「皂」的科學
二零二五年四月 第二期
「皂」的科學
肥皂的起源有多種說法，但無庸置疑，人類使用肥皂的歷史已經有一段相當長的時間。不論中西文明，古人類製作肥皂的方法大同小異，都是把鹼性物質混合不同的油分製作而成。古巴比倫人會用桂皮油混合水和鹼製作肥皂；古埃及人用動物油和鹼性鹽的混合物清潔身體；古中國則會用名為「胰子」的清潔用品洗澡（「胰子」實際就是把豬胰臟混合草木灰製作而成的皂）。科學角度而言，肥皂的製作其實是名為「皂化」的化學反應 ––– 把鹼溶液加到油脂，油脂便會被會被鹼水解，釋放出脂酸鹽和甘油。當中的脂酸鹽，就是肥皂。
肥皂的發明，對人類文明延續有極大幫助。肥皂的分子結構特殊，能用於清潔。肥皂分子具有親水性的部分和親脂性的部分。當皂接觸到油污和水，皂分子便會把油乳化，使油能夠溶在水中，再被水帶走，從而達到清潔的功效。大家不可不知，在用肥皂洗手的過程，依附在手上的致病原，其實都會被一併洗走，因此各地的衛生機關都呼籲人們勤洗手，減低疾病傳染的風險。
哪麼製作肥皂需要精密的科學儀器或複雜的工序嗎？並不需要！筆者跟著友人提供的手工皂配方，成功製作了手工皂。以下為大家分享一下製作的過程：
- 計算所需材料的用量，和預備相關工具。
肥皂材料： 椰子油、堅果油、氫氧化鈉、茶籽粉。關於上述材料的份量，讀者如有興趣可自行參考有關書籍，筆者就不在此詳細描述。 - 把氫氧化鈉溶於涼水中，攪拌至完全溶解，備用。溶解期間氫氧化鈉會發熱，請小心處理。
氫氧化鈉為強鹼，具腐蝕性，請務必佩戴保護手套及安全眼鏡，並在空氣流通的地方小心處理，切勿讓氫氧化鈉直接接觸皮膚。 用於盛載或接觸氫氧化鈉的器具建議為耐熱的不鏽鋼材質，絕對不能用鋁材！ 氫氧化鈉溶解於水的過程會釋放大量的熱。溶解過程必須把氫氧化鈉逐少逐少地加入到大量的冰涼水中（絕對不能用熱水），以便控制熱量的釋放。如果反過來，把水加到氫氧化鈉中，便有機會造成噴濺，十分危險！ 如不慎接觸到強鹼溶液，應立即以清水長時間沖洗該部位至少30分鐘，並脫掉可能被潑濺到的衣物，立即求診。 - 把椰子油和堅果油隔水加熱融化，備用。
融化椰子油，並混合堅果油。 - 待氫氧化鈉降溫至與油液差不多的溫度，便可以把氫氧化鈉逐少逐少地加入油液。
混合氫氧化鈉與油液。 - 持續攪拌均勻，直至混合物變得濃稠。如有需要，可在混合物變得濃稠時加入添加物（筆者就加入了茶籽粉）
攪拌皂液至濃稠。 - 把皂液倒入模具（筆者希望廢物利用，便用了洗乾淨的外賣飯盒和牛奶盒作模具）。
入模。 - 把成品放置在保溫容器中，等待3天便可以脫模。脫模後，也要等待大約一個月至兩個月的時間，讓肥皂充分硬化和成熟後才能使用。
把成品放在保溫容器，讓皂化完成。
除了肥皂，你還知道有什麼完全天然的清潔材料嗎？其實有不少植物含有類似肥皂的物質，例如無患子，其果皮含有皂苷，泡在水裏搓洗能產生大量的泡沫，能用於清潔。其他的植物，例如皂角的豆莢、潺槁樹的葉子，也能作為天然的清潔材料。不過大家千萬記得不要採集野生植物啊！
生物科
徐鎮桻 老師（CHUI Chun Fung)
説蘭
二零二三年七月 第二期
説蘭 – 蘭花的結構
一般而言，植物分成裸子植物和被子植物。被子植物會生產花朵，花朵不但為被子植物的繁衍帶來優勢，還令不同動物為之神魂顛倒。其中，花朵型態最多樣的莫過於蘭科植物。蘭科至少擁有20000個品種，為被子植物當中最大的科。
