半透膜:環保水球-Ooho

原始設計者:林子君

2014，三名就讀倫敦皇家藝術學院 RCA 的學生 Rodrigo García González 、 Pierre Paslier 和 Guillaume Couche 組成的團隊Skipping Rocks Lab為了替環保盡一份心力以及改善人類喝水的習慣，決定設計 100 % 無汙染、環保且可以吃的「水球」 Ooho ，讓飲用水容器不再成為地球環境的負擔。 實驗材料： 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

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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。

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。

3.實作項目

• 3.1 製作粉圓步驟 :

• 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。
• 3.1.2 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。:
• 3.1.3 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。
• 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。

• 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)。

• 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)。

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?

5.教學目標與評量

• 5.1 能實際配置，操作 ，獲得初步結論。
• 5.2 能從實驗中看見擴散作用的進行。
• 5.3 學習簡易半透模的製作。
• 5.4 計算化學反應與平衡。

6.參考資料

• 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

[2] 關於半透膜: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8D%8A%E9%80%8F%E8%86%9C

[3] 關於滲透壓: http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=4474

[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:

• 6.2.2 海藻酸鈉(alginic acid)的聚合物分子結構如下:

• 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。