界面活性剂应用厕所清洁碇及奈米硫微粒的形成教案.docx

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界面活性剂应用厕所清洁碇及奈米硫微粒的形成教案

教学活动实施过程

课程模块五：

界面活性剂应用－厕所清洁碇及奈米硫微粒的形成

核心概念

界面化学、精油萃取、反应速率

预计总实施课程时间

5周

基础实验

（一）：

自制家用果皮清洁剂

1周

基础实验

（二）：

厕所清洁碇制作

2周

探究实作：

奈米硫微粒的形成

2周

（每周2堂课）

壹、基础实验

（一）：

自制家用果皮清洁剂

一、实验目的

生命的本源即是化学，化学也是最贴近生活的学问，永续经营概念是我们所追寻未来，是大自然生命得以延续的契机。

我们利用平常不吃的果皮、拣剩的菜叶除了可以自制成有机肥料外，也能将果皮透过简单的处理，制成实用天然清洁剂，取代合成清洁剂！

不管是厨房油污还是清洗水果，天然食材废弃物再利用，不仅省钱又环保，用起来也更安心。

二、实验原理

1.界面活性剂的原理

日常生活中，衣服易被油溶性的物质弄脏或沾上污垢、烟尘，这些物质的水溶性都很差，用清水难以洗净；因此，必须使用清洁剂才能有效清除污垢。

一般清洁剂的构造包含两种性质的原子团：

一端是与油污相似的长链烷基，称为亲油基或疏水基（hydrophobicgroup），此端可深入油污，进而与油污互溶；而另一端由带有电荷的原子团组成，此端可溶于水，称为亲水基（hydrophilicgroup）。

由于清洁剂分子同时具有可溶于油及水的能力，此类分子即称为界面活性剂（surfactant）。

其主要作用是让两个互不相溶的接触面，不再排斥彼此靠近的物质。

举个例子，如果你将色拉油和水倒在同一个杯子里，会发现水沉在下层，油浮在上层（油的比重比水小），呈现油水分离。

这时，加入几滴清洁剂（界面活性剂）摇晃一下，油和水就均匀混合了。

人类使用最早的清洁剂为肥皂，称为长链脂肪酸金属盐，例如：

硬脂酸钠（C17H35COONa）及软脂酸钠（C15H31COONa）（图2所示）。

至于人工合成的清洁剂组成为长链烷基硫酸盐类，例如：

正十二烷基硫酸纳（C11H23CHOSO3Na）及长链烷苯磺酸盐类（R－C6H4－SO3Na），R＝－C9H19~－C15H31，例如：

正十二烷基苯磺酸钠。

2.界面活性剂的种类

生活中举凡食品、药品、肥皂、洗碗精、清洁剂、洗衣粉、洗发精、润丝精、沐浴精、化妆品、杀虫剂都有界面活性剂的存在。

依它在水中亲水端的带电性，大致可分为：

（1）阴离子界面活性剂：

脂肪酸盐CH3（CH2）16COO-Na+（长链及支链）、烷基硫酸盐

CH3（CH2）11SO4-Na+及月桂醇聚醚硫酸脂钠盐（SLES）等，清洁效果佳，常用在洗衣精、洗发精、沐浴用品。

（2）阳离子界面活性剂：

脂肪铵盐CH3（CH2）11NH3+Cl-、溴化十六烷三甲基铵CH3（CH2）15N（CH3）3+Br-等，价格较高，但具有杀菌、润丝、抗静电等优点，常用在润丝精、衣服柔软精。

