臺灣化學教育
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利用另類的多倫試劑學生DIY隨身鏡 ／ 方舜雨、蔡家興、楊水平
Monday , 7, January 2019 化學課程與教材, 第29期/2018年01月 Comments Off on 利用另類的多倫試劑學生DIY隨身鏡 ／ 方舜雨、蔡家興、楊水平利用另類的多倫試劑學生DIY隨身鏡 方舜雨1、蔡家興2、楊水平1, * 1國立彰化師範大學化學系 2國立彰化女子高級中學 *yangsp@cc.ncue.edu.tw n 簡介 透過銀鏡反應（silver mirror reaction），製作漂亮的銀鏡瓶當作裝飾品或紀念品，是高中學生感到驚艷的和有趣的化學實驗。對於學習氧化還原反應和錯合反應，銀鏡反應是一項合適的和有亮點的高中化學實驗。銀鏡反應深受師生的喜愛且此反應速率快速，在教學上經常以學生在實驗室親自操作，在教室或公共場所偶而以教師示範的方式展現。 銀鏡反應在99舊課綱中被編列於「普通高級中學選修科目化學課程綱要」的『主題：物質性質→主題內容：有機化合物→應修內容：碳氫化合物、有機鹵化物、醇、酚、醛、有機酸、酯、油脂、胺、醯胺→說明：醛：氧化反應–銀鏡（與葡萄糖，還原醣單元連結）』之中。而在108新課綱中被編列於的「普通型高級中等學校化學科加深加廣選修課程」的『主題：物質的反應、平衡與製造(J) →主題內容：有機化合物的性質、製備與反應(Jf) →應修內容：CJf-Va-3常見有機化合物的重要反應與其用途→ 學習內容說明：3-5醛：氧化反應–銀鏡』之中。很明顯地，新舊課綱都十分重視銀鏡反應的內容知識。 傳統上，銀鏡反應係利用多倫試劑（Tollens’ reagent，或稱銀氨溶液）當作氧化劑，在化學實驗室中利用葡萄糖當作還原劑，而工業製造玻璃鏡係利用甲醛當作還原劑。多倫試劑是指含有二氨銀錯離子（[Ag(NH3)2]+）的水溶液，由硝酸銀（silver nitrate）或其他銀化合物與氨水反應製備而得。多倫試劑的製備方式為加入幾滴氫氧化鈉稀溶液到硝酸銀溶液中，產生棕色的氧化銀沉澱；再滴加濃氨水到混合溶液中，直至棕色沉澱剛好溶解，恰好變為澄清溶液為止。[1]很可惜，多倫試劑的製備方式需要用到濃氨水。濃氨水的氣味難聞，吸入或吞食有害，過度暴露於濃度略高於閾值極限值可能會刺激眼睛、鼻子及喉嚨。暴露於濃度較高可能會導致呼吸困難、胸痛、支氣管痙攣，粉紅色泡沫痰和肺水腫。過度暴露可能導致急性支氣管炎和肺炎。[2]因此，取用濃氨水必須在化學實驗室的抽風櫃中取用。此外，硝酸銀為昂貴的藥品，傳統上使用硝酸銀的濃度偏高（例如：0.5-0.6 M硝酸銀[3-4]）且用量甚多（例如：150 mL硝酸銀溶液[5]），造成藥品的浪費。 為避免直接使用濃氨水造成身體的危害和過量使用硝酸銀造成經費的浪費，本文描述改善這兩項缺點。在銀鏡反應的過程中，直接加入硝酸銨溶液和氫氧化鈉溶液到欲鍍銀的玻璃片上，以間接產生氨水的方式製備另類的多倫試劑，並且使用低濃度的且少量的硝酸銀溶液，以小量實驗方式進行玻璃片的鍍銀。然後，鍍銀的玻璃片裝入證件套中，形成一個隨身鏡。由於本實驗無濃氨水的難聞氣味且以小量實驗進行鍍銀，適合在教室內進行化學活動或在室外進行科普活動。 