科展作品分享

1. 科展作品分享 蘇政宏 高雄女中化學教師

2. 科展研究之成果 • 高雄市第四十五屆中小學科展化學科第一名 ---------- 醣寶寶的「旋光」世界 • 高雄市第四十五屆中小學科展應用科學科第一名 ---------- 「酵」一笑，農藥便知道 • 全國第四十五屆中小學科展化學科第一名 ---------- 醣寶寶的「旋光」世界 • 全國第四十五屆中小學科展應用科學科第一名 ---------- 「酵」一笑，農藥便知道 • 2006年台灣區國際科展大會獎第一等獎 ---------- 醣寶寶的「旋光」世界 (獲推薦至紐西蘭參賽) • 2007年台灣區國際科展大會獎第一等獎 ---------- 告訴你「亨利」·「拉午耳」的壓力有多大 (獲推薦至美國參賽)

3. 告訴你「拉午耳」 「亨利」的壓力有多大 ―自製簡易的IC電路板 來討論拉午耳及亨利定律

4. 實驗流程

6. 【實驗一】組裝準確、簡易的氣壓量測之儀器 • 實驗一： 將IC電路板裁切成較小面積以方便連接於各實驗裝置。

7. 實驗二： 1.以不透氣膠帶、熱熔 膠，使側管與抽氣之 塑膠管及自製氣壓量 測器完全密合。 2.搭配物理實驗上學到 的水銀壓力裝置。

8. 製作此儀器之氣壓差與電壓的檢量線之裝置圖

9. 實驗三： 將裝置略為向右側(液體抽取端)傾 斜，以將管中液體完全抽出。

10. 探討拉午耳定律及溶液蒸氣壓之正負偏差關係之裝置圖探討拉午耳定律及溶液蒸氣壓之正負偏差關係之裝置圖

11. 實驗四： 1.以橡皮塞代替瓶蓋，並增加一孔裝入溫度計。 2.每次操作實驗時，先將待測液體加熱至一致的起 始溫度。

12. 利用自製儀器來推求液體純質汽化熱之裝置圖

13. 實驗五 1.選用壓克力杯，以減少因 容器變形造成的實驗誤差 。 2.將此裝置連接數位三用電 表(或連接電腦) 。

14. 探討亨利定律及不同氣體之分壓力與溶解度關係之裝置圖探討亨利定律及不同氣體之分壓力與溶解度關係之裝置圖

15. 實驗六： 寶特瓶置於超音波震盪器中，使溶於河水中的各氣體完全溢出。 • 與未經超音波震盪之河水可再溶解之氧量比較，推算出河水的實際溶氧量。

16. 利用壓力量測器來測定愛河水質B.O.D.值之裝置圖利用壓力量測器來測定愛河水質B.O.D.值之裝置圖

17. 實驗七： 探討給呂薩克定律(P~T關係)，利用外差法來推求絕對零度。

18. 探討給呂薩克定律(P~T關係)，利用外差法來推求絕對零度之裝置圖探討給呂薩克定律(P~T關係)，利用外差法來推求絕對零度之裝置圖

19. 【實驗二】製作此儀器之氣壓差與電壓的 檢量線 • 實驗設計：連接抽氣機，控制電阻膜兩端的壓力 差，紀錄其電壓值變化，以製作此儀器的檢量線。 • 實驗數據

20. 結果及討論 • 圖形的線性關係為y = 1.9886x - 2.7875， 測量的誤差值平均在0.12％，最大誤差值為2％， 最小為0.17％(上述不包含50mmHg)。 • 簡易、快速的測量出壓力值，利用高的線性關係，可精密且正確的測量實驗數據

21. 【實驗三】利用此儀器來探討拉午耳定律 及溶液蒸氣壓之正負偏差關係 • 實驗設計：我們決定利用此裝置，配合壓力量感測器，測出純溶劑、純溶質及兩成份系混合溶液的蒸氣壓，觀察其變化，找出其關係。

22. (一) 水 - 酒精(T=26.3℃)

23. (二) 丙酮 – 氯仿(T=25.9℃)

