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兒童創意科學實驗之設計—奇妙的海底世界
方金祥 游苑平
大仁技術學院 幼兒保育系
目的
利 用 化 學 藥 品 如 過 渡 金 屬 鹽 類 在 一 裝 有 水 玻 璃(Water Glass, 矽 酸 鈉 )溶 液 的 透 明 小 玻 璃 瓶 中 , 過 渡 金 屬 鹽 類 不 但 不 會 溶 解 反 而 會 慢 慢 地 生 長 成 類 似 海 底 美 麗 的 珊 瑚 狀 , 有 如 海 底 之 景 觀 , 故 稱 之 為 『 海 底 世 界(Seabed World)』或 稱『 化 學花 園 (Chemical Garden)』。原理
利 用 過 渡 金 屬 鹽 類 之 表 面 在 水 玻 璃 溶 液 中 , 過 渡 金 屬 鹽 類 中 之 銅 、 鈷 、 鎳 等 過 渡 金 屬 離 子 與 水 玻 璃 中 之 鈉 離 子 進 行 離 子 交 換,而 形 成 具 有 半 透 膜 性 質 之 銅、鈷、 鎳 之 矽 酸 鹽 類 薄 膜 , 此 一 薄 膜 只 容 許 水 玻 璃 中 之 水 分 子 透 過 半 透 膜 滲 透 進 入 , 當 水 進 入 半 透 膜 至 超 過 滲 透 壓 後 半 透 膜 便 會 暴 開 , 內 部 新 鮮 之 過 渡 金 屬 鹽 類 中 之 過 渡 金 屬 離 子 又 即 刻 與 水 玻 璃 中 之 鈉 離 子 進 行 交 換 後 再 度 形 成 新 的 薄 膜 , 然 後 又 再 度 容 許 水 玻 璃 中 之 水 分 子 透 過 半 透 膜 進 入 , 當 水 進 入 半 透 膜 再 度 超 過 滲 透 壓 後 半 透 膜 又 會 暴 開 在 形 成 新 的 薄 膜 , 依 此 類 推 。器材
塑 膠 匙 3 支 水 玻 璃 ( 矽 酸 鈉 ) 1 瓶 透 明 小 玻 璃 瓶 數 瓶 硫 酸 銅 晶 體(CuSO4 ‧5H2O) 10 g 硫 酸 鎳 晶 體(NiSO4) 10 g 氯 化 亞 鈷 晶 體(CoCl2) 10 g 細 海 砂 10 g實驗 步驟
1.在 一 透 明小 玻 璃 瓶 中 加 入 約 5 公 撮( mL) 的 水 玻 璃 。 2.將 水 加 到 玻 璃 瓶 中 至 八 分 滿 為 止 ( 水 玻 璃 與 水 之 體 積 比 約 為1 : 4),將 瓶 蓋 蓋 緊 然 後 將 其 搖 盪 數 下 使 其 混 合 均 勻 。 3.打 開 瓶 蓋 , 小 心 地 用 塑 膠 匙 分 別 取 少 許 過 渡 金 屬 鹽 類 , 如 藍 色 的 硫 酸 銅 晶 體 、 綠 色 的 硫 酸 鎳 晶 體 、 粉 紅 色 的 氯 化 亞 鈷 晶 體( 圖 一 ),放 入 瓶 子 中,然 後 靜 置 於 桌 上 觀 察 其 生 長 的 情 形 。 4.經 約 十 分 鐘 之 後 打 開 瓶 蓋 , 用 塑 膠 滴 管 吸 水 慢 慢 地 將 瓶 子 完 全 加 滿 水 , 然 後 再 將 瓶 蓋 鎖 緊 。 圖 一 三 種 過 渡 金 屬 鹽 類:硫 酸 銅( 下 )、 硫 酸 鎳 ( 左 上 )、 氯 化 亞 鈷 ( 右 上 )科學教育月刊 第 277 期 中華民國九十四年四月 - 24 -
