2006. 7. 5
Gyeongsan, Korea
實作競賽
試題與參考解答及評分標準
Chemistry for Life,
Chemistry for better Life
一般規定
z 你有五小時來做完本實驗，請將時間做有效分配。建議你用 1 小時於實作一 (佔總分 10 分)，2 小時在實作二 (佔總分 15 分)，及 2 小時在實作三 (佔總分 15 分)。 z 每一頁的答案紙上都必須寫上你的名字和代碼。 z 本試卷共有 13 頁的試題 (和 3 頁附圖) 和 7 頁的答案紙。 z 把你的答案和計算過程寫在規定的地方。 z 只可以使用大會提供筆、尺和計算機。 z 你可以要求英文題目。 z 解釋光譜儀、C18 (逆相管柱) 和安全吸取管使用方法的圖形在另 3 頁紙上。 z 若需要額外的藥品、試劑或玻璃器具需要扣分，一樣東西扣總分一分。蒸餾水可以 無限提供。 z 若要上廁所，要告訴助理人員。 z 做完後，將所有的紙張 (題目和答案) 全部放進信封袋裡，並封好信封。 z 請留在座位上，直到宣布可以離開。 z 你可以將鉛筆盒、筆、尺、計算機和 C18 管柱帶回家。安全和廢液
z 實驗室裡，一定要戴安全眼鏡。 z 本實驗中沒有特別危險的藥品，所有的酸鹼都是稀釋的。但若沾到，仍應立刻用溼 的拭淨紙擦掉。 z 不要聞任何藥品。 將用過的藥品倒到貼有 ”DISPOSABLE”的白色塑膠瓶，將用過的試管或破玻璃丟 到 ”WASTE BASKET” 的籃子裡。器材與藥品
實作 1, 2 (白色籃子內)
光譜儀 1 10 mL 量瓶 2 樣品槽 1 滴定管 1 C18管柱 4 試管 20 10 mL 針筒 1 試管架 1 1 mL 針筒 1 50 mL 錐形瓶 1 滴管 3 100 mL 燒杯 2 1 mL 吸量管 1 矽膠乳頭 2 5 mL 吸量管 1 三色筆和尺(在鉛筆盒內) 1 安全吸取管 1 貼有標籤的洗瓶 3 Solution E 33% 酒精/水 NaOH solution <5 mM 的 NaOH
標籤上英文各為 water 蒸餾水 100 mL 貼有標籤的試 藥瓶 6 Solution R 溶於 Solution E 的紅色染料 Solution B 溶於 Solution E 的藍色染料 Solution MD 紅色和藍色染料的混合物 Solution MA 混合酸，即醋酸和柳酸混合的水溶液 KHP (單質子、一級標準酸) 鄰苯二甲酸氫鉀溶液 標籤上英文各為 phenolphthalein 0.05% 酚酞溶液
實作 3 (黑色籃子內)
試管 95 試管架 1 刮勺 2 1.5 mL 有刻度的塑膠滴管 15 鑷子 1 油性筆(標示試管用) 1 酸鹼試紙 1 100 mL 試藥瓶 3 95% EtOH 95% 酒精 CH3CN 乙腈 labeled as water 蒸餾水 30 mL 滴瓶 6 1M HCl 1M NaOH 2,4-DNPH 3% 2,4-dinitrophenylhydrazine solutionCAN 20% ceric ammonium nitrate solution 0.5% KMnO4 標籤上 英文為 2.5% FeCl3 10 mL 小樣品瓶 7 Set U-1 Set U-2 Set U-3 Set U-4 Set U-5 Set U-6 標籤上 英文為 Set U-7
本實作中，有三樣未使用過之儀器，使用手續如下，若有任何疑
