第一節 立即雪花
立即雪花乃是利用高吸水性高分子吸水量為本身重量幾百倍至上千倍的高吸水 性，吸水速率快，保水性能好，有顯著的膨脹效果等特質所呈現出驚奇的科學魔術 現象；而研究者選用高吸水性高分子中工業生產容易、成本低廉，市面上常用來作 為尿布吸濕材質的聚丙烯酸鈉為「立即雪花」之實驗素材。
對於立即雪花膨脹效益的評估，研究者採三個面向來作為評估的依據，這三個 面向分別為：
1. 膨脹總時間：
加水後至膨脹到最高點的時間 2. 膨脹變化時間：
開始膨脹到膨脹到最高點的時間 3. 膨脹高度：
從燒杯杯口到膨脹最高點間的垂直高度
以這三個面向來作為評估依據，乃是考量如果膨脹總時間及膨脹變化時間太長 (長達好幾分鐘)，或者膨脹變化時間過於短促，一秒內就變化完畢，以及膨脹高度 不明顯，則失去了科學魔術的驚奇感，學生很容易喪失興趣，覺得索然無味。因此 以下實驗，將以這三個面向：膨脹總時間、膨脹變化時間、膨脹高度作為立即雪花 膨脹效益評估的標準。
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一、市售聚丙烯酸鈉實驗結果
研究者首先將市面上販售的聚丙烯酸鈉加水測試其立即雪花之效果，其膨脹程 度如表 3.1，圖 3.1 所示。
表 3.1 市售聚丙烯酸鈉加水膨脹實驗結果 (室溫 27℃)
聚丙烯酸鈉
(g)
水
(g)
加水至開始 膨脹的時間
(秒)
膨脹總時間
(秒)
膨脹變化時間
(秒)
膨脹高度
(cm)
15 105 8 680 672 1.2圖 3.1 市售聚丙烯酸鈉加水膨脹程度
由實驗數據及結果可以發現，市售的聚丙烯酸鈉膨脹總時間 680 秒，長達 11 分 鐘以上，膨脹速度太慢，而且膨脹高度只有 1.2 公分，呈現出來立即雪花的效果不 佳。因此接下來研究者加入碳酸氫鈉，進行實驗觀察。
二、市售聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉混合物實驗結果
研究者加入碳酸氫鈉是期望利用碳酸氫鈉與水結合後釋出的二氧化碳之浮力向 上推擠聚丙烯酸鈉，造成整體膨脹高度更高，膨脹時間縮短，增加膨脹效果。
以下為市售聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉不同質量比例，其膨脹程度的實驗結果與討 論。
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(一) 市售聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉不同質量比例之膨脹程度
本實驗採用不同質量比例 4：1，3：1，2：1，1：1，1：2 的聚丙烯酸鈉與碳酸 氫鈉混合物，取總質量 15 克測試其膨脹程度的差異。實驗共進行兩次，由於兩次實
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氫鈉的表現(膨脹總時間平均 610 秒，膨脹變化時間平均 598 秒，膨脹高度平均 1.1 公分)。兩者在膨脹總時間相差 578 秒，膨脹變化時間相差 573 秒，膨脹高度相差 1.4 公分，由以上比較可以發現碳酸氫鈉有助於增強立即雪花的膨脹效果。
市售聚丙烯酸鈉效果較差，原因可能是因為聚丙烯酸鈉可以吸收本身重量 300 倍的自來水，因此 15 克的聚丙烯酸鈉可以吸收 4500 克的自來水。所以當 15 克聚丙 烯酸鈉加入 105 克的水時，平均 1 克聚丙烯酸鈉吸收到的水只有 7 克，倒入的水量 無法滿足聚丙烯酸鈉。同時，水由上方倒入，上層的聚丙烯酸鈉先接觸到水，迅速 把水吸掉，容易造成中下層的聚丙烯酸鈉無法立即接觸水分，而造成膨脹速度緩慢 的現象，長達 8 分鐘以上。此現象可由膨脹結束之後，杯底尚有不少的聚丙烯酸鈉 仍然保持乾燥推知。
加入碳酸氫鈉混合物後，以比例 2：1 和 3：1 結果最好，最大高度可達到 2.6~2.8 公分，而在室溫 27℃時膨脹總時間及膨脹變化時間，這兩者差不多(表 3.2)。但在室 溫 23℃時，比例 2：1 的膨脹總時間及膨脹變化時間都比 3：1 時間長 9 秒(表 3.3)。
