「大象牙膏」變成「碘沖天泡」 倪行健 臺中市立長億高級中學 nsc100100@gmail.com n  前言 如果每一個實驗都發展成為一個小型的科展，會不會更有趣？每位學生都像是一位小科學家，他們會不會更有成就感？ 因此，我就將研習自化學學科中心假豐原高中所辦，施建輝老師主持，楊水平教授所演示的「阿拉丁神燈暨大象牙膏」，引進自己的實驗課程，讓各組學生自己自製設備，如圖1~3所示。透過控制變因實驗法，在不同的操縱變因下，進行「大象牙膏」實驗，並觀察、記錄其現象，最後還要討論其因果並發表分享。    圖1：學生自製「大象牙膏」裝置的零件 圖2：學生自製「大象牙膏」的裝置 後來，為了節省藥品的消耗，因而改良為「小象牙膏」（「碘沖天泡」）的微型實驗，如圖2所示，這是一方面為環保，另一方面是碘化鉀（KI）並不便宜。但是，這就少了學生自製設備而且能夠大量噴發牙膏泡的驚艷樂趣，真是兩難呀！ 圖3：「小象牙膏」（「碘沖天泡」）設備及其零件，(a)管子的長度不同（左）和(b)管子的長度不同（右） n  設備與變因說明 「大象牙膏」（圖1）：操縱變因為管子的長度。控制變因為雙氧水濃度（倒入保特瓶）、碘化鉀、碳酸鈉及沙拉脫的量（置入側管錐形瓶）。 「小象牙膏」（「碘沖天泡」）（圖3）：(a)操縱變因為管徑的粗細。控制變因為管長、雙氧水濃度（吸入針筒並由試管的側支注入）、碘化鉀、碳酸鈉及沙拉脫的量（置入側支試管）。(b)操縱變因為管子的長度。控制變因為管徑、雙氧水濃度（吸入針筒）、碘化鉀、碳酸鈉及沙拉脫的量（置入側支試管）。 n  藥品與用途說明 1.      雙氧水（hydrogen peroxide）：30%（本實驗的主角，其分解反應式：2H2O2 → 2H2O + O2） 2.      碘化鉀（potassium iodide）：白色粉末，當作催化劑（碘離子，I−才是本反應的真正催化劑） 3.      碳酸鈉（sodium carbonate）：白色粉末，強鹼物質（在強鹼的條件下，I−不會變成I2，才能維持I−的催化反應，並且生成H2O及O2。在酸性下，I−則會變成I2，無法生成O2。），說明如下： (1)   在酸中（過氧化氫溶液具弱酸性），碘離子被雙氧水氧化產生碘分子（難聞的且有黃色的I2），不會產生氧氣，如反應式[1]所示。由於酸的量不多且酸的強度不高，本實驗僅產生少量的I2。 H2O2(aq) + 2I─(aq) + 2H+(aq) → I2(aq) + 2H2O(l)    [1] (2)   為抑制碘分子的生成，本實驗加入強鹼的碳酸鈉。在強鹼中，過氧化氫才能維持I−的催化反應，相關反應如反應式[1]～[5]所示。其中反應式[2]中CO32─(aq)來自Na2CO3(aq)，反應式[5]在I─的催化下，生成水或水蒸汽和氧氣。 H2O2(aq) + 2I─(aq) + 2H+(aq) → I2(aq) + 2H2O(l)    […]

趣味化學玩具：神奇鐵磁流體的玩法與合成 黃蕙君*、邱姿蓉 國立大甲高級中學 *m97242016@mail.ncue.edu.tw n  影片觀賞 本文介紹神奇的磁性流體（ferrofluid）兩種玩具，分別購買於東京科學技術館和台北誠品書局，適用於年齡12歲以上的對象，本影片提供兩項玩具演示的趣味過程，並在文章中介紹奈米鐵磁流體的成分、合成方法及其背後的科學原理。 影片網址：鐵磁流體的合成（Synthesis of ferrofluid），http://youtu.be/_Fa2-MDPusc。 