化学示範实验:可口可乐神奇凝冰—过冷

2020-06-19
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前言

市面上的“可口可乐神奇凝冰贩卖机”摇一摇可乐瓶就会瞬间结冰,为什幺呢?可乐到底是如何变成可乐冰呢?现在就让老师演示“可口可乐神奇凝冰”给大家观赏吧!同学们,妳们也可以自製可乐冰喔!

示範实验影片

请按此连结:可口可乐神奇凝冰—过冷现象(Supercooling),YouTube。

示範步骤

一、 示範前準备

1. 準备瓶装可口可乐、冰块、食盐和塑胶盆等器材,如图一所示。

化学示範实验:可口可乐神奇凝冰—过冷

图一  準备示範所需的器材

2. 取冰块与食盐约以3:1的比例置入塑胶盆中约半满,当作冷剂。

3. 放置一瓶瓶装的可口可乐在半满冷剂的塑胶盆中,再覆盖约半满的冷剂于此瓶上。用温度计测量温度,如图二所示。

化学示範实验:可口可乐神奇凝冰—过冷

图二  冰块与食盐混合可降到0℃以下

4. 静置此瓶可口可乐约1小时,如图三所示。

化学示範实验:可口可乐神奇凝冰—过冷

图三  静置可乐瓶

二、 示範“可口可乐神奇凝冰”

1. 在静置此瓶可口可乐1小时后,整个塑胶盆带到上课的教室。

2. 先小心地移走上层的冷剂,然后慢慢地取出此瓶可口可乐,不要摇晃瓶内的可乐。

3. 在示範前,慢慢地打开瓶盖释放出二氧化碳,先倒一小杯自己喝一口,再关紧瓶盖。

4. 然后用力摇晃数次,可乐就会瞬间结冰,如图四所示。

化学示範实验:可口可乐神奇凝冰—过冷

图四  可口可乐神奇凝冰(注意液面附近的颜色)

5. 先倒出一些结冰的可乐冰到另一个杯子给一位学生喝,然后传此可乐瓶给学生观看。

溶液和器材

1. 瓶装可口可乐  1瓶
2. 冰块  约600 g
3. 食盐  约200 g
4. 塑胶盆  2个
5. 温度计  1支
6. 饮用杯子  2个

原理和概念

● 水凝结成冰其实是一种结晶的过程,如果原本已有冰晶或其他物质存在时,就会提供凝结核让其他水分子有附着之处可以结晶。

● 若水质纯净无杂质而且容器光滑,冰晶无处可以附着就无法形成,所以即使温度低于水的凝固点也无法结冰。此时只要摇晃此瓶“超冷冻水”,使水分子之间剧烈碰撞而形成冰晶,其他水分子就会立即附着其上开始结晶,于是整瓶“超冷冻水”就瞬间结冰,此现象称为过冷(Supercooling)。

● 过冷现象即降低液体或气体的温度,但不使其凝固的过程。除了上述缺少凝结核而导致的过冷现象外,利用压力改变凝固点也可以产生过冷现象,“可口可乐神奇凝冰”即是利用此原理製作。当静置冷冻后的可口可乐,由于打开瓶盖后释放出二氧化碳,会降低压力,因此凝固点会上升。

化学示範实验:可口可乐神奇凝冰—过冷

图五  水的三相图(此为示意图,非实际图)

● 在大自然中也有不少过冷现象发生,像是冻雨。冻雨就是过冷的液态雨滴落于地面或暴露在物体上时,迅速凝结为冰的天气现象,通常发生于地面温度0℃以下的天气。冻雨的形成机制如下,一开始时是以雪的形式从高空云层落下,在下降过程中遇到温度高于冰点温度的暖气流层而完全融化为雨滴,而后在更低的高度又遇到温度低于摄氏零度的冷气流层,此时雨滴不再凝结,而是形成过冷的液态雨滴。过冷雨滴一旦遇到低于摄氏零度的物体的表面(提供凝结核)就会立刻凝结,形成细长条状的冰棱,故称之为冻雨。冻雨可以在物体表面形成一层透明的冰覆盖层,这种冰覆盖层被称作「雨凇」,又称「冰挂」。挂于各种植物上的雨凇或冰挂形成了冬季独特的景色。

化学示範实验:可口可乐神奇凝冰—过冷

图六  苹果树上的雨凇
图片来源:维基百科,http://zh.wikipedia.org/zh-tw/冻雨

教学提示

1. 此示範实验并非所有瓶装饮料都能达到如同“可口可乐神奇凝冰”的效果,因此教师必须事先试做。

2. 示範时必须注意背景,若背景太杂乱或对比不够强烈,则观察者不易看到结冰的瞬间。

3. 若教学时间为一节课,建议教师先準备数瓶已过冷的可口可乐带到教室,在开始上课时,用一瓶示範给学生观看,其他瓶分组给学生亲自操作,然后以互动讨论方式让学生了解凝冰现象的科学原理,剩余的时间教师再为学生补充讲解。

4. 若教学时间为两节课,建议教师先準备一至二瓶已过冷的可口可乐带到教室,在开始上课时,立即示範给学生观看。接下来的时间让学生亲自动手做实验,并于等待降温的过程中,以互动讨论方式让学生了解变化现象背后的科学原理,并且教师补充相关内容知识。

5. 提醒示範者:现场演示示範实验所展现的变化现象的临场感,以及激发互动讨论的教学效果,比单纯的播放影片好很多。

问题和参考答案

1. 我们知道水的凝固点为0℃,若水冷却至0℃,则一定会结冰吗?
答:不一定。若水质纯净无杂质且容器光滑就可能会产生过冷现象,温度降到0℃以下还是有可能不会结冰。

2. 为何冰块加盐可降温至0℃以下?
答:当水要结冰的时候,水分子之间会产生氢键,而形成规律的晶体,所以如果水中溶解有其他的物质的话,会妨碍晶体的形成,于是使水的凝固点下降。冰块表面有一层薄薄的水,如果洒上食盐,食盐便可以溶解在水中,此溶解会吸收其它水的热量使温度下降,于是混合后的盐水凝固点会下降。

3. 为何要将瓶盖打开再关上后用力摇晃?
答:由于可口可乐这类的碳酸饮料因瓶内灌入二氧化碳,压力较大,因此冰点降低。在打开瓶盖后后,瓶内二氧化碳逸失,压力降低,使得冰点温度上升。再者,二氧化碳逸失时会吸收部分热量,所以饮料就产生快速结冰的现象。

安全

● 示範这个实验必须戴可丢弃的手套,以免冻伤。
● 示範这个实验实行适当的风险评估是老师的责任。


参考资料(撷取日期:2010年7月)

1. 可口可乐神奇凝冰,http://iamanson.spaces.live.com/ … 4189790!10413.entry。
2. 初中科学趣味实验-水-凝固点-超冷冻Supercooling,http://www.youtube.com/watch?v=K6HuYIOakQc。
3. Supercooling, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Supercooling。
4. 冻雨,维基百科,http://zh.wikipedia.org/zh-tw/冻雨。
5. 消暑大绝招:轻鬆让你的饮料瞬间结冰!流言追追追-【实验精华片段】,YouTube,http://www.youtube.com/watch?v=cP86vPHTPDw。 

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