屬於單子葉植物的蘭花，其花瓣數量為三的倍數。乍看之下，蘭花似乎有六塊花瓣，但事實上蘭花只有三塊花瓣 – 外面三塊瓣狀物為萼片（Sepals），裏面的三塊為花瓣（Petals）。由於有時候萼片的外貌與花瓣相似，乃至不能輕易分辨，所以我們會把這些相似的萼片和花瓣統稱為花被片（Tepals）。三塊花瓣之中，位於花朵前下方的花瓣外型非常特別，這也是蘭花與其他植物不同的地方。這塊花瓣稱為唇瓣（Labellum）。不同蘭花物種的唇瓣外型各異，有的會模仿傳粉者雌性、有的會演化成袋狀結構、有的會附有蜜源標記吸引傳粉者……但總的來說，不同唇瓣都提供了昆蟲等傳粉者一個降落的平台。
有別於其他花朵，蘭花的雌蕊和雄蕊並非顯而易見，而是合生在一稱為蕊柱（Column）的結構。蕊柱的先端部分為花藥，結構的頂部有一蓋狀物（藥蓋 Operculum）。揭開藥蓋，可見花粉塊（Pollinium）。有別於其他植物粉末狀的花粉粒，蘭科植物的花粉為團塊狀，一個花粉團內則有大量花粉。在花藥位置的下方，我們可見一個凹洞，這個就是蘭花的柱頭。不過，由於這個結構並不像一般花朵柱頭，所以被命名為柱頭腔（Stigmatic cavity），功能與柱頭無異，都是用來接受花粉。沿蕊柱往下查看，微微漲起的部分就是蘭花的子房，也是蘭花生產種子的地方。蘭花子房擁有無數胚珠，因此以花粉團傳播花粉的策略，能確保每一次的傳粉都有大量花粉降落至柱頭上，盡量讓每一顆胚珠都能成功受精，使蘭花果實成熟後能生產大量的種子（但蘭花種子的萌發並不容易，礙於篇幅，日後再談）。
在眾多拜倒在蘭花石榴群下的生物，人類可說是最為止瘋狂的一群。不但每逢新年人們會購買大量蘭花，有時候在花卉拍賣會上，更會出現天價的蘭花，價值可達萬元，甚至數十萬元以上。然而，為了滿足市場不停膨脹的需要，部分蘭花商人開始把目光放在野生蘭花，導致非法野外採集蘭花的情況出現。非法野採會直接減少野生蘭花的數目，或會令部分野生蘭花在野外絕種，因此我們應該拒絕購買市場上由非法野採而來的蘭花，以保護野生蘭花。野生蘭花的健康狀態不如人工飼養的蘭花，它們的葉子有機會發黃，甚至會有破損，品種也是市場較少見的。各位可以此去分辨野生蘭花與人工飼養的蘭花。
助理教師
徐鎮桻
魚塘與土壤
二零二二年十一月 第二期
魚塘與土壤
魚塘除了供我們養殖魚類、為不同生物提供棲息地，其土壤特性也非常值得我們學習。位於米埔的魚塘，由於靠近大海，其土壤成分混雜了來自海洋的沈積物。因此該處的泥土含有豐富的有機質、礦物質、硫酸鹽以及部分海洋微生物（例如硫酸鹽還原細菌）。
在生境分類上，魚塘屬於濕地。由於長期被水掩蓋，魚塘塘底的泥土長期處於缺氧的狀態，只有表面幾毫米的泥土能獲得少量的氧氣。根據泥土的含氧量，塘泥可以分成有氧層和缺氧層。
有氧層通常會比較淺色，此處的細菌會利用氧氣去分解塘底的有機廢物，例如魚類的糞便。另外有氧層的微生物，則能把下層厭氧微生物製造的有害的物質，轉化成無害的物質，例如把有毒的硫化氫轉化成無害的硫酸鹽。因此有氧層對魚塘生物起了一定的保護作用。
有氧層的生物化學反應概覽 [1]：
- 硝化作用：
- 氨 (Ammonium) → 亞硝酸鹽 (Nitrite) (有毒)
- 亞硝酸鹽 (Nitrite) → 硝酸鹽 (Nitrate)
