"喝水鳥的能量轉換與流動" 修訂間的差異

於 2019年12月10日 (二) 11:42 的修訂

原始設計者:彰師大

喝水鳥不斷地喝水的動作，和分子間的吸引力、分子的蒸氣壓、能量的流動有關。

1.現象說明

喝水鳥為一裝飾成鳥的玩具，玻璃管內部有密封的彩色液體，鳥的頭及喙以泡棉包覆之。將其放在水杯旁，喝水鳥會反覆地做像是喝水的動作。

2.探究問題

喝水鳥反覆喝水的動作，看起來似乎永遠地動下去。然而喝水鳥運動看似沒有能量來源。我們將探討喝水鳥的內容分子的性質，能量如何從外界流入，以及能量與液體分子之間的關係。

3.實作項目

3.1 將喝水鳥頭部的泡棉沾水，放在水杯旁，讓喝水鳥反覆動作。觀察喝水鳥的動作及內部液體的變化，必要時調整喝水鳥高度。若室溫太低(低於25 。C) 時，喝水鳥可能無法運動，可以點蠟燭或開暖氣讓喝水鳥周圍的環境溫度上升。
3.2 喝水鳥的包裝上有內含液體的分子式，將分子式寫下來:
3.3 觀看所附的分子動力學影片，水分子吸收能量而蒸發，其中影片中每秒顯示的運動約發在一皮秒(10-12 秒) 。

https://www.youtube.com/watch?v=IGEP-u1PNX0

4.分析與結論

4.1 喝水鳥玻璃瓶中的液體是二氯甲烷(CH2Cl2 )，結構為

二氯甲烷的沸點是 39 °C，遠低於水的沸點100 °C。前面的分子動力學影片模擬水的蒸發，嘗試解釋為什麼二氯甲烷會比水更容易蒸發。二氯甲烷分子間的吸引程度，和水比較如何?

4.2 閱讀以下關於「電負度」的簡介，並探討問題。

電負度: 電負度 (electronegativity)，也稱負電性或陰電性，每一個原子都有其特有的，大於零的電負度數值。電負度越大的原子，在與另一原子鍵結時吸引電子的傾向越強，越具有局部負電，鍵結的另一端則帶局部正電。分子內的局部正負電分布越明顯，越容易彼此吸引電負度沸點較高。電負度順序為: F> O > N, Cl > Br > S > I > C > P > H

從電負度順序，你認為二氯甲烷或水較易具有局部正負電 ?

4.3 喝水鳥內的彩色液體看起來逐漸地往上爬，你認為液體分子為什麼會逐漸在液體的上方累積呢?
4.4 喝水鳥頭部的泡棉沾水，使得彩色液體更容易往上爬。泡棉沾水的目的為何 ?
4.5 試述喝水鳥運動過程中，二氯甲烷反覆變化的過程中能量的流動。根據你的敘述，試討論: 如果喝水鳥內部的液體換成水或酒精，喝水鳥會動嗎? 為甚麼 ?

5.教學目標與評量

5.1 能從電負度差異，判斷水分子的局部正負電分立程度大於二氯甲烷，前者有較大的分子間吸引力。
5.2 能知道二氯甲烷因分子間吸引力較小，沸點較低且蒸氣壓較水為高。
5.3 能知道外部氣體的能量流向喝水鳥，喝水鳥的頭部泡棉將二氯甲烷氣體降溫使其凝結，讓二氯甲烷液體向上累積。

6.參考資料

6.1 參考文獻

[1] 喝水鳥簡介 : https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%A5%AE%E6%B0%B4%E9%B8%9F

[2] 蒸氣壓 : https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%92%B8%E6%B0%A3%E5%A3%93

[3] 二氯甲烷 : https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%8C%E6%B0%AF%E7%94%B2%E7%83%B7

