翁雪芳老师组员李亚轩-2015全国科学探究竞赛-这样教我就懂.PDFVIP

2015 全國科學探究競賽-這樣教我就懂 隊名：軒魚雞隊 指導老師：翁雪芳老師 組員：李亞軒、余驊宸、劉恩宇 主題名稱：冰塊減肥記 摘要 製冰盒的冰塊在冰箱裡久了，會開始變小，我們對此感到好奇，加上國中時學習到液體 水分子的散逸造成蒸發，因此做實驗探討溶質離子數對昇華的影響。我們認為表面粒子數量 影響昇華速率，假設加入的溶質完全解離並以離子數不同做比較，我們發現溶質的粒子數愈 高，蒸發量愈低，但物質中若含有硫酸根，則可能會使昇華量減少。 探究題目與動機 物理課本中曾提到液體有蒸發的作用，但製冰盒的冰塊在冰箱裡久了，也會開始變小，那 冰塊是否也會有這個現象呢？不同的溶液之間的差異是如何？液體時溫度與蒸發速率的關係 又是如何？我們將對此進行研究。 探究目的與假設 液體蒸發源自於水分子的散逸，如果表面有物體的覆蓋將會降低蒸發。我們認為冰塊的 昇華亦是水分子的脫離，那麼冰面的溶質也會造成昇華的減緩，表面離子愈多造成影響的幅 度愈大。透過實驗，我們希望能夠證明粒子數的提高能造成昇華量的減少，反之亦然。 探究方法與驗證步驟 實驗一、瞭解不同溶質的離子數對冰塊昇華速率的影響。 （一）以電子天秤秤量100 克的純水倒入塑膠杯，共三杯。 （二）以10%的濃度配製氯化鈉水溶液三杯。 （三）改變溶質為硫酸鎳、硝酸鎳、氯化鎳、氯化鎂，重複步驟二（若化合物含結晶水，有 扣除結晶水的分子量。），總共配製十八杯。 （四）將溶液放置到冷凍庫中，並放入溫濕度計，作為環境監控的紀錄。 （五)每隔一個星期，測量其質量變化，並進行比較分析。 圖一：不同溶質昇華情形長條圖。 （一）研究發現： 由長條圖顯示平均昇華量由大到小為純水(-13.56g)氯化鎂(-13.49g)氯化鎳(-13.29g)硝酸鎳(- 13.12g)氯化鈉(-12.83g)硫酸鎳(-9.48g) 。原本我們預估的結果為一顆粒子的昇華量最多，依 序為兩顆、三顆，而結果顯示，一顆粒子的昇華量確實高過於三顆粒子的昇華量，此結果符 合我們的推測，表示粒子愈少，昇華量愈高； （二）討論：研究結果顯示兩顆粒子的昇華量最低，尤其硫酸鎳最為明顯，在查尋硫酸根離 子性質的相關資料後，發現硫酸根離子的解離度大於其他酸根離子，也因此而影響昇華量， 由此推得離子解離度愈高，昇華量愈低。 實驗二、瞭解硫酸根對冰塊昇華速率的影響。 （一）以電子天秤秤量100 克的純水倒入塑膠杯，共三杯。 （二）配製100 克10%的硫酸水溶液三杯。 （三）改變溶質為硫酸鈷、硝酸鈷、氯化鈷、硫代硫酸鈉、硫酸銅，配製 100 克10%水溶 液。 （四）將所有溶液放置冷凍庫中，作為環境監控的紀錄。 （五）每隔一個星期，測量其質量變化，並進行分析。 圖二：瞭解硫酸根對冰塊昇華速率的影響。 (一)研究發現： 1. 平均昇華量由高到低的比較為，硝酸鈷(4.69g)硫酸(4.63g) 氯化鈷(4.32g)硫硫酸鈉 (1.96g)硫酸鈷(1.73g)硫酸銅(1.61g) 。 (二)討論： 1. 硫酸鈉、硫酸銅、硫酸鈷皆含有硫酸根粒子，三者的平均昇華量較其他水溶液低，且 除了硫代硫酸鈉水溶液之外，另兩者的趨勢較接近，由此我們推論可能是因為硫酸根 粒子與水的作用力較大，影響水分子散逸，導致昇華量較低。 2. 原理探討： （一）瞭解不同溶質的離子數對冰塊昇華速率的影響。 液體當中，每個粒子之間都有一段距離，解離出的粒子數愈高，其占的空間比例愈大， 表面水愈少，昇華量便隨之降低。 （二）瞭解硫酸根對冰塊昇華速率的影響。 硫酸溶液與硝酸鈷的昇華量較接近，我們認為是因為濃硫酸分子中的硫酸根能和水分 子中的氫原子生成強氫鍵 。反之，稀硫酸的氫鍵相較之下作用力較弱，因爲稀硫酸中 硫酸根本身帶有氫粒子，且有大量的水，因此硫酸的氫鍵已經接近飽和，能再與水分 子作用的程度較低，所以對水分子的吸引力較低。 結論與生活應用/教學應用 研究的結果證明了在一般情形當中，粒子數的提高確實能造成昇華量的減少 ，但若其中 的粒子能夠吸引水分子，昇華量可能會再有影響。 南北兩極的冰層融化是工業革命以來人類的嚴重問題之一，即便並非融化亦又不少昇 華，亦有不少昇華。若與地球暖化作連結，把不同的溶質所製之冰覆蓋冰面，或許