2010 年第七屆國際國中科學奧林匹亞競賽

2010 年第七屆國際國中科學奧林匹亞競賽

一一實驗試題

國立臺灣師範大學

科學教育中心

!

i 實驗一:估算本地水果萃取物中的

葡萄糖濃度

【背景介紹】 軟葉刺葵(

Phoenix

dactylodera) 和蛋 茄(

Solanum aethiopicum)

(附圖 I )的果 實為奈及利亞常見的食物。 軟葉刺葵的果肉肥厚帶有甜味，它含 有大豆纖維、維生素、礦物質及少量的脂 肪，可直接或乾燥後食用。蛋茄的味道從 無味到微甜甚至微苦，可當作蔬菜煮食、 製成醬料或直接生吃，他為低鍋、低卡路 里且富含食物纖維。

Solanum aelhiopicum

Pheonix dac/ylo/era

附圈 J :奈及利亞的熱帶蔬采 本質驗的日的為判別此這些蔬果萃 取物中的筒萄糖濃度，你需要計算過錯酸 餌 (Vll) (KMn04) 由紫色變為無色所需的 時間。利用己知濃度的葡萄糖溶液製成標 准線，以估算萃取物中的葡萄糖濃度。你 需要測量紫色的 KMn04 (VI I)由完全變為 無色所需的時間。 而笛糖(

C

₆

H

1206) 為可還原的單糖， 在與 KMn04 (VII) 的化學反應中，葡萄糖 分子可使得過蜢酸根 Mn0

₄

(V Il)的失去顏 色，紫色的過鍾酸根 (VII) 溶液會還原成無 色的組離子 (Mn~+) ，如附圓 2 。 過錯酸根 (V Il)溶液退色的速率，與混 合物中葡萄糖的濃度直接相關。精確的計 時、清潔的玻璃容器及材料為影響質驗結 果的重要因素。

紫色=二〉無色

附圈 2: 葡萄糖，硫酸反過猛酸針反應所 引發的顏色改變

【實驗材料】 1.標示為 01-04 已知濃度的葡萄糖溶 液(表 1

)

2. 本地水果的萃取液 (A 及 B) 3.1M 自守硫酸溶 j夜 (tetraoxosulphate)(

VI)

4.

0.01%

w/v 過蜢酸餌 (Potassium

tetraoxomanganate)

(VII) 溶液 5. 帶有橡膠塞(

rubber

cork) 的 50

cm

3 錐形瓶 (

conical flask) (

6 個) 6. 碼錶(

stop watch) (

1 個) -運行一圈 為 30 秒

7.

12 個針筒(

syringe)

(i)

10cm

3

(8 個)

(ii)

5cm3 (2 個)

(iii)

2 cm

3

(2 個)

8. 油性筆(

marker) (

1 支) 表 1 :所提供的葡萄糖溶液之濃度 葡萄糖

01

02

03

04

溶液 濃度

2.0

6.0

10.0

12.0

( %)

【實驗步歸】 1.使用所提供的油性筆在 4 個錐形瓶 上分別標上 01-04 '依序放置在桌 上。 2. 利用不同的 10 cm3_{的針筒取表}

_l

_中 各葡萄糖溶液

_{10 cm}

3

_{注人標記好的}

錐形瓶內。

3. 利用 5 cm

3

_{的針筒加入 5 cm}

3 _硫酸

(

V I)於標記為 01 的錐形瓶內 4. 利用 2 cm3_{的針筒加入 2 cm}3_過蜢酸 2010 年第七屆國際國中科學奧林匹亞競賽一實驗試題 主甲 (VII) 於標記為 01 的錐形瓶內， 並馬上敢動碼錶 5. 搖晃標記為 01 的錐形瓶直到黨色 消失為止(參閱附圖 2) 6. 將紫色完全消失所需的時間記錄於 表 2 表 2: 葡萄糖濃度及顏色消失所需的時問 葡萄糖

01

02

03

04

溶液 濃度

2.0

6.0

10υ Aυ

12.0

( %)

時間 (分鐘)

