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2004 年國際國中生科學奧林匹亞競賽
實驗試題
國立臺灣師範大學 科學教育中心
前言
你 面 前 的 水 果 名 為 Salak， 中 文 譯 為 蛇 皮 果 ， 其 學 名 是 Salacca edulis， 是 一 種 外 來 水 果 。 本 實 驗 用 這 種 水 果 作 為 原 料 來 發 酵 ， 以 製 作 發 酵 果 汁 。 它 的 糖 份 是 本 實 驗 中 某 微 生 物 （ 如 酵 母 菌 ） 發 酵 過 程 中 所 需 碳 的 部 分 來 源 ， 發 酵 所 產 生 出 來 的 果 汁 會 含 有 酒 精 成 分 ， 在 發 酵 過 程 中 ， 將 會 有 某 種 氣 體 釋 放 出 來 。生物(5 分)
問題
1.你 有 一 整 個 蛇 皮 果 及 一 個 已 經 橫 切 的 蛇 皮 果 。 下 面 右 圖 是 某 種 果 實 各 部 分 構 造 的 示 意 圖 。 你 可 以 小 心 剝 開 這 個 蛇 皮 果 的 硬 果 皮 ， 分 開 其 內 部 這 幾 粒 果 實 ， 先 剝 開 果 實 外 一 層 薄 薄 的 半 透 明 層 ， 再 剝 開 另 一 肥 厚 層 ， 你 就 可 以 觀 察 到 蛇 皮 果 的 其 他 構 造 。 試 繪 一 個 蛇 皮 果 橫 切 面 圖 以 表 示 其 各 部 分 的 構 造。表1 第 I 欄（ 左 邊 ） 是 第 II 欄 (右邊) 各 部 分 構造 的 英 文 字 母 代 號 ， 請 將 英 文 字 母 代 號 標 示 在 你 所 繪 的 蛇 皮 果 橫 切 面 圖 上 的 各 部 分 構 造 。（2 分 ） A B C D 某 種 果 實 構 造 示 意 圖 表 1. I II A 種 子 （Seed） B 中 果 皮 （Mesocarp） C 外 果 皮 （Epicarp/Exocarp） D 內 果 皮 （Endocarp） E 內 胚 層 （Endoderm） 2.蛇 皮 果 果 肉 中 含 糖 量 的 重 量 百 分 率 約 為 20%。 實 驗 時 ，從 250 公 克 蛇 皮果 果 肉 中 得 到 純 果 汁 ， 加 水 稀 釋 後 成 為 體 積 等 於 1 公 升 的 稀 釋 果 汁。 若 想 要 變成 為 可 口 又 好 喝 的 果 汁 ， 還 必 須 在 此 稀 釋 的 果 汁 中 再 加 入 蔗 糖 ， 加 入 蔗 糖 後 的 稀 釋 果 汁 總 體 積 仍 然 等 於 1 公 升 ， 而 加入 蔗 糖 後 ， 蔗 糖 的 重 量 百 分 率 濃 度 為 15%。 蔗 糖 的 純 度 是 97%。 在本 實 驗 中 ，稀 釋 後 果 汁 的 密 度 是 1 公 克 / 立 方 公 分 (1g/cm3)。科學教育月刊 第 285 期 中華民國九十四年十二月 - 52 -
問題
1.計 算 在 未 加 蔗 糖 之 前 ， 一 公 升 的 稀 釋 蛇 皮 果 果 汁 中 含 糖 量 的 最 大 百 分 率( 重 量 / 體 積)。（1 分 ） 2.在 加 入 蔗 糖 之 後 ， 用 於 本 發 酵 實 驗 的 一 公 升 果 汁 中 ， 含 糖 量 的 最 大 百 分 率 是 多 少 ？ （2 分 ）物理 （
9 分）
在 發 酵 過 程 中 所 產 生 的 氣 體 ， 其 體 積 變 化 率 、 壓 力 及 分 子 數 目 是 時 間 的 函 數 ， 可 以 被 測 量 與 計 算 出 來 。目標 ：