（3）两性离子界面活性剂（C12H25N+（CH3）2（CH2COO-）：

例如椰油酰胺丙基甜菜硷，可降低阴离子界面活性剂的刺激性，常用在婴儿清洁用品。

（4）非离子界面活性剂（CH3（CH2）11（OCH2CH2）6OH）：

例如烷基聚氧化乙烯醚硫酸钠，具有亲水性及疏水性链长度均可改变的优点，清洁效果差但易起泡，其功用主要是加强阴离子洗净力，常用在清洁和化妆用品。

3.常见清洁剂中其他添加剂：

（1）起泡剂：

月桂醇聚醚硫酸脂钠盐（SLES）

（2）去污粉：

碳酸钠（Na2CO3）及碳酸氢钠（NaHCO3）

（3）促净剂：

硅酸盐、磷酸钠

4.废弃果皮的妙用：

酸苦的柑橘及柠檬皮，具有防癌的功效；有些口感差难以下咽的苹果皮可预防过敏；有白雾果粉的葡萄皮是天然酵素，能帮助消化，总之果皮好处比你想象中多。

（1）柠檬皮

含有柠檬苦素，同时还含有丰富的类黄酮及多酚，这两种成分是抗氧化物质，能促进脂肪代谢、降低三甘油酯，有肥胖困扰的人可以利用柠檬皮帮忙去除过多的脂肪。

（2）柑橘皮

橘子皮或是橙子皮都属于柑橘类皮，其含有类黄酮素，能增强血管功能，并能对抗发炎，此外含有丰富的果胶，有助排便、降低血压及胆固醇。

基于上述理论，果皮的营养价值远高于果肉，所以用来做清洁剂的果皮最好是真的废弃不再使用（例如：

凤梨皮）或者担心有农药残留的果皮。

柠檬皮中所含的精薴烯（图2所示），又称柠烯（Limonene；俗称柠檬油精）是一种环状单萜烯，广泛存在于各种香精油，特别是柠檬油、柠蒿油、橙子油、佛手柑油、莳萝油中。

基于同类互溶原理，柠檬油精虽然有溶解油污效果但经过浸泡时溶解在酒精中的量并不多，真正有去污效果的应该还是所加入椰子起泡剂的功效。

三、实验器材与试药

器材（每组）

◎600mL以上的玻璃空罐4个

◎中型不锈钢锅1个

◎烧杯250mL1个

◎量筒50mL1个

◎水果刀或美工刀3支

◎洗碗精或洗发精空塑胶瓶3个

◎玻棒1支

◎过滤筛网1个

试药（每组）

◎95%酒精500毫升一罐

◎椰子油起泡剂200mL

◎柠檬6颗

◎氯化钠（食盐）30克

四、实验步骤

1.刀削柠檬皮，必须是新鲜的果皮，且果皮内的白色部分应刮除勿放入，否则白色部分会吸走精油萃取液，且造成萃取液杂质变多。

2.将外果皮平分放入两个600mL玻璃空罐中，倒入95%酒精至能盖满果皮的程度，然后盖上盖子置放于阴凉处，一周后将果皮过滤，此时酒精带有柠檬香气（图3所示）。

【建议】将外果皮平分放入两个600mL玻璃空罐中，倒入95%酒精至能盖满果皮的程度，一周后直接将上层溶液倒入其他回收的玻璃空瓶内，残留在原玻璃罐内的果皮可以直接倒入垃圾桶内，此时将倒掉果皮的玻璃空瓶洗净，再将刚才倒出的酒精溶液倒回原玻璃瓶内即可。

3.直接加入相当于酒精溶液2~3倍体积的冷水于玻璃瓶内，此时溶液出现黄色混浊状，这是因为酒精可当做乳化剂，将柠檬皮成份中的柠檬烯分散于水中所呈现的乳化状态。

4.再将约30克的食盐加入上述溶液中，尽量混合均匀。

加食盐的目的主要是「增稠作用」，食盐要加得够多才能增稠，加的量太少，效果不明显，且加入食盐会使洗涤时产生的泡泡变得较细致且量多又持久。

5.最后加入约150毫升椰子油起泡剂（椰子油起泡剂很容易结块，使用之前可加入一些热水帮助溶解，详见实验过程注意事项）

6.将自制而成的清洁剂装入适当容器中即完成（资源回收的洗碗精或洗发精塑胶瓶均可）。

※实验过程注意事项

椰子油起泡剂很容易结块，若是一直无法溶解在水中，可以使用隔水加热（将椰子油起泡剂与少量水混合倒入250mL烧杯中，放入装有热水的中型不锈钢锅中浸泡帮助溶解），稍微搅拌后静置约10~20分钟，直至椰子油起泡剂澄清为止，此时将冷却至室温的椰子油起泡剂加入上述柠檬皮浸泡液中，此时溶液不再混浊，且出现淡黄色的澄清液。

