶解、與酸鹼度等，國小甚至於國中，可能因教師專業領域不是化學、怕教錯，對化合物性質不了解、怕危險，準備試劑、怕麻煩等因素而跳過化學實驗，因此使用的實驗材料必需是安全的或容易取得，以鼓勵中小學自然領域教師放心大膽地帶學生進行化學實驗。維生素C（Vitamin C、圖1）定量分析實驗使用的試劑恰好符合上述條件，含有維生素C的樣品很容易取得，新鮮蔬果、維生素C錠劑或飲料中添加維生素C。對中、小學生而言，維生素C是熟悉的化合物，「分析蔬果或飲料中維生素C含量」的實驗具有目的明確與容易了解的特點。定量分析的試劑及器材可改為市售的優碘或點眼瓶，實驗室中完整操作的定量分析滴定實驗亦可簡化為科學闖關活動中的科學關卡；教師可依照學生的年齡層區別，傳遞不同層次的科學知識。中學生可計算維生素C含量，並與標示值比較；小學生則計算所消耗優碘的滴數，比較不同樣品間維生素含量的高低。除了定量分析外，維生素C的穩定性也是很好的實驗題材。蔬果中有維生素C，也有維生素C氧化酶（Ascorbic Acid Oxidase），維生素C氧化酶可將維生素C氧化為脫氫抗壞血酸（Dehydroascorbic acid）（圖1）。2018年康健雜誌報導「生吃小黃瓜，蔬果維生素C全跑光光」(康健雜誌報導，2018)，此觀點與大眾的認知有落差，大部份民眾認為小黃瓜生吃能保有更多營養成份，因此需要以科學方法驗證，小心設計實驗，利用本文敍述的定量分析方法可確認報導的真實性。 維生素C的定量分析 維生素C又名抗血酸，是大家耳熟能詳、維持身體健康必需的一種營養素，除了新鮮蔬果外，在營養補充劑、果汁及各種不同飲料中都可見到維生素C的踪影。在營養補充劑中，維生素C是主角，依據衛福部食品藥物管理署於民國101年訂定第八版「國人膳食營養素參考攝取量及其說明」(國人膳食營養素參考攝取量及其說明，2023)，維生素C參與膠原蛋白、肉鹼、神經傳導物質、膽固等多種物質的合成，可促進傷口癒合、增加對受傷及感染等壓力之扺抗應付能力。在各式瓶裝飲料中，雖然維生素C不一定是功能性的主角，但因本身容易被氧化而具有良好的抗氧化活性，可避免其他化合物被氧化、變質，所以是常見的食品添加劑。 圖1抗壞血酸（左）及脫氫抗壞血酸（右）的化學結構。 分析維生素C的方法有氧化還原滴定、酸鹼滴定、比色法及高效液相層析法等，大學普化實驗利用氧化還原滴定，測定錠劑中維生素C的含量。實驗時以已知濃度的碘酸鉀（KIO3）溶液做為滴定劑，與樣品中的碘化鉀反應產生碘分子，產生的碘分子立刻與維生素C反應生成碘離子（式一及式二）。當反應達滴定終點時，因維生素C已完全耗盡，此時碘分子與溶液中的碘離子結合形成三碘陰離子（I3–）；三碘陰離子與澱粉指示劑結合，形成藍色的錯合物，使溶液呈現藍色。由達終點時消耗的碘酸鉀體積及濃度，利用式一及二的化學劑量關係，可計算樣品中維生素C的含量。 在上述實驗中，碘分子與維生素C反應，因國小教師不易取得碘酸鉀和碘化鉀，國小階段也不宜接觸這二種化合物，而市售的優碘可提供碘分子，因此在國小或國中可改用優碘進行定量分析。優碘成份是聚維酮碘（Povidone Iodine、圖2），瓶身的標示顯示，每毫升溶液中含有10mg的有效碘。下列以分析飲料中維他命C含量為例並說明。 圖2 優碘及聚維酮碘的化學結構 (引自維基百科) 一、國小端的維生素C定量分析實驗 國小學生進行化學實驗時，應著重學習觀察並記錄反應發生的現象，例如：顏色變化等；藉由重覆操作同一實驗，比較得到的數據，建立實驗結果必需有再現性的概念。本實驗已在國小科學闖關活動或科學營中進行多次，實驗時使用點眼瓶取代滴定管，以微量離心管取代三角燒瓶，以減少試劑用量及避免學生打破器材，同樣能達到比較不同飲料中維生素C含量及建立實驗結果再現性的概念。實驗步驟及教學注意事項(表1)： 表1飲料中維生素C含量分析之實驗步驟及注意事項(國小端)   實驗步驟 注意事項 1 準備二種以上飲料，一種具有標示清楚、已知含量的維生素C，例如C. C. Lemon，另一種則無標示含有維生素C，例如蘋果汁。引導學生辨認標示值。 2 取一微量離心管，加入0.5 mL 果汁及加入2滴的澱粉指示劑。混合均勻。 l   請學生觀察微量離心管上0.5 mL的刻度及並說明使用方法。 3 將稀釋的碘液滴入步驟2的微量離心管中，混合均勻，每滴完一滴後需觀察混合物的顏色。當溶液變為藍黑色時即達終點，記錄所需的碘液量。 l   有些品牌的優碘中含有賦型劑，加入過量優碘亦無法形成藍黑色錯合物，影響終點之判斷。請選用無賦型劑之優碘。 l   取5 mL優碘，加水稀釋至20 mL，混合均勻後裝入點眼瓶。 l   解說並示範點眼瓶的用法，告訴學生輕輕地擠點眼瓶，避免一下子擠出太多溶液，建議先讓學生練習，如何將點眼瓶中的液體逐滴擠出。 4 重覆步驟1-3，進行另外二次滴定，記錄達終點所需要優碘之滴數，求出平均值。 l   使用學習單，請學生記錄每次達終點所需滴數。以C. C Lemon為例，達終點且溶液變色約需8~9滴。但因每人擠壓力道不同，不同人的滴數差異可能比較大，但同一人、三次實驗之間的滴數差異不大。 l   請同學將平均滴數寫在黑板上，引導學生討論造成滴數差異可能的原因。 […]