一一實驗試題
國立臺灣師範大學
科學教育中心
亞塞拜然的滋眛 費加果 (Feijoa) (在它的母語中也稱做 feykhoa)
是非常有價值和健康的水果，主 要在亞塞拜然的南方次主要區域中生長。費加果在大多數國家被當作裝飾植物，但是在 亞塞拜然它被當作農業植物。費加果含有高達 6.9% 的糖及胡蘿蔔素等等。在臨床的實 驗上發現費加果和它的果汁非常有益於一些疾病的治療。 費加果被廣泛地使用在亞塞拜然的國家風味烹飪中。在亞塞拜然用費加果所做成的 煮熟糖潰水果、果醬和糖果是很受歡迎的。亞塞拜然也是這種水果在世界市場的主要輸 出國。 石榴是一種具有酸甜口味的新鮮水果。在一個果實中大約有 400 到 700 顆小的種子， 每個種子是由一種半透明、光滑和淺紅色果肉所包覆，果實中由乳臼色的薄膜將種子分 隔成數個區塊。水果中 38%-63%是果汁。2009 年第六屆國際圈中科學奧林匹亞競賽一實驗試題 在亞塞拜然有許多石榴花園，特別是 Goychay 地區，石榴是很受歡迎的。在世界上 只有這個地區慶祝、石榴節彤，在亞塞拜然約有 35 種石榴。本地有一種叫做“NarSharab" 的酸醬，就是由石榴汁製成，在世界上很受歡迎。 第一部分:植物樣本過氧化蘭( peroxidase) 含量的檢測及 pH 值對酵素
反應的影響
【引言】 複雜的生物化學反應在植物和動物的活細胞裡發生。這些反應過程被一種蛋白質物 質一酵素所調節，酵素催{C5舌細胞的生化反應。酵素加速反應速率，但是它自己本身卻 不參加反應。酵素的檢測需要複雜，敏戚和準確的實驗室。不過，與酵素有關的一些生 t 反應過程用肉眼就可以看見。第一部分實驗的目的是在檢測費加果 (feykhoa) ，馬齡 薯( potato) 和高麗菜( cabbage) 內的過氧 t 酹( Peroxidase) 表現。過氧{七酪是一種在大多數活組織中可發現的氧 t 酵素。過氧化醋在氧化反應中使用 過氧化物。在沒有酵素時，有一些物質也緩慢被氧{七，只是在有酵素存在時，生{七反應 的速度可以提高幾千倍。有些有機物，例如對華二酌(
hydroquinone)
，在氧化反應時會 有不同的顏色的產物形成。 沒有顏色變他表示在樣品內沒有過氧他鷗酵素。任何立即性(10圖 40 秒)的顏色改 變表示酵素正在作用。顏色的深淺，顯示酵素的活性高低。 剪緝F丑夕廣角1- Brown
( 揮自),
2- Pink
(初在自),
3- Orange
( 膚白),
4- red
(#I白)，5 -green
(f，;表白),6
-Blue
(Jfff白) ,7-No colour change
(之豆芽磨自費估j實驗 I :過氧化時檢測 需要設備 數量 需要設備 數量 主日二工\但H百井計口之 試管
8
塑膠洗瓶 500m1
燒杯5
量筒 100m1
附有許多小尖管(tips)
的自動吸量管 刮們 吸水紙 l 盒 水浴器 定時器 油性筆 垃圾罐55
-需要的化學藥品 數量 需要的化學藥品 數量 3% 的過氧{七氫(
hydrogen
費加果( Feykhoa) 汁100 mL
200 mL
peroxide)
)容:夜 對笨二酌(Hydroquinone )
5 g
馬鈴薯( Potato) 汁200 mL
蒸餾水( Distilled water)
500 mL
高麗菜( Cabbage) 汁200 mL