問，都可請助教示範給你看。
如何使用光譜儀
光譜儀分為三部份：光源、偵測器和樣品槽座。你會發現樣品槽座處的蓋子 (銀色部分) 是打開的，在實驗中就讓它開著，不要蓋上。有一塑膠樣品槽放在樣品槽座內，樣品槽 有一面貼有標籤，此面應面向光源，在做實驗時，方向固定如此擺。(塑膠樣品槽只有兩 面是光學面，另兩面為較不透明的。測光譜時一定要用光學面。) 參考圖A。光譜儀已全 部準備好，可以使用。用下列方法測光譜。 a) 將樣品槽裝 3/4 滿的 E 液，然後放回樣品槽座，不需蓋蓋子。 b) 將滑鼠游標移到螢幕左上方 ”REFERENCE” 的地方，按三下， 再到螢幕中間 ”MEASURE” 的地方，也按三下。 此時可看到在各波長處 (470 到 650 nm，每 20 nm 有一數據) 的吸收值應接近於 ”0”。(圖 B) c) 再將樣品槽換裝成樣品，只按 ”MEASURE” 三下。此時，可得到樣品的吸收度， 記錄在答案卷中 (每一波長都要記錄)。三頁附圖的說明
圖A：可見光光譜儀 (立體方形樣本管的字體標記面對凹槽內下方光源) 圖B：筆記型電腦的螢幕 圖C：以含沖提液之10 mL 針筒清洗沖提 C18管柱 圖D：如何裝入待分離樣品 圖E：以含沖提液之1 mL 針筒沖提 C18管柱 圖F：安全吸取管如何使用C18管柱
a) 管柱有兩頭，大的一邊為入口，小的為出口，參考圖(C)。 b) 要清洗或是沖提管柱時，都先用針筒吸取所需的液體，再用針筒前端插入 C18 管 柱的入口，應該可以插得很牢。若無法插牢，檢查是否弄錯管柱入口。再推動內 筒，使液體流過管柱。(圖 C 和 E) c) 裝入樣品時要特別注意，要用 10 mL 的針筒(大的)。先將內筒整個拉出來，再將 空針筒插入 C18 管柱。再用 1 mL 的標準滴管，吸取待分離樣品 1.00 mL ，裝入 空針筒中(如圖 D)。此時將針筒垂直放置，再放入內筒，慢慢將樣品推入 C18 管柱 中。要推入所有的樣品，並盡量避免推入空氣。 d) C18 管柱在由溶液”E”清洗後，可重複使用。 e) 任何時候要拉出內筒時，一定先要將整個針筒和 C18 管柱分開。如何使用安全吸取管
將吸量管套入安全吸取管的白色橡皮部分，用手握住吸取管，用大拇指轉動圓盤。向下 轉可吸取液體 (如圖F)，向上轉可放出液體。吸取液體時，注意不要按到轉盤下方的洩氣 閥。實作測驗-1
逆相色層層析:光譜儀分析法
色層層析分離後結合後續的光譜儀分析法,是全世界化學實驗室中最為廣泛實作的分 析技術之一。例如，在複雜混合物中的有機化合物經常以逆相液體色層層析結合後續的 光譜儀偵測法來作分析。在逆相色層層法中，分離的效果取決於介於固定相矽膠載體材 料 (經常在矽膠最外層掛十八基) 和待分析物的非極性基團的疏水型交互作用的大小。色 層層析圖可因此而簡化，而且適當選擇偵測器波長，目標化合物可被篩選鑑定。在這部 份的實作測驗，你們將執行分離前後染料的光譜儀分析。 食物用40 號紅色色素 甲基紫 2B 1-1. 在混合液中染料 R 和 B 光譜儀分析 a) 分別測量染料 R 溶液 (3.02 × 10-5M) 和染料 B 溶液 (1.25 × 10-5 M) 的可見光吸收 光譜數據 (測量過程請參考第 5 頁的説明及圖 A 和圖 B)。在答案卷的表格中填入 你測量的數值。在圖 1.1 的方格紙上用紅色筆以 x 符號標示數據點，並連結各數據 點，畫出紅色染料 R 的可見光吸收光譜，以藍色筆用 x 符號標出數據點，並連結各數據點，畫出藍色染料 B 的可見光吸收光譜。 