教學(xué)活動實施過程

課程模塊五：界面活性劑應(yīng)用一廁所清潔碇及奈米硫微粒的形成

核心概念界面化學(xué)、精油萃取、反應(yīng)速率

預(yù)計總實施課程時間5周

基礎(chǔ)實驗（一）：自制家用果皮清潔劑1周

基礎(chǔ)實驗（二）：廁所清潔碇制作2周

探究實作：奈米硫微粒的形成2周

（每周2堂課）

壹、基礎(chǔ)實驗（一）：自制家用果皮清潔劑

一、實驗?zāi)康?/p>

生命的本源即是化學(xué)，化學(xué)也是最貼近生活的學(xué)問，永續(xù)經(jīng)營概念是我們所追尋未來，

是大自然牛.命得以延續(xù)的契機。我們利用平常不吃的果皮、揀剩的菜葉除了可以自制成

有機肥料外，也能將果皮透過簡單的處理，制成實用天然清潔劑，取代合成清潔劑！不

管是廚房油污還是清洗水果，天然食材廢棄物再利用，不僅省錢又環(huán)保，用起來也更安

心。

二、實驗原理

1.界面活性劑的原理

日常生活中，衣服易被油溶性的物質(zhì)弄臟或沾上污垢、煙塵，這些物質(zhì)的水溶性都

很差，用清水難以洗凈；因此，必須使用清潔劑才能有效清除污垢。一般清潔劑的構(gòu)造

包含兩種性質(zhì)的原子團：一端是與油污相似的長鏈烷基，稱為親油基或疏水基

（hydrophobicgroup）,此端可深入油污，進而與油污互溶；而另一端由帶有電荷的原

子團組成，此端可溶于水，稱為親水基（hydrophilicgroup）。由于清潔劑分子同時具

有可溶于油及水的能力，此類分子即稱為界面活性劑（surfactant）。其主要作用是讓

兩個互不相溶的接觸面，不再排斥彼此靠近的物質(zhì)。舉個例子，如果你將色拉油和水倒

在同一個杯子里，會發(fā)現(xiàn)水沉在下層，油浮在上層（油的比重比水?。尸F(xiàn)油水分離。

這時，加入幾滴清潔劑（界面活性劑）搖晃一下，油和水就均勻混合了。

人類使用最早的清潔劑為肥皂稱為長鏈脂肪酸金屬鹽例如硬脂酸鈉（GH祐COONa）

及軟脂酸鈉（GMCOONa）（圖2所示）。至于人工合成的清潔劑組成為長鏈烷基硫酸

鹽類，例如：正十二烷基硫酸納（QlhCHOSOaNa）及長鏈烷未磺酸鹽類（R-GHiSChNa）,

R=-CM「一G玨例如：正十二烷基苯磺酸鈉。

[R^COONa）

「-------------X.............

