界面活性剂和碳酸钙作用之探讨

界面活性剂和碳酸钙作用之探讨 本文档由无尘大哥上传至豆 丁网 界面活性劑和碳酸鈣作用之探討 研究者：李孟柔 指導者：劉緒宗教授 廖淑芬老師 壹、研究動機 1在自然界中有許許多多由CaCO3所組成的東西，像是貝殼、岩石、蛋殼……等。這些物質的主要成分皆為CaCO3，卻各自呈現出不同的形狀。作者於是想要探 討，如果在這類物質形成的階段中加入界面活性劑，對於其生成的形狀有何影響。 ２是否會造成CaCO3結晶時所堆積的晶形改變，而此種改變是否歸因於類似肥皂去 ３汙原理般分子之間互相作用、影響？ 一：貝殼主要成分為CaCO3，並含有少量的鎂和鐵。不同地區的貝殼其組成物質的 量會有些微的差距。隨著貝殼生長越久，有些元素會有累積的趨勢〈正比關係〉。 二：CaCO3的晶形主要有兩種，分別為方解石型的六方晶系以及文石型的斜方晶系， 以下兩圖分別為CaCO3結晶時的形狀示意圖。 三：肥皂去污原理一般而言，清潔劑是由碳和氫組成的長鏈分子，一端為親水端 （—COONa），另一端為親油端（非極性的鏈狀烷基—R）， 親油端可以吸附衣物 上的油污，再由親水性一端牽入水中，與衣物分離，達到洗淨效果。 貳、研究目的 一、在眾多晶體養成的做法裡，找出培養CaCO3晶體最有效率，又最為穩定的一種 方式。 76 二、探討CaCl2濃度的大小，對於CaCO3晶體形成量的多寡影響。 三、探討在反應環境中的pH值，對於CaCO3晶體形成量的多寡影響。 四、探討若將CaCl2水溶液、Na2CO3水溶液與不同劑量的界面活性劑混合，其形成的 晶體是否有外觀以及性質上的差異。 五、將CaCl2、Na2CO3水溶液與肥皂分子作用產物做成分分析。 六、將CaCl2水溶液、Na2CO3水溶液加入不同種類的界面活性劑，觀察其形成的晶體 是否有外觀以及性質上的差異。 參、文獻探討 生物礦化（biomineralization）是指在生物體內礦物質的形成過程。通過 體內的有機巨大分子，生物體可將體內無機礦物結晶行為控制在奈米尺度。在生 物體中形成的礦物質與一般的天然礦物無論在大小、同位素含量上都有極大的差 異。目前為止我們所知約有六十幾種礦物質在生物界中被廣泛的運用在外殼、牙 齒及骨骼上。生物礦化共有兩種不同的形成模式，其中一種是生物體會以有機基 質（organic matrix）形成特定空間，讓無機物於其中結晶，稱為有序邊界礦化 （boundary-organized mineralization）。 舉例說明：許多原生生物、無脊椎動物和某些藻類製造碳酸鈣以形成外骨 骼，例如有孔蟲、球石藻、海棉、珊瑚、貝殼、腕足類、頭足類、翼足類、海膽、 海百合、苔蘚虫、紅藻、綠藻……等。其中有些生物形成方解石，有些形成霰石， 有些則兩者兼而有之。而不同的生物有不同的方式製造碳酸鈣外殼。以貝殼來 說，生物會先製造一個蛋白質網，碳酸根離子和鈣離子將依序排列在這網子上。 有些蛋白質會讓碳酸鈣依照六方晶系的結構排列，形成方解石，而有些蛋白質會 讓碳酸鈣依照斜方晶系的結構排列，形成霰石。 肆、實驗器材 CaCl2、Na2CO3、Ca(OH)2、、、C17H35COOH HClNaOH 10ml量筒×2、100ml量筒×1、250ml燒杯×3、100ml燒杯×5 250ml錐形瓶×3、250ml抽濾瓶×６、橡皮管1ｍ、試管×5 玻璃棒×2、刮勺×3、滴管×3、乾冰、二氧化碳鋼瓶、pH計×1 伍、研究方法 2+2－一、(一)以Na2CO3和CaCl2提供CO3及Ca： 製作Na2CO30.1M和Ca0.05M，再取用這兩種溶液，製成CaCO3沈澱。 Na2CO3＋Ca?CaCO3(s) +NaCl 2+2－(二)以Ca(OH)2及乾冰提供 CO3及Ca： 77 在Ca(OH)2中，運用乾冰、二氧化碳鋼瓶兩種方法加入CO2。 