目 錄 摘 要 --------------------------------------------------------------------P1 壹 研 究 動 機 -------------------------------------------------------P1 貳 研

高 中 職 綠 色 化 學 ( 減 毒 減 量 ) 創 意 競 賽 成 果 報 告 書 作 品 名 稱 : 觀 察 離 子 移 動 情 形 --- 以 紫 色 高 麗 菜 為 指 示 劑 改 良 電 解 水 實 驗 主 辦 單 位 : 教 育 部 行 政 院 環 境 保 護 署 承 辦 單 位 : 工 業 技 術 研 究 院 1

目 錄 摘 要 --------------------------------------------------------------------P1 壹 研 究 動 機 -------------------------------------------------------P1 貳 研 究 目 的 -------------------------------------------------------P2 參 研 究 設 備 及 器 材 ----------------------------------------------P2 肆 研 究 過 程 或 方 法 ----------------------------------------------P6 伍 研 究 結 果 -------------------------------------------------------P12 陸 討 論 --------------------------------------------------------------P16 柒 結 論 --------------------------------------------------------------P19 捌 參 考 資 料 及 其 他 ----------------------------------------------P20 2

摘 要 電 解 水 實 驗 中, 陽 極 附 近 為 酸 性, 陰 極 為 鹼 性, 不 過 我 們 無 法 觀 察 電 解 時 離 子 的 移 動 情 形 因 此 我 們 想 設 計 可 以 觀 察 電 解 水 時 離 子 移 動 情 形 而 且 又 環 保 的 實 驗 方 法! 實 驗 先 比 較 紫 色 高 麗 菜 以 熱 水 萃 取 法 與 榨 汁 法 的 顯 色 效 果, 結 果 發 現 榨 汁 法 色 彩 表 現 較 佳 將 水 溶 液 瞬 間 凍 結 起 來 的 洋 菜 粉, 進 行 加 熱 方 式 改 良, 發 現 微 波 加 熱 比 酒 精 燈 加 熱 更 快 且 更 均 勻 ; 進 行 不 同 濃 度 洋 菜 粉 的 比 較, 結 果 是 2% 顯 色 較 佳, 後 面 實 驗 都 以 微 波 方 式 加 熱 2% 洋 菜 粉 為 了 提 高 電 解 水 的 效 率, 添 加 1M 不 同 的 電 解 質, 結 果 以 KNO3 效 果 最 好, 電 解 時 間 大 幅 縮 減 (18 分 7 分 ) 不 同 濃 度 KNO3 對 電 解 效 率 的 影 響, 發 現 提 高 濃 度 對 電 解 效 率 只 有 些 微 增 加, 卻 造 成 煙 霧 的 副 作 用, 因 此 是 以 1M KNO3 是 最 佳 的 實 驗 條 件 壹 研 究 動 機 基 礎 化 學 ( 二 )3-2 化 學 電 池 這 個 單 元 中 有 電 解 水 這 個 實 驗, 電 解 的 產 物 在 陽 極 (+) 產 生 氧 氣 且 周 圍 的 液 體 呈 現 酸 性, 在 陰 極 (-) 產 生 氫 氣 且 周 圍 的 液 體 呈 現 鹼 性 陽 極 (+): 2H2O(l) O2(g) + 4H + (aq) + 4e - 陰 極 (-): 2H2O(l) + 2e - H2(g) + 2OH - (aq) 一 般 實 驗 設 計 的 做 法, 是 將 陽 極 陰 極 兩 極 附 近 的 液 體 取 出, 再 以 酸 鹼 指 示 劑 檢 驗 其 酸 鹼 性 不 過 此 作 法 只 能 知 道 靠 近 兩 極 端 的 酸 鹼 性, 並 無 法 觀 察 離 子 移 動 的 狀 況 我 們 希 望 可 以 設 計 一 種 可 以 即 時 觀 察 電 解 水 時 離 子 移 動 狀 況 的 實 驗! 在 實 驗 器 材 與 藥 品 部 分 我 們 使 用 的 是 對 環 境 沒 有 汙 染 的 紫 色 高 麗 菜 當 作 酸 鹼 指 示 劑, 將 水 溶 液 瞬 間 凍 結 起 來 的 材 質 是 洋 菜 粉, 而 使 用 的 電 極 材 質 是 可 反 覆 使 用 的 惰 性 電 極 石 墨! 本 實 驗 所 使 用 的 藥 品 與 器 材 都 是 很 安 全 且 試 藥 用 量 甚 少, 能 達 到 教 學 目 的, 進 而 往 永 續 發 展 的 綠 色 化 學 邁 進! 未 來 可 應 用 於 水 溶 液 中 總 硬 度 (Mg 2+ ) 的 簡 易 檢 驗 法! 相 關 課 程 單 元 : 基 礎 化 學 ( 二 ) 第 三 章 化 學 與 能 源 化 學 電 池 選 修 化 學 ( 上 ) 第 五 章 氧 化 還 原 反 應 電 解 1