本實驗係延續發表在《臺灣化學教育》第二十七期的一項實驗〈化學教室活動：利用另類的多倫試劑製作銀鏡瓶〉[6]，同樣地利用另類的多倫試劑，讓學生DIY製作隨身鏡，期望學生親身體驗動手做實驗的樂趣（融入技能領域和情意領域），習得銀鏡反應的化學原理和概念（融入認知領域），以及獲取自製的實驗成品當作隨身用品（融入技能領域）。 n 藥品與器材 l 每組的藥品使用量（每組使用一塊50 cm2的玻璃片製作隨身鏡）：0.10 M硝酸銀（Silver nitrate, AgNO3）4.0 mL、1.8 M氫氧化鈉（Sodium hydroxide, NaOH） 1.0 mL、1.0 M硝酸銨（Ammonium nitrate, NH4NO3） 1.0 mL、5.0%葡萄糖（Glucose / Dextrose, C6H12O6）1.0 mL。【藥品分別裝在小玻璃瓶中，分別用4支PE滴管取用。】 l 每組材料：玻璃片（6.0 cm × 8.4 cm × 0.2 cm） 1塊、證件套（PU皮製，可合適套入玻璃片） […]
自製簡易的身體乳液 鍾曉蘭 新北市立新北高級中學 教育部高中化學學科中心 chshirley2007@yahoo.com.tw n 乳液的製作原理 乳液的製作原理是利用油和水調和成的物質，藉著水分讓塗在皮膚上的油能均勻分布，並且有清爽的感覺，油塗布在皮膚能減緩水分蒸散。油和水無法充分合在一起，因此需要使用「乳化劑」作為油和水調和的中間者。藉著乳化劑分子的親油基(能與油結合的部分)和親水基(能與水分子結合的部分)讓油能均勻地分布在水中。 乳化劑是一種具有「親水基」和「親油基」的表面活性劑，乳化劑能使水和油兩個相互排斥的表面張力降低，使得原本互不相溶的油和水相互混合，形成均勻的分散體或乳化體，而改變原有的物理狀態。本次活動使用「簡易乳化劑」，它不需要加溫，操作也較相當地簡單，只要將「油」和「水」的比例調好即可。一般來說，製作簡易乳液的添加用量僅需要約1% ，相當於50 mL的蒸餾水中加入約0.5克的簡易乳化劑，即可製造出我們所需要的乳液了，但其缺點是使用過多時會產生白屑。 簡易乳液的另一個重要成分是油，一般使用天然植物萃取出的油脂，如葡萄籽油（較清爽）、玫瑰果油、杏核油等，可依照個人的皮膚狀況添加不同的天然油脂，屬於油性皮膚可使用葡萄籽油，一般膚質則可使用玫瑰果油等。一般來說油脂用量約10%，當於50 mL的蒸餾水中加入約5克的油脂，可使用一種以上的油脂，但總量仍控制在10%。 為避免油脂與精油存放在室溫下容易因為不同的細菌或真菌滋生而變質（也許會讓氣味改變或引發過敏），可在含精油的保養品中添加部分抗菌劑，此次使用的抗菌劑為天然葡萄柚籽抗菌劑，建議用量0.6%以下，即50 mL的乳液最多加入0.3 mL的抗菌劑（1mL約為20滴，0.3 mL為6滴）。若不使用抗菌劑，則保存期限縮短為兩週。 n 器材與藥品 寬口瓶 1個 塑膠瓶（50 mL） 1個 咖啡攪拌棒 1支 塑膠杯 1個 色素：紅色、黃色、綠色、藍色、紫色，各1瓶（此為共用） 簡易乳化劑：1小杯（使用咖啡攪拌棒來取用） 杏核油：1小杯（利用滴管來吸取） 天然精油：玫瑰、薰衣草、橙花等 天然葡萄籽抗菌劑：一小杯（用滴管來吸取） 玻尿酸液：一小杯（用滴管來吸取） n 製作步驟 1. 