b) 重複測量混合染料 MD 溶液的可見光吸收光譜，混合染料 MD 溶液為染料 R 溶液 和染料 B 溶液一定比例配製而成的混合溶液。以黑色筆在圖 1.1 上如前述方法加 畫出其可見光吸收光譜 。 c) 依據 Beer-Lambert 的吸收與濃度線性依歸定理，以表中的數據來決定混合染料 MD 溶液中，染料 R 和染料 B 的莫耳濃度。切記兩種染料的莫耳分率必須獨立計 算，其總和未必為 1。 1-2. 色層層析分離結合後續的光譜儀分析 a) 以裝入 5 mL E溶液 (33%的乙醇水溶液) 的10 mL 針筒，打入逆相色層分析的 C18管柱 (參考第5頁的說明與圖C，切記將針筒頭密實插入 C18管柱的入口) 來沖 洗C18管柱。 b) 將1.00 mL 混合染料MD溶液 如圖D的方式裝填進入 C18管柱，切記一旦將MD完 全裝填後不要打入大量的空氣。 c) 以 1 mL 針筒，用 E 溶液 (33%的乙醇水溶液) 來沖提 (參考第5頁與圖E)，收集 經由 C18管柱出口沖提出來的溶液到10 mL 的量瓶內。重複持續沖提直到紅色染 料完全被沖提出來 (以空白紙放在C18管柱後面可幫助判讀)，並完全收集。 d) 最後加入 E 溶液 (33%的乙醇水溶液) 到10 mL 的量瓶內直到10 mL 的刻度線。 稱此溶液為 F 溶液。 e) 以同實作1-1的方式來測量可見光吸收光譜。因為在此沖提過程，染料R溶液被大 量稀釋，因此切記將可見光吸收光譜的讀值乘上10後，再用紅筆標在圖1.1中 (用x 符號)再以虛線的方式用紅筆畫出溶液F的光譜。 f) 取標準染料R溶液 (3.02 × 10-5M) 作適當的稀釋並測量光譜，自選一特定可見光波 長，來架構出Beer-Lambert線性依歸下的校正曲線圖，以便於分析紅色染料在 F 溶液中的真正濃度。在答案卷上圖1-2的方格紙畫出校正曲線圖 (以濃度為X軸，吸 收度為Y軸) ，切記標示自選的可見光波長。校正曲線圖除了原點以外，必需至少 再標出3組數據點，連接數據點畫出校正曲線圖。最後在校正曲線圖上，標示出 F
溶液的座標點。
g) 寫出在最初混合染料MD溶液中，染料R的原始濃度。
h) 比較此濃度數值與實作1-1所獲得的數值，並寫出此色層層析分離的回收率 (沖提
實作測驗-2
逆相色層層析分離: 醋酸與柳酸的酸鹼滴定 醋酸 (AA) 和柳酸 (SA) 的極性稍有不同，所以可以藉由逆相色層層析型的C18管柱，以 蒸餾水為沖提液來沖提分離。 醋酸 (AA)會先被沖提出來，柳酸 (SA)則後來才被沖提出 來。而在混合液中醋酸 (AA) 的總量和柳酸 (SA)的總量，可用酸鹼滴定的分式來決定。 2-1. 決定混合液中醋酸 (AA) 和柳酸 (SA) 的各別總量 a) 以所提供的 NaOH (< 5 mM) 溶液來滴定10 mL 的蒸餾水，以決定空白酸性(blank acidity) ，以此換算出1 mL 的蒸餾水的空白酸性所需 NaOH 的體積。在後