貳 研 究 目 的 一 加 熱 萃 取 紫 色 高 麗 菜 汁 與 果 汁 機 榨 汁 法 的 顯 色 效 果 比 較 二 以 不 同 濃 度 的 洋 菜 粉 溶 液 改 良 實 驗, 並 比 較 其 顯 色 程 度 三 比 較 三 種 不 同 的 電 解 質 對 電 解 效 率 的 影 響 四 比 較 不 同 濃 度 的 電 解 質 對 電 解 效 率 的 影 響 參 研 究 設 備 及 器 材 一 實 驗 器 材 燒 杯 電 子 天 平 酒 精 燈 果 汁 機 削 鉛 筆 機 三 腳 架 滴 管 玻 璃 漏 斗 陶 瓷 纖 維 網 玻 片 刮 勺 試 管 鱷 魚 夾 濾 布 計 時 器 鉛 蓄 電 池 (12V) 蓄 電 池 充 電 器 恆 溫 加 熱 鍋 玻 璃 攪 拌 棒 濾 紙 濾 網 量 筒 刀 片 塑 膠 廣 口 瓶 定 量 瓶 保 鮮 盒 微 波 爐 二 實 驗 藥 品 藥 品 名 稱 蒸 餾 水 H2O 紫 色 高 麗 菜 洋 菜 粉 硝 酸 鉀 KNO3 硝 酸 鈉 NaNO3 硫 酸 鎂 MgSO4 廠 牌 東 亞 頂 好 welcome 頂 好 welcome Shimakyu,s pure chemicals Shimakyu,s pure chemicals Choneye pure chemicals 2

肆 研 究 過 程 或 方 法 一 研 究 方 法 本 實 驗 主 要 分 為 兩 大 部 分 在 第 一 部 分 中, 我 們 先 進 行 探 討 電 解 的 反 應 條 件 ( 紫 色 高 麗 菜 萃 取 法 洋 菜 粉 濃 度 果 凍 的 長 度 碳 棒 電 極 接 觸 方 式 ), 以 期 找 出 電 解 水 的 最 佳 反 應 條 件 第 二 部 分 我 們 探 討 提 升 電 解 效 率 的 反 應 條 件, 希 望 找 出 適 當 的 電 解 質 來 加 速 反 應 時 間, 再 改 變 此 電 解 質 不 同 濃 度 來 找 出 最 佳 條 件 二 研 究 流 程 探 討 電 解 最 佳 化 的 反 應 條 件 實 驗 一 加 熱 萃 取 紫 色 高 麗 菜 汁 與 果 汁 機 榨 汁 法 的 顯 色 效 果 比 較 實 驗 二 以 不 同 濃 度 的 洋 菜 粉 溶 液 改 良 實 驗, 並 比 較 其 顯 色 程 度 探 討 提 升 電 解 效 率 的 反 應 條 件 實 驗 三 比 較 三 種 不 同 的 電 解 質 對 電 解 效 率 的 影 響 實 驗 四 比 較 不 同 濃 度 的 電 解 質 對 電 解 效 率 的 影 響 三 電 解 水 反 應 系 統 與 實 驗 條 件 ( 一 ) 設 備 裝 置 3

( 二 ) 操 作 方 法 1. 用 削 鉛 筆 機 將 石 墨 棒 削 尖, 方 便 以 尖 端 插 入 果 凍 0.5 公 分 進 行 電 解, 解 決 以 往 石 墨 棒 太 粗 容 易 將 果 凍 撐 破 2. 果 凍 由 原 本 在 試 管 中 凝 結 改 成 在 保 鮮 盒 中 凝 結, 方 便 事 後 我 們 裁 切 相 同 大 小 ( 長 4cm 寬 1.6cm 高 1.5cm), 以 提 升 實 驗 的 精 準 度 4

3. 自 電 解 通 電 開 始 計 時, 一 直 到 正 極 與 負 極 電 解 出 來 的 紅 色 與 黃 綠 色 完 全 交 會 時 停 止, 並 計 算 電 解 完 成 所 需 時 間 4. 每 次 電 解 結 束 後, 都 必 須 將 鉛 蓄 電 池 充 滿 電, 並 在 每 次 電 解 前 再 次 確 認 鉛 蓄 電 池 充 飽 電 5

