化學科

有一天，媽媽不在家，爸爸叫我幫忙做菜。當我把茄子切開時，荔肉是白色的，可是當我把所有的茄子切好時，茄肉大部分變褐了！當爸爸把茄子煮好時，茄子卻變成鐵銹一般的褐色了！ 「茄子為什麼失去了艷麗的色彩？」 「媽媽煮的茄子為什麼顏色比較好看呢？」 於是我邀幾位同學一起研究這個問題，並請自然老師指導我們。

小時候，看著媽媽洗衣，小小個子，攀住洗衣機，視線剛好與操作板上幾個按鈕對齊，好奇心的驅使，常常亂按一通，看著指示燈跳來跳去，樂不可支，也不知道這是幹什麼的？及稍長大，識字後，只知道操作板上面寫的是：「洗衣、洗清、脫水」；左邊另外四對按鈕則分別標示：「水流（強、弱）、洗清（加強、標準）、脫水（強、弱）、行程（標準、節約）」；洗衣槽的右上方另有一個旋轉鈕，標示著：「高（水位），中、低、低一、低二」，媽媽告訴我，操作時要依說明書指示，原則上，髒衣服很多時，洗衣粉用量就要多，各控制鈕都要按在「加強」、「強」、「高」的部位。但是有時候，由我幫著洗衣時，也懶得去翻說明書，反正全部按在「最高」、「最強」的按鈕，洗衣粉多放一些，心想一定會洗得最乾淨，不就得了嗎？何必那麼囉嗦幹嗎！問一問班上的同學，他們也有同感，連他們的家長也有很多就是這樣教他們的，直到有一天，我發現褲子的鬆緊帶被洗鬆掉，衣服的邊觀縫合處，斷線張開，更糟的是，藍色的學生外套沾著一排未經洗清的白色洗衣粉，我才意識到，這幾個按鈕中，一定有不少學問存在，本學期國中理化第三冊 20 章談到清潔劑的去污作用， 18 章則提到反應速率與碰撞學說；有了這一點皮毛的認識，使我決心根據以前理化課所學到的「控制變因」科學方法，對這些影響衣服洗淨與洗清的變因，加以一探究竟。

嗜高溫好氧菌Geobacillus thermoleovorans T4，是被報導具纖維素分解能力的菌株，但僅止於學術研究階段。本研究成功地應用於廢棄纖維素的轉化，並獲得二重要結果：第一，T4菌株可將稻桿與稻穀殼分解為還原醣；調整培養基氮碳比、纖維預先蒸煮及以臭氧斷鏈皆可有效提升還原醣產率；纖維素轉化為還原醣最佳化條件為稻穀殼先高溫蒸煮爆碎，在氮碳比為1：7的培養基中，pH=6、65℃時，還原醣產率可高達69.81%。第二，未以臭氧，將T4菌株反應後之稻穀殼溶液，植入30mL、有高的酒精耐受度(30%以上)的Saccharomyces diastaticus菌株反應72 hrs後，酒精發酵率高達79.89 %。換言之，目前本研究纖維酒精產率至少可達28%以上，而且製程中產能與耗能確可達到綠色能源訴求。圖1.為自製生質酒精反應器，初步已有24%的轉化效果。

我們觀察磁場與電場交互作用下使電解質溶液轉動的現象，進而探討溶液轉動效果與溶液中離子的相關化學性質。首先由文獻資料中所提的實驗開始改進儀器設備與實驗方法，使測量轉速方式容易操作與測得數據，並使儀器微型化與減少藥品量，達到節能省碳的目的；並發掘多項影響轉速的變因(中心銅線粗細、電極與磁極的配置、中心銅線與磁鐵中心的相對位置、溶液多寡、濃度、電壓)，掌握因素後，才獲得穩定的數據。起初求得溶液轉速與電壓大小有正比關係，又發現在相同電壓與濃度時，使用不同硫酸鹽，溶液轉動的轉速不同。其大小關係為 硫酸銅 > 硫酸亞鐵 > 硫酸鋅。經相關實驗探討後，提出V外 = V化學反應 + V離子移動的假設來說明此轉速關係。並以硝酸鹽驗證此假設。在求證過程中，又發現相同濃度且不同鹽類時，解離的離子數目也是影響轉動效果的重要因素之一。 (1) V外 ：由溶液外部的電源供應器所提供的電壓。 (2) V化學反應：溶液中進行化學反應所需的電壓[=V化學反應(正) + V化學反應(負)]。 (3) V離子移動：溶液中造成離子移動的兩端電極電壓。