7.想想看：

（1）新闻报导中提及：

「以高浓度（70%~95%）酒精浸泡柠檬皮会产生酵素且兼具去油污效果」，请问这种说法会产生什么谬误？

（2）自制清洁剂的主要去污效果是来自何种成分？

（3）学校洗手台上放的肥皂也是界面活性剂的一种，为何使用一段时间后表面会有一层硬硬白色沉淀物，从此以后肥皂就很难起泡泡而失去洗涤效果了，请问可能的原因为何？

【老师与学生心得分享】

1.清洁剂包括肥皂及合成清洁剂，肥皂是长链脂肪酸的碱金属盐，可由动植物的油脂与强碱反应而得；合成清洁剂是长链烷基的苯磺酸钠盐，洗衣粉、洗碗精都是此类清洁剂。

学校洗手台的水龙头水源多为地下水，所含的钙离子或镁离子者较多（成为硬水），肥皂遇硬水会形成难溶的钙或镁盐，失去界面活性剂的特性，所以很难起泡泡。

2.以自制果皮清洁剂洗洗手台油污效果非常好，而且在硬水中也可以产生泡泡，仍具有界面活性剂的功用。

贰、基础实验

（二）：

厕所清洁碇制作

一、实验目的

碳酸氢钠及碳酸钠与盐酸反应速率的快慢比较等迷思概念，是2015年化学学科中心教学资源研发推广小组研发作品之一，本实验帮助学生藉由实验厘清，强酸强碱反应时反应速率与强酸弱碱反应时反应速率相较，探讨影响反应速率的因素，使学生对反应速率快慢有更进一步地了解。

本实验实作主要是使用碳酸氢钠与柠檬酸充分混合后，加入极少量洗碗精捏塑成型制作成厕所清洁碇，当清洁碇丢到马桶中时一遇到水后迅速酸硷中和，产生大量二氧化碳泡沫，此时只需轻松以马桶刷刷几下就可以打扫得很干净，不仅环保价廉且实用性很高。

二、实验原理

1.碳酸钠及碳酸氢钠分别与盐酸反应，探讨反应速率快慢与碳酸盐的碱性强度是否相关

（1）盐酸（HCl）与碳酸钠（Na2CO3）反应时，会先反应生成NaHCO3，反应后剩下的盐酸再与NaHCO3作用，所以中和后产生的CO2量自然较少。

HCl＋Na2CO3→NaHCO3＋NaCl

HCl＋NaHCO3→NaCl＋CO2＋H2O

（2）盐酸（HCl）与碳酸氢钠NaHCO3反应时，直接生成CO2，此时盐酸的量多，产生CO2的量自然较多。

2.柠檬酸，化学式为C6H8O7，（英语：

CitricAcid）它包括3个羧基（R-COOH）基团。

是一种弱有机酸，这是自然在柑橘类水果中产生的一种天然防腐剂，也是食物和饮料中的酸味添加剂。

很多种水果和蔬菜，尤其是柑橘属的水果中都含有较多的柠檬酸，特别是柠檬和青柠——它们含有大量柠檬酸。

在室温下，柠檬酸是一种白色晶体粉末。

它可以以无水合物或者一水合物的形式存在。

从结构上讲柠檬酸是一种三羧酸类化合物，因此与其他羧酸有相似的物理和化学性质，加热至175 °C时它会分解产生二氧化碳和水，剩余一些白色晶体。

柠檬酸被用作添加剂，加入到软饮料、啤酒、苏打水中，并存在于很多天然果汁中。

三、实验器材与试药

器材（每组）

◎烧杯100mL2个

◎量筒25mL4个

◎码表1个

◎直尺1支

◎保鲜膜1卷

◎药勺1支

◎电子天平1个

◎实验橡胶手套两双

◎手工皂模型

◎中型不锈钢锅1个

试药（每组）

◎碳酸氢钠（NaHCO3）

◎碳酸钠（Na2CO3）

◎柠檬酸citricacid

◎盐酸

◎洗碗精少许

四、实验步骤

1.碳酸钠及碳酸氢钠分别与盐酸反应，探讨反应速率快慢与碳酸盐的碱性强度是否相关

（1）各秤取1克碳酸钠（Na2CO3）及碳酸氢钠（NaHCO3）备用。

（2）配制1.2M的盐酸（HCl）溶液，各量取10毫升倒入25毫升量筒中。

（3）分别在两支量筒中加入1毫升的洗碗精。

（4）将1克的碳酸氢钠及碳酸氢钠分别同时倒入两支量筒中，以码表计时，测量反应后产生的二氧化碳泡沫速率的快慢。

2.制作厕所清洁碇

（1）将无水柠檬酸50克与小苏打（NaHCO3）200克混合（重量比1：

4），放入中型塑胶碗或不锈钢锅中均匀混合。

（2）加入3mL的洗碗精（切记勿加过量），迅速搅拌均匀。

（3）将混合物放入皂模中压入成型。

图4：

制作厕所清洁碇的原料

图5：

加入3mL的洗碗精（切记勿加过量），迅速搅拌均匀。

图6：

将混合物放入皂模中压入成型

图7：

学生成品展式

※实验过程注意事项

实验完后盐酸可以用大量清水稀释后，倒入水槽清洗即可

【老师与学生心得分享】

1.看似很容易制作的厕所清洁碇其实失败率很高，一开始将小苏打与柠檬酸充分混合后加入少量洗碗精时即会有冰凉的手感，再次充分混合后即可入模，切记勿加入太多洗碗精，避免清洁剂中所含的水份让碳酸氢钠及柠檬酸反应产生二氧化碳，此时体积会大量膨胀变成松软而无法塑型。