將水浴器插上電並開眉立一確保它加熱到沸點 【稀釋的步聽】 1.分別取各種蔬菜汁或果汁(費力日果、馬鈴薯及高麗菜)
10 m1 '
利用自動吸量器 將其分別倒進個別的燒杯中。(參考附錄 l 的自動吸量器的使用指導) 2. 使用量筒，加水 40mL 到高麗菜汁，使其稀釋 5 倍 3. 使用量筒，加水 40mL 到馬鈴薯汁，使其稀釋 5 倍 4. 使用量筒，加水 40mL 到費 3日果汁，使其稀釋 5 倍 5. 如果需要更多的蒸餾水，可以向實驗室助理要求 6. 取 8 根乾淨試管，在試管上標示如下圖右側兩欄所示，並依照順序排列在試管架 上Feykhoa
(F)
。 。
Potato
(P)
θ
。
Cabbage
(C)
。 。
Control
川)。
。
2009 年第六屆國際圈中科學奧林匹亞競賽一實驗試題 【過氧化睡檢測】 1.調整自動吸量器到 1
mL
2
分別各加 I mL 稀釋後的費加果汁到第一列的兩支試管中 3. 分別各加 I mL 稀釋後的馬鈴薯汁到第二列的兩支試管中 4. 分別各加 I mL 稀釋後的高麗菜;十到第三列的兩支試管中 5. 分別各加 I mL 水到第四列的兩支試管中 6. 保留稀釋的溶液在後面的實驗中會用到7
確定這些試管有根據上圖的正確標示 8. 把標示 2F，2P
,
2C
以及 2W 的試管放入沸騰的水浴器中10 分鐘 9. 從水浴器取出這些試管，冷卻10 分鐘，使其冷卻到約到達室溫。8 支試管各用 刮勻加入少量對華二酌(hydroquinone )
10. 記錄這些開始時的顏色 11 在所有試管中分別加入 I mL 的過氧忙氫溶液，搖動每一支試管 12. 兩分鐘後記錄最後的顏色 【實驗 I 問題】 (6.5 分)I
-1 在答案卷的表格上，將顏色對應的數字填寫在適當的位置 (2.5 分)I
-2 被檢測的蔬菜/水果中，哪些含有過氧他臨? (1 .5 分)I
-3 在 15 分鐘之後，你有觀察到控制組試管任何的顏色變他? (0.5 分)I
-4 沸騰怎樣影響過氧 t 酪? (I分)I
-5 如果稀釋的高麗菜汁只添加對華二酌而不添加過氧忙氫'顏色立即的改變如何? (I分) 實驗完成後，試管中的溶液使其流入垃圾罐中，沖洗所有試管，將其放人裝設備的盒中。 實驗 II: 檢測酵素反應最過當的 pH 需要設備 數量 需要設備 數量 試管架 水浴器 油性筆 pH 計 試管8
舌。村 塑膠洗瓶 500ml
附有許多小尖管(tips)
的自動吸量管 量筒 100ml
吸水紙 l 合IT且 57-需要的化學藥品 數量 需要的化學藥品 數量
0.05
moUL 鹽酸溶液(HCl)350 mL
對笨二酌(Hydroquinone)5 g
0.1
moUL 氫氧 t 納溶液 l 塑膠罐100 mL
提衝液(NaOH)
3%的過氧他氫(hydrogen
從實驗 I 的稀釋高麗菜100 ml
peroxide) 溶液 汁 培養溶液中的 pH 對於酵素的反應扮演重要的角色，每一酵素有其最適當的pH 範圍，此 時酵素的反應速率最快。 【步輯:製備不同 pH 範目的溶液以及其檢測】 目標是要確認高麗菜過氧他酪活性最大值的pH 範圍 1.標示 10 支試管從 1 到 10 2. 調整自動吸量器(用另一新的小尖管)到4 mL ，然後量 4mL 稀釋過的高麗菜汁 (你在實驗 I 已經製備好的)分別加到每l 支試管中 3. 使用 HCl(0.05
M) 、 NaOH(0.1