__：

n踴做irZ??（似有u橫酸融

El：長鏈脂肪酸金屬鹽

2.界面活性劑的種類

生活中舉凡食品、藥品、肥皂、洗碗精、清潔劑、洗衣粉、洗發(fā)精、潤絲精、沐浴精、

化妝品、殺蟲劑都有界面活性劑的存在。依它在水中親水端的帶電性，大致可分為：

（1）陰離子界面活性劑：脂肪酸鹽CH3（CH2?6COO-Na+（長鏈及支鏈）、烷基硫酸鹽

CH3（CH2）“SO4-Na+及月桂醇聚酸硫酸脂鈉鹽（SLES）等,清潔效果佳，常用在

洗衣精、洗發(fā)精、沐浴用品。

（2）陽離子界面活性劑：脂肪鏤鹽CH3（CH2）“NHa+C「、溟化十六烷三甲基鏤

+

CH3（CH2）i5N（CH3）3Br-^,價格較高，但具有殺菌、澗絲、抗靜電等優(yōu)點，常用在

潤絲精、衣服柔軟精。

（3）兩性離子界面活性劑（Cl2H25N+（CH3）2（CH2coeO：例如椰油酰胺丙基甜菜百僉，可

降低陰離子界面活性劑的刺激性，常用在嬰兒清潔用品。

（4）非離子界面活性劑（CH3（CH2）U（OCH2cH2）6OH）：例如烷基聚氧化乙烯酸硫酸鈉，

具有親水性及疏水性鏈長度均可改變的優(yōu)點，清潔效果差但易起泡，其功用主要

是加強陰離子洗凈力，常用在清潔和化妝用品。

3.常見清潔劑中其他添加劑：

（1）起泡劑：月桂醇聚酸硫酸脂鈉鹽（SLES）

（2）去污粉:碳酸鈉（Na2c03）及碳酸氫鈉（NaHCO3）

（3）促凈劑:硅酸鹽、磷酸鈉

4.廢棄果皮的妙用：

酸苦的柑橘及檸檬皮，具有防癌的功效；有些口感差難以下咽的蘋果皮可預(yù)防過敏；有

白霧果粉的葡萄皮是天然酵素，能幫助消化，總之果皮好處比你想象中多。

（1）檸橡皮

含有檸檬苦素，同時還含有豐富的類黃酮及多酚，這兩種成分是抗氧化物質(zhì)，能促進脂

防代謝、降低三甘油酯，有肥胖困擾的人可以利用檸檬皮幫忙去除過多的脂肪。

（2）柑橘皮

橘子皮或是橙子皮都屬于柑橘類皮，其含有類黃酮素：能增強血管功能，并能對抗發(fā)炎，

比外含有豐富的果膠，有助排便、降低血壓及膽固醇。

基于上述理論，果皮的營養(yǎng)價值遠高于果肉，所以用來做清潔劑的果皮最好是真的廢棄

不再使用（例如：鳳梨皮）或者擔心有農(nóng)藥殘留的果皮。檸橡皮中所含的精攀烯（圖2

所示），又稱檸烯（Limonene；俗稱檸檬油精）是一種環(huán)狀單菇烯，廣泛存在于各種香

精油，特別是檸檬油、檸蒿油、橙子油、佛手柑油、前蘿油中。基于同類互溶原理，檸

檬油精雖然有溶解油污效果但經(jīng)過浸泡時溶解在酒精中的量并不多，真正有去污效果的

應(yīng)該還是所加入椰子起泡劑的功效。

貸圖2：檸烯結(jié)構(gòu)

