三实验器材 - 研究动机

研究動機由於許多學生經常在學習時面臨精神不濟的狀況，為提高學習效率，而藉由飲用咖啡或茶品以提振精神。又有鑑於報章雜誌與科學研究中提供許多有關咖啡因對人體的影響，使我們想進一步探求日常生活中的飲品所含咖啡因的量，即可推知實際飲入咖啡因之量。研究目的（一）藉基礎化學課本之實驗方法，經由實驗得知定量飲品中咖啡因含量。（二）藉由操縱實驗變因探討出最有效率的萃取方法。（三）用萃取出的咖啡因，進一步探討咖啡因與鐵離子及鈣離子的關係。實驗器材（一）儀器100ml燒杯、電熱板、鐵環鐵架、漏斗、濾紙、125ml分液漏斗、50ml錐形瓶（二）試藥（一次用量）紅茶（綠茶）茶葉4g或咖啡粉1g、二氯甲烷20ml、蒸餾水50ml、無水碳酸鈉2g、無水硫酸鈉2g研究過程或方法（一）對照組實驗流程1.4g紅茶茶葉置於100ml的燒杯中，並依序加入50ml的蒸餾水，及2g的碳酸鈉。2.電熱板將此溶液加熱並微微沸騰20分鐘。3.分液漏斗設置在鐵環鐵架組上，取適當高度，將熱溶液以濾紙過濾至分液漏斗中（避免茶渣流入）。4.以10ml熱蒸餾水沖泡原茶葉，並倒入上述熱溶液中（分液漏斗中）。註：因咖啡完全溶解，故可省略此步驟5.水溶液冷卻後，再將10ml的二氯甲烷放入分液漏斗內。6.瓶蓋蓋住分液漏斗並均勻搖晃2分鐘，期間開、關分液漏斗底部的玻璃栓，以減輕漏斗內的氣體壓力。7.搖晃完畢後，將分液漏斗靜置於鐵環上，並打開玻璃蓋，若有氣泡產生，可用玻棒打散。【剛加入二氯甲烷，待搖晃】8.數分鐘後，觀察到分層情形，即可將位於下層的二氯甲烷滴至50ml的燒杯內。【分層情形】【下層的二氯甲烷】9.將10ml的二氯甲烷倒入分液漏斗中（於上層茶液中），重複上述6~8之步驟，再將下層的二氯甲烷倒入同燒杯內。10.2g的無水硫酸鈉加入燒杯中，並以玻棒稍作攪拌。11.濾紙和漏斗過濾至另一錐形瓶中(濾去硫酸鈉)。12.此一錐形瓶靜置於空氣中，使其中之二氯甲烷自行揮發。13.電子天平測量最後所得之淡黃色粉末【加入無水硫酸鈉後】

（二）實驗設計1.沸騰時間：改變步驟2中加熱沸騰的時間，設計三組，分別為10分鐘、20分鐘、30分鐘。2.搖晃時間：改變步驟6中搖晃時間，設計三組，分別為1分鐘、2分鐘、3分鐘。3.定量分次萃取：設計三組如下【第1組】步驟6~9中，將20ml二氯甲烷一次倒入分液漏斗中，搖晃2分鐘即可接續步驟10。【第2組】同對照組操作。【第3組】步驟6~9中，將5ml二氯甲烷倒入分液漏斗中，搖晃2分鐘後靜置，其餘步驟同對照組，共操作4次。（三）研究對象

