金門地區第 55 屆中小學科學展覽會作品說明書 冰水奇鹽 科 組 別 : 化學組 別 : 國小組 作品名稱 : 冰水奇鹽 關鍵詞 : 冰塊 鹽巴 過冷水 編號 : 1
摘要炎炎夏日, 真想來一杯清涼飲料! 自動販賣機的可口可樂是我的最佳首選, 尤其是最新產品 急凍凝冰, 可樂竟然可以瞬間結冰, 可以喝到碎冰沙更暢快! 真是太幸福了! 每個人好像是魔術師一樣取出飲料按照步驟就能讓可樂瞬間結冰, 這真的是魔術嗎? 還是加了什麼特殊的配方呢? 我能不能再家裡也製作出 急凍凝冰 呢? 壹 研究動機校外教學參觀的時候阿翔帶了一瓶可口可樂, 說是新產品 急凍凝冰 會變冰沙, 中午準備打開來喝, 好多同學都圍過去準備一探究竟, 沒想到阿翔打開瓶蓋左搖右晃, 可口可樂還是可口可樂, 雖然一樣好喝, 但是 急凍凝冰 不但沒有變成冰沙, 放在阿翔的背包反而還溫溫的咧! 老師在旁邊笑了笑, 不告訴我們答案, 只跟我們說下次要讓大家見識真正的 急凍凝冰 我和幾個同學回到學校圍著老師要答案, 老師要我們一起當小老師請大家喝 急凍凝冰, 飲料老師請客, 但是我們要示範實驗並講解給同學聽 哇! 天下竟然有這 白喝的一罐汽水 我們何樂而不為呢? 於是開始了我們一連串 冰水奇鹽 的研究 貳 研究目的 一 探討加什麼東西會使冰塊周圍溫度下降及找尋溫度下降的原因 二 揭開神奇魔法 急凍凝冰 的奧秘 參 研究設備及器材一 實驗器具 : 第一部分 : 酒精溫度計 燒杯 電子磅秤 塑膠量杯 攪拌棒 碼表 第二部分 : 冰桶 溫度計 碼表 第三部分 : 冰箱 二 實驗材料 : 第一部分 : 冰 鹽 糖 味精 蕃薯粉 小蘇打粉 石灰粉 麵粉 醬油 2
第二部分 : 冰塊 鹽 汽水 果汁 ( 有果肉 ) 第三部分 : 綠茶 紅茶 運動飲料 奶茶 無果肉果汁肆 研究過程或方法 冰水奇鹽 實驗分為三部份, 第一部份將嘗試如何運用生活中不同的材料使冰塊周圍的溫度下降至冰點 第二部份將運用第一部分的結論為基礎協助製作汽水與果的 急凍凝冰 第三個部份延伸第二部份的實驗, 測試市面上綠茶 紅茶 運動飲料 奶茶 無果肉果汁製作成 急凍凝冰 的可能性 第一部分 步驟一 : 在燒杯中分別倒入 450 公克的冰塊 步驟二 : 觀察溫度計未放入燒杯前的溫度 步驟三 : 各燒杯分別加入 150 公克的糖 味精 蕃薯粉 小蘇打粉 石灰粉 麵粉 醬油 鹽, 並充分攪拌 3
步驟四 : 將酒精溫度計放入裝有冰塊與材料 步驟五 : 每隔 2 分鐘紀錄各燒杯溫度的變化 步驟六 : 將步驟四的紀錄製作表格, 找出能使冰水溫度下降最多的材料 4
第二部分 步驟一 : 運用實驗中第一部分使溫度下降最多的材料鹽作為媒介 步驟二 : 準備 A 桶及 B 桶, 每桶放入一罐相同容量的汽水及同容量一罐果汁 步驟三 : 將汽水及果汁置入冰桶, 冰塊與鹽以層層堆疊的方式放入冰桶內 5
步驟三 : 將溫度計置入冰桶, 測量溫度是否能維持冰點及平均溫度 步驟四 : 將 A 桶及 B 桶中的汽水及果汁分別於於 30 分鐘,50 分鐘時取出 步驟五 : 依照 急凍凝冰 飲用步驟測試汽水及果汁的變化 :1. 扭開瓶蓋 2. 讓空氣注入後, 重新蓋上瓶蓋 搖動瓶身 6
步驟六 : 觀察及討論果汁及汽水對於能否製作成 急凍凝冰 的要素 第三部分 步驟一 : 將綠茶 無果肉果汁 奶茶 運動飲料 紅茶冰入冰箱冷凍 步驟二 : 計時一小時二十分將冷凍庫的飲料取出 7
