有趣的冰曲线

1、有趣的冰曲線研究動機 :在國中第一冊的理化中，曾學習到冰塊和食鹽加在一起可以製作成冷劑，但對於冷劑中的冰塊和食鹽的質量比為3:1，而不是 1:3 呢?或其它比例 ?一直是我們相當納悶的，查遍參考書亦不知此3:1 的比例原因為何 ?理化老師建議我們做實驗驗證，因此促成我們幾個同學一起做此實驗的機緣，基於對冷劑的興趣，我們也同時研究不同的鹽類做為冷劑是否也有一個適當比例！研究目的 :1.為何選擇冷劑中冰和鹽的質量比為3:1?而非其它比例 ?研究不同的鹽類做為冷劑是否也有一個適當比例。研究設備器材：器材：燒杯 250ml、量筒 50ml、天秤、稱量紙、玻璃棒、刮勺、溫度計、保溫杯藥品：氯化鈉、氯化鉀

2、、碘化鉀、氟化鈉、溴化銨、硫酸銨、氯化銨、硝酸鉀、碳酸銨、溴化鉀、硝酸鈉研究步驟：因 20 度時，食鹽之溶解度均為 26 克 100 克水，其水與鹽之混合質量比例為3:1，故本組同學的研究方向，擬先找出鹽類的溶解度，此即為飽和溶液濃度，再以低於或高於飽和溶液濃度及恰為飽和溶液濃度的質量比例配置冰、鹽混合液，求證冰、鹽的混合液，如何配製才會有經濟又冷卻效果佳的溶液。一、 鹽類溶解度的測定.用量筒量取 100c.c.的水倒入燒杯中，測量它的溫度。 .以天秤稱取適量的鹽類。 .將鹽類慢慢加入水中，用玻璃棒攪拌，觀察是否有溶解？如溶解後再慢慢加入鹽類攪拌，加到成為飽和溶液就停止。 .測量飽和溶液的溫度

3、。 .以天秤稱出剩餘的鹽類質量，將步驟 2 中原稱出的鹽類質量，減去剩餘的鹽類質量，即為此溫度下鹽類溶解度。二、冷卻曲線的製作以氯化鈉為例.取保溫杯，並插入溫度計，以冰及氯化鈉配製濃度，恰為步驟一所稱出溶解度的冰、鹽混合液。.充分攪拌後，讀出並紀錄溫度。 .每隔一小時紀錄一次溫度。 .繪製冰、鹽之溫度時間冷卻曲線。 .改變冰、鹽濃度比，分別高於或低於飽和溶液濃度等適當濃度，重複步驟 14。 .比較在不同濃度比例下，冰、鹽溶液冷卻曲線。(B)改變各種不同鹽類，如：氯化鉀、碘化鉀、氟化鈉、溴化銨、硫酸銨、氯化銨、硝酸鉀、碳酸銨、溴化鉀、硝酸鈉。並重覆(A) 步驟。(C)比較各不同冰、鹽溶液的冷卻曲

4、線。研究結果 :(一 )鹽類溶解度 :溶劑為 100 克水編號鹽類名稱溶解度測量溫度A氯化鈉2628B氟化鈉420C氯化鉀26.725D碘化鉀15017E硝酸鉀32.920F溴化銨7020G氯化銨3320H硫酸銨7522I碳酸銨1425J溴化鉀56.520K硝酸鈉8720(二 )各鹽類在冰中的溫度變化(A) 氯化鈉冰用量 (g)氯化鈉用量 (g)溫度變化圖形編號10026最低溫 -8.5 度,0 度以下維持 5 小時*A-110052最低溫 -7 度 ,0 度以下維持 5 小時A-210013最低溫 -5 度 ,0 度以下維持 5 小時A-350100最低溫 -8 度 ,0 度以下維持 2 小

5、時A-4(B) 氟化鈉冰用量 (g)氟化鈉用量 (g)溫度變化圖形編號1004最低溫 -3 度 ,0 度以下維持 8 小時*B-11008最低溫 -0.5 度,0 度以下維持 4 小時B-210017最低溫 0 度,無法降至 0 度以下B-31002最低溫 0 度,無法降至 0 度以下B-4表或圖中左上角標註“* ”乃指溶液濃度恰為本組所測出飽和溶液之濃度。(C)氯化鉀冰用量 (g)氯化鉀用量 (g)溫度變化圖形編號10026最低溫 -9 度 ,0 度以下維持 6 小時*C-110050最低溫 -10 度,0 度以下維持 5 小時C-210013最低溫 -6 度 ,0 度以下維持 5 小時C-