研究者認為膨脹總時間及變化時間稍微長一點，可以讓學生較有時間觀察到其膨脹 的變化，因此選用比例 2：1 繼續做水溫對於膨脹程度的影響。
此外，研究者將實驗數據繪製折線圖，結果可展現隨碳酸氫鈉添加比例增加，
膨脹效果變化之趨勢，如圖 3.2~圖 3.4 所示。由圖中可以發現膨脹總時間、膨脹變 化時間及膨脹高度與碳酸氫鈉比例之間並無規律變化。另外，在室溫 27℃時，膨脹 總時間與膨脹變化時間有隨碳酸氫鈉添加比例增加而變長的傾向(圖 3.2、圖 3.3)。
造成此現象的原因可能是當碳酸氫鈉添加量增加時，讓聚丙烯酸鈉有足夠的時間吸 水膨脹，因此膨脹變化時間增長。
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由表 3.5 可以發現，在水溫 40~75℃時，加水後到開始膨脹時間都小於 1 秒，顯 示很快就發生膨脹。而從圖 3.5 及圖 3.6 也可以發現，當加入的水溫越高，膨脹總時 間及膨脹變化時間有隨之縮短的趨勢。另外，由圖 3.7 可知，膨脹高度與水溫並無 規律變化，平均高度為 2.3 公分，其中最大高度出現在水溫 50℃(2.9 公分)，30℃次 之(2.7 公分)，最低出現在 75℃(1.4 公分)，最大與最小高度相差 1.5 公分(表 3.5)。由 以上數據分析可知，水溫越高，碳酸氫鈉遇熱分解產生二氧化碳的反應速率越快，
因此造成膨脹總時間及膨脹變化時間縮短。而水溫越高，並不會使膨脹高度更高，
反而有降低的現象。
造成上述的結果，可能為水溫越高時，碳酸氫鈉分解速率增快，因此當水倒入 杯中，碳酸氫鈉很快分解成二氧化碳，向上推擠聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉混合物，以 至於在水倒完時，已經有不少的混合物自杯中流出，而影響了最後的膨脹高度(圖 3.8)。
因此研究者認為膨脹高度的高低，在本實驗中取決於一開始加水時自燒杯中流失的 聚丙烯酸鈉和碳酸氫鈉混合物量之多寡，流失的量越多，膨脹高度也越低。同時，
研究者在進行水溫 70℃及 75℃的實驗中發現，聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉混合物快速膨 脹時，出現類似於塑膠燃燒的味道，而且變得乾乾黏黏，不像其他溫度的產物呈現 濕潤的顆粒狀，有可能因為溫度較高，使聚丙烯酸鈉產生其他化學反應。
圖 3.8 60℃聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉質量比 2：1 之膨脹過程
綜合以上數據分析及討論，雖然水溫越高，膨脹速度隨之增快，但整體膨脹效 果與室溫(27℃)差異不大，並且考慮到熱水較室溫的水不容易準備及取得，學生在
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操作時容易造成被燙傷的危險，因此研究者認為立即雪花的實驗採用室溫的水進行 即可。
(三) 小結
綜合以上實驗結果，聚丙烯酸鈉和碳酸氫鈉混合物質量比例 2：1，使用室溫的 水所呈現的膨脹程度最為適當。
三、合成聚丙烯酸鈉之實驗結果
因為前述市售聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉混合物的實驗結果，其膨脹程度與國外影 片呈現的效果有所差異，不同點在於影片中當水一邊倒入，白色粉末即馬上隨之膨 脹到水加入的高度(圖 3.9 左)，而且當水倒完時，倒出的產物仍然是粒粒分明，乾燥 的白色顆粒，如雪花般灑落(圖 3.9 右)。但研究者以質量比 2：1 的聚丙烯酸鈉與碳 酸氫鈉混合物所製成的白色粉末，吸水速度並沒有如影片中那樣快速，而且反應過 後的產物是摸起來濕潤的白色顆粒，而非影片中粒粒分明的乾燥顆粒。因此研究者 期望利用有機合成出較低分子量，高吸水性的聚丙烯酸鈉，能使吸水膨脹速度更快，