針對紅茶、綠茶、咖啡依照上述實驗設計操作一組流程（共9次），並紀錄實驗結果。實驗結果數據整理1.操縱變因：沸騰時間

控制變因：搖晃時間2分鐘

二氯甲烷體積10ml咖啡因量(mg)沸騰時間咖啡因量(mg)沸騰時間10分鐘20分鐘30分鐘紅茶綠茶咖啡2.操縱變因：搖晃時間

控制變因：沸騰時間20分鐘

二氯甲烷體積10ml咖啡因量(mg)沸騰時間咖啡因量(mg)沸騰時間1分鐘2分鐘3分鐘紅茶綠茶6.17.910.0咖啡3.操縱變因：定量分次萃取：

控制變因：搖晃時間2分鐘

沸騰時間20分鐘咖啡因量(mg)單次溶劑量咖啡因量(mg)單次溶劑量5ml10ml20ml紅茶綠茶咖啡圖表1.操縱變因：沸騰時間

控制變因：搖晃時間2分鐘

二氯甲烷體積10ml2.操縱變因：搖晃時間

控制變因：沸騰時間20分鐘

二氯甲烷體積10ml3.操縱變因：定量分次萃取：

控制變因：搖晃時間2分鐘

沸騰時間20分鐘六、討論針對實驗結果的討論1.綠茶之萃取液顏色最深，紅茶次之，咖啡最淺。2.咖啡因在微鹼的狀況下萃取量最大。3.搖晃次數越多，使二氯甲烷和茶液(包括咖啡)較充分反應，萃取量較多。4.加熱時間過長可能使咖啡因昇華，以致萃取量未達預期值。5.部分分層溶液靜置一段時間（12hr.以上）後，再經攪拌才可順利分層。推測可能原因為溶液溫度下降之後，分液漏斗內之氣體溶入溶液造成影響，將再進一步討論。6.外界空氣因溫度下降溶入待靜置溶液中(由於將分液漏斗之瓶蓋打開次數過多)，使得溶液氣體增加，推測為此原因造成溶液產生蜂窩狀的氣泡組織。（二）檢討實驗誤差之可能原因分液漏斗中可能有殘留的界面活性劑，導致二氯甲烷層與茶液無法

確實分離電熱板供應熱源不穩定、不均勻，導致水分蒸散量不同，咖啡因溶

解量不同。每次搖晃分液漏斗的人員不同，可能為搖晃力道或搖晃頻率不穩

定，導致實驗誤差。實驗過程中，茶渣未完全瀝淨而阻塞通道或影響茶液濃度，導致濾

液收集不全或濃度不均。欲使分層溶液分離更完整，而使用濾紙過濾，確實能達成上述目的，

但次數過於頻繁以致於損失過多。檢討課本實驗設計之缺失參考之器材尺寸不甚符合實際需求，如：燒杯過小在加熱時溶液易濺

出且受熱不均。參考之蒸餾水水量不足，加熱後難以取得足量溶液。課本之實驗步驟中反覆傾倒溶液，使得所得產物易造成損失。參考資料中，加熱過程並無考慮到溶液蒸發的問題，導致剩餘水量

的無法控制，嚴重影響實驗進行。雖然後來使用表玻璃覆蓋，欲加

以改善，但加熱造成玻璃產生裂痕，或因氣體膨脹造成玻璃掉落，

無法有效此問題，應使用其他儀器代替。

（四）咖啡因對人體的影響咖啡因為含氮之雜環化合物，其分子式，結構式如下【1,3,7-trimethyl-2,6-dioxopurine】2.性質(1)含結晶水的咖啡因在100℃時即失去結晶水並開始昇華，120℃時昇華顯著，178℃以上昇華加快。無水咖啡因的熔點為238℃。(2)在水中有相當的溶解度(每100ml)100℃67g80℃18g20℃2.2g(3)咖啡因是弱鹼性化合物，易溶解於氯仿、水、乙醇、丙酮、苯、二氯甲烷，微溶於石油醚。(4)咖啡因在強鹼中會發生水解、脫羧、降解等副反應。(5)咖啡因具有刺激心臟、興奮大腦神經和利尿等作用，因此可用作中樞神經興奮藥。它也是複方阿斯匹靈等藥物的組成之一，近年來被多方研究，目前已被開發於化妝品的製成，及生物技術的應用。 七、結論（一）實驗結果發現，搖晃次數越多、同體積溶劑分次萃取的次數越多，可得到咖啡因的含量即越多。

加熱時間長短不與萃取量成正比，推測可能與咖啡因熔點有關，將進一步討論。靜置分層溶液的狀態靜置時之狀態約略可分為三類1.兩層，下層（二氯甲烷）透明清澈呈淡黃色，可直接萃取出此部分。（如圖1）2.兩層，下層（二氯甲烷）混濁，但其間含有許多淡黃色小泡呈現蜂窩狀，需以玻棒將氣泡間隔打散，才可得到1.之透明清澈的部分。（如圖2）3.兩層，下層（二氯甲烷）更為混濁，雖分層明顯，但不論延長靜置時間或以玻棒攪打皆無法改變其狀態，完全不能萃取出。（如圖3中間）【圖1】【圖2】【圖3】八、未來展望因為咖啡因是植物鹼，在不同酸鹼環境下，推測其帶電情況有差異，並進一步探討咖啡因對人體鐵質與鈣質流失的狀況。針對校內之飲品進行萃取，了解飲品之咖啡因含量多寡，有助於選購合適的產品，藉以達到提神的效果。經過多次實際操作後，將改良實驗步驟並廣泛推展到生活中各類飲品。九、參考資料及其他高一基礎化學課本廣西科技信息網/sujs/new1-32.htm三峽大學化學與生物科技學院/secp/jpkcjs/hx/sy13.