三、實驗器材與試藥

器材（每組）

?600mL以上的玻璃空罐4個◎中型不銹鋼鍋1個

◎燒杯250mL1個◎量筒501nL1個

◎水果刀或美工刀3支◎洗碗精或洗發(fā)晴空塑膠瓶3個

。玻棒1支◎過濾篩網(wǎng)1個

試藥（每組）

◎95%酒精500毫升.罐◎椰子油起泡劑200mL

。檸檬6顆◎氯化鈉（食鹽）30克

四、實驗步驟

1.刀削檸檬皮，必須是新鮮的果皮，且果皮內(nèi)的白色部分應(yīng)刮除勿放入，否則白色部分

會吸走精油萃取液，且造成萃取液雜質(zhì)變多。

2.將外果皮平分放入兩個600ML玻璃空罐中，倒入95%酒精至能蓋滿果皮的程度，然后

蓋上蓋子置放于陰涼處，一周后將果皮過濾，此時酒精帶有檸檬香氣（圖3所示）。

圖3：將檸檬皮浸泡至酒精中，

且以玻璃罐裝，以免高濃度酒精

浸泡液將塑膠罐溶解

【建議】將外果皮平分放入兩個600mL玻璃空罐中，倒入95%酒精至能蓋滿果皮的程度，

一周后直接將上層溶液倒入其他回收的玻璃空瓶內(nèi)，殘留在原玻璃罐內(nèi)的果皮可以

直接倒入垃圾桶內(nèi)，此時將倒掉果皮的玻璃空瓶洗凈，再將剛才倒出的酒精溶液倒

回原玻璃瓶內(nèi)即可。

3.直接加入相當于酒精溶液2-3倍體積的冷水于玻璃瓶內(nèi)，此時溶液出現(xiàn)黃色混濁狀，

這是因為酒精可當做乳化劑，將檸檬皮成份中的檸檬烯分散于水中所呈現(xiàn)的乳化狀

態(tài)。

4.再將約30克的食鹽加入上述溶液中，盡量混合均勻。加食鹽的目的主要是“增稠作

用“，食鹽要加得夠多才能噌稠，加的量太少，效果不明顯，且加入食鹽會使洗滌時

產(chǎn)生的泡泡變得較細致且量多又持久。

5.最后加入約150毫升椰子油起泡劑（椰子油起泡劑很容易結(jié)塊，使用之前可加入一些

熱水幫助溶解，詳見實驗過程注意事項）

6.將自制而成的清潔劑裝入適當容器中即完成（資源回收的洗碗精或洗發(fā)精塑膠瓶均

可）。

※實驗過程注意事項

椰子油起泡劑很容易結(jié)塊，若是一直無法溶解在水中，可以使用隔水加熱（將椰子油起

泡劑與少量水混合倒入250mL燒杯中，放入裝有熱水的中型不銹鋼鍋中浸泡幫助溶解），

稍微攪拌后靜置約10~20分鐘，直至椰子油起泡劑澄清為U,此時將冷卻至室溫的椰子

油起泡劑加入上述檸檬皮浸泡液中，此時溶液不再混濁，旦出現(xiàn)淡黃色的澄清液。

7.想想看：

（1）新聞報導(dǎo)中提及：“以高濃度（70%~95%）酒精浸泡檸檬皮會產(chǎn)生酵素且兼具去油

污效果”，請問這種說法會產(chǎn)生什么謬誤？

（2）自制清潔劑的主要去污效果是來自何種成分？

（3）學(xué)校洗手臺上放的肥皂也是界面活性劑的一種，為何使用一段時間后表面會有一

層硬硬白色沉淀物，從此以后肥皂就很難起泡泡而失去洗滌效果了，請問可能的

原因為何？

【老師與學(xué)生心得分享】

1.清潔劑包括肥皂及合成清潔劑，肥皂是長鏈脂肪酸的堿金屬鹽，可由動植物的油脂與

強堿反應(yīng)而得；合成清潔劑是長鏈烷基的苯磺酸鈉鹽，洗衣粉、洗碗精都是此類清潔劑。

學(xué)校洗手臺的水龍頭水源多為地下水，所含的鈣離子或鎂離子者較多（成為硬水），肥

皂遇硬水會形成難溶的鈣或鎂鹽，失去界面活性劑的特性，所以很難起泡泡。

2.以自制果皮清潔劑洗洗手臺油污效果非常好，而且在硬水中也可以產(chǎn)生泡泡，仍具有

界面活性劑的功用。

貳、基礎(chǔ)實驗（二）：廁所清潔碇制作

一、實驗?zāi)康?/p>

碳酸氫鈉及碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)速率的快慢比較等迷思概念，是2015年化學(xué)學(xué)科中心教

學(xué)資源研發(fā)推廣小組研發(fā)作品之一，本熨驗幫助學(xué)生藉由實驗匣清，強酸強堿反應(yīng)時反

應(yīng)速率與強酸弱堿反應(yīng)時反應(yīng)速率相較，探討影響反應(yīng)速率的因素，使學(xué)生對反應(yīng)速率

快慢有更進一步地了解。

本實驗實作主要是使用碳酸氫鈉與檸檬酸充分混合后，加入極少量洗碗精捏塑成型制作

成廁所清潔碇，當清潔碇丟到馬桶中時一遇到水后迅速酸位中和，產(chǎn)生大量二氧化碳泡

沫，此時只需輕松以馬桶刷刷幾下就可以打掃得很干凈，不僅環(huán)保價廉且實用性很高。

二、實驗原理

1.碳酸鈉及碳酸氫鈉分別與紙酸反應(yīng)，探討反應(yīng)速率快慢與碳酸船的堿性丸度是否相關(guān)

