市售的天氣瓶以天然樟腦結晶為主,還添加了其他鹽類,結成美麗的羽狀結晶。看到這些讓我們更好奇了,單一物質降溫即可析出晶體,加入其他溶劑溶質用意為何?配方比例怎麼找出來的?

 

X博士摘要說明】

  1. 配方天氣瓶基礎探索
  2. 探討配方瓶中添加各成分物質的影響
  3. 水份減少對配方溶液析出溫度的影響

 

第 55 屆 國中化學科作品

題目:寒暖霜晶透春秋~探索天氣瓶

作者:高雄市立國昌國民中學的同學們

 

【摘要(原文)

本篇報告從天氣瓶的基礎認知著手(第一部分),藉著增加天氣瓶的鹽類、藥用酒精之含量(第二部分),找出每一種物質對配方溶液的影響;接著減少水分,發現水分對天然樟腦藥用酒精溶液的析出溫度有增加的趨勢(第三部分)。由前方探索,我們用找到的規則性,製作對二氯苯藥用酒精溶液,並添加水分,增加析出溫度,做出第一種系列結晶溫度的水晶腦天氣瓶(第四部分),最後找到萘片結晶相關條件:在酒精中增加丙酮,減少析出溫度,終於得到第二種系列結晶溫度的萘片天氣瓶(第五部分)。以原配方天氣瓶為主軸,統整查詢的資料,改變不同的物質,我們發現不同天氣瓶的內容物溶劑比例對析出溫度有規則性,可以推算公式,做出各具特色的美麗天氣瓶。

 

X博士步驟說明】

  • 配方天氣瓶基礎探索

1.將硝酸鉀 2.5g 和氯化銨 2.5g 溶解於 33mL 熱水中

2.將天然樟腦 10g 溶解於 40mL 藥用酒精中

3.將藥用酒精溶液,放置於電磁加熱攪拌器上,緩慢加熱至完全溶解。

4.將步驟1的水溶液分段加到步驟3的藥用酒精溶液中,加熱攪拌至完全透明。

5.完成澄清液置於密封玻璃瓶中,隨天氣變化長期觀察結晶動靜。

投影片2

長期觀察發現~結晶速度越慢,晶體形態越大越清晰。溫度越低,結晶量越多。

 

  • 以配方瓶成分比例為準,將天然樟腦以市售萘丸、對二氯苯取代,比較差異。

投影片3

 

  • 配方瓶水分多寡對析出溫度的影響(系列天氣瓶)

投影片4

1.公式為 y(析出溫度) = 1.0129x水量- 5.9547,大約是每加 1mL 水,升高 1℃。

2.配方瓶的含水量似乎與晶體析出溫度,在常見天氣溫度範圍內成線性。

 

數據分析與結論

由於樟腦晶體與冰一樣屬於六方晶系(六方晶體:三軸等長,且相交成 60 度角。另一不等長的軸則與此平面垂直),因此當降溫速率較快時,結晶也為六瓣狀,有如雪花一般。天氣瓶若要觀賞用,單一物種就可以辦到,為何需要兩種溶液、有機化合物樟腦與鹽類?經過一連串的實驗,我們確信任何溶質溶於易溶的溶劑中,用不溶的溶劑驅使析出,應該都可以找出常見天氣溫度析出的最佳配方比例。

 

以下是評審給的評語

投影片5

 

X博士評語】

在系列配方天氣瓶中,藥用酒精是用來溶解主要結晶有機物質,水分是用來析出有機化合物晶體。水與藥用酒精牽制之下,可用來控制溶液的析出溫度。所以,當每個天氣瓶配方調對,慢慢等到屬於他的溫度,終將析出滿滿獨特晶體,不妨可試試看調配出屬於自己的天氣瓶。