四 研 究 過 程 實 驗 一 加 熱 萃 取 紫 色 高 麗 菜 汁 與 果 汁 機 榨 汁 法 的 顯 色 效 果 比 較 ( 一 ) 加 熱 萃 取 紫 色 高 麗 菜 汁 將 50g 紫 色 高 麗 菜 撕 碎 各 倒 入 裝 有 200g 水 的 燒 杯, 再 加 入 加 熱 鍋 中 邊 攪 拌 邊 加 熱 萃 取 其 汁 液 取 出 後 將 其 殘 渣 以 濾 網 濾 掉, 再 用 濾 紙 二 次 過 濾 ( 二 ) 果 汁 機 榨 出 紫 色 高 麗 菜 汁 將 50g 紫 色 高 麗 菜 撕 碎 各 倒 入 50g 水 的 燒 杯, 再 倒 入 果 汁 機 中 進 行 榨 汁, 需 搖 動 果 汁 機 以 確 保 每 片 紫 色 高 麗 菜 都 有 切 碎 ( 進 行 1:1 榨 汁 時 必 須 至 少 有 50g 水 與 50g 紫 色 高 麗 菜, 量 過 少 會 導 致 機 器 攪 不 動 ) 取 出 後 倒 入 濾 布 將 其 汁 液 擠 出, 再 使 用 濾 紙 二 次 過 濾 6

( 三 ) 比 較 兩 種 製 成 的 紫 色 高 麗 菜 汁 顯 色 程 度 1 模 擬 電 解 果 凍 實 驗 來 比 較 加 熱 萃 取 與 機 器 榨 汁 的 紫 色 高 麗 菜 汁 其 顯 色 程 度 將 0.1M 的 HCl 和 NaOH, 調 配 成 ph=1 4 10 13 溶 液, 並 分 別 滴 入 5 滴 至 加 熱 萃 取 的 紫 色 高 麗 菜 汁 2mL 與 8mL 水 的 試 管 中, 和 機 器 榨 出 的 紫 色 高 麗 菜 汁 2mL 與 8mL 水 的 試 管 中, 進 行 顯 色 程 度 比 較 2 改 變 測 試 方 式, 進 行 加 熱 萃 取 與 機 器 榨 汁 的 紫 色 高 麗 菜 汁 其 顯 色 程 度 比 較 將 加 熱 萃 取 的 紫 色 高 麗 菜 汁 和 機 器 榨 出 的 紫 色 高 麗 菜 汁 分 別 用 滴 管 各 滴 5 滴 進 入 四 種 不 同 ph 值 的 酸 鹼 溶 液 中 進 行 比 較 實 驗 二 以 不 同 濃 度 的 洋 菜 粉 溶 液 改 良 實 驗, 並 比 較 其 顯 色 程 度 ( 一 ) 洋 菜 粉 溶 液 配 製 1 還 原 第 一 次 實 驗 洋 菜 粉 濃 度 ( 約 0.6%) 取 2.5g 洋 菜 粉 加 入 裝 有 375g 水 的 燒 杯 中, 放 入 加 熱 鍋 加 熱 後 使 用 酒 精 燈 繼 續 加 熱, 過 程 中 需 不 斷 攪 拌, 待 其 呈 現 稠 狀 即 完 成 2 2% 3% 4% 濃 度 洋 菜 粉 取 1g 洋 菜 粉 加 入 44g 水 (2%) 1.5g 洋 菜 粉 加 入 43.5g 水 (3%) 2g 洋 菜 粉 加 入 43g 水 (4%), 分 別 放 入 三 個 100ml 保 鮮 盒 裡, 再 使 用 微 波 爐 各 別 加 熱, 微 波 過 程 中 進 行 兩 次 微 波 20 秒 後 拿 出 攪 拌 並 使 其 降 溫, 再 微 波 一 次 10 秒, 微 波 使 其 沸 騰 變 稠 即 完 成 洋 菜 粉 濃 度 2% 3% 4% 洋 菜 粉 (g) 1g 1.5g 2g 蒸 餾 水 (g) 44g 43.5g 43g 紫 色 高 麗 菜 汁 (g) 5g 5g 5g 添 加 水 (g) 5g 5g 5g 7

