國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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化學花園

花團錦簇的水底世界

※器材水玻璃、燒杯、各種金屬鹽類

※操作過程與現象

「化學花園」(chemical garden)也被稱為「矽膠花園」(silica garden),是以水玻璃」(矽酸鈉,Na2O • xSiO2)的水溶液與各種金屬鹽類,形成有如花園般的繽紛結晶(如圖一),在化學課程能引起學生的興趣與學習動機實驗方法相當簡易,過程如下:

1.水玻璃」(矽酸鈉,Na2O • xSiO2加入5倍體積的水,在燒杯(或透明容器)中攪拌均勻後靜置。水溶液的體積,建議高度不必超過10公分。

2.取金屬鹽類(例如:硫酸銅、氯化鐵等固體)約半刮勺,直接倒入水玻璃水溶液中。不要移動或晃動燒杯,仔細觀察,金屬鹽就會逐漸往上長出針狀或樹枝狀的結晶,而且越長越高喔!

3.如果同時倒入多種金屬鹽類,不要互相壓擠重疊,以免相互干擾反應

 

由實驗過程可發現不同的金屬鹽類,除了顏色差異之外,形成結晶的速度也不一樣,例如鐵籬子相當的快,甚至肉眼就可看到結晶在往上成長。另一方面,結晶形狀也會有所不同,圖二為不同金屬離子的結晶形狀素描。

觀賞實驗過程(9.8M)

※原理

水玻璃的成分為矽酸鈉(Na2O • xSiO2;x=0.5~4),結構如圖三所示。矽為四面體結構,分別以共價鍵鍵結四個氧,其中二個為氧離子,分別與鈉離子形成離子鍵,另二個氧原子再分別以共價健鍵結其他的原子相互鍵結。

 

本實驗的結晶成長過程如圖四,說明如下:當加入金屬鹽晶體時(圖a),水玻璃與金屬離子反應,晶體表面形成一層矽酸鹽的薄膜(圖b),此薄膜具有半透膜(semi-permeable membrane)的性質,只能讓較小的水分子滲透進入。滲透進入的水再溶解金屬鹽類,使半透膜內的滲透壓增加(圖c),壓力增加至某一程度造成半透膜破裂,金屬鹽水溶液因而流出(圖d)。流出的金屬鹽水溶液一接觸水玻璃,又形成半透膜(圖e),水再次滲透進入、半透膜再破裂…..,如此反覆進行,結晶就一直延伸生長。

 

上述過程中,水玻璃與金屬離子反應,形成矽酸鹽薄膜的結構如圖五所示以銅離子為例,當硫酸銅加入水玻璃水溶液中,銅離子與水玻璃中的鈉離子交換,銅離子可以和其他矽酸離子形成更複雜的離子鍵,進而形成結晶。但是實際的反應過程頗為複雜,不只是包括圖五的結構,例如Collins, Zhou, Mackay., Klinowski(1998)由電子顯微鏡的觀察,發現半透膜包括了三層的結構,分別是:金屬的氧化物(或氫氧化物)、矽酸金屬(metal silicate)、矽膠(silica)。由於化學花園包含的現象相當豐富,直到2010年都還有相關學術論文的發表。

 

※叮嚀的話

1.水玻璃水溶液的濃度,會影響對於結晶的形成速度與大小,版主以硫酸銅試驗的結果,以水玻璃:水=1:5的比率效果最佳

2.實驗後的廢棄液,務必倒入回收桶處裡,不可隨意倒掉!

3.在教學上可以指導學生進行操作與討論以下問題:(1)將不同金屬鹽類的結晶情形,以素描方式紀錄結晶形狀,可以增加學生的印象以及觀察能力。(2)實驗各種不同濃度的水玻璃水溶液,對於結晶情形有何影響?(3)討論「半透膜」的特性,有哪些構造也是屬於半透膜?有何功能?

※參考資料

1. Cartwright, J. H. E., Garc´ıa-Ruiz, J. M., Novella, M. L., & Ot´alora, F. (2002). Formation of chemical gardens. Journal of Colloid and Interface Science, 256 (2), 351-359.

2. Silica Gardenhttp://silica-rockgarden.blogspot.tw/

3. Pagano, J. J. (2008). Growth dynamics and composition of tubular structures in a reaction precipitation system. (Doctoral dissertation). Retrieved from http://diginole.lib.fsu.edu/etd/2381/

4. Lateral Science-Colloidal Growthhttp://www.lateralscience.co.uk/misc/coll.html

5. Collins, C., Zhou, W , Mackay, A. L., & Klinowski, J. (1998). The silica garden: A hierarcharical nanostructure. Chemical Physics Letters, 286, 88–92.

6. 方金祥、游苑平(2005)。兒童創意科學實驗之設計—奇妙的海底世界。科學教育月刊,第277期,23-24。