※器材：水玻璃、燒杯、各種金屬鹽類

「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.取「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（9.6M）

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。

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？

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 Garden：http://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 Growth：http://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。