在一個乾淨的塑膠杯中加入以下材料：（製作50毫升的簡易身體乳液） 2. 取5小茶匙（咖啡匙）的乳化劑、5克的基礎油（如杏核油）、和約45毫升的水，放入一個塑 膠杯中。（水不要使用太多，否則會製作太多！） 3. 攪拌均勻混合（像打蛋花的動作，需要一點時間，此步驟需要耐心），慢慢地你會發現變成 乳液了。（此過程要仔細觀察喔！） 4. 加入5-6滴的天然葡萄柚籽抗菌劑。 5. 加入5滴的玻尿酸。 6. 加入2滴的精油。 7. 加入2滴的食用色素（可不加）。 8. 將你的乳液倒入寬口瓶中，若有剩餘的乳液，你可以立即使用看看！ 9. […]
自製天然精油防蚊液 鍾曉蘭 新北市新北高級中學 教育部高中化學學科中心 chshirley2007@yahoo.com.tw n 防蚊液的乳化劑 防蚊液是利用化學成分塗布在人體後，藉由體溫緩緩加熱的氣味，遮掩蚊子對人體散發的CO2或乳酸氣味的嗅覺感應。常被選為調製防蚊液的精油有香茅草、檸檬草、薰衣草、迷迭香、肉桂、檸檬馬鞭草等。精油在煉製過程時的添加物和煉製濃度各有不同，選擇時宜注意個人體質是否對此種精油過敏，例如樟腦會引起蠶豆症（一種血液遺傳疾病）患者溶血反應，因此不建議使用。 油和水無法充分溶解在一起，因此需要使用「乳化劑」作為精油和水調和的媒介。藉著乳化劑分子的親油基（能與精油結合的部分）和親水基（能與水分子結合的部分）讓精油能均勻地分布在水中。本次製作的防蚊液的乳化劑是使用卸妝油中常用的Tween 20（Polysorbate 20，聚山梨醇酯20）。 n 精油的成分 何謂精油（Essential oil）？整個中世紀時代認為精油是透過蒸發過程將混濁且不純淨的液體，轉化成無形的氣體狀態，然後再將氣體凝結為透明、具有香氣、澄澈的蒸餾產物。十九世紀末至二十世紀初，隨著分析化學的演進，人們終於知道精油是複雜的物質混合而成的。 精油有兩大成分：一類是萜類分子（terpenes），另一類則是苯基丙烷類分子（phenylpropanoids）。萜類分子是質物精油中最大量的組成成分，幾乎是所有生物體內主要生物合成作用的構成要素。嚴格來說，萜類分子是分子式為異戊二烯（isoprene）的整數倍的烯烴類化合物。異戊二烯是一種含五個碳的共軛二烯烴，分子式為C5H8。萜類分子為五個碳整數倍的烯烴類化合物，但是萜類是一個概括名詞，包括因為氧原子加入而變化過的萜類分子結構。苯基丙烷類分子（phenylpropanoids）是精油另一類主要成分，包括苯基丙烷的衍生物，主要源自於葉綠體中的胺基酸合成作用。 精油是從植物中萃取出的油脂，存放在室溫下容易因不同的細菌或真菌滋生而變質（也許會讓氣味改變或引發過敏），且精油照光會分解，需儲存在深色玻璃瓶中。可在含精油的保養品中添加部分抗菌劑，以延長存放的時間，一般自製保養品加入的抗菌劑為化妝品級抗菌劑DMDMH（dimethylol dimethyl hydantoin, DMDM hydantoin, 二甲基二甲醇內醯尿）能在水溶液中慢慢釋放甲醛，進而發揮功能、易添加、功能佳建議添加於清潔用品…等沖洗式成品，建議用量0.6%以下，即30 mL的洗手精最多加入0.2 mL的抗菌劑（1 mL約為20滴，0.2 mL為4滴），若不使用抗菌劑，則保存期限縮短為兩週。 