（1）鹽酸（HC1）與碳酸鈉（Na2co3）反應(yīng)時，會先反應(yīng)生成NaHCCh,反應(yīng)后剩下的

鹽酸再與NaHCCh作用，所以中和后產(chǎn)生的CCh量自然較少。

HCl+Na2cCh—NaHCO3+NaCl

HCI+NaHCO3―NaQ+CCh+HzO

（2）鹽酸（HC1）與碳酸氫鈉NaHCCh反應(yīng)時，直接生成CXK此時鹽酸的量多，產(chǎn)生

CCh的量自然較多。

2.檸檬酸，化學(xué)式為C6H86,（英語:CitricAcid）它包括3個化基（R-COOH）基團。

是一種弱有機酸，這是自然在柑橘類水果中產(chǎn)生的一種天然防腐劑，也是食物和飲料

中的酸味添加劑。

很多種水果和蔬菜，尤其是柑橘屬的水果中都含有較多的檸檬酸，特別是檸檬和青

檸一一它們含有大量檸檬酸。在室溫下，檸檬酸是一種白色晶體粉末。它可以以無水

合物或者一水合物的形式存在。

從結(jié)構(gòu)上講檸檬酸是一種三竣酸類化合物，因此與其他竣酸有相似的物理和化學(xué)性

質(zhì)，加熱至175°C時它會分解產(chǎn)生二氧化碳和水，剩余一些白色晶體。檸檬酸被用

作添加劑，加入到軟飲料、啤酒、蘇打水中，并存在于很多天然果汁中。

三、實驗器材與試藥

器材（每組）

◎燒杯100mL2個◎量筒25mL4個

◎碼表1個◎直尺1支

。保鮮膜1卷◎藥勺1支

◎電子天平1個◎?qū)嶒炏鹉z手套兩雙

◎手工皂模型◎中型不銹鋼鍋1個

試藥(每組)

◎碳酸氫鈉(NaHCO3)◎碳酸鈉(Na2co3)

◎檸檬酸citricacid◎鹽酸

◎洗碗精少許

四、實驗步驟

1.碳酸鈉及碳酸氫鈉分別與鹽酸反應(yīng)探討反應(yīng)速率快慢與碳酸鹽的堿性強度是否相關(guān)

(1)各秤取1克碳酸鈉(Na2c03)及碳酸氫鈉(NaHC03)備用。

(2)配制1.2M的鹽酸(HC1)溶液，各量取10毫升倒入25毫升量筒中。

(3)分別在兩支量筒中加入1毫升的洗碗精。

(4)將1克的碳酸氫鈉及碳酸氫鈉分別同時倒入兩支量筒中，以碼表計時，測量反應(yīng)

后產(chǎn)生的二氧化碳泡沫速率的快慢。

2.制作廁所清潔碇

(1)將無水檸檬酸50克與小蘇打(NaHCO^)200克混合(重量比1：4),放入中型

塑膠碗或不銹鋼鍋中均勻混合。

(2)加入31nL的洗碗精(切記勿加過量)，迅速攪拌均勻。

(3)將混合物放入皂模中壓入成型。

圖4：制作廁所清潔碇的原料

圖5：加入3mL的洗碗精（切

記勿加過量），迅速攪拌均勻。

圖6：將混合物放入皂模中壓入

成型

圖7：學(xué)生成品展式

※實驗過程注意事項

實驗完后鹽酸可以用大量清水稀釋后，倒入水槽清洗即可

【老師與學(xué)生心得分享】

1.看似很容易制作的廁所清沽碇其實失敗率很高，一開始將小蘇打與檸檬酸充分混合后

加入少量洗碗精時即會有冰涼的手感，再次充分混合后即可入模，切記勿加入太多洗

碗精，避免清潔劑中所含的水份讓碳酸氫鈉及檸檬酸反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳，此時體積會

