化學與社會

化學實驗室實驗：利用天竺葵葉合成銀奈米粒子（Synthesis of Silver Nanoparticles using Geranium Leaves）［III］
國立彰化師範大學化學系學生羅翊瑋 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

連結：利用天竺葵葉合成銀奈米粒子［II］

教師手冊（Teacher’s Guide）

教學提示

● 上課時間：教師實驗解說：約20分鐘，學生實驗操作（含器材清洗）：約40分鐘，實驗觀察記錄：約10分鐘。學生回答問題（師生問題討論或家庭作業）：約20分鐘。

● 在進行本實驗時，學生可以透過視覺上的觀感，瞭解到雖然金屬銀（如銀鏡反應）具有灰白色的金屬光澤，但是當尺寸縮減至奈米級的尺度時，因表面電漿子共振吸收效應而呈現黃色，使學生對奈米粒子有更深刻的認知。

● 由於當氫氧化鉀與蒸餾水接觸時，會產生微量發煙並且發生放熱的現象，因此教師應該提醒學生在配製洗滌液的過程必須多加小心。

● 由於硝酸銀溶液接觸到皮膚時使皮膚產生黑色污點，需要幾天的時間才會自然脫落，因此教師應該提醒學生在使用時必須格外小心，戴乳膠手套和安全眼鏡。

● 最好選用乾淨的器具進行本實驗，未曾使用過的器具更佳。如果無去離子水和超純水，只使用蒸餾水，那麼本實驗還是可以得到如預期的結果，只是無法持續幾個星期之久。

● 本次實驗的各種溶液濃度之配製和體積的量度不必過於精準也可以合成出黃色的銀奈米溶液。

藥品配製

● 0.001 M AgNO₃溶液：取0.017 g的硝酸銀（AgNO₃）固體，置入一個乾淨的100 mL的容量瓶（或錐形瓶）中，加入約50 mL的蒸餾水，搖晃促使硝酸銀的顆粒完全溶解後，再稀釋溶液至總體積100 mL。

觀察記錄樣本

1. 觀察並記錄在銀奈米粒子的合成過程中，反應溶液顏色的變化情形。

記錄：原本天竺葵葉子的萃取液呈現淡黃綠色澄清狀，在加入25 mL的0.001 M硝酸銀溶液後呈現透明無色狀。在加熱過程中，約5分鐘後溶液逐漸變成黃色，再過3~4分鐘後變成橘色，接著漸漸變成棕紅色，直到加熱過程結束。銀奈米粒子的合成過程之顏色變化，如圖四的所示。

圖四  合成過程中溶液的顏色變化由開始的無色到最後的紅棕色

2. 觀察並記錄天竺葵葉萃取液及其加入食鹽是否具有膠體溶液的廷得耳效應。

記錄：天竺葵葉萃取液加入食鹽顆粒後，溶液顏色並無任何改變，即使靜置一段時間也是如此。再者，不論是否有加入食鹽，兩隻試管以雷射筆的雷射光束檢驗均有廷得耳效應的現象，如圖五所示。

圖五 加入食鹽後的萃取液（左）和原萃取液（右）都具有廷得耳效應

化學實驗室實驗：利用天竺葵葉合成銀奈米粒子（Synthesis of Silver Nanoparticles using Geranium Leaves）［II］
國立彰化師範大學化學系學生羅翊瑋 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

連結：利用天竺葵葉合成銀奈米粒子［I］

學生講義之二（Student Handout II）

實驗步驟

A. 清洗器材

1. 配製洗滌液：取60 g的氫氧化鉀（KOH）溶於60 mL的蒸餾水中，待完全溶解後，置入此溶液到1000 mL的燒杯中，再加入500 mL的藥用酒精（95%乙醇，95% enthanol），然後以玻棒攪拌均勻即可。
註：洗滌液多組共同配製並共用，用後回收作為最後清洗器具之用。氫氧化鉀溶於蒸餾水時會放熱，在配製時須小心。

2. 在通風櫥內或通風良好之處，以洗滌液浸潤錐形瓶、量筒、漏斗、PE滴管、磁攪拌子、和樣品瓶等器材的內壁約1分鐘，再倒回洗滌液於原燒杯中，然後以大量的蒸餾水沖洗乾淨器皿，然後倒置滴乾。
註：最好選用乾淨的或未曾使用過的器材進行本實驗，所有的器材需以洗滌液浸洗，洗滌液必須完全被沖洗乾淨，以免殘餘的洗滌液影響後續的反應。