實驗 結果
分 別 將 硫 酸 銅 、 硫 酸 鎳 及 氯 化 亞 鈷 等 三 種 過 渡 金 屬 鹽 類 各 一 小 刮 杓 加 入 水 玻 璃 溶 液 中 , 然 後 靜 置 於 桌 面 , 經 過 一 分 鐘 、 三 分 鐘 、 五 分 鐘 、 八 分 鐘 及 十 分 鐘 等 不 同 時 間 後,其 成 長 之 情 形,其 狀 似 海 底 景 觀, 如 封 底 圖 A 所 示。封 底 圖 B 為 成長 十 分 鐘 後 之 放 大 圖 。 在 不 同 容 器 中 進 行 之 實 驗 時 , 完 成 之 海 底 世 界 或 化 學 花 園 亦 各 有 其 特 色 , 如 封 底 圖 C 所 示 。實驗 注意 事項
1.水 玻 璃 要與 水 混 合 均 勻 。 2.藥 品 請 勿加 太 多 。 3.藥 品 加 入 水 玻 璃 溶 液 中 後 請 靜 置 於 桌 面 , 勿 再 搖 晃 , 可 永 久 保 存 。 4.約 十 分 鐘 後 將 瓶 子 加 滿 水 , 然 後 將 瓶 蓋 鎖 緊 , 以 方 便 攜 帶 。問題
1.水 玻 璃 與水 混 合 比 率 是 否 一 定 要 1:4? 不 同 比 率 有 何 影 響 ? 2.過 渡 金 屬 鹽 類 在 水 玻 璃 溶 液 中 不 但 不 會 被 溶 解 反 而 會 生 長 成 類 似 美 麗 的 珊 瑚 , 其 原 理 為 何 ? 3.為 何 在 實 驗 後 要 將 瓶 子 加 滿 水 , 然 後 再 將 瓶 蓋 鎖 緊 ? 4.一 般 鹽 類 加 入 水 玻 璃 溶 液 中 是 否 會 成 長 ? 5.不 同 的 過 渡 金 屬 鹽 類 在 水 玻 璃 溶 液 中 成 長 的 速 度 會 相 同 嗎 ? 形 狀 會 相 同 嗎 ?結論
奇 妙 海 底 世 界 的 形 成 , 是 由 於 過 渡 金 屬 鹽 類 之 化 學 藥 品 在 水 玻 璃 溶 液 中 , 藥 品 的 表 面 先 形 成 一 層 具 有 半 透 膜 的 性 質 之 薄 膜,此 一 薄 膜 只 容 許 半 透 膜 外 圍 的 液 體( 水 分 子 ) 滲 透 進 去 , 隨 之 慢 慢 膨 脹 後 而 再 慢 慢 地 長 高 , 不 同 的 過 渡 金 屬 鹽 類 之 藥 品 顏 色 不 一 樣 , 長 出 的 形 狀 也 不 同 , 真 有 如 海 底 美 麗 的 珊 瑚 景 觀 , 若 在 海 底 世 界 或 化 學 花 園 完 成 之 後 , 另 以 一 小 刮 杓 之 細 海 砂 慢 慢 地 由 瓶 口 加 入 , 使 細 小 海 砂 慢 慢 地 沈 降 至 瓶 底 時 , 看 起 來 更 類 似 海 底 景 觀 , 此 一 奇 妙 的 『 海 底 世 界 』 或 『 化 學 花 園 』 可 永 久 保 存 作 為 觀 賞 之 用 。參考 資料
1.方 金 祥 游 苑 平 (2004).科學 遊 戲 創 意 教 學 及 親 子 活 動 設 計 講 義 , 大 仁 技 術 學 院 。2.Leonard A. Ford. ( 1993 ) . Chemical Garden. Chemical Magic, pp. 77-78, 2nd ed. Dover publication, INC. New York.