(

2.0 分) 7. 依序針對 02 、 03 及 04 的錐形瓶， 重複步驟 3-6 '以完成表 2 。 8. 利用油性筆將兩個新的錐形瓶分別 標示為 A 與 B 再置放於桌上。 9. 使用新的 10 cm3_{的針筒取萃取液}

_A

注人標示為

A 的錐形瓶內，重複步 驟 3-5 。 10. 將絮色消失所需的時間記錄於表 3 。 1 1.使用另一個 10 cm3_{的針筒取萃取液} B

注入標示為

B 的錐形瓶內，重複 步驟 3-5 。 12. 將紫色消失所需的時間記錄於表 3 。 13. 如需重作實驗，將所有液體置人廢液 桶(

waste container)

，以清水沖洗錐 形瓶後再行操作。

科學教育月刊 第 349 期 中華氏圈一 0 一年六月 【問題】

1.1.

將 01-04 的實驗結果於所提供的方 格紙上繪製成圖， Y( 重直)軸為時間， X( 水平)軸為葡萄糖濃度。(2.0 分) 表 3 :溶液顏色消失所需的時間(2.0 分) 錐形瓶

A

B

時間 (分鐘)

1.

2.

利用標準線，估算樣品 A 及 B 的葡 萄糖濃度。 (2.0 分) 錐形瓶

A

B

葡萄糖濃度

(% )

1.

3.

樣品 A 及 B 中何者的葡萄糖濃度較 高 7 (1. 0 分)

1.

4.

葡萄糖在本實驗中被視為還原劑， 是因為:(請勾選下列空格X 1. 0 分) 題目 理由

_~

非 1 鍾的氧化數降低 11 MnO; 中 Mn 的氧 it

數變 MnO: 為 +4

1.

5.

利用下表中答案選項的英文代號， 選出最適當者完成下段文字。 (2.0 分) 在光合作用的過程中綠色植物使用 氣體來合成葡萄糖，此過程發生在光照時 稱為 之胞器中，一種無機物 也是此過程中的反應物。被製造的葡萄糖 主要以 儲存在植物中。果實中的葡 萄糖對種子的散播扮演重要的角色，動物 受到果實的一一一所吸引而攝食之，種子擁 有一堅硬的 可防止種子被 ，該 是源自動物的胃腸道中。 最後動物一 一一種子，通常會遠離親 代的植物，這有助於降低在親代植物與子 代植物間的一一 。 A- 粒線體 K- 氧 8- 種皮 L- 同他 c- 一氧 it 碳 M- 競爭 D- 水 N- 澱粉 E ﹒黏 j夜 _{0- 鎮} F- 葉綠體 且p-~仁F 出 0-13每 。顏色 H-;夜胞 R- 變異 I ﹒胚乳 S ﹒材質 J-~肖 it 下肝醋

1.

6.

在一個類似的實驗中，分析水果 C 和 D 中的葡萄糖的濃度，發現水果 C 的葡萄糖濃度較高。 Jauro

Amadu( JA )

被診斷出其膜島中的 beta 型細胞沒 有功能，如果 JA 必須食用水果 C 或 D' 你會建議他食用哪一種 7( 1. 0 分)

1.7.

說明你回答1. 6 的原因:在下列空格 中勾選是或非(1. 0 分) 題目 理由 是 非 JA 不能產生膜島素 水果 C 水份含量較 11 水果 D 高 III 水果 C 較甜 IV JA 不能產生升糟素

實駿二:再生能激 【簡介】 奈及利亞是世界主要的石油生產園。 石油是奈及利亞主要的外匯收入來源。然 而石油是可耗盡的。因此有新的動力，尋 找替代能源，並且是可持續使用的再生能 源。 從植物和動物脂肪產生的生質柴油 正好是一種再生能源。它和他石柴油一樣， 可以在不修改引擎的情況下，有類似的應 用。和他石柴油相比，燃燒生質柴油排放 到大氣中的污染物大為減少。由於它是從 植物和動物脂肪而來，也被視為是再生能 源。 無油燃料之品質特性包括黏度、燃燒 點、濁點、凝點和酸值。 公式(1)及 (2) 可重新排列，以導出 表示絕對黏度 η 之公式: 8LVη=πghpr~M...