B. 天竺葵葉萃取液的製備

1. 以一支25 mL量筒量取25 mL的蒸餾水，置入250 mL的燒杯中。放置此燒杯於電磁加熱攪拌器上面並開啟加熱，直至沸騰。此時加入約5 g的乾淨天竺葵葉子，沸騰約1分鐘後，即可關閉加熱並且移走燒杯到實驗桌上。加熱前後的天竺葵葉子，如圖二所示。
註：天竺葵葉子由盆栽取下後不需經任何的切割，先用蒸餾水清洗乾淨後，再以完整的葉片進行加熱萃取。若使用切割過的葉片進行加熱，則萃取液會有懸浮物，且無法經由過濾使萃取液呈澄清狀，而影響後續的合成。

圖二 加熱前天竺葵葉子（左），加熱後的天竺葵葉子（右）

2. 放置摺好的濾紙在一支漏斗的上方，並放置此濾紙在一個125 mL的錐形瓶的開口上，形成簡易的過濾裝置。待步驟B-1的燒杯中溶液冷卻後，即可倒入此溶液到漏斗中，透過濾紙進行過濾，取得天竺葵葉子的萃取液。

圖三 簡易過濾裝置（左），過濾後的萃取液呈淡黃綠澄清溶液（右）

化學實驗室實驗：利用天竺葵葉合成銀奈米粒子（Synthesis of Silver Nanoparticles using Geranium Leaves）［I］
國立彰化師範大學化學系學生羅翊瑋 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

學生講義之一（Student Handout I）

實驗介紹

本實驗希望學生利用生活中隨處可見的盆栽植物─天竺葵葉子的萃取物來合成銀奈米粒子。由天竺葵葉子的萃取成分當作還原劑，還原硝酸銀的銀離子成為金屬銀，其成分也當作穩定劑，以製得銀奈米粒子。接著以雷射筆的雷射光束照射合成後的溶液，觀察是否有廷得耳效應（Tyndall effect），以鑑定是否成功地合成銀奈米粒子。圖一為本實驗所使用的天竺葵和一些藥品。

圖一 本實驗所使用的天竺葵和一些藥品 （由左至右：天竺葵、氫氧化鉀、藥用酒精、氯化鈉和硝酸銀）

化學實驗室實驗：氫氣與氯氣的光化學反應（Photochemical Reactions of Chlorine with Hydrogen）〔III〕
國立彰化女子高級中學化學科張文平老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

連結：氫氣與氯氣的光化學反應〔II〕

教師手冊（Teacher’s Guide）

教學提示

● 上課時間：教師實驗解說：約20分鐘，學生實驗操作：約40分鐘，實驗觀察記錄：約10分鐘。學生回答問題（師生問題討論或家庭作業）：約20分鐘。

● 本實驗若使用鹽酸濃度太高，則反應過於激烈，溶液易發生噴濺而危險。若使用鹽酸濃度太低，則反應過於緩慢，產生的氣體不易收集。

● 在進行本實驗時，特別注意通風問題。實驗過程中有鳴爆聲，必要時可戴上耳塞。

● 本實驗雖定性分析為主，觀察氫氣與氯氣的光化學反應現象，並檢驗反應產生的氣體。雖然定性觀察，但量的取捨也應留意，勿差異太大，以免影響觀察。

藥品配製

● 約1.0 M HCl：取一個500 mL的錐形瓶，裝入約200 mL的蒸餾水。再取41.6 mL的濃鹽酸（12 M），緩緩地加入錐形瓶中，搖勻後再加水至500 mL的體積為止，用橡皮塞塞住。