( 二 ) 還 原 第 一 次 洋 菜 粉 濃 度 實 驗 成 果 將 0.6% 的 洋 菜 粉 溶 液 以 8g 洋 菜 粉 溶 液,2g 紫 色 高 麗 菜 汁 的 比 例 倒 入 試 管, 放 置 常 溫 下 待 其 冷 卻, 結 成 凍 即 完 成 再 將 0.6% 果 凍 從 試 管 裡 取 出, 兩 端 插 入 碳 棒 進 行 電 解 待 其 顏 色 變 化 ( 三 ) 混 合 2% 3% 4% 洋 菜 粉 溶 液 與 榨 汁 的 紫 色 高 麗 菜 汁, 進 行 顯 色 比 較 微 波 加 熱 後, 再 馬 上 加 入 事 先 準 備 好 的 5g 紫 色 高 麗 菜 汁 與 5g 的 水 攪 拌 均 勻 後 靜 置, 待 其 結 成 凍 即 完 成 將 2% 3% 4% 果 凍 從 保 鮮 盒 取 出 並 用 刀 片 將 其 切 成 長 4cm 寬 1.6cm 高 1.5cm, 再 將 削 尖 的 碳 棒 插 入 兩 端, 夾 上 鱷 魚 夾 後 通 電 18 分 42 秒, 比 較 其 顯 色 程 度 8

實 驗 三 比 較 三 種 不 同 的 電 解 質 對 電 解 效 率 的 影 響 ( 一 ) 調 配 三 種 電 解 質 (KNO3 MgSO4 NaNO3) 各 1M 使 用 250ml 的 定 量 瓶, 分 別 加 入 稀 釋 過 後 的 KNO3 (25.25g) MgSO4 (61.62g) NaNO3(21.25g), 再 加 入 水 至 標 線 處, 搖 動 使 其 溶 解 1M NaNO3 1M MgSO4 1M KNO3 溶 質 (g) 21.25 61.62 25.25 溶 液 (L) 0.25 0.25 0.25 X KNO 3 CM = 101 = 1M, X = 25.25g 0.25 NaNO 3 CM = MgSO 4 CM = X 85 0.25 X 246.48 0.25 = 1M, X = 21.25g = 1M, X = 61.62g 9

( 二 ) 製 成 果 凍 電 解 比 較 其 顯 色 程 度 三 種 電 解 質 溶 液 各 取 5g, 分 別 加 入 裝 有 4% 洋 菜 粉 溶 液 和 5g 紫 色 高 麗 菜 汁 的 保 鮮 盒 裡 攪 拌, 放 置 常 溫 待 其 結 成 凍 2% 2% 2% 洋 菜 粉 (g) 1g 1g 1g 蒸 餾 水 (g) 44g 44g 44g 紫 色 高 麗 菜 汁 (g) 5g 5g 5g 添 加 1M 電 解 質 水 溶 液 (g) NaNO3(5g) MgSO4(5g) KNO3(5g) 結 凍 後 將 其 從 保 鮮 盒 取 出, 用 刀 片 將 其 切 成 長 4cm 寬 1.6cm 高 1.5cm, 將 兩 端 插 入 碳 棒 後 分 別 電 解 待 其 顏 色 變 化 並 記 錄 時 間, 進 行 比 較 10

實 驗 四 比 較 不 同 濃 度 的 電 解 質 對 電 解 效 率 的 影 響, 並 討 論 其 實 驗 結 果 ( 一 ) 調 配 2M 3M 4M 的 KNO3 溶 液 進 行 比 較 使 用 定 量 瓶 調 配 出 2M 3M 4M 的 KNO3 溶 液, 分 別 取 5g 加 入 裝 有 4% 洋 菜 粉 溶 液 和 5g 紫 色 高 麗 菜 汁 的 保 鮮 盒 裡 攪 拌, 放 置 常 溫 待 其 結 成 凍 KNO 3 CM = KNO 3 CM = KNO 3 CM = X 101 0.25 X 101 0.25 X 101 0.25 = 2M, X = 50.5g = 3M, X = 75.75g = 4M, X = 101g 結 凍 後 將 其 從 保 鮮 盒 取 出, 用 刀 片 將 其 切 成 長 4cm 寬 1.6cm 高 1.5cm, 將 兩 端 插 入 碳 棒 後 分 別 電 解 待 其 顏 色 變 化 並 記 錄 時 間, 進 行 比 較 11