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-<div style="border-style: double; width:20%">
-<font size="4" color="black">
-:'''實驗材料：'''
-</font>
-#氯化鈣
-#海藻酸鈉
-#氯化鈉
-#食用色素
-#藥匙
-#製冰盒
-#湯匙
-#盆子
-#透明塑膠杯
-#量筒
-#滴管
-</div>
 </td>
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 ==1.現象說明 ==
-半透膜(semipermeable membrane)是可以讓特定分子或離子以擴散方式通過的薄膜，生物體中有許多半透膜，例如血球。血液約占人體體重的十三分之一，血液中百分之四十五是血球，其中紅血球占了百分之九十九，在紅血球的外層有一層具有高度選擇性的半透膜，水很容易就可以通過這種半透膜，如果將紅血球放入水中，水就會通過半透膜進入紅血球，最終紅血球將無法負荷而脹破；相反地，如果將紅血球放入飽和食鹽水中，水就會通過半透膜而滲透到外面的食鹽水，最終紅血球就會因缺水而萎縮。
+喝水鳥為一裝飾成鳥的玩具，玻璃管內部有密封的彩色液體，鳥的頭及喙以泡棉包覆之。將其放在水杯旁，喝水鳥會反覆地做像是喝水的動作。
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 ==2.探究問題 ==
-利用簡單藥品製成半透膜，探討半透膜的構造及現象。
+喝水鳥反覆喝水的動作，看起來似乎永遠地動下去。然而喝水鳥運動看似沒有能量來源。我們將探討喝水鳥的內容分子的性質，能量如何從外界流入，以及能量與液體分子之間的關係。
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 ==3.實作項目 ==
-*3.1	製作粉圓步驟 :
+*3.1	將喝水鳥頭部的泡棉沾水，放在水杯旁，讓喝水鳥反覆動作。觀察喝水鳥的動作及內部液體的變化，必要時調整喝水鳥高度。若室溫太低(低於25 。C) 時，喝水鳥可能無法運動，可以點蠟燭或開暖氣讓喝水鳥周圍的環境溫度上升。
-:*3.1.1	將2克的海藻酸鈉(sodium alginate)溶於100 ml的水中，用筷子攪拌至透明澄清。
+*3.2	喝水鳥的包裝上有內含液體的分子式，將分子式寫下來:
-:*3.1.2	將上述海藻酸鈉溶液分成五等份，分別滴入不同食用色素，放置在透明塑膠杯中備用。:
+*3.3	觀看所附的分子動力學影片，水分子吸收能量而蒸發，其中影片中每秒顯示的運動約發在一皮秒(10-12 秒) 。
-:*3.1.3	將1克的氯化鈣溶於100 ml的水中，放置於另一塑膠杯中備用。
+:: https://www.youtube.com/watch?v=IGEP-u1PNX0
-:*3.1.4	用滴管取海藻酸鈉溶液，一滴一滴地滴入氯化鈣溶液中，即可看見滴入氯化鈣中的海藻酸鈉溶液變成一顆顆的七彩粉圓(如下圖)。
-:*3.1.5	將海藻酸鈉溶液，連續緩慢地倒入氯化鈣溶液中，產生長條型的七彩粉圓。
-:*3.1.6	利用滴管，以不同的速率及大小製造不同形狀的七彩粉圓。
-::<img style="width:350px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d7/%E5%8D%8A%E9%80%8F%E8%86%9C_%E7%92%B0%E4%BF%9D%E6%B0%B4%E7%90%83-Ooho_1.png'/>
-*3.2	製作Ooho步驟:
-:*3.2.1	製作球型飲用水冰塊。
-:*3.2.2	將1g氯化鈣溶於100ml水中。
-:*3.2.3	冰箱取出冰球並置於純水中，注入少量氯化鈣水溶液於製冰盒並將冰球放入(氯化鈣水溶液須完全包覆冰球)，放入冰箱冷凍。
-:*3.2.4	將20g海藻酸鈉溶於1000ml熱水中，攪拌至澄清無顆粒。
-:*3.2.5	待海藻酸鈉溶液冷卻後，取出冰球浸泡於海藻酸鈉溶液中，並用湯匙不斷澆淋。
-:*3.2.6	當冰球開始形成薄膜，且內部冰塊約融化三分之二時撈出，並置於純水中待其完全融化(如下圖)。
-::<img style="width:350px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/56/%E5%8D%8A%E9%80%8F%E8%86%9C_%E7%92%B0%E4%BF%9D%E6%B0%B4%E7%90%83-Ooho_2.png'/>
-*3.3	滲透壓測試-放入不同濃度之鹽水
-:*3.3.1	製作球型冰塊並加入食用色素。
-:*3.3.2	重複步驟3.2.2至3.2.6
-:*3.3.3	分別配置1M、2M、3M、4M、5M之氯化鈉水溶液300 ml。
-:*3.3.4	將Ooho分別放入步驟3.3.3五種不同濃度之氯化鈉水溶液中。
-:*3.3.5	觀察溶液的變化(見影片:連結)。
-::1M: https://youtu.be/3qKKkozRx9c
-::2M: https://youtu.be/eOOQ8Q-ENQw
-::3M: https://youtu.be/9CW6cji5I-s
-::4M: https://youtu.be/P8RByPGVd-0
-::5M: https://youtu.be/AO8zNuprFLg
-*3.4	觀察氯化鈣換用氯化鈉後膜之外觀變化
-:*3.4.1	重複步驟3.1，將氯化鈣換成氯化鈉(如下圖)。
-::<img style="width:350px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b4/%E5%8D%8A%E9%80%8F%E8%86%9C_%E7%92%B0%E4%BF%9D%E6%B0%B4%E7%90%83-Ooho_3.png'/><img style="width:366px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/%E5%8D%8A%E9%80%8F%E8%86%9C_%E7%92%B0%E4%BF%9D%E6%B0%B4%E7%90%83-Ooho_4.png'/>
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 ==4.分析與結論 ==
-*4.1	為什麼滴入氯化鈣溶液中的海藻酸鈉液滴會形成七彩粉圓？
