彈珠汽水

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。

探究問題

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

實作項目

1. 材料
   檸檬酸（C 6 H 8 O 7 ），小蘇打（碳酸氫鈉，NaHCO 3 ），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：C 6 H 8 O 7 +3NaHCO 3 →Na 3 C 6 H 5 O ７ +3CO 2 +3H 2 O。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。