n  簡介 神奇的奈米磁性流體是由奈米磁顆粒、界面活性劑以及承載溶劑所組成的，1960年代中期，美國航空太空總署（NASA）科學家Papell經由長時間的研磨磁鐵礦，形成超微粒子，混合超微粒子與界面活性劑，使界面活性劑吸附於顆粒表面，並讓磁性微粒分散於溶媒中，而研發出磁性流體。磁性超微粒子的研發，解決了在零重力狀態下，火箭液態燃料輸送控制、太空衣可動部位的真空閉密材料等問題（見參考資料1）。當外加磁場時，磁性流體會隨著磁力的大小，產生高低不等的突出峰，近年來各大博物館都會展出結合音樂旋律、燈光效果的磁性流體的科學小劇場，最有名的是於2009高雄科學工藝博物館推出，由日本藝術家兒玉幸子打造的「Morphotower 變形尖塔」裝置藝術，參觀過的人莫不鼓掌、讚嘆。 近年來，更有業者應用磁性流體原裡，投入益智玩具市場，這些玩具操作簡易，除新鮮、驚奇之餘，且富含科學知識。本文除介紹兩種磁性流體玩具外，也介紹合成鐵磁流體的合成方法，並相互比較其中的差異性。 n  藥品與器材 一、   磁性流體玩具：圖1為兩種磁性流體玩具，圖左的鐵磁粒子溶於有機溶劑中，溶液成棕黑色，購買於東京科學技術館；圖右的鐵磁粒子置於蒸餾水的封閉玻璃罐中，購買於台北誠品書局。   圖1：兩種磁性流體的外觀 二、   合成材料包括：0.25 M的氯化鐵（Iron(III) chloride, ferric chloride）、0.25 M的硫酸亞鐵（Iron(II) sulfate, ferrous sulfate）、0.5 M的氨水、25%的氫氧四甲銨（Tetramethylammonium hydroxide, TMAH or TMAOH）、油酸（Oleic acid）、乙酸乙酯（Ethyl acetate）、蒸餾水、強力磁鐵、滴定管、磁攪拌器、攪拌磁石。 n  實驗步驟 一、神奇磁性流體玩具的操作 1.      打開玩具（圖1左圖）包裝盒，拿出吸管，於裝有磁性流體的離心管內吸取少量的黑色液體，注入培養皿中，接著放置強力磁鐵至於培養皿下，觀察液面上的變化。隨即移走磁鐵遠離培養皿，觀察磁性流體的變化。相關變化如圖2所示。 圖2：磁性流體的突出峰效應明顯，具有良好的流動性。 2.      玩具（圖1右圖）的磁性流體放置在裝有蒸餾水的玻璃罐中，可藉由磁鐵吸引，將液體狀的磁性流體吸附到玻璃罐壁上，觀察磁性流體的變化。接著取出兩個強力磁鐵，在罐體兩側不同距離吸引磁性流體，觀察磁性流體拔河、相互牽引的效果。隨即將磁鐵移開玻璃管壁，觀察磁性流體的狀態。相關觀察結果如圖3所示。 圖3：在兩側強力磁鐵的吸引下，水中的磁性流體呈現拉鋸狀態。 二、鐵磁流體的合成 1.      取8毫升的0.25 M硫酸亞鐵溶液和16毫升的0.25 M氯化鐵溶液，倒入錐形瓶中（或燒杯中），緩慢地滴入50毫升的0.5 M氨水，並以磁攪拌子均勻攪拌，同時觀察溶液顏色的變化。滴定過程溶液顏色的變化如圖4所示。 圖4：滴入氨水前溶液的顏色（左），滴入氨水後溶液中有黑色生成物（右）。 2.      […]