Ca(OH)2+CO2(g) ?CaCO2(s)+H2O 二、重複操作方法(一)，但在實驗過程當中使用不同的CaCl2濃度大小(0.025M、 0.050M、0.075M)。 三、控制反應過程中的pH值，若在反應當中pH值過高，則適度的以HCl調整。 -3四、重複操作方法(一)，但在實驗過程中加入調配好不同濃度的肥皂水(1*10、 -3-3-3-3 2*10、3*10、4*10、5*10g/mL) 五、將CaCl2、Na2CO3水溶液與肥皂分子作用產物做成份分析： (一)除去外層的水溶液，將小圓球取出，放置在火上加熱，稱量前後質量變化。 (二)除去外層的水溶液，將小圓球取出，使用烘箱將小圓球內部的水分蒸發完 全。取出剩餘固體用HCl滴定至酸鹼中和為止。 六、重複操作方法(一)，但在實驗過程中加入不同的界面活性劑，如飽和的硬脂酸 鈉、苯磺酸鈉等。 陸、研究結果及結論 一、研究結果 (一)實驗一： 2+2+2－2－ 以Na2CO3和CaCl2提供CO3及Ca： 2及乾冰提供CO3及Ca：以Ca(OH) NaCa(OH)2CO3 0.1M 10mL 2 0.4M、0.3M、0.2M CaClCO20.05M 10mL 2 約10g (二)實驗二、三： Ca(OH)2及二氧化碳鋼瓶 2+2－提供 CO3及Ca： Ca(OH)2 0.45M CO2 打氣五分鐘 78 由左到右依序是反應環境為 pH11 pH10 pH9 pH8 pH7五隻試管 反應環境pH11 pH10 pH9中皆可產 生沈澱，且沈澱量呈遞減狀態。 (三)實驗四： 但在pH8 pH7酸鹼度下則無沉澱。 (三）實驗四： Na2CO3 0.1M 10mL Total CaCl2 0.05M 10mL -3 肥皂水 1*10g/mL Na2CO3 0.1M 10mL Na2CO3 0.1M 10mL CaCl2 0.05M 10mL CaCl2 0.05M 10mL -3-3肥皂水 2*10g/mL 肥皂水 3*10g/mL 79 Na2CO3 0.1M 10mL 2CO3 0.1M 10mL Na CaCl2 0.05M 10mL CaCl2 0.05M 10mL -3-3肥皂水 4*10g/mL 肥皂水 5*10g/mL （四）實驗五： 小圓球生成條件 小圓球淨重 H2O重 ％ 去水重 ％ CaCO3重 ％ Na2CO3 0.1M 10mL CaCl2 0.05M 10mL 3.2169g 3.2156g 99.96％ 0.0013g 0.04％ 待測 肥皂粉末 0.04g Na2CO3 0.1M 10mL CaCl2 0.05M 10mL 4.0625g 4.0610g 99.96％ 0.0015g 0.04％ 待測 肥皂粉末 0.04g Na2CO3 0.1M 10mL CaCl2 0.05M 10mL 5.5735g 5.5707g 99.95％ 0.0028g 0.05％ 待測 肥皂粉末 0.08g Na2CO3 0.1M 10mL CaCl2 0.05M 10mL 4.7863g 4.7842g 99.96％ 0.0021g 0.04％ 待測 肥皂粉末 0.08g 二、結論 2+(一)當整個反應過程中，若是CaCl2提供的Ca越多(亦即CaCl2濃度越高)，則 產生的CaCO3越多。 (二)在整個反應過程中，環境中的pH值越高，則產生的CaCO3也越多。 (三)CaCl2、Na2CO3水溶液與肥皂分子作用產物，會行成小圓球狀物質，至於其 中組成物質的百分比以及此實驗的產率，則有待分析。 柒、討論 2+2－ 一、以不同來源提供CO3及Ca的差異和可行性（Na2CO3和CaCl2、Ca(OH)2和乾冰、 Ca(OH)2和二氧化碳鋼瓶）： + －(一)依據勒沙特列原理：CO2 + H2O ? HCO3+ H + － 2－HCO3? CO3+ H 2+2+ 2－2－若是在CaCl2中加入CO，則2Ca可和CO3作用(Ca+ CO3?CaCO3) 但是使用乾冰，將使整體反應速率十分緩慢。