M)溶液依照下述步驟製造不同pH 的溶液 ﹒加 3mL 0.05
M
HCl 到 1 st 試管中﹒加
1.5 mL 0.05
M
HCl 到 2
nd 試管中 ﹒加0.75 mL 0.05
M
HCl 到 3
rd試管中 ﹒加0.3
mL 0.05
M
HCl 到 4
th試管中 ﹒不加任何物到5
th試管 O 自動吸量管的小尖管更換一支新的，再繼續下列實驗 ﹒加 0.2mL
O.IM NaOH
溶液到 6th 試管中 ﹒加 0.4mL
O.IM
NaOH 溶液到 7th試管中 ﹒加 1mL 0.1 M
NaOH 溶液到 8th試管中 ﹒加 2mL 0.1
M
NaOH 溶液到 9th試管中 ﹒加 3mL 0.1 M NaOH
溶液到 10th試管中4
檢查 pH 計(參考附錄 2 的 pH 計使用指導) ，測量及記錄所提供緩衝液的 pH 讀 數 5. 使用 pH 計測量及記錄從 1 到 10 試管溶液的 pH 讀數，維持 pH 計在試管中， 直到出現穩定的讀數，每次使用完都用蒸餾水沖洗 pH 計 6. 如同先前的實驗，用刮勻加少量的對華二酌到每一支試管中，並搖晃2009 年第六屆國際國中科學奧林匹亞競賽一實驗試題 7. 記錶每一支試管的顏色變化 8. 調整自動吸量器到 1 mL 並使用另一新的小尖管，然後量 1 mL 過氧他氫分別加 到每 l 支試管中 9. 兩分鐘後，記錄每一支試管的顏色變他 【實驗 E 問題】 (7 分) *注意:忽略不考慮試管中溶液總體積的變 t
II
-1 在答案卷的表格上，記錄緩衝液的 pH 讀數，填寫記錄到的 1 到 10 試管中溶液的 pH 讀數。 (3 分)II
-2 確認過氧化酹作用最佳的 pH 值範圍。 (2 分)II
-3 確認哪一管過氧化酹活性最高 o (1 .5 分)II
-4 根據實驗結果，預測下列物質中哪些會抑制過氧化酷的作用:草酸 (oxalic acid) 、氫 氧化按 (ammonium hydroxide) 、 E炭酸$內 (sodium carbonate) 、醋曾是 (aceticacid)?
(0.5 分)第二部分:用滴定法測定高麗葉(cabbage)溶液中的維生素c 濃度 【引言】 本方法是用氧化 遺原滴定法來測定一個溶液中維生 素c(分子式: C
6
肌肉，分子量: 176.2)的濃度。維生素 C 更適當的叫法是抗壞血酸(ascorbic acid)
，它是一種人體所 必需的抗氧他劑。 當碘酸根離子(103
)加入含有碘離子(1 )的酸性溶液 中時，發生氧他一還原反應。碘酸根離子被遺原形成碘， 同時碘離子也被氧化形成碘。整合這兩個半反應式顯示出 碘酸鹽與碘化物之間所發生的反應。這反應所產生的碘把 抗壞血酸氧化成脫氫抗壞血酸(dehydroascorbic acid)，而 碘則被遺原成碘離子。 釘在ff，白鹿+1
2•
2 1
+
ffftfffi克在ff，白鹿+2
H
當溶液中一直有任何的抗壞血酸存在時，在此反應中 所生成的碘會立即被它還原成碘化物。一旦所有的抗壞血 酸都被氧 f七日芋，過量的碘會與灘粉指示劑反應，生成持久 的深藍色鹿島;-揖羞于台仿(starch-iodinecomplex)
，這就是此 滴定反應的終點(end point) 。 59-實驗 III :維生素 C 的測定 所需要設備 數量 需要的化學藥品 數量 滴定管及管架
0.002
maUL 碘酸餌(KI03)100 mL
