全國中小學科展

化學科

「膜」力淨水---探討包蚵殼粉的晶球化膠膜在清除磷酸鹽的研究

本研究探討利用含蚵殼粉的海藻酸鈣晶球去除水中磷酸鹽的可行性。我們設計正向與反向晶球,加入不同重量蚵殼粉,觀察其對磷酸根的去除效果。實驗使用RGB比色法建立檢量線判讀磷酸鹽濃度,自製Arduino微型電導度計,追蹤即時離子變化,數據與EDTA滴定一致。反向晶球(4克蚵殼粉)於50分鐘內達80.8%去除率,優於其他組。Ca²⁺濃度變化為磷酸鹽反應指標,呈先降後升趨勢,初期與磷酸根結合沉澱,後期因磷酸根減少而釋放量累積。推估晶球在1至12小時期間可去除約0.007 mmol/L磷酸根,具後續吸附潛力。另外,透過煅燒法與CO₂排水集氣法反推分析蚵殼粉中CaCO₃純度,約為81.8%。證實晶球具化學沉澱與物理滲透雙重機制,具水質淨化與教學應用價值。

酸鹼滴定研究及自製微量滴定裝置

首先以滴管、滴定管、水平微量滴定管等現有滴定裝置進行酸鹼滴定測試,滴定終點時呈現的色澤深淺並不一致,經實驗發現,造成滴定終點色澤深淺不同的主因,是現有滴定裝置產生液滴過大所致。接著針對液滴過大之缺點進行改良,利用螺旋擠壓原理搭配針頭為液滴出口,自製第一代滴定裝置;進而應用氣流吹落殘液,自製第二代滴定裝置。本研究改良型滴定裝置,具備螺旋擠壓液滴、氣流吹落殘液等兩大亮點,可使產生之液滴更微小。最後經實際測試,使用改良型滴定裝置所產生液滴更微小,可使滴定終點更接近當量點,所呈現的淡粉紅色深淺較一致。此全新改良型滴定裝置具備精準度高、操作簡易、成本低廉等優點,深具實用價值,未來有商品化之潛力。

碳為柑止-生物碳吸附力及螢光應用

以泰源肚臍柑皮作為材料,將其烘乾製成粉狀後高溫鍛燒製成生物碳。檢測Zeta電位可知生物碳表面帶負電,分別對吸附亞甲藍、結晶紫、甲基橙等有機染料的效果探討,發現生物碳對表面具有不同電性之染料有明顯差異,且在混合染料實驗中可知生物碳對表面帶正電的亞甲藍及結晶紫有很好的吸附效果,反之對表面具負電的甲基橙則無,推測靜電力為主要吸附原因。 從上述生物碳表面電極以及染料吸附實驗結果,設計使用生物碳吸附水楊酸實驗,且結果證實生物碳可吸附水楊酸,再進一步探討生物碳在不同濃度水楊酸溶液環境下對吸附比率的關係。 同時為了探討生物碳重複使用的效果也使用酒精作為脫附劑進行了脫附實驗,結果證實重複吸、脫附三次的生物碳,吸附率皆達70%以上。

光照無所遁形~奈米銀變色膜的研究

一般變色膜是用光致變色粉與PU膠混合而成,我們的光致變色薄膜是用天然染料吸收陽光的紫外線,使染料上的電子躍遷至銀離子膠體上而還原出奈米銀,使變色膜透光度變低。 我們成功的自製抽氣乾燥暗箱及3w鋁基板光照箱,讓光照成效能不錯的控制變因;自製多色光光罩吸光儀可記錄不同色光穿透變色膜下的光敏電阻感光電阻下降,偵測與之串接的一般電阻電壓提高的多寡,可算出透光率及透光恢復率的大小。 以Gy33感測器記錄變色膜的RGB值,轉由HSV之色相值等,可確切得知變色膜顏色變化的程度,未來以此製成的變色薄膜,可黏貼在汽車玻璃或窗戶玻璃上,達到光穿透率變低,光不刺眼、防曬、使車內或室內溫度下降,達到節能減碳目的成為可能。

「蒟」世無雙~添加物對「蒟蒻」凝膠性質之影響

日本被稱為「腸胃清道夫」,本研究發現添加物可改變蒟蒻的凝膠性質,善用其凝膠性可開發蒟蒻創意用途。 首先藉由自行設計的硬度、彈性等測試器具進行物性測試,操縱變因包含蒟蒻濃度、鹼液pH值、鹼粉(鹽類)種類、常見添加物、天然色素、貯存方式等。研究發現蒟蒻濃度與pH值是影響品質的關鍵,膠體pH10以上有助於固化成型。糖的添加會使凝膠性下降,但鹽巴有助於凝膠,實驗中發現Na⁺優於Ca²⁺、Mg²⁺,這些現象符合陽離子可提供交聯作用的模型,提出蒟蒻電池是可開發的環保微型電池。利用天然色素可增添蒟蒻視覺性與特殊風味,採用酸鹼中和易使蒟蒻外表扭曲變形,採冷凍儲存方式會有離水現象使組織呈纖維網絡海綿狀,可做成蒟蒻海綿。