24. (三) 苯 – 甲苯(T=26.4℃)

25. 結果與討論 • 從實驗數據中可推測，水與酒精混合後會造成負偏差的情形。 • 由圖形可以發現，當兩個分子間的莫耳分率越接近時，其偏差的情況會更明顯， 反之亦然。 • 在苯與甲苯的實驗中，兩者混合後所呈現的結果，仍呈現小部分的負偏差，但比起水與酒精及丙酮與氯仿的偏差情形小很多，故仍可近似推論至理想溶液的情形。 • 根據上述實驗結果，本儀器所使用的方法與原理，可以推論出具有負偏差的實驗數據及相關的例子，故本儀器具有相當的準確性，可以應用於負偏差的實驗結果。

26. 1908年，美國化學家 Gilbert N. Lewis 在文獻上發表逸壓 f (Fugacity)的概念如下： 1.理想氣體與化學位能(Chemical potential)有如下關係： μ=μo + RT ln P/Po 定義真實氣體與化學位能也有相似關係 μ=μo + RT ln f/fo  f = ΦP 2.逸壓 f 取代理想狀況下的壓力 P，準確地預測物質從事相的轉變的趨勢，即化學位能(Chemical potential)。

27. 【實驗四】利用自製儀器探討蒸氣壓與反 應熱之關係 • 實驗設計：利用此裝置，配合壓力量測器，測出純質液體在不同溫度下的蒸氣壓，探討反應熱(H)與蒸氣壓之關係，並利用clausius－clapeyron equation求出汽化熱(ΔH )。 利用clausius-clapeyron equation logP=

29. 結果與討論 • 從30℃開始測量壓力值，之後持續加溫，並測量壓力變化。 • 空氣壓力的部分可由 P1/T1=P2/T2 修正之，並推算出液體的蒸氣壓。 • 由於加溫時，壓力增大，造成氣體溶解度也隨之上升，故經本儀器所測量出的蒸氣壓，扣除空氣壓力膨張的因素後應會略小於實際值。

30. 由clausius－clapeyron equation分別求出汽化熱如下。

31. 【實驗五】探討亨利定律及不同氣體之分 壓力與溶解度關係 • 實驗設計： 利用此壓力量測器，設計實驗裝置，來探討不同氣體溶解度與分壓力之關係，以驗證亨利定律。

34. 結果與討論 • CO2與O2之平均k值為： CO2：2.63×10-2 mM O2： 4.34×10-3 mM • CO2的k值於壓力大時呈現正偏差，可知亨利定律適用於低溫低壓條件下、難溶性的氣體； O2溶解度與氧氣壓力成正比關係，由此印證亨利定律。 • 實驗操作中以排水集氣法注入氧氣(二氧化碳) ，此時測得的系統總壓即為該氣體的分壓。

35. 控制初始氧氣(二氧化碳)之壓力，由不同的初始壓力可測得壓力對k值的影響，以探討亨利定律。控制初始氧氣(二氧化碳)之壓力，由不同的初始壓力可測得壓力對k值的影響，以探討亨利定律。 • 實驗過程中加壓和減壓時，搖晃錐形瓶身可增加水溶液與氣體的接觸面積，加速達成溶解平衡。

36. 【實驗六】應用實驗五之結果檢測河水之B.O.D.值【實驗六】應用實驗五之結果檢測河水之B.O.D.值 • 實驗設計：設計簡易方法搭配自製儀器，測定愛河上、中、下游及出海口水質的B.O.D.值(生化需氧量)。

37. 生化需氧量(biochemical oxygen demand，簡稱 BOD) (1)定義：細菌在污水中分解廢料所消耗的氧之總 量稱生化需氧量即 BOD。 (2)測定法： 以蒸餾水保持 20C，充氧氣使成飽和，並測溶氧量。 將待測廢水取一定量置於該蒸餾水，並保持 20C 培養 5 日(需隔絕外界氧)再測水中剩下之溶氧量。 • 此實驗操作法培養過程，以保溫杯達到定溫密閉的穩定系統。 • 測量溶氧量時，若直接測量河水受震盪時的壓力變化，來推算溶氧量，因壓力變化可能源自氧氣之外其他溶於河水中的氣體，易有誤差，故以間接法求得。