伍 研 究 結 果 以 網 路 資 料 對 照 紫 色 高 麗 菜 汁 混 合 洋 菜 粉 溶 液 所 製 成 的 果 凍, 進 行 其 電 解 的 顏 色 變 化 上 網 搜 尋 紫 色 高 麗 菜 汁 的 ph 值 表, 並 對 照 果 凍 電 解 完 的 顏 色 變 化, 觀 察 離 子 流 動 情 形 溶 液 ph 值 溶 液 的 顏 色 溶 液 ph 值 溶 液 的 顏 色 1-2 紅 8 青 綠 3 粉 紅 9-10 翠 綠 4 粉 紫 10-11 草 綠 5 淡 藍 紫 11-13 黃 綠 6 藍 紫 13 深 黃 7 紫 青 實 驗 一 加 熱 萃 取 紫 色 高 麗 菜 汁 與 果 汁 機 榨 汁 法 的 顯 色 效 果 比 較 ( 一 ) 實 驗 1-1 我 們 模 擬 果 凍 的 比 例 製 作 八 支 試 管, 依 次 左 邊 為 紫 色 高 麗 菜 榨 汁 法 右 邊 為 萃 取 法, 再 調 配 出 四 種 ph=1 4 10 13 的 溶 液 ; 先 在 最 左 邊 兩 支 試 管 各 加 入 ph=1 的 溶 液 5 滴, 比 較 其 顯 色 狀 況 ; 依 照 上 述 的 步 驟 重 複 加 入 加 入 各 ph 值 的 溶 液 5 滴 的 左 右 兩 支 試 管 中 左 為 果 汁 機 榨 汁 法, 右 為 加 熱 萃 取 滴 入 五 滴 各 ph 溶 液 ph=1 ph=4 ph=10 ph=13 結 果 顯 示 各 ph 值 皆 為 左 邊 榨 汁 法 顯 色 較 為 明 顯 12

( 二 ) 實 驗 1-2 調 配 出 四 種 ph=1 4 10 13 的 溶 液 分 別 在 上 下 兩 個 燒 杯 中, 先 在 ph=1 的 下 面 燒 杯 加 入 榨 汁 法 的 紫 色 高 麗 菜 汁 五 滴, 接 著 在 ph=1 的 上 面 燒 杯 加 入 萃 取 法 的 紫 色 高 麗 菜 汁 五 滴, 比 較 其 顯 色 狀 況 依 照 上 述 的 步 驟 重 複 加 入 到 ph=4 10 13 的 上 下 兩 個 燒 杯 中 ph=1 ph=4 ph=10 ph=13 上 者 為 加 熱 萃 取, 下 者 為 機 器 榨 汁 ( 由 左 至 右 :ph1 4 10 13) 結 果 顯 示 各 ph 值 皆 為 下 面 榨 汁 法 顯 色 較 為 明 顯 ( 三 ) 以 模 擬 電 解 果 凍 實 驗, 比 較 加 熱 萃 取 與 機 器 榨 汁 的 紫 色 高 麗 菜 汁 其 顯 色 程 度 結 果 1 模 擬 試 管 實 驗 1-1, 因 為 水 會 稀 釋 酸 鹼 溶 液 的 ph 值, 造 成 所 呈 現 的 顏 色 與 ph 值 對 照 表 不 同, 於 是 改 實 驗 方 式, 將 紫 色 高 麗 菜 汁 滴 入 酸 鹼 溶 液 中 實 驗 1-2 不 過 結 果 顯 示 各 ph 值 皆 為 左 邊 榨 汁 法 顯 色 較 為 明 顯 2 以 實 驗 1-2 結 果 ( 如 上 圖 ) 確 定 機 器 榨 汁 其 顯 色 比 加 熱 萃 取 明 顯, 且 其 製 程 也 較 省 時 省 力, 故 往 後 實 驗 皆 使 用 機 器 榨 汁 以 節 省 時 間 13

實 驗 二 以 不 同 濃 度 的 洋 菜 粉 溶 液 改 良 實 驗, 並 比 較 其 顯 色 程 度 ( 一 ) 還 原 第 一 次 實 驗 0.6% 的 果 凍 因 為 水 分 比 例 太 高 且 洋 菜 粉 溶 液 沒 有 完 全 溶 解, 造 成 從 試 管 取 出 時 果 凍 容 易 碎 裂, 導 致 果 凍 品 質 無 法 固 定, 所 以 我 們 調 整 洋 菜 粉 比 例 (2% 3% 4%) 和 改 變 加 熱 方 式 使 用 加 熱 鍋 隔 水 加 熱 無 法 使 洋 菜 粉 溶 液 沸 騰, 因 此 使 用 酒 精 燈 繼 續 加 熱, 但 無 法 明 確 地 判 斷 出 溶 液 是 否 已 完 全 溶 解 並 沸 騰, 所 以 改 使 用 微 波 爐 各 別 加 熱, 進 行 兩 次 微 波 20 秒 後 拿 出 攪 拌 並 使 其 降 溫, 再 微 波 一 次 10 秒 便 可 完 成, 微 波 時 間 共 50 秒 ( 二 ) 比 較 2% 3% 4% 的 果 凍 顯 色 程 度 結 果 2% 3% 4% 通 電 時 間 18 分 42 秒 18 分 42 秒 18 分 42 秒 顯 色 程 度 最 好 次 之 最 差 4% 3% 2% 實 驗 結 果 : 雖 然 電 解 時 間 幾 乎 相 同, 不 過 以 2% 的 果 凍 較 顯 色, 而 且 製 作 出 來 的 果 凍 品 質 都 很 穩 定 不 會 破 裂 或 軟 化, 於 是 後 面 實 驗 皆 使 用 2% 的 果 凍 14