● 約3% NaOCl：取約10 mL的12% NaOCl在一個小燒杯中，加水至體積為40 mL，用保鮮膜蓋住。另類地，直接取用含氯的漂白水。

觀察記錄樣本

1. 在實驗A中，記錄鎂帶與稀鹽酸之使用量。
鎂帶重(g)： 0.050 ；使用稀鹽酸體積(mL)： 20 ；產生氣體體積(mL)： 30 。

2. 在實驗B中，記錄次氯酸鈉與稀鹽酸之使用量。
次氯酸鈉體積(mL)： 5.0 ；使用稀鹽酸體積(mL)： 20 ；產生氣體體積(mL)： 30 。

3. 在實驗C中，注射筒C內氫氣與氯氣混合氣體之照光，觀察變化情形。
照光前混合氣體的體積(mL)： 30.0 ；照光後氣體的體積(mL)： 大於30.0 。
照光前混合氣體顏色： 綠色 ；照光後氣體顏色： 顏色變淡 。
照光前有無爆鳴聲： 無 ；照光時有無爆鳴聲： 有 。
照光前橡皮塞是否彈出： 否 ；照光時橡皮塞是否彈出： 是 。

4. 在實驗D中，試管氣體與注射筒C產生氣體之混合，觀察變化情形。
注射筒C內的氣體： HCl ；試管內的氣體： NH₃ 。
混合後的變化情形： 產生白色煙霧 。

化學實驗室實驗：氫氣與氯氣的光化學反應（Photochemical Reactions of Chlorine with Hydrogen）〔II〕
國立彰化女子高級中學化學科張文平老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

連結：氫氣與氯氣的光化學反應〔I〕

學生講義之二（Student Handout II）

實驗步驟

C：氫氣與氯氣的光化學反應

1. 緊密地連接注射筒A與含有橡皮管的注射筒B在一起，如圖十三所示。

圖十三 連接注射筒A和注射筒B

2. 連續地推拉針筒推桿（活塞）多次，使兩支注射筒內的氣體儘可能完全混合均勻。然後推進或拉出針筒推桿，使兩支注射筒內的混合氣體體積大約相等。

3. 取下橡皮管，立即分別套上橡皮塞到兩支注射筒開口處。原來注射筒A重新編號為注射筒C，原來注射筒B重新編號為注射筒D。

4. 緊緊地架設注射筒C在鐵架上，以鎳子夾住鎂帶，距離注射筒C的前方約20公分處，如圖十四所示。

圖十四 架設注射筒於鐵架上

化學實驗室實驗：氫氣與氯氣的光化學反應（Photochemical Reactions of Chlorine with Hydrogen）〔I〕
國立彰化女子高級中學化學科張文平老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

學生講義之一（Student Handout I）

實驗介紹

本實驗的目的是以注射筒進行氫氣與氯氣的微量製備，並利用燃燒鎂帶產生紫外光當作光化學反應的光源，照射裝在注射筒中的氫氣與氯氣之混合氣體，觀察反應的變化情形並檢驗反應後產生氣體的性質。

氫氣和氯氣在室溫下並不發生反應，就像氫氣和氧氣一樣。然而，若氫氣在空氣中被點燃，則會達到活化能而發生快速反應並產生火焰。由於此反應為放熱反應，因 此溫度急速上升，局部區域的氣體快速膨脹，而造成爆炸。若在紫外光的照射下，則氫氣和氯氣也可以達到活化能而發生光化學反應，如反應式[1]所示：

H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)    [1]

紫外光加速氫氣和氯氣的光化學反應是自由基的鏈鎖反應，起始步驟是氯分子吸收紫外光，導致Cl－Cl鍵斷裂，而形成氯原子自由基，每個氯原子有一個未成對電子，如反應式[2]所示。

Cl₂(g) → Cl•(g) + Cl•(g)    [2]

Cl－Cl的鍵能有243千焦/莫耳，其能量相當於波長約500 nm，亦即在藍綠區域的可見光區，此鍵能可以被紫外光打斷。

在紫外光下，氫氣與氯氣的鏈鎖反應之反應機構，如反應式[2]～[4]所示：

Cl₂(g) → Cl•(g) + Cl•(g)    [2] Cl•(g) + H₂(g) → HCl(g) + H•(g)    [3] H•(g) + Cl₂(g) → HCl(g) + Cl•(g)    [4]

氫氣與氯氣的結束鏈鎖反應，如反應式[5]～[9]所示：

2Cl•(g) → Cl₂(g)    [5] 2H•(g) → H₂(g)    [6] H•(g) + Cl•(g) → HCl(g)    [7] H•(g) + O₂(g) → HO₂•(g)  (含有空氣時)    [8] Cl•(g) + O₂(g) → ClO₂•(g)  (含有空氣時)    [9]