"喝水鳥的能量轉換與流動" 修訂間的差異

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<font size="4" color="black">
 
:'''實驗材料:'''
 
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#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 ==
 
==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。
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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 ==
 
==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。
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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.實作項目 ==
  
*3.1 製作粉圓步驟 :               
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*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。:
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*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。
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:: 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.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?
 
  
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*4.1 喝水鳥玻璃瓶中的液體是二氯甲烷(CH2Cl2 ),結構為
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::<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'/>
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::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?
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*4.2 閱讀以下關於「電負度」的簡介,並探討問題。
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::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
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::從電負度順序,你認為二氯甲烷或水較易具有局部正負電 ?
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*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?
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*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 ?
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*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.教學目標與評量 ==
  
*5.1 能實際配置,操作 ,獲得初步結論。
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*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。
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*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。
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*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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行 112: 行 66:
 
==6.參考資料 ==
 
==6.參考資料 ==
  
*6.1 參考文獻
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*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
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::[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
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::[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
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::[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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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