實 驗 三 比 較 三 種 不 同 的 電 解 質 對 電 解 效 率 的 影 響 KNO3(1M) MgSO4(1M) NaNO3(1M) 酸 鹼 離 子 碰 觸 時 間 7 分 42 分 ( 未 完 成 ) 8 分 實 驗 結 果 :1M 的 KNO3 通 電 時 間 較 短, 較 不 耗 電, 故 以 KNO3 做 作 為 後 面 實 驗 的 電 解 質, 並 以 KNO3 進 行 後 續 不 同 體 積 莫 耳 濃 度 的 實 驗 MgSO4 電 解 時 間 大 幅 增 加, 可 能 是 鎂 離 子 到 達 負 極 時, 會 跟 負 極 附 近 的 OH - 產 生 氫 氧 化 鎂 的 沉 澱, 導 致 電 解 效 率 比 純 水 還 要 差, 而 且 負 極 的 黃 色 (OH - ) 留 在 負 極 處 實 驗 四 比 較 不 同 濃 度 的 電 解 質 對 電 解 效 率 的 影 響 KNO3 KNO3 KNO3 KNO3 濃 度 1M 2M 3M 4M 酸 鹼 離 子 碰 觸 時 間 7 分 6 分 46 秒 6 分 08 秒 5 分 48 秒 2M 3M 4M 實 驗 結 果 : 不 同 濃 度 KNO3 對 電 解 效 率 的 影 響, 發 現 提 高 濃 度 對 電 解 效 率 只 有 些 微 增 加, 卻 造 成 煙 霧 的 副 作 用, 因 此 是 以 1M KNO3 是 最 佳 的 實 驗 條 件 15

陸 討 論 一 改 變 因 素 : ( 一 ) 改 變 盛 裝 果 凍 容 器 因 為 從 試 管 取 出 果 凍 時 容 易 破 壞 到 果 凍, 所 以 我 們 計 畫 製 作 一 個 能 直 接 插 入 碳 棒 的 模 具, 但 礙 於 時 間 考 量, 改 使 用 100ml 的 方 型 保 鮮 盒 來 代 替, 再 使 用 刀 片 切 割 成 所 需 大 小 ( 二 ) 削 尖 碳 棒 增 加 截 面 積 加 速 反 應 並 使 其 容 易 插 入 果 凍 原 碳 棒 為 圓 柱 狀, 插 入 果 凍 時 易 造 成 果 凍 破 裂, 所 以 我 們 將 其 用 削 鉛 筆 機 削 尖, 如 此 就 能 將 碳 棒 插 入 果 凍 更 深, 增 加 其 截 面 積, 加 速 反 應 ( 三 ) 果 凍 裁 切 大 小 一 開 始 實 驗 以 長 7cm 寬 1.6cm 高 1.5cm, 但 7cm 長 度 太 長 而 導 致 電 阻 變 大 且 電 解 時 間 也 拉 長, 所 以 我 們 改 用 長 3cm 寬 1.6cm 高 1.5cm 來 電 解, 卻 發 現 長 度 過 短, 反 應 時 果 凍 升 溫 太 快, 導 致 果 凍 出 水 過 多, 而 改 用 長 4cm 寬 1.6cm 高 1.5cm 來 進 行 電 解, 其 結 果 較 不 溶 液 出 水 且 反 應 時 間 較 長 7cm 快 速, 故 往 後 實 驗 皆 切 割 成 此 大 小 16

二 發 現 問 題 : ( 一 ) 碳 棒 未 通 電 時 插 入 果 凍 會 產 生 顏 色 變 化 在 實 驗 之 後, 我 們 隨 意 將 洗 淨 之 後 的 石 磨 棒 插 入 果 凍 兩 端, 此 時 並 未 通 電, 我 們 卻 其 中 ㄧ 端 的 石 磨 棒 發 現 綠 色, 而 另 一 端 石 磨 棒 產 生 紅 色, 此 現 象 並 不 合 理 所 以 我 們 懷 疑 碳 棒 是 否 會 殘 留 電 子, 故 重 新 再 做 了 一 些 測 試 並 上 網 查 詢 資 料, 發 現 ㄧ 些 研 究 報 導 指 出 石 墨 烯 是 未 來 儲 存 電 能 很 好 的 材 料 ( 二 ) 碳 棒 正 極 處 變 短, 果 凍 負 極 與 碳 棒 交 界 處 冒 出 泡 泡 因 為 在 正 極 處 會 有 強 烈 氧 化 作 用, 導 致 碳 棒 上 的 碳 粉 容 易 脫 落, 並 且 因 為 負 極 會 產 生 氫 氣 而 導 致 與 碳 棒 交 界 處 產 生 氣 泡 為 解 決 此 問 題, 我 們 在 每 次 電 解 結 束 後 都 必 須 將 石 磨 棒 重 新 以 削 鉛 筆 機 削 過, 以 保 持 電 極 接 觸 面 的 反 應 條 件 一 致 17