大量膨脹變成松軟而無法塑型。

2.入模后成品會變硬化，靜待十分鐘后即可脫模倒出，此時即可用保鮮膜包起來備用。

參、探究實作一奈米硫微粒的形成

一、實驗?zāi)康?/p>

奈米科技日益蓬勃，奈米產(chǎn)品在日常生活中的應(yīng)用也愈來愈廣。本實驗利用添加清潔劑

對反應(yīng)速率的影響，介紹奈米科技中操控奈米粒子形成速率之基本技術(shù)。

二、實驗原理

清潔劑分子結(jié)構(gòu)中含有親油基與親水基兩個部分。當溶液中的清潔劑濃度增大到某個條

件時，一群一群的清潔劑分子就會聚集在一起所形成的分子團就稱為微胞(micelle),

這些微胞大多是屬于奈米結(jié)構(gòu)。在水溶液中的清潔劑微胞結(jié)構(gòu)是以親油基朝內(nèi)而親水基

朝外的方式聚集一起；而在油溶性溶劑中，則以倒過來的方式排列形成逆微胞。如下列

圖8所示。

微胞逆微胞

圖8：清潔劑與微胞結(jié)構(gòu)的示意圖：(A)清潔劑分人(B)微胞與逆微胞

化學(xué)反應(yīng)的快慢會受到許多實驗條件的影響，例如反應(yīng)的溫度、反應(yīng)物的濃度及各

種添加物的效應(yīng)等等。將清潔劑添加在各種化學(xué)反應(yīng)中時，由于一些物質(zhì)會被包覆到清

潔劑的微胞結(jié)構(gòu)里面，可造成化學(xué)反應(yīng)的快慢就有所不同。硫代硫酸鈉與酸性溶液混合

會發(fā)生硫代硫酸根的自身氧化還原反應(yīng)，并產(chǎn)生硫固體沉淀。硫代硫酸鈉與酸性水溶液

皆屬于真溶液，溶質(zhì)粒子粒徑大小為0.1?0.3nm以內(nèi)，但是自身氧化還原反應(yīng)所形成

硫固體沉淀在達到肉眼可辨識的尺度之前，硫固體粒子的成長過程曾經(jīng)歷了1?lOOOnm

尺度的膠體微粒，而這范圍也涵蓋了一般所謂奈米材料的尺度范圍(1-100nm)o

此反應(yīng)式如下：

S2O32-(aq)+2H+(aq)—?S(s)+SO2(g)+-0(1)

若將清潔劑添加到此反應(yīng)系統(tǒng)中時，在硫固體粒子的成長過程，清潔劑分子會將初

期生成的硫固體微粒包覆在微胞結(jié)構(gòu)中。目前已知添加清潔劑的奈米硫粒反應(yīng)過程包含

了成核作用與團聚作用兩種機制，因而改變了硫固體沉淀的形成速率，此反應(yīng)機制如圖

9所示：

s.o/

氧化遇原反，迤

▼成核作用

S,

非?；招〉牧蚬绦芎肆Ｄ蚊壮叨鹊牧蚬炭⒘?/p>

圖9：奈米硫粒反應(yīng)機構(gòu)的示意圖。奈米尺度的硫固體微粒有些被清潔劑分子包覆在微

胞結(jié)構(gòu)中，有些則否。

（參考資料：2002年臺灣國際科展作品，“界面活性劑對硫奈米微粒形成機制的影

響”）

本實驗將清潔劑添加到硫代硫酸鈉在酸性溶液的反應(yīng)系統(tǒng)中時，以雷射筆照射反應(yīng)的溶

液，觀察廷得耳效應(yīng)的出現(xiàn)，來體驗水溶液中奈米硫粒成長的過程。另外也設(shè)計趣味實

驗，調(diào)整反應(yīng)試劑與清潔劑的濃度，來控制反應(yīng)速率，在規(guī)定的時間內(nèi)利用反應(yīng)產(chǎn)生硫

固體沉淀來遮住桌面上的記號。

三、實驗器材與試藥

器材（每組）

。小燒杯（100mL）4個◎燒杯（250mD2個

◎量筒(10mL)3個◎量筒(25mL)1個

◎玻棒2支◎滴管4支

@試管刷（清洗燒杯用）數(shù)支◎計時秒表1個

◎雷射筆（紅光或綠光皆可）1支◎小塑料盆1個

試藥（每組）

◎硫代硫酸鈉水溶液（1.0M）50mL|◎稀釋后的清潔劑（將大約1疝洗碗精

_____________________________________加入100mL水）_______________________

。鹽酸水溶液（2.OM）50mL◎碳酸鈉固體10g

※實驗過程注意事項

碳酸鈉固體用于處理廢液，避免教學(xué)過程中廢液持續(xù)在酸性溶液中分解出SO?臭味。

四、實驗步驟

A.觀察硫膠體形成過程與廷得耳效應(yīng)