...

....(1)

8kLV

= πghr~...

...(2)

其中 1= 長度， π= 常數 g: 重力加速度 h= 黏度計高度 p= 液體密度

r

o = 管子半徑 M= 液體流經兩點的時間 句=絕對黏度 V= 總時間 M 內流過的總體積 和 k= 參數; {旦若 M和 p均為常數時， k 亦為常數 2010 年第七屆國際圈中科學奧林匹亞競賽一實驗試題 【實驗目標】 在此實驗中，您需將奈及利亞非常多 的棕擱樹產生之棕欄仁油 (Palm

Kernel Oil

,

PKO) 製成生質柴油。 1.從棕擱仁油 (PKO) 製備生質無油 2. 估計從棕欄仁油 (PKO) 製備生質柴 油之質量百分比產率。 3. 測量 PKO 和 PKO- 生質無油的酸 價。 【器材/藥品】

a) 棕擱仁油 (PKO)

(1

00

em

3 )

(密度

0.912

g

em-

3 )

b) 甲醇 (Methanol ，

CH

3

0H

,

50

em

3

_{) 注}

意:甲醇有危險，使用時應避免吸入， 並應戴安全眼鏡 c) 氫氧 1c 餌 (KOH) (30 粒) d) 棉花球

的水 (500

em

3 ) η 無水硫酸鎮 (MgS0

₄

) (I 袋)

g)

250

em

3 平底圓瓶(含像皮塞

)

(1)

h) 250

em

3 錐形瓶

(4)

i)

250

em

3

燒杯

(4)

j) 洗游瓶(1)

k) 100

em

3 量筒

(2)

I)

125

em

3

_{分液漏斗 (1)}

m) 括勻(1) n) 玻璃漏斗(1) 0) 滴定管(1)

p) 0.01 mol

L-

1 _{氫氧他主甲溶液}

_(KOH)

(足夠量) q) 酌敵指示劑 (Phenolphthalein

Indicator)

科學教育月刊 第 349 期 中華民國 -0 一年六月 r) 乙醇 (Ethanol ，

CH JCH

2

0H)

s) 碼錶(1) t) 攪拌棒(1) u) 吸量管及安全吸量器 【製備生質柴油之步聽】 1.用括勻，取 5 顆粒的氫氧他餌(KOH)

到 250 em

J

_{之平底圓瓶中。}

2. 用量筒量 10 em

J _的甲醇

_(CHJOH)

倒進入平底圓瓶中。用像皮塞，塞住 圓瓶，劇烈搖動，直到氫氧{七紳 (KOH) 溶解。 注意:這個過程是放熱反應，所以 要小心像皮塞。

3. 再用量筒量 30 em

J _的

_{PKO 倒進入}

瓶中，塞住圓瓶，劇烈搖晃此混合物 15 分鐘。 4. 將圓瓶中所有的溶液都倒到125emJ 的分液漏斗內，並讓混合物靜置約7 分鐘，在沒有加塞子的情況下，讓下 屬流到一個燒杯中。上層即是粗生質 柴油。

5. 用量筒量的 em

J

_{的水，加入含粗生}

質柴油的分液漏斗中，慢慢搖動，注 意不要讓液體漏出。靜置使之分層， 將下層流入燒杯中。重複此步驟兩次， 用以清洗生質柴油。可用同一燒杯收 集下層。 6. 將生質柴油流到 250 emJ

_乾淨的空

燒杯中，慢慢將袋中無水硫酸鎮

(MgS0

4 ) ，全部加入生質柴油中。 7. 用攪拌棒慢慢攪拌混合，再使其靜置 約 60 秒，然後慢慢傾倒出乾淨的生 質柴油到一個乾淨的量筒內。剩餘的 混濁生質蝶油可用附有棉花塞的小 漏斗過濾，將生質柴油收集到同一量 筒內。 8. 記錄產生的生質柴油之體積。 【測量 PKO-生質柴油的酸價】 1.用安全吸量器及吸量管，吸取 2.0

em

J_的

_{PKO- 生質柴油到雄形瓶中。}

2. 加入 10 em

J

_{的乙醇 (ethanol) ，並搖動}

約的秒。

3. 將 0.01

mol

L-

1

_的氫氧

t

餌

(KOH)