38. 愛河水B.O.D.值

40. 各河段B.O.D.值關係 ：上游＞中游＞下游＞出海口 • 各河段河水的含氧量關係為： 上游＞中游＞下游＞出海口 • 實驗中測得各河段河水可再溶的氧量時，依測量時的氧氣分壓換算成一致標準再比較，換算方式如右： 測得溶氧量×空氣中氧氣分壓÷平衡末壓 • 實驗操作加壓至初始壓力後再注入河水，可減少氧氣與河水接觸時間，降低實驗誤差。

41. 旋光世界 醣寶寶的 利用自製的旋光儀來探討蔗糖水解反應之動力學即平衡學關係

42. 實驗流程 課本上有出現旋光性，何謂旋光性？ 何謂左旋？右旋？於是引起我們深入地研究。 老師上課說過醣類幾乎都有旋光性，於是我們將無危險性且課本 上出現過的各種醣類當作研究的題材。 實驗一：利用簡易偏振片，底片盒、三角板、量角器、簡易雷射光源來組裝－「簡易」、「精準」的旋光針 實驗二：配製不同「濃度」的葡萄糖、果糖、半乳糖、麥芽糖、蔗糖，來量測其旋光角度，並算出比旋光度，同時與理論值作比較來驗證此儀器可行。並找出旋光度與濃度的線性關係。

43. 實驗三：利用旋光角度隨時間變化的關係來表達出蔗糖水解的反應速率，並探討「濃度」、「催化劑」、「溫度」等影響速率的因素（追蹤不同濃度，催化劑，溫度時的旋光度隨反應時間的變化）。實驗三：利用旋光角度隨時間變化的關係來表達出蔗糖水解的反應速率，並探討「濃度」、「催化劑」、「溫度」等影響速率的因素（追蹤不同濃度，催化劑，溫度時的旋光度隨反應時間的變化）。 實驗四：利用醣類的旋光度具有加成性之特性，推算出不同濃度醣類混合時所呈現的旋光角度，以進一步來追蹤實際蔗糖水解的每個狀態，並找出最後的平衡狀態。 試圖求出蔗糖水解反應的的反應級數，速率常數（k）、反應的活化能（Ea）及半衰期(t1/2)。 試圖求出蔗糖水解的平衡常數（K），並比較不同「濃度」、「催化劑」、「溫度」對Ｋ值的影響，並求出反應熱（ΔH）。 綜合以上結果來進行討論，並歸納出結論

44. 抗氧化的 機 旋 ―利用自製的旋光儀來探討水果旋光性與抗 氧化成份之間的關係

45. 實驗流程 動機一：傳統的測量抗氧化方法有那些？可以有更快且不需化學試劑的方法嗎？ 動機二：自製一簡易又精準的旋光度計並將其電腦化，且使其可應用至生活中。 實驗一：(利用化學方法來測水果經過熱處理後抗氧化成分活性的變化關係) 利用ABTS/H2O2/HRP分析系統建立維生素C的標準曲線。測量奇異果、火龍果、聖女蕃茄、加州李子四種水果與其熱處理1、2、3、5分鐘後ABTS*+自由基的產生時間。並畫出抗氧化與加熱時間的關係。 我們想找出旋光性與抗氧化的關係 實驗二：利用偏振片、紙筒、光度計、雷射光源、齒輪、馬達組裝二個簡易的旋光度計 (手動旋光度計、能與電腦連接的數位自動旋光度計)。