1.取兩個干凈小燒杯，編號為A、B杯。依據(jù)下列配方準備A、B杯的溶液：

A杯：1.0M硫代硫酸鈉2mL+水23mL

B杯：2.0M鹽酸溶液2mL+水23mL

2.另取兩個干凈小燒杯，編號為C、D杯。依據(jù)下列配方準備C、D杯的溶液：

C杯：1.0M硫代硫酸鈉2mL+稀釋后的清潔劑5滴+水20mL

I）杯：2.0M鹽酸溶液2mL+水23疝

3.準備一支雷射筆，先分別照射A、B、C、D四杯溶液，觀察溶液中是否出現(xiàn)光束。

（可由上往下照射，也可由燒杯側(cè)邊照射，注意勿讓宙射筆照射到同學(xué)的眼睛）

4.接著將A、B溶液混合，也同時迅速將C、D溶液混合。

圖10：膠體溶液中的廷得耳效應(yīng)

5.馬上用雷射筆分別輪流照射這兩杯混合物，觀察溶液中是否出現(xiàn)光束（圖10）。

（若白天光線太強，可用黑紙遮住小燒杯，只露出入射光源的地方）

圖1L以宙射筆照射溶液，形成硫膠體的過程初期，溶液中出現(xiàn)的光束會愈來愈強，廷

得耳效應(yīng)非常明顯。

7.想想看:

（1）溶液中含有少量清潔劑之后，溶液中出現(xiàn)明顯廷得耳效應(yīng)（硫膠體生成）的時間

為何會變長？

（2）如果實驗中將清潔劑種類改變是否會影響廷得耳效應(yīng)時間？

（3）將反應(yīng)物的溫度提高是否對廷得耳效應(yīng)時間也會有影響？

【老師與學(xué)生心得分享】

1.當清潔劑含量很少時，廷得耳效應(yīng)的時間會隨著清潔劑濃度提高而變長。

2.改變清潔劑種類（陰離子、陽離子、兩性及非離子型界面活性劑）會影響硫膠體出現(xiàn)

的時間。

3.將反應(yīng)物溫度提高會使硫膠體生成速率變快，所以做實驗時如果將反應(yīng)溶液浸入溫水

浴中及浸入冰水浴中，反應(yīng)速率會產(chǎn)生明顯變化，所以應(yīng)該控制反應(yīng)物的溫度。

※實驗過程注意事項

名稱種類處理方法

硫代硫酸鈉無機鹽以大量清水稀釋，再予以排放。

廢液處理時，可先以稀?。?%）NaOH溶液中和，待溶

鹽酸強酸液略呈中性后（以廣用試紙測試），以大量清水稀釋，

再予以排放。

清潔劑有機物以大量清水稀釋，再予以排放。

廢液處理時，可先以稀鹽酸或稀硫酸（1%）溶液中和，

碳酸鈉無機磴待溶液略呈中性后（以廣用試紙測試），以大量清水稀

釋，再予以排放。

B.清潔劑濃度對反應(yīng)速率的影響

1.每次取兩個干凈小燒杯，編號為A、B杯。依據(jù)下列配方準備A、B杯的溶液，每次

的B杯鹽酸溶液條件皆相同,依序進行實驗：

A杯：硫代硫酸鈉+清潔劑溶液+水

B杯：鹽酸溶液+水

混合前的A杯配方混合前的B杯配方完全遮住記號

1.0M2.0M所需的反應(yīng)時

清潔劑溶液水水

硫代硫酸鈉