n 精油的功效 在早期精油功效的研究發現：精油具有抗菌、抗炎與抗病毒作用，也具有舒緩及改善焦慮、心悸、緊張與熱潮紅的功能。近期的研究則發現某些精油（如永久花）能藉由有效清除自由基的特性，來傳遞其組織保護與新生的作用，某些精油亦可減緩骨質疏鬆的症狀、經前症候群與更年期的不適，許多精油在B型與C型肝炎的治療是有效的，但尚未提出任何作用的機轉。 以夏日洗手乳或抗痘乳膏中常用的茶樹精油為例，茶樹精油在各種pH、金屬離子及常用化學添加物的共同作用下，其抑菌活性之變化。研究結果顯示茶樹精油在不同pH值條件下，其抑菌活性不受影響；添加金屬離子和化學試劑對茶樹精油則會改變其抑菌活性。於121℃熱處理後之抑菌效果與未經熱處理者相同，顯示精油具有優良之熱穩定性。茶樹精油最低抑菌濃度範圍為0.15％至3.9％（w/v）。於抗發炎試驗中，不論是茶樹精油或是茶樹水萃取液（濃度為50-300 μg/ml），都能明顯抑制發炎（黃淑惠，2006）。 n 器材與藥品 深色噴霧罐 1個、咖啡匙攪拌棒 1支、白色大湯匙 1支、透明塑膠杯 1個、水 1罐、複合式精油 1罐、簡易乳化劑 1罐、化妝品級抗菌劑（DMDMH） 1罐。 n 製作步驟 1. 將透明塑膠杯加入2 0mL的水（若以深色的30 mL塑膠瓶直接製做，可加水至七分滿）。 2. 滴入20滴複合式精油（香茅草：檸檬草：薰衣草：迷迭香：柑橘體積比 = 5：2：1：1：1），若是小朋友或過敏體質的人要使用，建議10-12滴即可。 3. 加入3 mL乳化劑（Tween […]
個人化的保養品──DIY樂趣多 鍾曉蘭 新北市新北高級中學 教育部高中化學學科中心 chshirley2007@yahoo.com.tw n 簡介 在日常生活中我們常會使用許多的保養品，對保養品的認知與選擇，多數人仍然停留在“人云亦云”、或者“廣告這麼說”，那保養品成分是甚麼？到底我們花了大把銀子買來的保養品中是否藏著有害物質？保養品中的有效成分又是哪些呢？為什麼有些人願意買昂貴的手工肥皂卻不願使用市面上五花八門的沐浴乳呢？手工肥皂的優點與魅力在哪裡呢?市面上人人說讚的保養品真的適合每個人嗎?在這個專欄中我們將一一探討，為讀者解開保養品的神秘面紗。 在這個專欄裡，我們將陸續簡介保養品中常見的化學相關成分與用途，再介紹各種保養品的實作步驟，希望讀者從專欄中瞭解並學會如何自行製作可使用抗菌洗手乳、防蚊液、乳液、卸妝油、天然面膜、凍膜、護手霜、護唇膏、洗髮精、手工香皂等日常生活即可使用的保養品與清潔用品，並說明其相關化學概念，希望讀者能對保養品與清潔用品有更多的認識，並享受自製個人化保養品的樂趣。圖1和圖2是已舉辦的保養品DIY部分活動。 圖1：化學親善大使在科教館DIY活動（照片由蔡孟哲拍攝及提供，計畫補助單位為科技部） 圖2：新北高中校慶之保養品DIY活動 n 認識界面活性劑 油和水無法充分溶合在一起，因此需要使用「界面活性劑」作為油與水調和的中間物質。藉著界面活性劑分子的親油基（hydrophobic group），能與油結合的部分，和親水基（hydrophilic group），能與水分子結合的部分，讓油能均勻地分布在水中。 