a.決 定 在 發 酵 過 程 所 產 生 的 氣 體 之 體 積 變 化 率 ， 即 每 單 位 時 間 釋 放 多 少 體 積 。 b. 決 定 氣 體 的 平 均 產 生 率 ［ 以 莫 耳 / 秒 （mol/s） 表 示 之 ］。器材 及物 品
a.內 部 裝 有 棕 櫚 油 的 U 形 管 ， 以 支 架 架 好 ， 並 附 有 刻 度 尺 ， 一 邊 用 一 條 塑 膠 管 連 接 著 一 個 橡 皮 塞 （ 左 邊 的 讀 值 以 cm 表 之 ） 。 b.體 積 為 100 毫升 （ mL） 的 錐 形瓶 c.碼 錶 d.方 格 紙 e.一 瓶 凡 士 林 油 膏 f.裝 在 一 體 積 為 200 mL 之 錐 形 瓶內、正 在 發 酵 中 的 蛇 皮 果 溶 液註：
1 大氣 壓 （1 atm）= 1.013 × 105 N/m2 = 1.013 × 105帕 （Pa） 理 想 氣 體 方 程 式 PV = nRT 氣 體 常 數 R = 8.314 J mol-1 K-1 重 力 加 速 度 g = 9.81 m s-2 U 形 管 直 徑 6.00 毫米 （ mm） 棕 櫚 油 密 度 為 890 kg m-3實驗 過程
1. 當 U 形 管 左 右 兩 邊 的 棕 櫚 油 液 面 等 高 時 ， 在 記 錄 紙 記 下 高 度 。 注 意 ：U 形 管 的 左 邊 管 口 用 一 條 塑 膠 管 連 接 著 橡 皮 塞 。 2.將 氣 球 從 裝 有 發 酵 中 的 蛇 皮 果 汁 溶 液 的 錐 形 瓶 上 拿 開 。 3.小 心 將 此 溶 液 倒 入 另 一 體 積 為 100 mL 的 錐 形 瓶 內 ， 直 到 瓶 上 標 示 60 mL 處 為 止 。 你 可 以 看 見 U 形管 上 刻 度 尺（ 金 屬 尺 ） 上 ， 在 50 cm 刻度 處 有 標 記（ 綠 色 標 記 ） ， 此 標 記 是 表 示 在 溶 液 液 面 （ 在 60 mL 刻 度 處 ） 與 U 形 管 50 cm 刻 度 之 間 的 空 氣 體 積 V，V = 75.0 mL。 4.將 橡 皮 塞 塞 在 錐 形 瓶 瓶 口 ， 並 確 定 不 會 漏 氣。如 有 必 要，可 用 凡 士 林 油 膏 密 封 。 你 可 以 觀 察 到 U 形 管內 棕 櫚 油 液面 的 高 度 變 化 。 5. 自 行 決 定 開 始 觀 察 的 起 始 時 間 （ t = 0 秒 ） ， 並 記 下 U 形 管左 邊 棕 櫚 油液 面 的 高 度 ， 把 它 作 為 起 始 位 置 。 寫 在 記 錄 紙 的 表 格 中 。 6.記 錄 U 形 管 左 邊 棕 櫚 油 液 面每 變 化 10 mm 所需 的 時 間，在 你 的 記 錄 紙 記 錄 102004 年國際國中生科學奧林匹亞競賽實驗試題 - 53 - 個 數 據 。 在 這 個 步 驟 的 實 驗 中 ， 不 要 碰 觸 錐 形 瓶 ， 因 為 它 會 瞬 間 改 變 產 生 的 氣 體 之 體 積 。 7.完 成 實 驗 後 ， 將 錐 形 瓶 的 橡 皮 塞 拉 開 。 8.保 留 剩 下 的 發 酵 中 之 溶 液 ， 供 化 學 實 驗 使 用 。
問題