續各溶液酸鹼滴定的數據分析計算處理過程中，切記要扣除蒸餾水的空白酸性， 在答案卷的所有計算部份，皆需列出所有的修正。 b) 以所提供的KHP (鄰苯二甲酸氫鉀) 溶液 (1.00 × 10-2 M) 來標定上述的 NaOH溶 液；重複一次標定過程，並寫下 NaOH溶液的標定結果。並解釋你如何處理蒸餾 水的空白酸性。 c) 取1.00 mL 的混合酸MA溶液，以NaOH溶液作酸鹼滴定來決定其總酸量 (即在此 1.00 mL 的混合酸MA溶液中AA和SA的總莫耳數) ；重複一次滴定過程，並再次 寫下以NaOH溶液的滴定結果與總酸量。 2-2. 逆相色層層析分離與酸鹼滴定 a) 以裝入 10 mL 蒸餾水的 10 mL 針筒，打入 C18 管柱 (參考第 5 頁及圖 C，切記將 針筒頭密實插入 C18 管柱的入口)來沖洗 C18 管柱。 b) 將 1.00 mL 混合酸 MA 溶液，以第 5 頁的說明及圖 D 的方式填入 C18 管柱，切 記一旦將 MD 完全填入後，盡量避免打入空氣。在出口處收集沖提出的液體於試 管 1 (即分段收集管 1，可用油性筆在試管上寫上編號)。
c) 以 1 mL 蒸餾水沖提，在出口處收集沖提出的液體於試管 2 (即分段收集管 2)；重 複此(c)步驟直到總共收集了 20 個試管。所以你總共會有 20 個各約含 1 mL 沖提 液的試管。 d) 因為醋酸 (AA) 會先被沖提出來，柳酸 (SA) 則後來才被沖提出來；所以需對所 收集的 20 個分段收集試管，分別作酸鹼滴定，記錄所消耗 NaOH 的體積和每個試 管的含酸量 (以 mmol，即毫莫耳表示)。並在答案卷上空白圖 2-2 的方格紙上作圖 (各管的編號為 X 座標；每個試管的含酸量為 Y 座標)。 e) 切記要扣除水的空白酸性與背景值 (由管柱吸附所殘存在管柱上的物質，即偏離 Y 座標 0 點的基線)。在決定所沖提出 AA 的量時，不要考慮含非常微量醋酸 (AA) 的分段收集管，而分段收集管 2 和分段收集管 3 應該包含大部份所有的醋酸。把 含有 AA 的各試管含酸量加總後，來計算沖提出 AA 的總量 (以 mmol，即毫莫耳 表示)。同樣地， 把含有柳酸 (SA) 的各試管含酸量加總後，來計算沖提出 SA 的 總量 (以 mmol，即毫莫耳表示)。並在圖 2-2 上標示出，那些分段收集管是用來計 算 AA 的總量，那些分段收集管是用來計算 SA 的總量。 計算原始1.00 mL 混合酸MA溶液中AA的莫耳分率。
實作測驗-3
有機化合物的定性分析 在此實作中，你有在第13頁所列的10個化合物中的7種固體未知物，你的目標是要確認出 這些未知物。這10種化合物均為日常生活醫學用藥和有機化學中極有價值的試藥。為了 達到7種固體未知物的鑑定，務必依據下列分析過程執行7種固體未知物的化學測試，並 判讀分析結果。 未知物標示如下： Set 輔助注意事項： a) 裝滿刮勺頭(不須太高)的固體量約為 15-20 毫克。 b) 每次使用刮勺前切記以 Kimwipe 拭淨紙將刮勺擦拭乾淨。 c) 當以下列測試的試劑加到未知物的溶液時，切記要將混合物充分混合，並小心觀 察判讀混合物溶液的變化。 d) 在答案卷上記錄所有測試的結果，才有滿分的機會。對於試驗 1 之溶解度測試， O 代表可溶，而 X 代表不可溶。而對於試驗 2 至 4 和 試驗 6，則以(+)表示有反 應、(-)表示沒有反應。對於試驗 5：pH 測試，以 a、b、n 分別表示溶液酸性、鹼 性、或中性。。 步驟： 試驗 1：溶解度測試 用刮勺取少量固體未知物 (15-20毫克)，個別放入乾淨的試管內。再加入1 mL 的 CH3CN (乙腈)。小心搖晃試管，記錄其溶解度；再分別以1M HCl、水、1M NaOH重複 溶解度測試，小心搖晃試管，然後記錄其溶解度。試驗 2：2,4-DNPH測試 用刮勺取少量固體未知物 (15-20毫克)，個別放入乾淨的試管內。試驗1中不溶於水的未 物用2 mL 95%乙醇溶解，試驗1中可溶於水的固體未知物，則用1 mL 的水溶解。加入5 滴溶解於濃硫酸和95%乙醇的2,4-dinitrophenylhydrazine 溶液 (標示為2,4-DNPH)。(加入 後，仔細觀察反應情形) 試驗 3：CAN測試