膨脹效果更為壯觀。
圖 3.9 國外影片立即雪花膨脹情形
本研究嘗試以中和法及聚合法製成較低分子量的聚丙烯酸鈉，以下為實驗結果 與討論。
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(一) 中和法實驗結果
經由中和法合成之聚丙烯酸鈉，外觀呈現純白色，十分黏稠(圖 3.10)，用甲醇 浸泡一天時間，才變得較堅硬，將經由甲醇純化後的聚丙烯酸鈉剪成小塊，烘乾後 用磨豆機磨碎後，加水測試其吸水程度，發現其吸水性不佳，顆粒全沉在杯底，無 膨脹的趨勢(圖 3.11)。
圖 3.10 中和法合成之聚丙烯酸鈉
12/03 吸水測試 12/10 一周後吸水結果
圖 3.11 中和法合成之聚丙烯酸鈉吸水膨脹情形
(二) 聚合法實驗結果
經由聚合法合成之聚丙烯酸鈉，外觀呈現米白色(圖 3.12)，與中和法合成的聚 丙烯酸鈉產物相比之下較不黏手。用甲醇浸泡約半天時間，才變得較堅硬，將經由 甲醇純化後的聚丙烯酸鈉剪成小塊，烘乾後用磨豆機磨碎後，加水測試其吸水程度，
尤其外觀即可發現吸水量、吸水速度及吸水後的膨脹效果比中和法合成的聚丙烯酸 鈉為佳(圖 3.13)。因此研究者嘗試將合成之產物再和碳酸氫鈉以質量比 2:1 的最佳比
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例混合，測試是否能比市售的聚丙烯酸鈉有更顯著的膨脹效果。測試結果如圖 3.14 所示，有膨脹現象出現，但膨脹過程中如同水自杯中流出的型態，而非向上膨脹。
且流出的為黏稠液態狀，像加熱融化的塑膠熔融狀，非雪花顆粒狀。
圖 3.12 聚合法合成之聚丙烯酸鈉
12/01 吸水測試 12/08 一周後吸水結果
圖 3.13 聚合法合成之聚丙烯酸鈉吸水膨脹情形
圖 3.14 聚合法合成之聚丙烯酸鈉與碳酸氫鈉質量 2:1 混和後加水膨脹情形
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(三) 小結
本研究嘗試用中和法及聚合法合成較低分子量的聚丙烯酸鈉，測試結果都比市 售的聚丙烯酸鈉膨脹效果差，可能是因為合成出的聚丙烯酸鈉分子量太小，吸水性 差，造成膨脹效果不佳(見表 1.5，聚丙烯酸鈉要具有高吸水性，其相對分子量要 107 以上，而相對分子量在 104~106為增稠劑，1000~5000 則作為分散劑)。
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第二節 魔砂
魔砂是一般正常的沙子，只是經過染色及塗上疏水性物質的處理。而市面上販 售的魔砂是一般的砂子塗上一種矽化合物「Trimethylsilyl chloride 三甲基氯矽烷 (CH3)3SiCl」的微小分子，使魔砂具有疏水性。但由於三甲基氯矽烷不容易取得，且 製作過程複雜，成本昂貴(100 毫升 1460 元)，因此研究者嘗試使用坊間在大賣場及 購物網站上容易購買得到且具有防水效果的產品─撥水劑、思高潔、3M 完稿噴膠及 黃臘等，做為製作魔砂的疏水性塗料。
對於製作之魔砂效果評估，研究者根據魔砂的主要特性來作為評估的依據，分 別為：
1. 「兔腸」形狀：
經過特殊處理的砂倒入水中後，是否能在水中呈現「兔腸 rabbit gut」形狀，
直立於水中，不坍塌(圖 3.15)。
2. 砂粒乾燥程度：
將砂子自杯中倒出時，砂粒是否是乾燥的
圖 3.15 「兔腸」形狀
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一、砂子浸水之現象
本研究製作魔砂的砂子是使用市面上販售繪製砂畫的砂子，因此研究者先將市 售砂畫的砂直接倒入水中，觀察其在水中的表現。砂畫的砂倒入水中時，直接沉於
本研究製作魔砂的砂子是使用市面上販售繪製砂畫的砂子，因此研究者先將市 售砂畫的砂直接倒入水中，觀察其在水中的表現。砂畫的砂倒入水中時，直接沉於