步驟三 : 搖晃 敲擊飲料, 觀察是否可以製作成 急凍凝冰 伍 研究結果 一 所使用的材料中, 鹽能使冰塊溫度下降最多 不同材料加入放有冰塊的燒杯溫度變化表 材料溫度 ( C) 時間 ( 分 ) 小蘇 打粉 醬油 地瓜 粉 鹽 麵粉 石灰 粉 太白 0 23 C 23 23 23 23 23 23 23 粉 白糖 2-2 -4 5-5 1 0 0 1.5 4-3 -8 4-12 -1 0-1.9-2 6-3 -8 1-13 -1.5 0-2 -1 8-3 -8 1-21 -1.5 0-2 -3 10-3 -8 1-21 -1.5 0-1.9-3.8 12-3 -8 1-21 -1.5 0-1 -3.8 14-3 -7 0-21 -1.5 0-1 -4 16-3 -7 0.5-21 -1.5 0-1.5-4 18-3 -7 1-21 -1.5 0-1 -4 20-3 -7 0-21 -1.5 0-1 -4 22-3 -7 0-21 -1.5 0-1 -4 24-3 -7 0-21 -1.5 0-1 -4 26-3 -7 0-21 -1.5 0-1 -4 28-3 -7 0-20 -1.5 0-1 -4 29-3 -7 0-20 -1.5 0-1 -4 30-3 -7 0-20 -1.5 0-1 -3.8 8
二 用汽水能夠自製飲料 急凍凝冰 三 含有果肉的果汁無法製作成飲料 急凍凝冰 四 無果肉的果汁無法製作成飲料 急凍凝冰 五 奶茶無法製作成飲料 急凍凝冰 六 綠茶不容易製作成飲料 急凍凝冰 七 運動飲料不容易製作成飲料 急凍凝冰 八 紅茶不容易製作成飲料 急凍凝冰 陸 討論原本實驗計畫為兩部份, 但因為我們都非常好奇, 為什麼我們測試汽水和果汁能不能製作成 急凍凝冰 時, 果汁是失敗的, 果汁沒有辦法成功的原因是因為裡面含有果肉的關係嗎? 如果我們改用無果肉果汁能夠成功嗎? 又如果用其他的飲料有沒有辦法製作成 急凍凝冰 嗎? 在好奇心的驅使下, 我們決定測試用綠茶 奶茶 運動飲料 紅茶以及無果肉果汁來製作 急凍凝冰, 作為我們冰水奇鹽實驗的第三部份 在研究的過程中, 我們發現了幾個問題 : 一 鹽能夠讓冰塊下降的原因是為什麼呢? 冰開始融化變成水要吸收附近熱量, 而鹽要溶解於水中也要吸收水中的熱量 這些吸熱過程所需要的熱量從哪兒來? 當然就從周圍的冰塊中吸取啊, 冰溶解不斷吸收附近熱量, 鹽也不斷吸收冰塊溶化的水來溶解自己, 所以溫度就直直降 二 除了鹽之外, 為什麼其他的材料也能夠使冰塊周圍溫度降低? 我們所測試的其他材料需溶解還是需要吸收冰塊溶解後水中的熱量, 所以當我們將溫度計放置於放有冰塊及不同材料的燒杯內時, 所測量出來的溫度還是會降低, 只是速度或是下降至最低溫不同 三 汽水可以製作成飲料 急凍凝冰 的要素是什麼呢? 水凝結為冰, 溫度必須降低到凝固點 ; 但是到達凝固點時, 水未必可以立即凝結為冰, 此時稱之為 過冷水 過冷水如果壓力改變 有結晶核 晃動等等, 可以立即凝結為冰 當我們把可樂放入溫度為負 20 度的冰桶 50 分鐘時, 可樂形成過冷水, 之後打開瓶蓋讓二氧化碳釋放, 因為壓力降低而凝固點上升所以可樂立即凝結為冰 9