2.入模后成品会变硬化，静待十分钟后即可脱模倒出，此时即可用保鲜膜包起来备用。

参、探究实作－奈米硫微粒的形成

一、实验目的

奈米科技日益蓬勃，奈米产品在日常生活中的应用也愈来愈广。

本实验利用添加清洁剂对反应速率的影响，介绍奈米科技中操控奈米粒子形成速率之基本技术。

二、实验原理

清洁剂分子结构中含有亲油基与亲水基两个部分。

当溶液中的清洁剂浓度增大到某个条件时，一群一群的清洁剂分子就会聚集在一起，所形成的分子团就称为微胞（micelle），这些微胞大多是属于奈米结构。

在水溶液中的清洁剂微胞结构是以亲油基朝内而亲水基朝外的方式聚集一起；而在油溶性溶剂中，则以倒过来的方式排列形成逆微胞。

如下列图8所示。

图8：

清洁剂与微胞结构的示意图：

（A）清洁剂分子；（B）微胞与逆微胞

　　化学反应的快慢会受到许多实验条件的影响，例如反应的温度、反应物的浓度及各种添加物的效应等等。

将清洁剂添加在各种化学反应中时，由于一些物质会被包覆到清洁剂的微胞结构里面，可造成化学反应的快慢就有所不同。

硫代硫酸钠与酸性溶液混合会发生硫代硫酸根的自身氧化还原反应，并产生硫固体沉淀。

硫代硫酸钠与酸性水溶液皆属于真溶液，溶质粒子粒径大小为0.1～0.3nm以内，但是自身氧化还原反应所形成硫固体沉淀在达到肉眼可辨识的尺度之前，硫固体粒子的成长过程曾经历了1～1000nm尺度的胶体微粒，而这范围也涵盖了一般所谓奈米材料的尺度范围（1～100nm）。