- 硫化氫氧化：
- 硫化氫 (Hydrogen sulfide) → 硫酸鹽 (Sulfate)
有氧層之下是缺氧層，這裏的泥土較深色 (顏色來自硫化鐵 [2])。厭氧細菌會利用缺氧泥土內的物質去進行呼吸作用，以獲得能量。
缺氧層的生物化學反應概覽 [1]：
- 脫硝反應 Denitrification:
- 硝酸鹽 (Nitrate) → 氮氣 (Nitrogen)
- 厭氧細菌作用:
- 三價鐵 (Fe3+) → 二價鐵 (Fe2+)
- 厭氧細菌的硫酸鹽還原反應
- 硫酸鹽 (Sulfate) → 硫化氫 (Hydrogen sulfide) (有毒)
- 黃鐵礦 (Pyrite) (潛在的酸性物質) 生成
- 硫化氫 (Hydrogen sulfide) + 二價鐵鹽 (Fe2+) → 硫化鐵 (Iron sulphide)
- 硫化鐵 (Iron sulphide) + 硫 (Sulphur) → 黃鐵礦 (Pyrite)
假如魚塘累積了太多的有機廢物，或者水的溶解氧氣被用盡，有氧層的功能便會消失 – 對生物有害的物質便會進入水中，影響漁獲。因此漁民會定期進行清塘 – 在收穫魚類後把魚塘的水閘打開把水放乾 – 這時便會有很多雀鳥去捕食塘底的漏網之魚。原本被水掩蓋的塘泥，會因為乾塘而暴露在空氣之中，泥土裏面的物質便會開始氧化。而原本缺氧的泥土，在氧化與微生物作用下，會慢慢變酸。
土壤酸化的過程 [1]
- 黃鐵礦的氧化
- 黃鐵礦(Iron pyrite) → 硫酸亞鐵 (Ferrous sulfate) & 硫酸
- 硫酸亞鐵 (Ferrous sulfate) → 氫氧化鐵 (Ferric oxyhydroxide) & 硫酸
- 氧化硫硫杆菌(Acidithiobacillus thiooxidans) 氧化作用
- 硫 → 硫酸
大家不妨留意，暴露在空氣的塘泥，其顏色會慢慢由灰黑色變成黃色。這是因為土壤的酸化提供了酸性環境予黃色的黃鉀鐵礬 (Jarosite) 生成。由於酸化的泥土對生物的生長有害，漁民又會在魚塘灌滿水之前加入石灰，中和泥土的酸度。養魚人沒有相關科學的知識，但透過經驗與實踐，他們似乎找到了大自然的規律，順道而為之。
了解自然、順應自然，也許就是最理想的生存之道。香港擁有大量的魚塘和濕地，我們不妨想想，在可持續發展的前提下，我們該如何去利用這些自然資源。
助理教師
徐鎮桻
參考資料
[1] Brady NC, Weil RR. The nature and properties of soils. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall; 2017.
[2] Nissenbaum A, Rullkötter J, Yechieli Y. Are the curative properties of ‘black mud’from the Dead Sea due to the presence of bitumen (asphalt) or other types of organic matter?. Environmental Geochemistry and Health. 2002 Dec;24(4):327-35.