46. 實驗三：配製不同濃度的葡萄糖、果糖、 維他命C來測量其旋光度，並算出比旋光 度與理論值對照來驗證此儀器的可行性。 並找出旋光度與濃度的線性關係。 實驗四：(自行開發的物理方法) 測量奇異果、火龍果、聖女蕃茄、加州李子四種水果與其熱處理1、2、3、5分鐘後的旋光度與加熱時間的關係 → 探討化學法和物理法的反應趨勢，以驗證利用旋光度(物理方法)來測抗氧化之可行性。 實驗五：模擬胃液的溫度與pH值，探討水果在胃部消化過程中旋光度隨時間變化的情 形。 綜合以上結果進行討論，並歸納出結論 實驗九： 測量自行沖1、2、3、5分鐘的茶品之旋光度，以得知其抗氧化力大小，並繪成旋光度〈或抗氧化〉與加熱時間的關係。 實驗七： 利用茶亦具有抗氧化的特性，以旋光度計來測市售瓶裝茶品的旋光度，以得知其抗氧化力的大小。 進 一 步 應 用 實驗六： 利用旋光性來建立真假蜂蜜的圖譜 → → ↗ 實驗十： 測量各種不同來源茶品(金宣…)的抗氧化力差異，並建立基源辨識指紋圖譜。 實驗八： 利用化學方法來測茶品的抗氧化差異。

47. a c G A B C b D E F 自製旋光儀所需之器材

48. 研究設備及器材 • 1. 儀器各部份裝置介紹：A：照度計　B：底片空盒　　C：含上偏振片及顯微鏡目鏡，D：紙筒　　E：經過裁切的底片空盒，內有照度計的感應板。F：圓形紙片，放置於刻度盤下方，使刻度清晰易於讀取。G: 雷射光源：替代鈉燈，較便宜且穩定性足夠，光波長為 6800埃。 • 2. 儀器支架：(1)物理科實驗用的水波槽支架。(2)厚壓克力板，放置雷射光源。(3)鐵夾數支，分別固定照度計及儀器主體。 • 3. 其他器材介紹：a：配置糖溶液用的500ml容量瓶。b：平底試管。c：實驗時所用的滴管。

49. 一、以肉眼觀察光線強弱變化，找出光線最弱的點，此時的偏折角度即為光線偏折的角度。一、以肉眼觀察光線強弱變化，找出光線最弱的點，此時的偏折角度即為光線偏折的角度。 二、下偏振片在實驗過程中不停受試管底部撞擊，容易刮傷或掉落。 在底片盒底部挖洞並裝上偏振片，於盒內置一保麗龍圈墊，使管底部不會直接撞擊到偏振片上，減少儀器損傷的機會。 使用光敏電阻來測知光度大小，將所得的結果予以數據化。 三、將改良過後的旋光度計以雷射光光源測試，發現光點周圍出現不均勻亮點，推測是因為偏振片多次重疊，導致介面之間產生不規則的光線繞射所致。 購買品質較佳的偏振片重新安裝，光點始得消除。 四、在儀器測試的過程中發現光線經過管中溶液後，由於水面不平的緣故，在光敏電阻四周產生不規則的晃動亮點，影響測量結果。 經測試後，選擇複式顯微鏡的10X目鏡將光線聚焦，使光線能準確的投射於光敏電阻之上。 五、光敏電阻的形狀問題：光敏電阻的受光面太小且形狀不利固定。 六、三角尺底部與刻度板的接觸寬度過於寬，以致偏轉角度微小時，判讀不易，也會遮住部分刻度。 利用生物科利用生物實驗用光度計，改裝後裝於底片盒底部，可直接由數據得知光強度，再對照刻度板刻度可知光線偏折的角度。 將三角板改為紅色指針，使其針尖能準確位於刻度上方，使判讀較精確容易。 自製旋光度計改良過程

50. 【實驗一】組裝一「簡易」、「精準」 的旋光儀 複式顯微鏡的10X目鏡將 光線聚焦，使光線能準確 的投射於光敏電阻上。 目鏡 上偏振片 針 刻度盤 主體，放置平底試管，內 部塗黑以減少光線影響實 驗結果。 紙筒 保麗龍，圈墊避免放置平 底試管時因撞擊或摩擦而 損壞下偏振片。 保麗龍 替代鈉燈，較便宜且穩定性 足夠，光波長為6800埃。 雷射光源 下偏振片