「愛」的「膜」力轉圈圈~可食性愛玉薄膜素材的研究

減塑是必行的工作, 由2021年消耗28億杯咖啡紙杯資料中,我們計算出每年消耗約2000公噸的PE,我們以愛 玉子:水 =1g:80ml的比例,以20℃的水用果汁機攪打90秒萃取愛玉凍,透過蔬果烘乾機以50℃烘乾8小時製成愛玉薄膜,以自製的測量薄膜的張力,找出較堅固的薄膜,薄膜厚度經測量為0.004cm。愛玉薄膜具有防水、在100℃熱水煮1小時也不溶化,在烤箱140℃烘烤20分鐘不被破壞、不溶於99%酒精、丙酮、飽和檸檬酸、99%醋酸、飽和小蘇打溶液中,化學性質穩定等特性。透過將高熔點起司煮成起司糊當黏著劑,成功將愛玉薄膜鍍於塔模餅乾上, 在裝熱水的測試中,成功的在1小時後都不滲水,並透過咖啡測試,發現對於熱飲味道的影響頗低,可以成為取代PE膜的環保替代方案。

迫在「鎂」「鹼」-探討鎂與鹼性酸式鹽之反應

本研究目的為探討Mg、Zn去除氧化層的條件,再與NaHCO3反應,探討反應情形。將Mg浸泡HCl後發現氧化層在1分鐘內即被清除,而且Mg的氧化層對反應速率影響不明顯;以不同溫度、濃度的NaHCO3與Mg反應,發現溫度越高氣體產量越少,推測是溫度升高時,Mg表面氧化層生成較快。比較Mg、Zn與NaHCO3的反應,氣體產生量皆以Mg較多。針對兩種金屬的反應皆計算找出為二級反應,再由速率常數分別算出其活化能。用EDTA測量 Mg2+莫耳數,發現與產生氣體莫耳數比值接近1,推測產生氣體可能只有H2,沒有CO2。將反應過後金屬表面黑色物質震盪到乙醇中,使用分光光度計掃描,確認為奈米級氧化鎂;反應後溶液放置一天過後出現了懸浮的白色物質,確認為MgCO3。

神奇「催」「糖」術─探討利用新型催化劑磷鎢酸置換醣類一號位置結構的影響

本研究將定量的葡萄糖與乙酸酐反應,可將葡萄糖上的羥基進行乙醯化反應,再將乙醯化的葡萄糖與可回收使用的催化劑磷鎢酸以5:1當量數進行催化反應,並分別以是否微波、微波時間、微波溫度及微波瓦數為變因進行實驗,發現當微波溫度40℃、微波功率300W,微波30分鐘時,可得到最高產率的目標產物。再將葡萄糖與催化劑磷鎢酸及對甲苯硫酚以當量數為變因,找出最佳產率的條件,再將此最佳條件分別以不同醣類為變因進行反應,將所測得之目標產物的產率與傳統催化劑三氟化硼所催化的結果進行綜合比較及討論,最後以NMR儀器分析確定反應是否成功並了解其反應機制,進而幫助科學家在研究癌症細胞中醣分子的合成反應過程可以更有效率,並以達到綠色化學為目標。

不要「碳」氣!自製氣瓶探究碳捕捉材料的吸附效能

工業革命後,人類排放至大氣中的二氧化碳(化學式CO2)逐漸增加,若不及時控制將會導致全球氣候變遷。但我們認為僅減少CO2排放量是不夠的,應該更有效率的捕捉它,於是我們設計了一系列實驗來驗證我們的想法。為了有穩定的CO2供氣來源,我們成功自製了CO2氣瓶,經過改良後以排水集氣法得到時間和體積變化有很好的線性關係,能替代笨重的鋼瓶。接下來CO2多寡的測量是選用碳酸氫鹽指示劑的顏色變化來量化,方法是通入不同時間的CO2到指示劑後再用分光光度計測量其穿透率,再利用此穿透率區間回推每公克矽膠乾燥劑能吸附多少毫升的CO2,建立一個科學實驗模式後應用到其他生活中具孔洞的材料中,並進一步探討不同材料間吸脫附重複率的效能。

談不同濃度的硝酸與銅反應的現象

本次實驗我們探究不同濃度之硝酸與銅片反應生成20ml氣體的反應速率及生成的20ml氣體中NO2的佔比。 實驗中,我們使銅與硝酸溶液在20ml的注射筒中反應並用其收集20ml氣體,同時硝酸會被生成氣體排出注射筒,當注射筒中充滿生成氣體時就紀錄反應所需時間,隨後用排水集氣法收集一氧化氮氣體。