1.依 據 棕 櫚 油液 面 的 起 始 位 置 ， 計 算 t = 0 時 的 氣 體 之 體 積 。 （1 分 ） 2.利 用 一 合 適 的 圖 ， 決 定 氣 體 體 積 隨 時 間 的 變 化 量 。 （2.5 分 ） 3.利 用 一 合 適 的 圖 ， 決 定 發 酵 過 程 中 氣 體 產 生 率 （mol/s）的平 均 值 。在 此 實驗 中 計 算 時 ， 假 設 此 氣 體 為 理 想 氣 體 ， 室 溫 為27.0℃ 。 （3.5 分） （ 正 確 的 測 量 結 果 ：2 分 ） （ 寫 下 所 有 的 分 析 步 驟 ， 包 括 回 答 問 題 的 公 式 ） 使 用 記 錄 表 上 的 表 格 來 回 答 問 題 。 你 可 以 使 用 空 白 欄 位 。 在 分 析 數 據 時，你 必 須 使 用 SI 單 位（ 即 國 際 單 位 ， 公 尺-千 克 -秒 ） 。 如 果 你 在 所 有 的 計 算 、 表 格 與 圖 中 ， 不 使 用 SI 單 位 ， 則 扣 0.25 分 。化學 （
6 分）
目的 ：
確 認 在 發 酵 中 的 蛇 皮 果 果 汁 產 生 的 氣 體 和 測 定pH 值 的 範 圍 。器具 和材 料
編 號 器 具 （Apparatus） 1 插 有3 條 塑 膠 管 的 橡 皮 塞 （ 1 個 ） 2 試 管 （7 支 ） 3 試 管 架 （1 個 ） 編 號 材 料 1 酚 酞 2 甲 基 紅 3 甲 基 橙 4 溴 瑞 香 草 藍 5 氫 氧 化 鈣 （ 石 灰 水 ） 6 氫 氧 化 鈉 （ 鹼 石 灰 ） 7 氫 氧 化 鋇 8 紙 巾 小 心 下 列 的 溶 液 ！ NaOH 和 Ba(OH)2有 腐 蝕 性 Ca(OH)2有 刺 激 性第 一 部 分 ： 確 認 發 酵 所 產 生 的 氣 體
（
3.4 分）
實 驗 過 程 1.在 你 的 實 驗桌 上，有 分 別 標 記 為 A、B、 C 的 試 管 ， 及 1 個 插 有 3 條塑 膠 管 的 橡 皮 塞 。 a.試 管 A 中 含 有 氫 氧 化 鈣 溶 液 。 b.試 管 B 中含 有 氫 氧 化 鋇 溶 液 。 c.試 管 C 中 含 有 氫氧 化 鈉 溶 液 。 2.利 用 在 前 面實 驗 100 mL 錐 形 瓶 中 剩 下 的 、 發 酵 中 的 蛇 皮 果 果 汁 ， 用 插 有 3 條 塑 膠 管 的 橡 皮 塞 緊 緊 地 塞 住 瓶 口 。 把 3科學教育月刊 第 285 期 中華民國九十四年十二月 - 54 - 條 塑 膠 管 分 別 放 入 標 記 有 A、B、C 的 試 管 中 ， 確 認 每 一 條 塑 膠 管 的 管 口 位 置 是 在 試 管 中 鹼 性 溶 液 的 液 面 以 下 。 如 果 會 漏 氣 ， 可 在 橡 皮 塞 的 表 面 塗 上 一 層 薄 薄 的 凡 士 林 油 膏 （Vaseline grease）。 3.輕 輕 搖 幌 錐 形 瓶 ， 仔 細 觀 察 氣 體 氣 泡 與 試 管 中 鹼 性 溶 液 的 反 應 約 5 分 鐘。 問 題 1.在 記 錄 紙 的 表 中 ， 寫 下 你 觀 察 的 結 果 。 （0.9 分） 2. 用 你 對 氣 體 和 鹼 性 溶 液 反 應 的 觀 察 結 果 ， 預 測 沉 澱 出 來 的 化 合 物 可 能 是 什 麼 。 （0.5 分 ） 3.用 你 觀 察 的 結 果 ， 預 測 發 酵 過 程 中 所 產 生 的 氣 體 是 什 麼 。 （0.5 分 ） 4.寫 出 每 一 試 管 中 發 生 的 化 學 反 應 式 ， 並 需 平 衡 係 數 。 （1.5 分 ）
