枯木再生—自製旋光儀測量旋光度以探討木麻黃的水解及再生利用之研究

中華民國第 61 屆中小學科學展覽會 作品說明書

科 別：化學 組 別：高中組

作品名稱：枯木再生之木麻黃的再利用-水解木麻黃

摘要

實驗中，我們以自製旋光儀測量水解木麻黃最佳的酸類濃度及分解度，並以斐林 試劑檢測其含糖量的多寡，最後再以糖度計檢測出木麻黃在各種濃度的酸分解之 下何者含糖量最高。

結果顯示，旋光度、糖度計之數值皆與酸類的濃度成正比關係，且氯化鋁之產物 較氯化氫多。

壹、研究動機

木麻黃，在金門是一種隨處可見的植物，無論是在四通八達的馬路上，還是田間 的小徑，都有它的蹤影。但是近年來，政府卻頻頻移除木麻黃，以拓寬道路。而 這些過去保護金門的樹，乘載了許多金門的回憶，卻一一倒下於政府的政策之下，

所以我們決定尋找木麻黃的可用之處。於是我們找了化學老師詢問並計畫了此次 的實驗

貳、研究目的

一、以生活中可取得的材料自製簡易旋光儀，用以測得醣類濃度 二、將木麻黃水解以測量出分解度最高的酸及其濃度

三、利用自製旋光儀測量木麻黃在不同濃度的酸類水解下之旋光度 四、使用斐林試劑檢測木麻黃在不同濃度的酸類水解下之含糖量 五、使用糖度計測量木麻黃在不同濃度的酸類水解下之含糖量

參、研究設備及器材

一、實驗所需之器材及藥品

器材

燒杯 量筒 滴管 平底試管

玻棒 攪拌石 回流管 藥品匙

秤量紙 橡膠塞 錐形瓶 濾紙

設備

三用電表 加熱板 電子秤 藥品

鹽酸 氫氧化鉀 氯化鋁 葡萄糖

斐林試劑 A 斐林試劑 B 旋光儀材料

美工刀 熔膠槍 太陽能板 偏光片 洋芋片空罐

(一大一小)

黑色不織布 LED 手電筒 鱷魚夾電線

二、藥品與水溶液的配製 (一)、葡萄糖水溶液的配製

葡萄糖重量(g) 葡萄糖溶液(ml) 濃度(M)

4.5 50 0.5

9 50 1

13.5 50 1.5

18 50 2

27 50 3

配製方法:

先秤取分別 4.5 克、9 克、13.5 克、18 克、27 克的葡萄糖，以少許水使其完全 溶解，再加水至 50 毫升。

(二)、鹽酸的稀釋

HCl 濃度 量取 HCl 體積 配製溶液體積 配製後的濃度

12M 1ml 12ml 1M

12M 2ml 12ml 2M

12M 3ml 12ml 3M

12M 4ml 12ml 4M

12M 6ml 12ml 6M

配製方法:

先量取定量的溶質(HCl)分別以 1 毫升、2 毫升、3 毫升、4 毫升、6 毫升，各加 入適量的水先行溶解，再將溶液加水稀釋至 12 毫升，配製不同濃度 HCl。

(三) 、氯化鋁的稀釋

AlCl3重量(g) 配製溶液體積 配製後的濃度

2.4 10ml 1M

4.8 10ml 2M

7.2 10ml 3M

配製方法:

先量取定量的溶質(AlCl3)分別以 2.4 克、4.8 克、7.2 克，各加入適量的水先行 溶解，再將溶液加水稀釋至 10 毫升，配製不同濃度 AlCl3。

肆、研究過程及方法 一、自製簡易旋光儀 (一)器材:

美工刀、熔膠槍、太陽能板、偏光片、洋芋片空罐(一大一小)、黑色不織布、LED 手電筒、鱷魚夾電線、絕緣膠帶、保麗龍盒、保麗龍板

(二)步驟:

(三)旋光儀操作方法:

1. 用平底試管裝取純水 50 毫升

2. 放入自製旋光儀中，固定於與洋芋片罐內部的保麗龍上 3. 開啟手電筒光源

4. 旋轉指針至三用電表讀數最小處並將此刻度定為基準值 5. 將待測溶液 50 毫升裝入平底試管

6. 旋轉指針至三用電表讀數最小處並記錄其刻度 7. 用測得之刻度減去計算其偏轉角度

8. 在比旋光度數值前加”+”號表示左旋，加”-”號表示右旋 二、測試自製旋光儀之可行性及繪製檢量線

(一)、實驗設計

1.配製不同濃度的葡萄糖水溶液

2,以自製儀器測量其旋光角度，並將數據與理論值對照，探討不同濃度與其測得 偏轉角度的關係

3.以測得之數據結果繪製檢量線 製作步驟

在洋芋片空罐上方挖洞 固定洋芋片罐的蓋子 裝設太陽能板與偏光片 連接三用電表與鱷魚夾電線

拼裝主體 測試三用電表

(二)、實驗步驟

1.以 50 毫升純水裝入平底試管，測得三用電表讀數最小處，定為基準值 2.將不同濃度的葡萄糖水溶液 50 毫升各裝入平底試管，分別記錄指針轉至三用 電表讀數最小處之刻度，並計算出其偏轉角度

3.將測得之結果製成表格並繪製檢量線 三、水解木麻黃

(一)定義:

廣義:無機化合物或有機化合物與水的作用所引起的分解反應。

狹義: 1.酯和水作用生成酸及醇的反應 2.水引起化合物分子內的分解反應。

3.鹽與水作用分解為酸和鹼的反應

4.多醣類和蛋白質等聚合物分解為單體的反應。

(二)應用:

皂化或鹼化:脂肪等酯類的水解。

糖化:澱粉及纖維素等多醣類的水解。

(三)操作流程:

調配濃度

•計算所需溶質的質量和溶劑的質量。

•加入所需的水與藥劑

•倒出10毫升的溶液

木麻黃準備

•選擇需要的木麻黃

•將選擇後的木麻黃秤至5克

•將秤好的木麻黃剪成小塊狀

開始水解

•將木麻黃調配好的溶液10毫升及純水60毫升倒入錐形瓶

•將攪拌石放入錐形瓶中並將橡膠塞塞上

•將錐形瓶放到加熱版上

•將錐形瓶加熱至攝氏100度，停止加熱

•將錐形瓶放置冷卻30分鐘後過濾

四、斐林試劑 (一)材料:

斐林試劑 A(硫酸銅水溶液) ，斐林試劑 B(酒石酸鉀鈉和氫氧化鈉的混和溶液)。

(二)原理:

斐林試劑因可檢測出醛基的存在而常用於檢驗是否存在還原糖。

斐林試劑可與醛糖反應的原因是因為酮糖類的單糖會與斐林試劑中的鹼作用，使 之轉化為醛糖，進而可以被斐林試劑氧化而呈陽性反應。

補充-還原糖: 在鹼性溶液中能生成醛基和羰基的糖 (三)操作流程:

五、糖度計 (一)原理:

利用光的折射，將光線折射至相對的刻度，以得出糖度值 (二)矯正方法:

將水解後的木麻黃溶液滴入NaOH，使溶液 性質轉變為中性或鹼性

加入斐林試劑A、B各2.5毫升

加熱至沸騰，沸騰後繼續加熱10分鐘

用濾紙過濾溶液並將過濾溶液之濾紙烘乾

減去原先濾紙重，得到沉澱物重量

矯正方法

將純水滴至糖

度計面板上 對準光源 將糖度計指標 轉為0

(三)操作方法:

伍、研究結果

一、旋光儀測試結果 (一)旋光儀矯正 1.純水

矯正次數 刻度(度) 最小讀數

第一圈 125~143 315~330

0.28 0.28 第二圈 125~160

303~337

0.28 0.26 第三圈 133~150

303~340

0.25 0.25

2.0.75M 葡萄糖

矯正次數 刻度(度) 最小讀數

第一圈 135~170 330~340

0.21 0.21 第二圈 150~170

325~335

0.19 0.20 第三圈 140~180

320~350

0.19 0.19 操作方法

將溶液滴至糖度

計面板上 對準光源 觀察深色與淺色 面積的交界線

3.1.5M 葡萄糖

矯正次數 刻度(度) 最小讀數

第一圈 145~170 330~370

0.16 0.16 第二圈 155~180

340~370

0.15 0.15 第三圈 160~180

320~385

0.14 0.15

(二) 檢量線

葡萄糖濃度 偏轉角度 0.5M 2.5 1.0M 7.5 1.5M 10 2.0M 12.5 3.0M 25

(二)實驗數據:

藥劑濃度 新鮮度 旋光度 偏轉角度 1M HCl 枯 315 0

2M HCl 枯 320 +5 3M HCl 枯 325 +10

y = 8.5811x - 2.2297 R² = 0.9644

0 5 10 15 20 25 30

0 1 2 3 4

偏轉教度

葡萄糖濃度

檢量線

藥劑濃度 新鮮度 旋光度 偏轉角度 1M AlCl3 枯 315 0

2M AlCl3 枯 320 +5 3M AlCl3 枯 325 +10

y = 5x - 5 R² = 1

0 2 4 6 8 10 12

0 1 2 3 4

偏轉角度

偏轉角度

線性(偏轉角 度)

y = -4.75x + 11.25 R² = 0.6748

-15 -10 -5 0 5 10

0 2 4 6

偏轉角度

偏轉角度

線性(偏轉角 度)

藥劑濃度 新鮮度 旋光度 偏轉角度 1M HCl 新 322.5 +7.5 2M HCl 新 312.5 -2.5 3M HCl 新 317.5 +2.5 4M HCl 新 305 -10

藥劑濃度 新鮮度 旋光度 偏轉角度 1M AlCl3 新 310 -5

2M AlCl3 新 317.5 +2.5 3M AlCl3 新 325 +15

三、斐林試劑實驗數據:

藥劑濃度 新鮮度 沉澱物重量(g) 1M HCl 枯 0.09

2M HCl 枯 0.12 3M HCl 枯 0.19 4M HCl 枯 0.39 6M HCl 枯 0.52

y = 5x - 5 R² = 1

0 5 10 15

0 2 4

偏轉角度

比旋光度

線性(比旋光 度)

y = 10x - 15.833 R² = 0.9796

-10 -5 0 5 10 15 20

0 2 4

偏轉角度

偏轉角度

線性(偏轉角 度)

藥劑濃度 新鮮度 沉澱物重量(g) 1M AlCl3 枯 0.01

2M AlCl3 枯 0.06 3M AlCl3 枯 4.84

藥劑濃度 新鮮度 沉澱物重量(g) 1M AlCl3 新 0.29

2M AlCl3 新 3.73 3M AlCl3 新 9.11

y = 0.113x - 0.077 R² = 0.9261

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

0 2 4 6

沉澱物重量(g)

沉澱物重量(g)

線性(沉澱物重 量(g))

y = 2.415x - 3.1933 R² = 0.7578

-2 0 2 4 6

0 1 2 3 4

沉澱物重量(g)

沉澱物重量(g)

線性(沉澱物重 量(g))

三、糖度計實驗結果:

藥劑濃度 新鮮度 測試結果 1M HCl 枯 1.2 2M HCl 枯 2.0 3M HCl 枯 2.6 4M HCl 枯 3.4 6M HCl 枯 3.7

藥劑濃度 新鮮度 測試結果 1M HCl 新 1.2 2M HCl 新 1.6 3M HCl 新 2.6

y = 4.41x - 4.4433 R² = 0.9841

-2 0 2 4 6 8 10

0 1 2 3 4

沉澱物重量(g)

沉澱物重量(g)

線性(沉澱物重量 (g))

y = 0.64x + 0.66 R² = 0.9827

0 1 2 3 4 5

0 2 4 6

測試結果

測試結果 線性(測試結果)

藥劑濃度 新鮮度 測驗結果 1M AlCl3 枯 2.5 2M AlCl3 枯 7.4 3M AlCl3 枯 12.6

藥劑濃度 新鮮度 測驗結果 1M AlCl3 新 0.29 2M AlCl3 新 3.73 3M AlCl3 新 9.11

y = 0.76x + 0.3 R² = 0.9757

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

0 1 2 3 4 5

濃度(M)