附有小尖管(tips)的自動0.1
maUL 碘他告甲 (K1)100 mL
吸量管 錐形瓶 250mL
0.05
maUL 鹽酸 (HC!)350 mL
量筒 100mL
0.5% 澱粉溶液20 mL
未經稀釋的高麗菜原汁190 mL
【滴定程序】 1.使用漏斗將 0.002 maUL 碘酸餌 (KI03
) 溶液倒入滴定管中。 2. 吸取 30 mL 的高麗菜原汁(未經稀釋)加到 250 mL 錐形瓶中(這支自動吸量管 的最大容量為 5 mL ，所以你可調整自動吸量管使其顯示為 5 mL ，並用吸量管 吸取 6 次以得到 30 mL 的樣品。你也可選用量筒來量取溶液的體積)。 3. 再加入 20 mL 的蒸餾水，30
mL 的 0.1 maUL 碘他餌，100
mL 的 0.05maUL
鹽酸( HCl)以及 1 mL 的澱粉指示劑溶液 O 記錄滴定管中 0.002 maUL 碘酸餌溶 液的初始體積，並且用它來滴定此高麗菜樣品。小心輕搖錐形瓶，不要使瓶中溶 液潛出。 首次有些許持久性的深藍色澱粉-碘錯合物出現時即為滴定的終點。記錄滴定管 中溶液的最終體積 O 4. 用其餘的高麗菜汁樣品溶液重複此滴定實驗直到你獲得一致的結果為止。 5. 如果需要更多的蒸餾水，可以向實驗室助理要求 6. 取 8 根乾淨試管，在試管上標示如下圖右側兩欄所示，並依照順序排列在試管架 上 【實驗 E 問題】(刊 .5 分) *注意:忽略不考慮試管中溶液總體積的變他 ill-I 寫出在酸性溶液中碘酸根離子的還原半反應式以及碘離子的氧他半反應式0 (1分) ill-2 將兩個半個反應式整合並且寫出碘酸根離子和碘離子之間的全反應式。 (0.5 分)車手E嘴 .M1lIJ埋在'，$Lf.L簽名 0 '1，矗t1llJJ!lIE品，，1<算是~iliftY;g;;t警將會治iii垂'&1.曹:i3(>
ill-3 將 j商定步驟中的數據填入答案卷的空格中。 (3.5 分)
ill-4 計算反應生成碘的碘酸鹽莫耳數。(1.5 分)
2009 年第六屆國際園中科學奧林匹亞競賽一實驗試題 ill-6 從滴定的反應式，算出高麗菜汁中的抗壞血酷的真耳數。(1. 5 分) ill-7 計算在高麗菜汁中的抗壞血酸的濃度，以 moll L 表示 o (1分) ill-8 計算在 30 mL 的高麗菜汁樣品中抗壞血酸之質量 o (0.5 分)
第二部分:用滴定法測定高麗菜 (cabbage) 溶液中的維生素 c 濃度
【簡介】 如所週知，在很多植物中，水是含量最豐的構成物質。果汁所具有的不同性質(如 味道、顏色等)主要決定於它們的組成，亦即它們除大量水分外、各種酸的相對數量。 因為這些酸的存在，不同果汁各有不同的物理性質，而我們可從研究這些性質得到 它們的組成成分的資訊。這類性質之一就是果汁的密度，它跟果汁的成分密切相關。在 這部份實驗，你首先必須測量石榴 (pomegranate) 和費力日果 (feykhoa) 這兩種水果果汁 的密度。這部份實驗的第二項任務就是要測量上述果汁的電阻率。 實驗 IV: 密度的測量 所需的器材 數量 需要的化學藥品 數量 盛水的魚缸 (Aquariumwith
石榴汁(Pomegranatejuice)
50 mL
water)
有刻度的試管，讀數是 mL 費加果汁(Feykhoajuice)
50 mL
(Scaled test tube
,