四 為什麼有無果肉的果汁和奶茶無法製作成飲料 急凍凝冰 呢? 要讓飲料成為過冷水, 需要一些條件, 例如 : 純淨的水 平滑的容器 冷凍一段時間 我們推測不論是有果肉 無果肉的果汁和奶茶都有太多雜質, 冷凍前瓶底就已經有許多沉澱物, 所以不易變成過冷水, 因此無法製作成急凍凝冰 五 綠茶 紅茶 運動飲料相較於可樂, 較不易製作成急凍凝冰 當我們利用可樂來實驗時, 發現可樂很容易就製作成功, 但是綠茶 紅茶和運動飲料雖然可以成功, 但是不太容易, 如果冷凍時間沒有控制好, 很快就結凍了 我們第一次在學校製作並沒有成功, 我們利用假日分別在家實驗, 到學校後分享實驗心得和結果, 並想出更容易製作成功的方法 原本我們只在冰箱冰一瓶飲料, 我們改每種各冰四罐, 到學校後利用時間進行實驗, 每節下課觀察冰箱裡的飲料的情況 經過多次實驗, 運動飲料 紅茶和綠茶先後成功了! 實驗結束後我們討論發現, 汽水容易製作成功的原因可能是因為汽水是加壓過的, 當壓力變大, 凝固點就會變低, 因此汽水不容易結凍 比其他飲料容易形成過冷水的狀態 而其他的飲料在冷凍時必須要特別掌握時間與溫度才能夠成功 因此綠茶 紅茶 運動飲料和可樂都可以製作成急凍凝冰, 但都不比可樂容易製作成功的 柒 結論一 從這次的實驗中我們了解到鹽讓放有冰塊的燒杯溫度下降的秘密, 而且除了鹽之外, 原來能夠溶解在水中的材料都能使溫度再下降 二 在觀察紀錄的時候, 冰塊要秤到剛好 450g 不是這麼容易, 第一次秤的時候第一杯的冰已經開始融化, 而我們還沒有把全部的冰塊秤完 所以我們把冰塊全部放回冷凍庫重冰, 並利用時間討論解決方法 最後決定用塑膠袋分裝, 幾袋裝完後用最快速度送回冰箱冷凍, 等實驗開始再從冷凍庫取出 原來實驗沒有想像中的容易, 但是能和同學一起想出解決方法讓我們都很有成就感 三 實驗過程中觀察溫度變化需要很大的耐心, 八種材料我們分兩批次觀察, 每隔兩分鐘觀察一次, 觀察時間為三十分鐘, 所以我們花了一個小時完成紀錄 雖然時間有點久, 但在紀錄的空檔同學們一起討論分享自己觀察的材料溫度的變化很有趣, 除了清楚自己所觀察的, 連同學觀察的情況也能瞭若指掌 10
四 在製作急凍凝冰的時候, 我們帶著既期待又怕受傷害的心情等待著冰桶裡的可樂, 當我們小心翼翼的拿出可樂, 按照步驟, 看著可樂在眼前瞬間結冰的景象真是有說不出的感動 為了要更清楚照出水變成冰沙, 我們把一些冰倒在燒杯, 之後剩下的我們就迫不及待的吃進去了! 五 實驗原本第二部分結束, 但我們非常好奇其他的飲料能不能有瞬間結冰的效果, 跟老師討論後, 我們決定乾脆讓全班同學一起參與實驗, 並且舉辦小小的急凍凝冰實驗同樂會 一開始我們向同學解說實驗的方法和原理, 接著把大家中午事先拿到學校冷凍庫的汽水和其他飲料拿出來, 同學們一人一瓶飲料按照步驟做, 看著手中的汽水瞬間結冰, 冰沙還衝出瓶口, 大家都很開心, 驚喜聲不斷 沒想到我們 冰水奇鹽 的實驗如此成功, 還讓同學一起參與, 這真的是非常有趣的實驗呢! 捌 參考資料及其他一 國立台中教育大學科學教育與應用學系科學遊戲實驗室 http://scigame.ntcu.edu.tw/water/water-008.html 二 科學 ONLINE http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=7191 三 康軒, 自然與生活科技課本第 7 冊 11