國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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彈性球--膠水系列 3之 1

平淡無奇的膠水,化身為多變的形態喔

器材膠水、硼砂、氣球、燒杯、量筒、冰棒棍(或竹筷)

※操作過程與現象

膠水可以用來進行有趣的化學實驗,成品可當為趣味科學玩具喔!

右圖有二顆顏色、外觀看起來很相似的二顆球,似乎沒有什麼差別但是同時由將二顆小球高處掉下來,結果左邊的小球黏在桌上不動,而右邊的小球卻反覆的彈跳,這是怎麼回事呢?

其實不會彈跳的球是黏土做的,而會彈跳的球是用膠水做的,彈性球的製備方法如下:

1.秤取硼砂(sodium borate,Na2B4O7·10H2O Na2[B4O5(OH)4] ·8H2O)約2克並加50毫升的水,在燒杯中(或塑膠免洗杯)進行攪拌,最後杯底仍有硼砂沉澱,無法完全溶解,上層的澄清溶液即為飽和的硼砂水溶液

2.將一瓶膠水(約50毫升)倒進杯子中,再加入一滴藍色食用色素(紅色亦可),然後充分攪拌混合,如圖一。

3.將第1步驟的飽和硼砂水溶液,直接倒入已染色的膠水中(如圖二),快速攪拌,膠水會快速的結塊。

4.將已經結塊的膠水剝下一小塊(建議直徑約3~5公分),然後以雙手搓揉為球形。如果還會黏手,可以淋上一些飽和硼砂水溶液再搓揉,再冲一下水(如圖三)。

最後確定不會黏手之後,由於有水分時,彈性球過於溼滑,不容易搓揉為球形,必須擦乾手之後再搓揉(如同搓湯圓的方法),因此建議要準備乾抹布或毛巾,一邊搓揉一邊減少水分,彈性球的彈跳效果會越好!

實際測試彈性球的彈跳性,發現彈跳高度比率約為50%,亦即可以達原始高度的一半,但是隨著高度降低,彈跳的高度比率有增加的現象,亦即高度越低,反彈的高度百分比越大

除了上述的「彈性球」,也可以做成「鼻涕蟲」(如下圖最右)。只要將膠水加同體積的水稀釋,攪拌之後再加飽和硼砂水溶液即可。由於膠水被稀釋,反應後的成品會比較軟,形成有如鼻涕的狀態。如果膠水先加黃色色素,則成品的外觀與黏稠的性質,與國中生物所教的黏菌極為相似,所以可以將此成品應用於國中生物之黏菌教學,協助學生了解黏菌的特性,並提高學生的學習興趣

彈性球實驗結果(4.0M)

※原理

一般的膠水含有約88%的水以及12%的「聚乙烯醇」(Polyvinyl alcohol,簡稱PVA),PVA是一種水溶性鏈狀高分子化合物,分子式為(–CH2–CHOH–)n,含有-OH的官能基,由於O、H之間皆能形成氫鍵(參見圖四),使分子不易自由活動,因此膠水具有黏稠性。

  當硼砂加入膠水之後,由於硼砂會解離出 離子與PVA分子形成交連(cross linking

)作用,使分子之間的吸引力更強,無法自由運動,因此有固化的現象。

PVA與硼砂的交連作用,有二種可能,分別為圖四的A或B;參考資料6認為是A,亦即B、O之間形成鍵結的交連,並產生水。參考資料7則認為是B,亦即沒有脫水,PVA與硼砂以O、H之間的氫建交連。而參考資料1、2、5指出二種機制都有可能。

※延伸的彈性球製作

彈性球最大的缺點是:無法保存!放置數分鐘就會變形,約半小時就塌為扁平狀(如圖五),而且會失去彈性,很容易脆裂。

版主聯想到可以利用本網頁介紹過的「超彈性球」以氣球反覆包裹水球的方法,嘗試後發現效果相當良好,方法如下:

1.準備小氣球約五個(本實驗使用6吋的氣球),將氣球的頭部剪掉不用(接近1/2氣球長度),如圖六。注意:選用的氣球不能太大,必須小於彈性球大小,以便能緊緊包住彈性球。

2.將製作好的彈性球塞進氣球中,如圖七。此步驟最好二個人合作,一個負責拉開氣球,一個塞進彈性球。完成後如圖八,此時彈性球被氣球擠壓,會從缺口冒出來,因此必須用手指壓住缺口,立即進行下一步驟。

3.將上一步驟的彈性球,塞進第二個氣球,如圖九。注意:第一個氣球的缺口要先塞進去,如此就可利用第二個氣球將缺口封住。

4.反覆上一步驟,陸續套進第三~五個氣球。過程中要注意:每次套完要將多餘的氣球皮剪掉(如圖十),以便成為完整的球形,表面也會比較平滑。而最後一個氣球的缺口,用一小片膠帶黏住即可

5.在套進氣球的過程中,留意彈性球的形狀,如果成為橢圓形,例如上下長、左右扁的「」形,則下一個氣球要從的左邊或右邊套進去,如此就可利用氣球的彈性壓力,將彈性球的上下壓扁成為球形。

以上述方法製作完成的彈性球,測試結果相當理想,在「彈跳高度」方面,彈跳高度約達原始高度的70%,更重要的是:可以保存得很久,直到氣球皮老化

   

彈性球(2)實驗結果(3.5M)

※叮嚀的話

1.雖然本實驗藥品沒有明顯的毒性,但是務請提醒小朋友不要吞食,結束後將手洗乾淨

2.未使用的硼砂水溶液可用大量的水沖掉,而黏膠可丟入一般垃圾。

3.以氣球包覆彈性球的改良製作,可視情形增加氣球的數量。例如形狀呈橢圓、表面不夠平滑等。

4.在教學上,可以指導學生實驗與討論以下問題:(1)膠水加入不同比例的水,製成的彈性球或鼻涕蟲的特性有何差異?--建議國小高年級以上(2)會進行交連作用的還有哪些例子?--建議國中以上(3)將製成的彈性球或鼻涕蟲加入稀釋後的酸(例如醋酸),會有何變化呢?為什麼?--建議高中以上

※參考資料

1. 2007 白沙化學驚奇秀。鼻涕蟲和彈性球。http://blog.ncue.edu.tw/sys/lib/read_attach.php?id=10795

2. 中學化學示範實驗:http://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/26876

3. 林愷博、林士傑、廖煒立、黃梓恩、王韋翔(2009)。QQ 變形蟲。第49 屆中小學科學展覽作品,國小組化學科。http://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/49/pdf/080207.pdf

4. 張佑慈、丁柔君、廖育婕、沐沙瑞、季瑞珠(2004)。好玩的鼻涕蟲。第44屆中小學科學展覽作品,國小組 化學科。http://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/44/c08/080204.pdf

5. Noon Science- Slimehttp://www.sci-experiments.com/slime/slime.html

6. Royal Society of Chemistryhttp://www.rsc.org/Education/EiC/issues/2005_Jan/exhibition.asp

7. MadSci Networkhttp://www.madsci.org/posts/archives/2003-12/1070294201.Ch.r.html