readings in
mL)
小刮勻 (Microspatula) 蒸餾水 (Distilled
water)
100 mL
附有小尖管的自動吸量管(Automatic pipette with tips)
吸量管 (Pipette) 【相關資訊】
m
用質量和體積來表示時，物體密度的定義是 ρ= 一。在這實驗中並沒有提供天平來 V 測量液體的質量，因而果汁的密度必須以間接的方法求得。 在這實驗中，你需要運用關於浮力的知識以及基本的實驗技巧，以量得所求的密度。 一個物體所受的浮力是當它浸在密度為 ρ 的液體內時所受的向上的力，大小等於它所 排開的液體的重量 O 【步聽】 每一實驗組會有一個盛水的魚缸和一根試管，這實驗所用的試管眼之前實驗所用的 是不一樣的:在他學和生物實驗中所用的試管並沒有完全刻上刻度，而這裡要用的是全 61-根均有刻度的試管。 把 4.0 mL 的蒸餾水倒進試管內並讓它浮著。(不要把魚缸中的水盛到試管中。用
吸量管為試管添水，但不要去管吸量管上的刻度。)蒸餾水的密度為 Pw
=100。其而且大
m 致眼溫度無關。記錄對應的試管的浸入深度(以試管標度上的體積讀數表示)。在試管內 分別盛入 4.6 mL 和 5.2 mL 的蒸餾水，並重覆上述的步驟。這些還人深度的記錄數 值可作為後續測量的參考值 O 接下來，在試管內倒入一定數量的石榴汁，使得試管浸入到~~盛 4.0 mL 的蒸餾水 時相同的深度，並記錄這時石榴汁的體積。對於跟 4.6 mL 和 5.2 mL 的蒸餾水有相同 浸入深度的情形，重複相同的步驟。 對於費加果汁，重複以上的三個測量步驟。 使用果汁作實驗時，你或許會看到果汁表面覆蓋了一層果肉。為了使得果汁更為均 勻，用所提供的小刮勻把果汁攪拌。 試管內的液體太少時，它會因為無法平衡而下沉;當液體太多時，它會由於過重而 下沉。若盛滿果汁的試管沉沒，果汁會跟水混在一起，而使得後績的實驗測量失準。 從一種果汁換到另一種果汁時，要把試管澈底清洗乾淨，以使後績的實驗不受影響。 【實驗 IV 問題】 (8 分) IV-l 對於蒸餾水、石榴汁、和費加果汁，記錄浸入深度以及對應的液體體積的數據。 把數據填在答案卷的表格上。(每種液體1. 5 分) IV-2 利用力平衡的條件，說明你會如何測定果汁的密度，並寫下適當的方程式。把重 要步驟記錄在答案卷上。(1. 5 分) IV-3 從這些數據，計算石榴汁和費加果汁的密度，並各求其平均值。把結果填在答案 巷的方格上 o (每種果汁1. 0 分) 實驗 IV :密度的測量 所需的器材 數量 所需的器材 數量 電量計 (Voltameter) 標足 (Ruler)電源 (Power
source)
導線 (Cables)10
萬用電表 (Multimeter) 有小尖管的自動吸量管
(Automatic pipette with tips)
小刮勻 (Microspatula) 吸量管 (Pipette)2009 年第六屆國際圈中科學奧林匹亞競賽一實驗試題 所需的化學藥品 數量 石榴汁 (Pomegranate
juice)
250 mL
費加果汁 (Feykhoajuice)
250 mL
【相關資訊】 在這實驗中，我們要用上列的儀器找出前述果汁的電阻率。物體電阻的定義是R= ρ2 ，這其中ρ是電阻率 ， L 是電阻器的長度 ， A 是它的截面積。當把電阻器接上電