-*4.2	寫出海藻酸鈉加入氯化鈣之化學反應式。
-*4.3	七彩粉圓形成後，氯化鈣溶液會漸漸呈現紅色，試說明可能的原因。
-*4.4	寫出海藻酸鈉、CaCl2 溶解在水中的化學式。
-*4.5	寫出相同濃度及體積的NaCl和CaCl2 溶解在水中，何者解離的總離子電荷數較多?
-*4.6	日常生活中，還有哪些鹽類可進行上述實驗?
+*4.1	喝水鳥玻璃瓶中的液體是二氯甲烷(CH2Cl2 )，結構為
+::<img style="width:250px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0d/%E5%96%9D%E6%B0%B4%E9%B3%A5%E7%9A%84%E8%83%BD%E9%87%8F%E8%BD%89%E6%8F%9B%E8%88%87%E6%B5%81%E5%8B%952.png'/>
+::二氯甲烷的沸點是 39 °C，遠低於水的沸點100 °C。前面的分子動力學影片模擬水的蒸發，嘗試解釋為什麼二氯甲烷會比水更容易蒸發。二氯甲烷分子間的吸引程度，和水比較如何?
+*4.2	閱讀以下關於「電負度」的簡介，並探討問題。
+::電負度: 電負度 (electronegativity)，也稱負電性或陰電性，每一個原子都有其特有的，大於零的電負度數值。電負度越大的原子，在與另一原子鍵結時吸引電子的傾向越強，越具有局部負電，鍵結的另一端則帶局部正電。分子內的局部正負電分布越明顯，越容易彼此吸引電負度沸點較高。電負度順序為: F> O > N, Cl > Br > S > I > C > P > H
+::從電負度順序，你認為二氯甲烷或水較易具有局部正負電 ?
+*4.3	喝水鳥內的彩色液體看起來逐漸地往上爬，你認為液體分子為什麼會逐漸在液體的上方累積呢?
+*4.4	喝水鳥頭部的泡棉沾水，使得彩色液體更容易往上爬。泡棉沾水的目的為何 ?
+*4.5	試述喝水鳥運動過程中，二氯甲烷反覆變化的過程中能量的流動。根據你的敘述，試討論: 如果喝水鳥內部的液體換成水或酒精，喝水鳥會動嗎? 為甚麼 ?
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 ==5.教學目標與評量 ==
-*5.1	能實際配置，操作 ，獲得初步結論。
+*5.1 能從電負度差異，判斷水分子的局部正負電分立程度大於二氯甲烷，前者有較大的分子間吸引力。
-*5.2	能從實驗中看見擴散作用的進行。
+*5.2 能知道二氯甲烷因分子間吸引力較小，沸點較低且蒸氣壓較水為高。
-*5.3	學習簡易半透模的製作。
+*5.3 能知道外部氣體的能量流向喝水鳥，喝水鳥的頭部泡棉將二氯甲烷氣體降溫使其凝結，讓二氯甲烷液體向上累積。
-*5.4	計算化學反應與平衡。
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 ==6.參考資料 ==
-*6.1	參考文獻
+*6.1 參考文獻
-:[1] 關於海藻酸: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B5%B7%E8%97%BB%E9%85%B8
+::[1] 喝水鳥簡介  : https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%A5%AE%E6%B0%B4%E9%B8%9F
-:[2] 關於半透膜: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8D%8A%E9%80%8F%E8%86%9C
+::[2]  蒸氣壓 : https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%92%B8%E6%B0%A3%E5%A3%93
-:[3] 關於滲透壓: http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=4474
+::[3] 二氯甲烷 : https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%8C%E6%B0%AF%E7%94%B2%E7%83%B7
-:[4] SPYang 高瞻: http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=14818
-:[5]關於交聯作用: https://www.shs.edu.tw/works/essay/2015/03/2015032816334126.pdf
-*6.2	進階知識
-:*6.2.1	海藻酸鈉(alginic acid)的分子結構如下:
-::<img style="width:350px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a3/%E5%8D%8A%E9%80%8F%E8%86%9C_%E7%92%B0%E4%BF%9D%E6%B0%B4%E7%90%83-Ooho_5.png'/>
-:*6.2.2	海藻酸鈉(alginic acid)的聚合物分子結構如下:
-::<img style="width:600px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/52/%E5%8D%8A%E9%80%8F%E8%86%9C_%E7%92%B0%E4%BF%9D%E6%B0%B4%E7%90%83-Ooho_6.png'/>
-:*6.2.3	交聯作用
-::將海藻酸鈉滴入氯化鈣液時，液滴表面形成如下圖結構。氯化鈣中的鈣離子(Ca2+)取代海藻酸鈉中的鈉離子(Na+)進行交聯作用，在液滴外層形成薄膜，即為半透膜。此膜可包住內層中的海藻酸鈉溶液和水分子，而半透膜上具有許多微小孔洞，因此水分子(膜內)和鈣離子(膜外)可透過這些孔洞穿過半透膜，進行滲透作用，但大分子的海藻酸鈉則無法穿透。
-::<img style="width:650px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bb/%E5%8D%8A%E9%80%8F%E8%86%9C_%E7%92%B0%E4%BF%9D%E6%B0%B4%E7%90%83-Ooho.png'/>
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