溶液加入滴定管中。 4. 用酌酥當指示劑，用 0.01

mol

L-1 _的 KOH 滴定 PKO- 生質柴油溶液。 5. 記錄滴定體積。 6. 重複滴定至少一次。 【測量 PKO 的酸價】 1.用安全吸量器及吸量管，吸取 2.0 emJ_{的 PKO 到錐形瓶中。}

2. 加入 10 em

J

_{的乙醇 (ethanol) ，並搖動}

約 60 秒。

3. 將 0.01

mol

L-

1

_{的氫氧他押 (KOH)}

溶液加入滴定管中。 4. 用酌酥當指示劑，用 0.01

mol

L-1 _的 KOH)商定 PKO- 生質柴油潛液。 5. 記錄滴定體積。 6. 重複滴定至少一次。 【問題】

2.1 由下列選項中，選出在製備生質蝶油 的第 4 步中，分液漏斗下層溶液中含 有的兩種物質:

(i)

KOH

(ii)

7

1\.

(iii)

PKO

(iv) 生質柴油

(0.5 x 2 =

1. 0 分) 2.2 由你的實驗結果，計算由 PKO 作出 PKO-生質持油的質量百分產率。(假 設 PKO 生質持油之密度為 0.89

g em-))

(2.5 分) 2.3 在製備 PKO 生質柴油的第 6 步中，為 什麼要加入硫酸鎮 (MgS0

₄

) ?從下表 選出正確的選工頁。 (0.5 分) 選項 原 因

A

為了增加其導電度

B

為了將油還原成碳氫 f七合物

C

為了去除剩餘的水分

D

為了提高生質柴油的黏度 2.4 由公式 l 和 2 解出絕對黏度 η 的公式 (1. 0 分) 2.5 記錄滴定 PKO 的滴定體積。(1. 5 分) 2.6 利用酸價之公式;酸價=

(VxexZ)/m '

計算 PKO 的酸價。 其中 V= 使用 0.01

mol

L-1

_之

_{KOH 溶 j夜的} 體積，以 L 為單位

e

=KOH 溶液的濃度 (0.01

mol

L-

1₎ m= 使用 PKO 樣品的質量

Z =56.1 g/mol

2010 年第七屆國際國中科學奧林匹亞競賽一實驗試題 注意單位要統一 o

1

em) 的 PKO 重 0.912g(1 分) 2.7 計算 PKO 的酸的濃度，以 mol L-1

為

單位。他 =

39.1

,

0

= 16.0

,

H =

1.

0)

(1分) 2.8 記錄滴定 PKO- 生質柴油的滴定體積。 (1. 5 分) 2.9 利用相同的酸價公式;酸價= (VxexZ)/m ，計算 PKO- 生質持油的酸 價。其中 V= 使用 0.01

mol

L-1

_之

_{KOH 溶液的} 體積，以 L 為單位

e

=KOH 溶液的濃度 (0.01

mol

L-

1 ) m= 使用 PKO-生質柴油樣品的質量

Z =56.1 g/mol

注意單位要統一 o

1

em) 的 PKO- 生質 柴油重 0.89

g

(1分) 2.10 計算 PKO- 生質柴油的酸的濃度，以

mol

L-

1 _為單位。

_(K

_{= 39.1}

, 0

= 16.0

,

H

=

1. 0)

(I 分) 2.11 從 A-D 中選出一個正確的原因，可解 釋為何 PKO 和 PKO-生質柴油的酸度 不同? (0.5 分)

A.

製備 PKO-生質柴油的方法，使 它較不穩定。

B.

因為製備 PKO- 生質柴油時，使 用了硫酸鎮 (MgS0

₄

) 。

c.

因為製備 PKO- 生質柴油時，混 合了氫氧 f七餌 (KOH) ，因而中和 其酸性。

D.