( 三 ) 果 凍 升 溫 出 水 雖 然 電 解 反 應 是 吸 熱 反 應, 但 過 程 中 會 將 熱 吸 入 果 凍 中 使 其 溫 度 上 升, 造 成 果 凍 遇 熱 融 化 出 水 果 凍 裁 切 長 度 過 短 出 水 情 形 會 更 嚴 重! 於 是 我 們 改 良 了 果 凍 的 洋 菜 粉 比 例, 並 將 果 凍 裁 切 至 適 當 的 比 例 ( 四 ) 電 解 質 濃 度 較 高, 電 解 時 正 極 處 有 煙 霧 產 生 電 解 KNO3 果 凍 時, 果 凍 正 極 處 產 生 白 色 煙 霧, 且 碳 棒 正 極 處 變 熱 上 網 查 詢 後, 資 料 顯 示 KNO3 遇 高 熱 會 放 出 氧 氣 ; 遇 到 有 機 物 還 原 劑 木 炭 硫 磷 等 易 燃 物 則 可 燃 ; 燃 燒 後 會 產 生 有 毒 氮 氧 化 物 煙 霧 本 實 驗 之 所 以 會 產 生 煙 霧 可 能 是 KNO3 濃 度 過 高 果 凍 溫 度 過 熱, 與 電 解 反 應 中 反 應 太 過 劇 烈 所 造 成 碳 棒 上 脫 落 的 碳 粉 產 生 上 述 反 應, 此 原 理 只 會 產 生 在 正 極 的 原 因 是 因 為 電 解 果 凍 的 過 程 中 正 極 會 產 生 氧, 負 極 則 會 產 生 氫 氣 1M 的 KNO3 之 所 以 不 會 產 生 煙 霧 是 因 為 KNO3 濃 度 在 電 解 過 程 中 其 劇 烈 程 度 還 不 至 於 會 產 生 煙 霧, 而 2M 3M 4M 濃 度 的 KNO3 因 反 應 過 於 劇 烈 皆 會 產 生 煙 霧 18

柒 結 論 一 實 驗 一 : 加 熱 萃 取 紫 色 高 麗 菜 汁 與 果 汁 機 榨 汁 法 的 顯 色 效 果 比 較 由 實 驗 結 果 顯 示 各 ph 值 皆 為 榨 汁 法 顯 色 較 為 明 顯, 使 用 榨 汁 法 也 可 以 節 省 時 間, 方 便 學 校 實 驗 的 進 行 二 實 驗 二 : 以 不 同 濃 度 的 洋 菜 粉 溶 液 改 良 實 驗, 並 比 較 其 顯 色 程 度 我 們 將 酒 精 燈 加 熱 法 改 使 用 微 波 爐 各 別 加 熱, 進 行 兩 次 微 波 20 秒 後 拿 出 攪 拌 並 使 其 降 溫, 再 微 波 一 次 10 秒 便 可 完 成, 微 波 時 間 共 50 秒, 節 省 大 量 時 間 雖 然 電 解 時 間 幾 乎 相 同, 不 過 以 2% 的 果 凍 較 顯 色, 而 且 製 作 出 來 的 果 凍 品 質 都 很 穩 定 不 會 破 裂 或 軟 化, 於 是 後 面 實 驗 皆 使 用 2% 的 果 凍 三 實 驗 三 : 比 較 三 種 不 同 的 電 解 質 對 電 解 效 率 的 影 響 1M 的 KNO3 通 電 時 間 較 短, 電 解 時 間 從 原 本 18 分 鐘 大 幅 縮 減 到 只 剩 下 7 分 鐘, 除 了 較 不 耗 電 之 外, 也 比 較 適 合 學 校 實 驗 課 的 時 間 故 以 KNO3 做 作 為 後 面 實 驗 的 電 解 質, 並 以 KNO3 進 行 後 續 不 同 體 積 莫 耳 濃 度 的 實 驗 MgSO4 電 解 時 間 大 幅 增 加, 可 能 是 鎂 離 子 到 達 負 極 時, 會 跟 負 極 附 近 的 OH - 產 生 氫 氧 化 鎂 的 沉 澱, 導 致 電 解 效 率 比 純 水 還 要 差, 而 且 負 極 的 黃 色 (OH - ) 留 在 負 極 處 四 實 驗 四 : 比 較 不 同 濃 度 的 電 解 質 對 電 解 效 率 的 影 響 不 同 濃 度 KNO3 對 電 解 效 率 的 影 響, 發 現 提 高 濃 度 對 電 解 效 率 只 有 些 微 增 加, 卻 造 成 煙 霧 的 副 作 用, 因 此 是 以 1M KNO3 是 最 佳 的 實 驗 條 件 五 本 實 驗 設 計 的 電 解 水 實 驗, 的 確 可 以 觀 察 電 解 水 時 離 子 移 動 情 形 的 實 驗 方 法! 而 且 本 實 驗 所 使 用 的 藥 品 與 器 材 都 是 很 安 全 且 試 藥 用 量 甚 少, 能 達 到 教 學 目 的, 進 而 往 永 續 發 展 的 綠 色 化 學 邁 進! 19

