彈珠汽水

出自 全民科學平台
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原作者:謝迺岳
關鍵詞:酸鹼中和,絕熱膨脹,童玩
同義詞:古早汽水,傳統汽水,納姆內汽水

把檸檬酸和小蘇打混合後,密閉在瓶內就成為汽水了。汽水開瓶後會發出「啵」的一聲冒出白霧,然後瓶身變得涼涼的,喝到肚裡更涼快。在沒有冰箱的年代,用玻璃珠封口的汽水(納姆內)是所有人的最愛。


       

為什麼打開汽水瓶後是涼涼的?


探究問題

  1. 汽水瓶內的氣壓有多強?
  2. 汽水的pH值是多少?
  3. 為什麼打開汽水瓶後是涼涼的?
  4. 汽水在生活中有什麼應用?


實作項目

  1. 材料
    檸檬酸(C₆H₈O₇),小蘇打(碳酸氫鈉,NaHCO₃),廣用指示劑,氣球棒 (38cm),針筒(20mL),透明塑膠杯(150mL)
  2. 製作
    將100g小蘇打粉溶於900mL水中,60g檸檬酸晶體溶於40mL,使它們成為飽和水溶液。在兩杯溶液中各加入1mL廣用指示劑,會呈現漂亮的顏色,顯示出它們的酸鹼性。
  3. 操作
    在寶特瓶內裝150mL飽和小蘇打溶液,然後在瓶中加滿水並搖勻。鎖緊瓶蓋,倒轉瓶子後用力擠壓瓶身,以確認瓶蓋不漏氣。接著取下寶特瓶蓋,在蓋子上鑽一個小孔,並將氣球棒插入小孔,確認氣球棒能卡緊瓶蓋不漏氣。
    1. 猜測:在一個塑膠杯中加入50mL飽和小蘇打水溶液,用針筒將檸檬酸水溶液滴入杯中,預測用多少飽和檸檬酸水溶液才能使溶液中和?先猜想再觀察。
    2. 猜測:用針筒盛20mL飽和檸檬酸水溶液,在戶外(手持或放在地面)把氣球棒插入裝有小蘇打水溶液的寶特瓶內並鎖緊瓶蓋;將檸檬酸水溶液壓入瓶內,則混合液會噴得很高。共做四次實驗,使每次瓶內的小蘇打質量相同但水量不同,預測水溶液能噴的多高?先猜想再觀察。
    3. 猜測:在實驗2的瓶蓋上鑽第二個小孔,再插入一支10cm長的氣球棒。用針筒盛20mL飽和檸檬酸水溶液,插在長氣球棒上,然後鎖緊瓶蓋。將寶特瓶倒立,用針筒每次注入5mL檸檬酸,預測會產生多少氣體?先猜想再觀察。


結果與討論

檸檬酸溶於水中會降溫,是由於晶體被水分子拉開時需要能量;然而把檸檬酸加入小蘇打水溶液中水溫下降更多,則是因為二氧化碳氣體快速析出(絕熱膨脹,類似冷氣機的運作方式)。

  1. 結果:50mL飽和小蘇打水溶液與6.5mL飽和檸檬酸水溶液可以完全反應;中和 時水溶液為綠色,而且摸杯子會感覺涼涼的。原因是小蘇打和檸檬酸的反應式 為:C₆H₈O₇ +3NaHCO₃→Na₃C₆H₅O₇+3CO₂ +3H₂O。分子量分別為小蘇打
  2. 結果:水能夠噴到三層樓高,表示瓶內的氣壓至少有三個大氣壓。實驗中,瓶內的小蘇打含量都相同,額外增加的清水可以讓小蘇打稀釋使反應快速,且裝滿水的瓶內氣壓增加較快,能使水噴的愈高。
  3. 結果:瓶中若有150mL飽和小蘇打水溶液,則含有15g小蘇打,使用20mL的檸 檬酸液 恰可以中和且完全反應,在常溫下能產生4.4L的二氧化碳。然而每次往 瓶內注入5mL的溶液只能耗掉1/4小蘇打,有些小蘇打水溶液尚未產生二氧化 碳氣體就被排出瓶外;另外,溶於水中的二氧化碳也使瓶內的氣壓不足,所以 實驗不易操作,值得進一步探究。


教學目標

遊戲不限年齡,而相關化學公式必須國中程度以上才能理解。

  1. 知識上:認識汽水的成分與化學式,理解吸熱放熱的分子領域解釋。
  2. 技能上:精密實驗、控制變因、配製飽和溶液、鑽孔與密閉等操作。
  3. 情意上:喜歡鄉土科學,願意深入探索與計算。

應用

  1. 在科學上:酸鹼中和、絕熱膨脹、化學反應式的平衡、波以耳定律等的學習。
  2. 在科技上:消暑降溫,製備二氧化碳;冷氣工作原理,滅火器。
  3. 在藝術上:配製彩虹汽水。
  4. 進階活動:設計汽水車比賽。

參考資料