此製備 PKO 生質柴油的方法，使 它提高產量。

科學教育月刊 第 349 期 中華民國一 0 一年六月 2.12 生質縈油燃燒時，比他石柴油排放較 少的污染物到大氣中。由以下選項選 出最好的原因: (0.5 分)

A.

生質縈油含有更多的氧原子。

B.

生質柴油含有較少的硫原子。

C.

生質柴油含有較多的碳原子。

D.

生質柴油密度較高。 實驗三:測量.麻油的黏滯係數 【簡介】 已知一個半徑為 r 密度為 PS 的金屬球， 受重力作用在密度為 PI 的黏滯液體中下 降，金屬球會受到反向的作用力，下降至 某點之後的運動遵循下列方程式:

:π3ρ肘伽mvo=jπ3ρs9..

....(1)

其中 g 是重力加速度，如是液體黏滯條數， 而 v。則是力平衡時的速率(終端速率)。 【目的】 本實驗之目的是要利用方程式(

1)

，決 定霞麻油的黏滯條數。 【步歸】 本實驗之目的是要利用方程式(

1)

，決 定霞麻油的黏滯條數。 1.仔細檢查安裝好的實驗器材如圖 l 。 (若有不妥，例如不夠鉛宜，舉手呼 請監試人員協助)。勿擅自搬動器 材。 2. 取一顆金屬球，小心的盡量接近圓管 內液面中央，釋放金屬球。 3. 依據表 1 '以 20 em 刻度線作為計時 的起始點，利用碼錶測量金屬球於管 中液體內落下的時間。如果下降中 的球觸及管壁，舉手呼請監試人員 調整鉛直。 4. 在 (t ，)欄，分別記錄金屬球從起始 點落至 40 ，

50

,

60

,

70

,

80 ，冊， 100 以 及 110 em 刻度線的時間。 5. 重覆步驟 4' 並紀錄於 (t

₂

). 欄 o 6. 計算 t ，和 t2 的平均值，並紀錄於

(t

).欄。 (3.2 分)

:←金屬球

←一附刻度團管 ←一管夾 ←底座 圖 l 、實驗裝置

表 1 :數據表 圓管刻 _下降距離 時間 度 (em)

(em)

(‘、、

s

、、)

t1

t2

t

20

0.00

0.00

0.00

40

50

60

70

80

90

100

110

【問題】 3.1 將下降距離對時間作圖。(1.6 分) 3.2 計算第 3.5.1 題圖形的斜率。(1.2 分) 3.3 方程式(1)中的三項分別以A 、 B 與 C 為代號，列於表 2 。各項可能的名 稱列於衰 3 0 (在答案卷的表格中，填 人對應於表 2 代號之表 3 代號。) (1. 5 分) 表 2

A

B

C

4

4

三 πr

3ρ

₁₉

_6πrηIVa

_{一 πr}

3ρ

_s9

3

表 3

II

III

IV

V

重力 強作 浮力 蛋白滯

_離心

(重量) 用力 (向上 力 力 力) 2010 年第七屆國際圈中科學奧林匹亞競賽一實驗試題 3 .4調整方程式(1) ，解出 ηl 。並稱之為 方程式 (2) 0 (1. 2 分) 3.5 已知 v。為第 3.2 題所求的斜率，

g

=

9.8 ms-

2

， ρI

=

900 kgm-

3

,

Ps= 7800

kgm-3 _{，利用方程式 (2).計算句IO}

_(2.3

分) 3.6 表 4 中的因素會影響在地球上不同位 置進行此實驗的結果。打勾(v"')標示對 或錯。(1.0 分) 表 4 True 對 False 錯 高度 緯度 相對濕度 周遭溫度 3.7 衰 5 為可能會影響實驗精確度的注意 事工頁。打勾(v"')標示對或錯。(1.0 分) 表 5 True 對 False 錯 減少視差造成的誤差 避免球與玻璃管壁接 觸 以 50 em 刻度線作為 計時的起始點 距離液面一定高度釋 放金屬球