乾電池是日常生活中所不可或缺的，而一般人卻很少能夠了解乾電他的特性。基於這個原因，我們特別對乾電池作了一些微淺的研究。

為了研究超疏水的應用價值，我們首先運用溶膠凝膠法製備超疏水溶液，並利用浸潤的方式將基材表面進行改質。透過控制各項變因觀察其超疏水效果與耐酸鹼程度，結果發現超疏水溶液的製備條件以攪拌20小時、乾燥1.5小時效果最佳。以此配製條件下將超疏水溶液應用於鐵釘的防鏽，實驗結果發現鐵釘表面塗佈超疏水溶液後有助防止其生鏽。另外，為了增加基材表面塗佈超疏水溶液後的實用性，我們利用不同溶劑將超疏水溶液稀釋以期增加基材透光度，實驗結果發現若選用丙酮做為稀釋液則透光度效果最佳。

基本上，鐵在一般含氧酸性溶液中的腐蝕現象，合於下列的方程式： 2Fe + O2 + 4H+ → 2Fe2+ + 2H2O ( 1 ) 故 〔 H+﹞愈高，受蝕的情形也愈嚴重。若 H+的提供者屬於有機酸，解離後 H+-僅限於濃度的差異；但陰離子部分，對腐蝕反應會構成怎樣的影響呢？ 在本研究中，將以有機酸中結構最簡單的甲酸 ( methannic acid ) 、乙酸 ( ethanoic acld ) 和丙酸 ( propanoic acid ) 來進行純鐵在有機酸水溶液中的腐蝕實驗；並分別以超音波振盪( ultrasonicl Irritation )、亞硝酸鹽、硝酸鹽的添加為變因，另案探討對此實驗其他可能的致變因子。

「超級黏土」不但能耐熱、耐冷，在海水以及強酸、強鹼浸泡下，都無法影響它的超強黏固力，它能緊緊黏住物體，固化後還具有可彎性，且具有彈力。我們分析它的成分還找了各種材料，並用自製測量工具：黏固力、彈力、酸腐蝕測量工具進行檢測，嘗試做出類似「超級黏土」及創意產品。經實驗得出：(1)超級黏土的成分有滑石、聚矽氧烷、甲基三矽烷等，實驗證明它有強的黏固力、彈力、耐熱、耐冷、防水及防腐蝕的性質。(2)自製超矽黏土：25公克滑石粉加20公克中性防黴矽酮加2公克玉米澱粉，性質最接近超級黏土。(3)我們用自製超矽黏土修補許多破損物品及捏塑生活用品，更加入夜光以及能感溫變色的物質，發展出既經濟又實用的創意超矽黏土。

做理化第一冊的實驗時，發現「鎂與?酸反應」和「炭的脫色」兩個實驗的操作方法或其實驗結果不太完美。在鎂與?酸反應的實驗中，其收集氫氣的操作方法，既不方便且費時，浪費?酸且危險性高，影響學習的興趣；在炭的脫色實驗中，其精製所得的糖，有的完全無色，有的無法脫色，實驗結果不一致。為了改進以上的缺失，於是著手進行本實驗研究。

本研究分成兩部分，第一是探討一般電源轉換成燃料電池的電源之電壓轉換情形，第二乃利用實驗室的簡易儀器仿製伏打電池來製作燃料電池，並探討加入合成清潔劑使其產生泡沫後，電壓是否能夠穩定。在第一部分的實驗中，以電源供應器做為穩定的供應電源、0.1M 硝酸鉀做為電解液，依供應的電壓、通電時間與電極（實驗室碳棒）在液面下的接觸面積的不同，結果發現電壓越大，或通電的時間越久，或電極接觸面積越大，燃料電池剛開始的電壓越大，且電壓下降的也越緩慢。第二部分的實驗中，仿製伏打電池以自製燃料電池，正極部分使用未稀釋的雙氧水加上少許的二氧化錳以產生適量氧氣，負極部分則使用固定面積的鋁箔片加上濃度相同的鹽酸或氫氧化鈉以產生氫氣，電極材料使用4B 的鉛筆心（4B 為三種碳棒種類H、2B、4B 中效果最佳者），以1M 的硝酸鉀做為鹽僑，並探討加入合成清潔劑產生泡沫後是否可以使電壓穩定，結果發現鋁箔片與氫氧化鈉產生氫氣的反應較佳，且增加接觸面積時，燃料電池的電壓較大、電壓下降的時間較長，而加入合成清潔劑後，電壓更加穩定。每添加一次鋁箔片以產生氫氣時，電壓可以立即回復至最大電壓，證明氫氣燃料電池使用時若電壓下降，則必須繼續添加反應物質。而當負極溶液中沒有氫氣則無法產生電力，更證明了氫氣與氧氣是本實驗之自製氫氣燃料電池的電力來源。