糖度 線性(糖度)

y = 5.05x - 2.6 R² = 0.9997

0 2 4 6 8 10 12 14

0 1 2 3 4

測驗結果

測驗結果 線性(測驗結果)

陸、討論

一、原先光波在一切可能的平面上振盪，但在加了偏光片後，便可使以許多角度 移動，並隨著其傳播而振盪的光被限制在同一種角度的方向上移動。

但是在我們的實驗中，我們發現旋光儀的數值似乎不太準確，且結果沒有位於同 一線性函數之上，我們認為這是因為兩個偏光板之間的距離，可能會因為轉動時 而改變。

二、斐林試劑 A:硫酸銅水溶液，斐林試劑 B:二酒石酸鉀鈉及氫氧化鈉的混合物。

因為試劑中的二價雙酒石酸鈉負離子為此實驗中的氧化劑及檢測中的活化劑，所 以將待測物質加入斐林試劑中混合並共熱，若物質中含有醛基則會呈陽性反應。

且因斐林試劑為深藍色溶液，且其與脂肪醛或還原性糖共熱時，會使硫酸銅分解 並析出氧化亞銅，所以反應液的顏色可能經過由藍色→綠色→黃色→紅色的沉澱 而逐漸變化，且反應較快時，可直接觀察到紅色沉澱。

三、糖度計是利用光線穿過不同濃度液體時，折射角度會產生改變的原理，來測 量不同濃度的糖水或其他物質的折射率變化，以換算成它的實際濃度。

柒、結論

一、透過自行組裝旋光儀，讓我們了解到生活中易取得的物品，也可做出和實驗 室中精密、昂貴的儀器具有相似功能的工具。

二、藉由水解產物的多寡，可得之不同種溶液在不同濃度水解時的效果 三、藉由斐林試劑的檢測，可得知糖類的存在及含量的多寡

四、藉由糖度計之數據，我們可得出糖度及水溶液之濃度成正比

y = 4.41x - 4.4433 R² = 0.9841

-2 0 2 4 6 8 10

0 1 2 3 4

測驗結果

測驗結果 線性(測驗結果)

捌、未來展望

一、希望可以矯正旋光儀，使其數值與藥劑實驗數據成正關係 二、期望可以實驗更多常見植物，以測量出最適合水解的物種 三、期待在未來將廢棄塑膠加至水解的植物內，以製造生質塑膠 玖、參考資料及其他

一、資料關鍵字:旋光度

www.lstc.net/huansx/jxgz/cai/shengwu/yangyaojun/01.ppt

www.ntsec,edu.tw/Att.ashx?id=10574

http://m.youtube.com/watch?v=4ZNS8mkl3xA

https://zh.m.wikipedia.org/wiki/水解

https://163.28.10.78/content/vocation/food_production/tn_ag/unit/chap ter10.htm

六、資料關鍵字:水解-科展

www.ntsec,edu.tw/Att.ashx?id=11627

https://twsf.ntsec.gov.tw/activity./.race-1/45/senior/0402/040211.pdf

https://zh.m.wikipedia.org/wiki/斐林試劑

https://freshstork.pixnet.net/blog/.post/.33180850

生物化學/Karen.C.Timberlake 原著；詹勝慶編譯

評語

組別：高級中等學校組 科別：化學

作品名稱：枯木再生—自製旋光儀測量旋光度以探討木麻黃的水解 及再生利用之研究

名次：3 編號：Cc-2 優點：

自製旋光度計並實際應用於量測上非常實用且具推廣價值。利用檢 量線針對乾枯木麻黃進行定量分析，成果良好，具科學意義。

建議：

1. 進行線性分析時應有四個或以上的數據點。

2. 新鮮木麻黃的結果較無線性關係，影響實驗的因素可深入探討。

3. 木麻黃水解後的應用(生質塑膠)與實驗內容相關性不高，可思考 實際應用的可行性與執行方法。

4.自製旋光度計可與實驗室用旋光度計進行比較。