此反应式如下：

　　S2O32－（aq）＋2H＋（aq）→S（s）＋SO2（g）＋H2O（l）

　　若将清洁剂添加到此反应系统中时，在硫固体粒子的成长过程，清洁剂分子会将初期生成的硫固体微粒包覆在微胞结构中。

目前已知添加清洁剂的奈米硫粒反应过程包含了成核作用与团聚作用两种机制，因而改变了硫固体沉淀的形成速率，此反应机制如图9所示：

图9：

奈米硫粒反应机构的示意图。

奈米尺度的硫固体微粒有些被清洁剂分子包覆在微胞结构中，有些则否。

（参考资料：

2002年台湾国际科展作品，“界面活性剂对硫奈米微粒形成机制的影响”）

本实验将清洁剂添加到硫代硫酸钠在酸性溶液的反应系统中时，以雷射笔照射反应的溶液，观察廷得耳效应的出现，来体验水溶液中奈米硫粒成长的过程。

另外也设计趣味实验，调整反应试剂与清洁剂的浓度，来控制反应速率，在规定的时间内利用反应产生硫固体沉淀来遮住桌面上的记号。

三、实验器材与试药

器材（每组）

◎小烧杯（100mL）4个

◎烧杯（250mL）2个

◎量筒（10mL）3个

◎量筒（25mL）1个

◎玻棒2支

◎滴管4支

◎试管刷（清洗烧杯用）数支

◎计时秒表1个

◎雷射笔（红光或绿光皆可）1支

◎小塑料盆1个

试药（每组）

◎硫代硫酸钠水溶液（1.0M）50mL

◎稀释后的清洁剂（将大约1mL洗碗精加入100mL水）

◎盐酸水溶液（2.0M）50mL

◎碳酸钠固体10g

※实验过程注意事项

碳酸钠固体用于处理废液，避免教学过程中废液持续在酸性溶液中分解出SO2臭味。

四、实验步骤

A.观察硫胶体形成过程与廷得耳效应

1.取两个干净小烧杯，编号为A、B杯。

依据下列配方准备A、B杯的溶液：

A杯：

1.0M硫代硫酸钠2mL＋水23mL

B杯：

2.0M盐酸溶液2mL＋水23mL

2.另取两个干净小烧杯，编号为C、D杯。

依据下列配方准备C、D杯的溶液：

C杯：

1.0M硫代硫酸钠2mL＋稀释后的清洁剂5滴＋水20mL

D杯：

2.0M盐酸溶液2mL＋水23mL

3.准备一支雷射笔，先分别照射A、B、C、D四杯溶液，观察溶液中是否出现光束。

（可由上往下照射，也可由烧杯侧边照射，注意勿让雷射笔照射到同学的眼睛）

4.接着将A、B溶液混合，也同时迅速将C、D溶液混合。

图10：

胶体溶液中的廷得耳效应

5.马上用雷射笔分别轮流照射这两杯混合物，观察溶液中是否出现光束（图10）。

（若白天光线太强，可用黑纸遮住小烧杯，只露出入射光源的地方）

6.当光束出现一段时间之后，若光束的直线形状全部散开时，就结束此步骤（图11）。

纪录光束存在的时间。

将小烧杯内的废液集中倒在一个塑料盆里，塑料盆内放置10克碳酸钠固体。

图11：

以雷射笔照射溶液，形成硫胶体的过程初期，溶液中出现的光束会愈来愈强，廷得耳效应非常明显。

7.想想看：

（1）溶液中含有少量清洁剂之后，溶液中出现明显廷得耳效应（硫胶体生成）的时间为何会变长？

（2）如果实验中将清洁剂种类改变是否会影响廷得耳效应时间？

（3）将反应物的温度提高是否对廷得耳效应时间也会有影响？

【老师与学生心得分享】

1.当清洁剂含量很少时，廷得耳效应的时间会随着清洁剂浓度提高而变长。

2.改变清洁剂种类（阴离子、阳离子、两性及非离子型界面活性剂）会影响硫胶体出现的时间。

3.将反应物温度提高会使硫胶体生成速率变快，所以做实验时如果将反应溶液浸入温水浴中及浸入冰水浴中，反应速率会产生明显变化，所以应该控制反应物的温度。

※实验过程注意事项

名称

种类

处　　理　　方　　法

硫代硫酸钠

无机盐

以大量清水稀释，再予以排放。

盐酸

强酸

废液处理时，可先以稀薄（1％）NaOH溶液中和，待溶液略呈中性后（以广用试纸测试），以大量清水稀释，再予以排放。

清洁剂

有机物

以大量清水稀释，再予以排放。

碳酸钠

无机硷

废液处理时，可先以稀盐酸或稀硫酸（1％）溶液中和，待溶液略呈中性后（以广用试纸测试），以大量清水稀释，再予以排放。

B.清洁剂浓度对反应速率的影响

1.每次取两个干净小烧杯，编号为A、B杯。

依据下列配方准备A、B杯的溶液，每次的B杯盐酸溶液条件皆相同，依序进行实验：

A杯：

硫代硫酸钠＋清洁剂溶液＋水

B杯：

盐酸溶液＋水

混合前的A杯配方

混合前的B杯配方

完全遮住记号

所需的反应时

间（秒）

1.0M

硫代硫酸钠

清洁剂溶液

水

2.0M

盐酸溶液

水

2mL

0

23.0mL

2mL

23mL

2mL

0.5mL

22.5mL

2mL

23mL

2mL

1mL

22mL

2mL

23mL

2mL

2mL

21mL

2mL

23mL

2mL

4mL

19mL

2mL

23mL

2.取一干净100mL烧杯，先将小烧杯放置在一个记号（例如讲义文字）的上方。

将A、B两杯溶液同时倒入小烧杯中，并马上按下秒表开始计时，以干净的玻棒搅拌溶液两、三下，就取出玻棒，维持烧杯内的溶液静置。

3.从小烧杯上方透视烧杯底部的记号，注意秒表持续计时。

当从小烧杯上方无法透视到记号时的一瞬间，就计时截止。

记下反应全部时间为多少秒。

4.将小烧杯内的废液集中倒在同一个废液塑料盆里。

废液塑料盆里加入10g碳酸钠固体。

洗净小烧杯和A、B两个小烧杯。

C.趣味实验竞赛

1.由老师指定给学生适当练习时间，调配A杯中不同剂量的清洁剂溶液。

2.找出适当的条件，使A、B杯溶液同时倒入一般培养皿混合后，记录培养皿下方「十」字记号完全被硫胶体遮住所需的反应时间（图12）。

图12：

趣味实验竞赛设计

3.【实验竞赛规则及评分方式】：

1.评审人员先于黑板上写下培养皿下方「十」字被完全遮住时的时间。

2.开始比赛前30分钟为实验测试，请将相关实验数据记录于实验记录表中，作为评分时配制溶液参考。

3.30分钟后停止实验测试，并完成闯关题目的A溶液与B溶液的配制，将其置于实验竞赛的实验桌子上，由各组组员将A溶液与B溶液混合倒入培养皿中，请评审人员开始进行计时，为求公平性，应将码表表面朝下，以肉眼判断十字被完全遮住后，按下码表再纪录时间。