碳的結構與性質

出自 全民科學平台
於 2019年4月5日 (五) 10:57 由 林子君 (對話 | 貢獻) 所做的修訂
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製造幾種結構相異的碳,探討這些碳的性質。                  




實驗材料:

  • 1.活性碳
  • 2.木碳
  • 3.備長碳
  • 4.塑膠杯
  • 5.蠟燭
  • 6.打火機
  • 7.雞蛋
  • 8.夾子
  • 9.滴管
  • 10.餘氯指示劑
  • 11.布手套
  • 12.色素
  • 13.線香
  • 14.瓶子
  • 15.茶袋
  • 16.湯匙
  • 17.色素
  • 18.白紙一張
  • 19.棉花棒
  • 20.檸檬
  • 21.烤箱


1.現象說明:

活性碳、木碳及備長碳其功能相當多,可應用於日常生活中,不同種類的碳也應用在不同的地方,透過各種不同製備方式的碳,經由實驗來探究碳的性質。

2.教學目標

製造結構相異的碳,探討這些碳的性質。

3.實驗步驟

活動一: 各種碳外觀、功能之比較                  

  • 1.觀察各種碳之外觀有何不同?
  • 2.敲敲看木碳與備長碳聲響有何不同?



活動二: 碳顆粒黑珍珠的生成                  

  • 1.每人戴上布手套取一湯匙在蠟燭上慢慢燻黑,用滴管取水慢慢在湯匙滴上一滴水。
  • 2.將水珠慢慢裹上一層碳顆粒(要裹均勻不可有縫隙)即可生成碳顆粒黑珍珠。
  • 3.再將碳顆粒黑珍珠輕輕置入水中觀察看看是否可以在水中漂浮 ?



活動三: 黑金雞蛋的誕生                  

  • 1.每組用夾子取一雞蛋在酒精燈上加熱將蛋殼表面燻黑。
  • 2.再將黑雞蛋放入水中,觀察在水中看到的雞蛋與原先的雞蛋有何不同?



活動四: 比較活性碳、備長碳與木碳的除色功能                  

  • 1.將三個塑膠杯中的自來水加入碘酒,分別將備長碳、活性碳與木碳加入,觀察溶液變化。
  (說明:留意加入碳一段時間之後,溶液會恢復清澈,且剛放入時,碳的毛細孔會不斷冒出氣泡,注意三種碳的差別。)
  • 2.再分別將活性碳與木碳放入兩杯紅色色素水中,另一杯為對照組,一段時間後觀察哪一杯顏色變淡了?
  • 3.取上述效果較佳的碳分別在紅、藍、綠三杯色素水中,比較看看去除哪一種顏色的色素水效果較佳?



活動五: 比較活性碳、備長碳與木碳的空氣淨化的功能                 

  • 1.分別將活性碳、備長碳與木碳裝入茶袋中。
  • 2.分別將線香點燃後放入四個瓶子中。
  • 3.再將裝入茶袋中的活性碳、備長碳與木碳分別快速塞入三個瓶中蓋上瓶蓋,另一瓶子為對照組。
  • 4.觀察看看哪一瓶子的煙量減少了?



活動六: 比較活性碳、備長碳與木碳的淨水的功能                  
(1)水中餘氯之去除                  

  • 1.分別將四杯含有氯的自來水加入氯指示劑,使其出現顏色方便觀察。
  • 2.分別將活性碳、備長碳與木碳放入兩杯水中,另一杯為對照組。
  • 3.攪拌後靜置,並觀察顏色變化,哪一杯顏色變淡了?



(2)水中懸浮物及雜質之去除                  

  • 1.取水溝的水置於四塑膠杯中,並分別加入活性碳、備長碳與木碳於三杯水中,另一杯為對照組。
  • 2.攪拌後靜置,並觀察顏色變化,哪一杯水變乾淨了?



活動七:自製過濾器                  

  • 1.取一50毫升的針筒,在其下方鋪上一層棉花,輕塞於洞口。
  • 2.將活性碳鋪於上方,重複二至三次。
  • 3.再將髒水從上方到下,下方用一塑膠杯接收過濾水並觀察。



活動八: 無字天書                  

  • 1.首先先將檸檬切開擠出汁液至於杯中。
  • 2.用棉花棒沾檸檬汁在白紙上書寫或畫畫,放置乾燥。
  • 3.將放置乾燥的白紙置於烤箱中烘烤,直至書寫內容出現為止。
  • 4.觀察在烘烤過程中,書寫的文字是慢慢浮現還是烘烤立刻出現?
  (說明: 檸檬汁在紙上書寫後放於火上,會使檸檬汁中的檸檬酸碳產生化學變化,進而變色,形成白紙上出現文字的現象。)



4.問題與討論

  • 4-1 自製的活性碳過濾器可以多次使用嗎?
  • 4-2 哪一種碳的淨水效果最好?你能設計出「公平」的比較方式嗎?



5.參考文獻

1. 關於活性碳: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B4%BB%E6%80%A7%E7%82%AD

2. 關於備長碳: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%82%99%E9%95%B7%E7%82%AD

6.進階知識

自然界中的蓮花葉子,具有所謂的「蓮葉效應」(Lotus effect),亦即由於蓮葉表面有奈米級的纖毛結構,而使水滴不會附著在葉子上的疏水性質(Hydrophobicity)。也因此蓮葉具有「自我淨潔」(self-cleaning)的功能,因為水滴不容易吸附在葉子表面,容易滾動滑落,會將灰塵一起帶著離開葉面。 本實驗的湯匙在酒精火焰上或將雞蛋表層烤黑,會吸附一層很微小,達到奈米尺度的黑色碳微粒,於是如同蓮葉效應顯現出疏水性,水滴無法附著在湯匙上。 隨著水滴的滾動將疏水性的碳顆粒均勻的裹在表面,將其置入水中後便不會被分散,而是浮在水面上。雞蛋表層附著了奈米級結構的碳微粒具有疏水性,因此放入水中之後,水與微粒碳之間有一層很細微的空氣層。 當水中四面八方的光線入射到雞蛋時,入射角比較小的光線(下圖藍色箭頭)可以折射進入空氣層,再照射到黑色碳被吸收(黑色物體不反射光線)。但是入射角比較大的光線(紅色箭頭)則發生「全反射」(即沒有折射),反射至水面再折射進入空氣,因此在水面上方可以看到光線,看起來就亮亮的。(註:水發生全反射的臨界角度是49度)