捌 參 考 資 料 及 其 他 ㄧ 未 來 展 望 : 我 們 希 望 未 來 能 利 用 硬 水 中 的 鎂 離 子, 依 其 反 應 時 間 來 推 導 硬 水 所 含 的 鎂 離 子 濃 度 因 為 在 實 驗 三 當 中 我 們 發 現 加 入 硫 酸 鎂 (MgSO4) 做 為 電 解 質 的 果 凍 反 應 時 間 比 沒 有 加 入 電 解 質 的 還 要 慢 很 多, MgSO4 電 解 時 間 大 幅 增 加, 可 能 是 鎂 離 子 到 達 負 極 時, 會 跟 負 極 附 近 的 OH - 產 生 氫 氧 化 鎂 的 沉 澱, 導 致 電 解 效 率 比 純 水 還 要 差 所 以 我 們 可 以 應 用 在 測 試 硬 水 中 含 有 的 鎂 離 子 濃 度 上, 將 含 有 已 知 濃 度 鎂 離 子 的 水 進 行 電 解, 再 用 其 反 應 時 間 去 推 測 未 知 濃 度 的 硬 水 中 有 多 少 鎂 離 子 且 硬 水 對 我 們 的 生 活 有 極 大 影 響 力, 在 生 活 與 工 業 用 水 中 均 會 造 成 危 險 與 問 題, 如 容 易 消 耗 肥 皂 和 形 成 鍋 垢, 在 冷 卻 系 統 與 熱 交 換 器 上 也 會 容 易 形 成 水 垢 而 降 低 熱 交 換 效 率, 也 會 降 低 機 械 效 率, 嚴 重 可 能 引 發 鍋 爐 爆 炸 等 危 險, 所 以 控 制 硬 水 硬 度 是 極 為 重 要 的 步 驟, 若 利 用 此 實 驗 就 可 檢 測 出 其 濃 度 並 控 制, 讓 我 們 的 生 活 得 以 更 安 全! 二 參 考 資 料 : 1. 蔬 果 變 色 - 天 然 酸 鹼 指 示 劑 http://www.shs.edu.tw/works/essay/2012/02/2012022314332957.pdf 2. 以 紫 色 高 麗 菜 為 指 示 劑 改 良 電 解 水 實 驗 之 研 究, http://www.shs.edu.tw/works/essay/2009/04/2009040223250241.pdf 3. 硫 酸 鎂,- 維 基 百 科, 自 由 的 百 科 全 書 - Wikipedia, http://zh.wikipedia.org/wiki/%e7%a1%ab%e9%85%b8%e9%95%81 4. 硝 酸 鉀 - 維 基 百 科, 自 由 的 百 科 全 書 Wikipedia http://zh.wikipedia.org/wiki/%e7%a1%9d%e9%85%b8%e9%92%be 5. 電 解 - 維 基 百 科, 自 由 的 百 科 全 書 Wikipedia, http://zh.wikipedia.org/wiki/%e7%94%b5%e8%a7%a3 6. 下 世 代 能 源 材 料 - 石 墨 烯, 物 理 雙 月 刊,33 期 2 卷 2011 年 4 月 p.178 7. 石 墨 烯 於 超 級 電 容 之 應 用 研 究, 新 新 季 刊, 第 42 卷 第 1 期,p.35 20

8. 硬 水 的 檢 驗 方 法,https://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1507122800418 9. 水 硬 度 的 認 識 及 測 定 方 法 的 探 討, http://www.shs.edu.tw/works/essay/2012/03/2012033108282406.pdf 21