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化学教室活动:神奇的超吸水聚合物 &8211; III

2020-06-19

请按此连结,参阅「教师手册之一」

教师手册之二 (Teacher’s Guide II )

药品配製

1. 1 M盐酸:取1mL的12 M浓盐酸加水稀释至总体积12 mL。
2. 1 M氢氧化钠溶液:取0.4 g的氢氧化钠溶于水,使总体积10 mL。
3. 酚酞(Phenolphthalein)指示剂:溶解0.5克的酚酞在50 mL的95%酒精中,再加50 mL的水,混合均匀。
4. 溴瑞香草蓝(Bromothymol blue)指示剂:溶解0.1克的溴瑞香草蓝在100毫升的 20%酒精中。
5. 1 M糖水:取32.4 g的蔗糖溶于水,形成100 mL水溶液。
6. 1 M食盐水:取58.5 g的食盐溶于水,形成100 mL水溶液。
7.  饱和食盐水:在200 mL的水中加入食盐,直到不再溶解为止,取澄清液。

实验纪录样本

一、化学示範

I. 写出此示範实验的变化现象。

● 10 mL的蒸馏水倒入第一个透明塑胶杯中,颜色为( 无 )色。
● 第一个透明塑胶杯中的水倒入第二个透明塑胶杯中,颜色由( 无 )色变为( 红 )色。
● 第二个透明塑胶杯中的水倒入第三个透明塑胶杯中,颜色由( 红 )色变为( 无 )色
● 将第一个纸杯中的水全部倒入第二个纸杯中,由第一个纸杯倒出来的水的颜色为( 黄 )色。
● 将第二个纸杯中的水全部倒入第三个纸杯中,由第二个纸杯倒出来的水的颜色为( 紫 )色。
● 第三个纸杯反倒,竟然没有水流出,其他杯子也是空的。第三个杯子内呈现( 紫+黄 )色。

II.   写出此示範实验的化学原理。

● 第一个透明塑胶杯中含有酚酞指示剂(变色範围 pH = 8~10),中性的水遇到酚酞呈现无色,但遇到硷性(2滴1 M的氢氧化钠)的第二个塑胶杯则呈现红色。
● 第三个透明塑胶杯中含有4滴1 M HCl(aq),与2滴1 M NaOH(aq)中和后溶液为酸性,此时溶液又变成无色。
● 第一个纸杯内装溴瑞香草蓝指示剂(BTB,变色範围pH = 6~7.6),遇酸性呈现黄色。倒第一个纸杯内的水到含有6滴1 M NaOH的第二个纸杯中,此时溶液经中和后呈现硷性,在酚酞中呈现红色,在BTB中呈现蓝色,而红+蓝=紫色,即最后观察到的颜色。
● 最后水不见了,乃因水被第三个纸杯中的聚合物聚丙烯酸钠吸收了。聚丙烯酸钠呈现紫+黄色,是其中含8滴1M HCl,BTB遇酸呈现黄色。

二、 聚丙烯酸钠的渗透作用

I. 加适量的蒸馏水至塑胶袋中,观察变化现象,说明理由。

水被聚合物吸收。这是因为聚丙烯酸钠具有的吸水性。聚合物聚丙烯酸钠粒子如图九的左图所示,吸收水后如图九的中图所示。

II. 加适量的氯化钠至塑胶袋中,观察变化现象,说明理由。

水由聚丙烯酸钠聚合物中渗出。这是因为添加食盐,造成聚合物粒子外面的浓度增大,渗透压变大,水由低渗透压至高渗透压。添加食盐后如图九的右图所示。

化学教室活动:神奇的超吸水聚合物 &8211; III

图九 聚丙烯酸钠粒子加水和加食盐的变化过程

三、聚丙烯酸钠的吸水倍数

● 纸尿片的厂牌和型号:帮宝适超薄乾爽系列9-14 kg L/88

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四、玩具恐龙的膨胀率

● 玩具恐龙的厂牌和型号:膨胀动物世界 PZ028

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● 在蒸馏水中,恐龙吸水前后的对照组,如图十所示。

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图十 恐龙吸水前后的对照组

参考答案

1. 内层含食盐水的浓度较大,如此水才不会渗出。因为渗透作用水分子由低浓度至高浓度。

2. 根据文献,若是蒸馏水,可以吸收聚合物本身重量的800倍,但实验数据却只有本身重量的130~180倍,可能影响的因素包含:
(1)所取的聚合物量太少,造成误差大。实验次数1和3,数据接近,但因实验次数2取的 聚合物重量最少,因此与其余二次实验数据有落差。
(2)所用的蒸馏水已放置过久,可能溶有空气中二氧化碳或其他物质,因有离子存于水中,导致吸水量大幅下降。
(3)尿布内聚丙烯酸钠之纯度不高,降低吸水量。

3. 由于有效浓度为CM × ii为凡特荷夫因子)。糖为非电解质,i = 1,食盐为电解质,理论i = 2,因此有效浓度为1 M糖水 < 1 M食盐水 < 饱和食盐水(约6 M)。因为内外浓度之差为蒸馏水 > 1 M糖水> 1 M食盐水 > 饱和食盐水,所以玩具恐龙吸水量为蒸馏水 > 1 M糖水> 1 M食盐水 > 饱和食盐水。

4. 生活中许多渗透作用的实例,包含:
(1)静脉注射打针的溶液必须先调整(主要以食盐水为主)到其渗透压(浓度)与血液相等时才可使用,血液之平均渗透压约7.7 atm。(i) 若静脉注射溶液之渗透压低于血液,水分从红血球中渗透出来,使红血球“皱缩”。(ii) 若静脉注射溶液之渗透压高于血液,水分渗透进入红血球,使红血球“胀破”。
(2)萝蔔、蜜饯等腌渍物浸泡于高浓度环境中,经由渗透作用失水而萎缩成萝蔔乾,并可使其中的细菌脱水而死亡,达到保存功效。
(3)树根浇水,水可传送至顶端枝叶。

参考资料和延伸阅读

1. Science Activity #11 – Where’s the Water? http://nobel.scas.bcit.ca/debeck … orber/diaper_p1.htm.
2. Lab #15: Polymers – Preparing a Soil Substitute with Sodium Polyacrylate, http://www.chemistryland.com/CHM … p3polyacrylate.html.
3. Baby Diaper Secret, http://www.stevespanglerscience.com/experiment/00000064.
4. SECRET Of Water Disappearing Trick Revealed, http://www.metacafe.com/watch/44 … ing_trick_revealed/.
5. What are the components of a typical disposable diaper? http://www.disposablediaper.net/faq.asp?1.
6. SUPER-ABSORBING POLYMER POWDERS, http://gelfand.web.cmu.edu/scimo … Polymer_Powder.html.
7. What are the components of a typical disposablediaper? http://www.disposablediaper.net/faq.asp?1.
8. 聚丙烯酸钠,维基百科,http://zh.wikipedia.org/wiki/聚丙烯酸钠。
9. 科玩DIY—化学魔术神秘纸杯,http://www.sec.ntnu.edu.tw/Monthly/93(266-275)/271/03.pdf.
10. 教育部学习加油站,常见的有机化合物-另类塑胶,http://content.edu.tw/junior/phy_chem/pd_kc/f1/chap10/10-5.htm。


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