趣味化學玩具：神奇合金與彩焰蠟燭 邱姿蓉*、黃維靜 國立大甲高級中學 *cmnfish2@gmail.com n  影片觀賞 本文介紹神奇合金與彩焰蠟燭兩樣趣味的化學玩具，購買於東京科學技術館，適用於年齡10歲以上的對象，本影片提供兩項玩具演示的詳細過程，並在文章中介紹其中成分、使用步驟及其科學原理。 影片網址：趣味化學玩具：神奇合金與彩焰蠟燭，http://youtu.be/CpM58k2DEuk。 n  簡介 神奇合金玩具所採用的合金是屬於一種低熔點合金，生活中常用於熔斷式保險絲的伍德合金（Wood’s alloy or Wood’s metal）就屬於此種合金，熔點為70℃，由於其成分中含有鉛、鎘等有毒重金屬，因此不適合當作玩具的材料。低熔點合金由鉍（Bi）、錫（Sn）、銦（In）三種金屬所組成，熔點只有78.8℃，可藉由溫度高於78.8℃的熱水就能讓合金熔化，利用黏土和準備的模型，創造出自製化獨一無二的金屬別針。焰色玩具是有五種不同顏色的蠟燭，因為蠟燭裡所含的金屬成分不同，所以可產生不同顏色的火焰。這兩樣玩具操作簡易，且富含化學知識，只要注意安全，年齡10歲以上的小孩就可以玩。 n  藥品與器材 神奇合金玩具裡含鉍（Bi）錫（Sn）銦（In）合金一袋、黏土一條、別針一支、說明書一份。焰色玩具裡含5色蠟燭共12支、塑膠插座12個、說明書一份。包裝外觀如圖1所示。 圖1：產品外包裝盒，神奇合金（左），彩焰蠟燭（右）。 n  實驗步驟 一、  神奇合金玩具 A.    合金融化 1.        取些許合金放入一個玻璃瓶中，並蓋緊瓶蓋。 2.        於250 mL燒杯中，裝78.8℃以上的熱水。放此玻璃瓶到燒杯中，隔水加熱使合金熔化。加熱過程如圖2所示。 圖2：合金隔水加熱 B.     金屬別針的製作 1.        壓入欲製作的模型於黏土中，使其形狀固定後拿出。倒入熔化的合金溶液於黏土中，並放置別針於熔化的合金上。灌模製作如圖3所示。 圖3：灌模製作金屬別針 2.        靜置等待合金凝固，就可以將其從黏土中取出，便是一個自製化的金屬別針。 圖4：別針與模型 二、  彩焰蠟燭 A.    觀察不同顏色蠟燭的焰色 1.        取不同顏色的蠟燭各一支，以塑膠插座插在保麗龍上點燃。 2.        根據觀察到的不同火焰顏色，推想不同顏色的蠟燭裡各含有什麼金屬。蠟燭燃燒如圖5 圖5：不同彩焰蠟燭的焰色 n  原理與概念 一、神奇合金玩具 合金是溶液的一種，為具金屬特性的元素混合物，其中至少有一種主要成分為金屬，根據混合的狀況，可區分為均相合金與非均相合金合金。青銅、黃銅為均相合金，成份元素的原子分布均勻；非均相合金例如汞齊，為不同比例晶相組成的混合物。不同的合金依據其成份產生不同的性質，故合金通常為因應適用於特定用途而設計。例如：鎂鋁合金由於其輕巧又具有如鋼鐵般的強度，廣泛應用於3C電子產品的外殼、腳踏車架等各項產業。各種金屬與合金的熔點的比較如圖5所示。 圖5：各種金屬與神奇合金的熔點比較 本次實驗可用熱水熔化的神奇合金，是由鉍（Bi）、錫（Sn）、銦（In）三種金屬按一定比例混合而成，熔點為78.8℃。這三種金屬的熔點分別是鉍（Bi）271.4℃、錫（Sn）231.9℃、銦（In）156.6℃，用熱水是無法單獨熔化。當鉍、錫、銦以特定比例量混合時，由於各成分原子半徑的差異，因此原本各成分獨特有序的晶體排列方式遭受扭曲破壞而使彼此間引力變弱，混合溶液的熔點因此降低。圖6即表示兩固態成分混合溶液的相圖，當兩A、B成分以的特定的比例混合時（又稱共晶組成），低溫下固體成兩固體相，隨著溫度上升至共晶溫度時，固體混合物開始熔化，最後形成均勻的混合物。反之若兩成分非共晶組成時，圖左自高溫冷卻時，均勻混合的溶液會有一段時間經過固液兩相共存的狀態（L+α），最後才轉變成固相（α+β）。 圖6：二種化學混合物的相圖 […]