不是一個很好的實驗方法。 (二)在二氧化碳鋼瓶的實驗中，CaCO3很順利的沈澱下來。但是此反應分為兩 80 部分的反應步驟，第二條反應方程式將導致實驗無法精確計算CaCO3的沈 澱量： +-CO2 + H2O ? HCO3 ? H +-2-HCO3 ? CO3 + H 2+2－(三)因為Na2CO3和CaCO3提供CO3及Ca較易控制，故在往後的實驗中，都將 採用離子法。 二、pH值對於CaCO3多寡的影響： 2- 推測加入HCl後，將影響溶液中CO3的量，導致CaCO3的量也跟著減少。 三、關於CaCl2、Na2CO3水溶液與肥皂分子作用產物： 推測由於肥皂分子間的聚合力十分的強，故此反應會形成許多小圓球。 四、對CaCl2、Na2CO3水溶液與肥皂分子作用產物做成分分析： 此小圓球成分實驗分析，目的是要探討其中所含的水、肥皂分子、CaCO3的量 各佔多少比例。 (一)運用有機分子和CaCO3之間的反應溫度差〈一為300~400度，一為800度〉， 加熱後會讓有機分子先分解的原理。現階段的問題是如果將肥皂水濃度調 高，則球形結構完整，但因為外層將凝結成塊狀，此時無法分離小球及外 層水溶液，即無法順利將小球取出加熱。若是將肥皂水濃度降低，則球形 結構鬆散，如一取出外層水溶液，此結構會瓦解且變成混濁狀。 (二)將完全除去內部水分的小圓球用HCl滴定，利用酸鹼中和的原理，測知此 結構中CaCO3的含量。目前此方法較可行，往後會大量對小圓球進行成份 分析，並且使用數據算出實驗產率。 (三)初步實驗的結果發現在相通環境，肥皂粉末為0.04g或0.08g時，實驗所 形成的小圓球含水量比例似乎為一定值。惟實驗資料過少，故現階段仍無 法判斷此一結果是否為眾多小圓球共通之特徵。 五、硬脂酸溶解度處理： 由於硬脂酸屬於一長串的碳鏈，在水中的溶解度非常小，故必須將硬脂酸和 NaOH先進行反應，產生硬脂酸鈉，則此時可溶解於水中。 六、硬脂酸鈉和苯磺酸鈉加入CaCl2所產生的沈澱： 此沈澱為硬脂酸鈣和苯磺酸鈣。其成分，就像是在硬水當中，用肥皂洗出來的 沈澱一般。當此沈澱物(硬脂酸鈣和苯磺酸鈣)再度溶解於水溶液當中，會生成 2+2+類似球形的結構。朝向外面的，就是Ca，再將Na2CO3加入，此時Ca會抓住 2－由Na2CO3所解離產生的CO3，形成CaCO3。 81 CaC O3 捌、未來展望 在可以測量出小圓球中水、有機物質、CaCO3的含量比例後，希望未來的實驗 當中，進一步研究出如何控制反應讓此圓球形成不同的形狀、大小。 玖、參考文獻 一、二氧化碳的性質-碳酸鈣-性質用途 二、Manual of Mineralogy 第21版 Written by Cornelis Kelin & Cornelius S. Hurlbut, jr. 三、行政院國科會 四、磁場對碳酸鈣晶體成長速率之影響 吳志高 五、以定組成法量測碳酸鈣晶體之成長速率 盧莊鴻 六、台灣養殖文蛤貝殼之化學成分及其氧碳同位素之研究 陳智能 七、Molecular Construction of Oriented Inorganic Materials: Controlled Nucleation of Calcite and Aragonite under Compressed Langmuir Monolayers Brigid R. Heywood & Stephen Mann 八、常見的有機化合物 九、高一基礎化學第五章 拾、謝誌 感謝爸爸媽媽還有姊姊在我這忙碌一年中的陪伴，也非常感謝不厭其煩指導 我的劉緒宗教授、廖淑芬老師，時常加油打氣的美桂老師、小馨老師。當然還要 82 感謝和我一起討論、讓我多所收穫的同學們，特別是饅頭，有了你的幫忙，我才 可以兼顧兩邊研究。謝謝許許多多幫助過我、啟發過我的人，因為有大家的鼓勵， 我才能完成這份報告。 83