將3 mL CAN (溶於稀硝酸的硝酸銨鈰， ceric ammonium nitrate, 標示為CAN) 與3 mL
CH3CN (乙腈) 加以混合於一試管內作為測試液；用刮勺取少量固體未知物 (15-20毫 克)，個別放入乾淨的試管內，並加入 1 mL 的前述測試液 (對於試驗 1中所發現的水 溶性固體未知物，則先以1 mL 的水溶解，然後再加入1 mL 的前述測試液)。假如觀察 到溶液顏色有變化，則溶液中可能有含醇、酚、或醛類官能基團之未知物。 試驗 4：Baeyer測試 用刮勺取少量固體未知物 (15-20毫克)，個別放入乾淨的試管內。以2 mL CH3CN (乙腈) 溶解 (對於試驗 1中所發現的水溶性固體未知物，則先以1 mL 的水溶解)。慢慢地逐滴 加入5滴過錳酸鉀 (0.5% KMnO4) 溶液，加入時要持續搖晃試管。 試驗 5：pH測試 用刮勺取少量固體未知物 (15-20毫克)，個別放入乾淨的試管內。以2 mL 95%乙醇溶 解，(對於試驗 1中所發現的水溶性固體未知物，則用1 mL 的水溶解)；以pH試紙測量 該溶液的pH值。(溶液不要倒掉，緊接著做試驗6) 試驗 6：三氯化鐵﹝Iron(III) chloride﹞ 測試 取試驗 5的溶液加入5滴 2.5%的 三氯化鐵，然後觀察其變化。
結果: 1. 在答案卷上記錄所有測試的結果，對於試驗 1 之溶解度測試，O 代表可溶，而 X 代表不可溶。而對於試驗 2 至 4 和 試驗 6，則以(+)表示有反應、(-)表示沒有反 應。對於試驗 5：pH 測試，以 a、b、n 分別表示溶液酸性、鹼性、或中性。 2. 根據試驗的結果，判讀鑑定出未知化合物最合理的結構，從答案卷上 U1 到 U7 的 空格標示出未知化合物的結構代號。 未知化合物的可能結構 OH NH2 (A) HO OCH3 (E) HO OCH3 COOH (F) OH O OCH3 (W) O OH HO NH2 OH HO (G) O CH3 COOH (K) CH3 OH H3C CH3 (M) N H HO N H3CO HCl HCl (Q) H N O CH3 HO (T) CHO HO OCH3 (V)
圈選你的未知物編碼
3-1 實驗結果 (31.5 小分)
未知物
測試 U-1 U-2 U-3 U-4 U-5 U-6 U-7
CH3CN ㅇ ㅇ ㅇ ㅇ ㅇ X ㅇ 1M HCl X X ㅇ X X ㅇ ㅇ water X X ㅇ X X ㅇ X 溶解度 1M NaOH X ㅇ X ㅇ ㅇ ㅇ X Test 2 (DNPH) − − − − + − - Test 3 (CAN) + − − + + + + Test 4 (KMnO4) − − + + + − + Test 5 (pH) n a n a a a b Test 6 (FeCl3) − − − + + − − 3-2 判斷未知物為何，將編號寫在空格中 (70 小分)
U-1 U-2 U-3 U-4 U-5 U-6 U-7
M K
Q
F
V
G
A