源時，通過它的電流眼跨它兩端的電位差之間的關像是V=JR 。 我們的電阻器是液體。為了找出它的電阻率，我們把它倒進一個稱作電量計的容器 中。利用這電量計、電源、和伏特計，你要先測量液體的電阻，接著求它的電阻率。 電量計 這實驗所使用的電量計是一個盛果汁的罐子。我 們要把所欲測量的果汁倒進這罐子內至數公分的高 度。電量計的蓋子上附有兩個電極，它們之間會有一 個電位差。假設電流只是直接在兩個電極間流動。若 電極鬆脫了，確認它們彼此保持平行，並把螺桂牢固 地桂緊。 電極上有標記，可用以調整果汁的高度。果汁 最初只須倒到粗略的高度;在蓋上電極和蓋子後， 就可以用一個漏斗來微調果汁的高度。 蓋子上有一個可插上漏斗的洞。把漏斗插上 去，並繼續倒人果汁，直至液面跟標記等高為止。 電源 在這實驗中，會用一個 HY1503D 電源來提供電量計的電極間的電壓。電源內有一 個內建的安培計。確認電流旋鈕(上面的旋鈕)沿順時針方向轉到最盡頭的位置，並在 整個實驗中都保持在這位置。在打開電源前，確認電壓旋鈕(下面的旋鈕)沒有轉上， 也就是不能沿逆時針方向轉動。 電源的顯示屏上指出了它兩端之間的電位差、以及通過它的電流。萬用電表則可量 出電量計兩端之間的電位差。63
-萬用電表 每一實驗組會有一個萬用電表來測量電壓。 把導線連到 COM 和 VQmA 端，並把旋鈕轉到 DC 電壓 (voltage) 20V 上。 按上列的儀器和相關的輔助敘述，建構一個 電路，用以測量電量計兩端間的電位差、以及通 過它的電流。記錄電流隨電壓的變化，至 IS V 的 電壓為止，其間最少取 10 個不同的電壓值。 每一組測量之間不要太匆忙，因為太急會降 低測量的精確度。另一方面，若測量費時太久， 電流將引起電解、加熱、果汁成分分解等變忙， 而這將對測量產生影響。因而你要預先籌劃，使 得在電源打開後兩分鐘內就能完成你的測量。 為 7 測定電阻率，你需要知道電極間的距 離、以及它們的有效面積。有效面積是電極泡在 果汁內的面積。用所提供的標尺測量這些量。 【實驗 V 問題】 (8 分)
V-I
在答案卷上，畫出你用來求得電流對電壓的特性曲線的電路圈。(0.5 分)V-2
測量電極間的距離，以及它們的有效面積。把數據填在答案卷上適當的空格裡。 (0.5 分)V-3
把電流對電壓的測量數據填在適當的表格上，並在所提供的圖紙上繪上適當的 園。(每種果汁1.5 分)V-4
從上述的圖，推算果汁的有效電阻。(每種果汁1.0 分)V-5
計算這兩種果汁的電阻率。(每種果汁。.5 分) 附錄 1 :自動吸量管使用說明 【調整方法】 轉動活塞(Plunger)(如下圖)至所需體積的讀數，這體積可從顯示窗(Display)中看到。 記住每一支微吸量管有固定的體積範圍，如吸量管上所示。不要超出此範閣。 【使用方法】 把吸量管的小尖管(tip)牢固套在尖管支架(Tip-holder)上。小心壓下活塞至第一個停 留點並拿好，把小尖管垂直插人到溶液中約2-4 mm 的深度。慢慢地放鬆活塞使它2009 年第六屆國際國中科學奧林匹亞競賽一實驗試題 回到原來的位置。從溶液中移出吸量管並把其內含溶液移到目的試管中。當溶液在 小尖管中時，吸量管要保持重宜。確認小尖管要靠近試管的內壁。把活塞壓至第一 個停留點，然後再進一步壓下以使溶液完全從小尖管中流出。把吸量管從試管中移 出。將小尖管彈出器 (Tip-ejector)壓下，把用過的小尖管彈出到廢棄物桶中。