以肥皂的結構為例，硬脂肪酸鈉（C17H35COO–Na+）的結構一端C17H35COO– 是分子長鏈部分為親油基，可伸入油污並互溶；另一端球狀帶電為親水基，可溶於水中。常見的肥皂和清潔劑的結構如圖3和4所示。 圖3：肥皂的結構之一-硬脂肪酸鈉（圖片來源：Detergent, Wikipedia.） 圖4：合成清潔劑結構之一-長鏈十二烷基苯磺酸鈉（圖片來源：Detergent, Wikipedia.） 在一般化工行可購賣並用於保養品DIY的界面活性劑，依功效而言，可以分成乳化劑、起泡劑、清潔劑、殺菌劑、柔軟劑和抗靜電劑等。依溶解性來區分，可分成水溶性界面活性劑和油溶性界面活性劑。依分子構造來區分，可分成陰離子型、陽離子型、兩性離子型及非離子型四種。各種界面活性劑的性質與用途，請參見表1。 表1：各種界面活性劑的性質與用途 種類 用途 陰離子型 臉部肌膚、頭髮、身體沐浴清潔之用。常見有十二烷基硫酸 (SLS) 鈉、烷基聚葡萄糖 (APGs) 、胺基酸系列界面活性劑。 陽離子型 具有抗靜電及柔軟功能，常添加在潤髮乳及護髮產品中。此外衣物柔軟精也有添加此界面劑來使衣物變柔軟。 兩性離子型 兩性離子型界面活性劑兼具陰、陽離子界面活性劑兩種特性，作為清潔劑泡沫較為細緻，去油力適中、刺激度低，又兼具保濕與殺菌功能，常與陰離子界面活性劑一起添加。因具有溫和特性，常運用於嬰兒的清潔用品之中。常見有椰子油起泡劑。 非離子型 具有乳化、消泡、增稠和安定等作用，可讓保養品中的成份充分並均勻分佈在產品中，並被肌膚所吸收。 n 自製簡易抗菌洗手精 科學原理 夏日炎炎，病菌容易因為高溫而孳長，老師或家長們可帶領孩子自製簡易的抗菌洗手精，一來使用可減少手部病菌的孳生，避免病從口入；二來也可以孩子們從自製簡易的洗手精中學會其中的科學原理與製作步驟，真可謂育樂合一啊！ 油和水無法充分溶合在一起，因此需要使用「起泡劑」（一種介面活性劑）作為洗手乳成分，讓皮膚上的油脂與水調和的中間人。藉著乳化劑分子的親油基（能與皮膚油脂結合的部分）和親水基（能與水分子結合的部分）讓皮膚上的油脂能隨著搓洗溶入水中。一般我們稱為某某油起泡劑，是指從某種油品提煉出的起泡劑。常用於洗手精的起泡劑有：椰子油起泡劑、弱酸性起泡劑、胺基酸起泡劑、葡萄糖起泡劑、純橄欖起泡劑、兩性界面活性劑等。 一般洗手乳會添加少量的食鹽，原因是食鹽溶在水裡解離出的鈉離子能讓起泡劑作用時的泡泡柔細。在抗菌洗手精中常添加天然茶樹精油，是利用茶樹精油的天然抑菌功效。茶樹能有效對抗26種皮癬菌、32種白色念珠菌、及22種小芽孢菌，且不會對人體組織產生損害。 添加玻尿酸原液（保濕功用）是洗後手較濕潤而不會過於乾澀（可不添加），抗菌劑則使用化妝品級抗菌劑DMDMH （dimethylol dimethyl hydantoin, DMDM hydantoin, 二甲基二甲醇內醯尿）能在水溶液中慢慢釋放甲醛，進而發揮功能、易添加、功能佳建議添加於清潔用品…等沖洗式成品，建議用量0.6%以下，即50 mL的洗手精最多加入0.3 mL的抗菌劑，若不使用抗菌劑則保存期限縮短為兩週。食用色素的添加是依個人對產品設計的美觀與色彩的喜好而定，若強調純天然，可不添加色素與抗菌劑，產品會更加天然純淨。 […]