6、350100最低溫 -4 度,0 度以下維持 2.5 小時C-4碘化鉀冰用量 (g)碘化鉀用量 (g)溫度變化圖形編號100150最低溫 -17 度,0 度以下維持 5 小時*D-110050最低溫 -15 度,0 度以下維持 3 小時D-250100最低溫 -15 度,0 度以下維持 2 小時D-3100100最低溫 -9 度 ,0 度以下維持 1 小時D-4(E)硝酸鉀冰用量 (g)硝酸鉀用量 (g)溫度變化圖形編號10033最低溫 -1 度 ,0 度以下維持 5 小時*E-110050最低溫 -2 度 ,0 度以下維持 6 小時E-210017最低溫 -2 度 ,0 度以下維持 4 小時

7、E-350100最低溫 1 度,無法降至 0 度以下E-4(F)溴化銨冰用量 (g)溴化銨用量 (g)溫度變化圖形編號10070最低溫 -14 度,0 度以下維持 5 小時*F-110050最低溫 -14 度,0 度以下維持 5 小時F-250100最低溫 -13 度,0 度以下維持 3 小時F-35050最低溫 -12 度,0 度以下維持 3 小時F-4(G)氯化銨冰用量 (g)氯化銨用量 (g)溫度變化圖形編號10033最低溫 -12 度,0 度以下維持 7 小時*G-110050最低溫 -12 度,0 度以下維持 5.5 小時G-210017最低溫 -11 度,0 度以下維持 6 小時G

8、-350100最低溫 -11 度,0 度以下維持 3 小時G-4硫酸銨冰用量 (g)硫酸銨用量 (g)溫度變化圖形編號5037.5最低溫 -13 度,0 度以下維持 4 小時*H-15025最低溫 -12 度,0 度以下維持 3 小時H-22550最低溫 -6 度 ,0 度以下維持 2 小時H-35050最低溫 -8 度,0 度以下維持 2.5 小時H-4(I) 碳酸銨冰用量 (g)碳酸銨用量 (g)溫度變化圖形編號10014最低溫 -2 度 ,0 度以下維持 5 小時*I-110050最低溫 -2 度 ,0 度以下維持 5 小時I-21007最低溫 -2 度 ,0 度以下維持 5 小時I-3

9、5050最低溫 -2 度 ,0 度以下維持 1 小時I-4(J)溴化鉀冰用量 (g)溴化鉀用量 (g)溫度變化圖形編號10056最低溫 -11 度,0 度以下維持 6 小時*J-1100100最低溫 -11 度,0 度以下維持 6 小時J-210028最低溫 -9 度 ,0 度以下維持 5 小時J-350100最低溫 -9,0 度以下維持 3 小時J-4硝酸鈉冰用量 (g)硝酸鈉用量 (g)溫度變化圖形編號10087最低溫 -17 度,0 度以下維持 5 小時*K-110050最低溫 -15 度,0 度以下維持 3 小時K-250100最低溫 -15 度,0 度以下維持 2 小時K-3*(A-

10、 1)=100:26(A-2)=100:5261211441028160004-2-2-222-4-4000-2-1-6-2-4-5-8-6-8.5-7-10-8時間( 小時)時間 ( 小時)(A- 3)=100:13(A-4)=50:100203015152525 26212010915155109205- 1-2-11-30-5-5-5-2-10-8-10時間 ( 小時)時間 ( 小時)冰+氯化鈉混合溶液冷卻曲線圖中左上角標註“ * ”乃指溶液濃度恰為飽和溶液之濃度。*(B-1)=100:4(B-2)=100:80014-0.51212-1-1108-1.5-1.56-2-2-2-2 -2

11、42.8-2.521-3-300-0.5 -0.5 -0.5 -0.5-3.5-2時間 ( 小時)時間 ( 小時)(B-3)=100:17(B-4)=100:214121212101010886644333222111100000000時間 ( 小時)時間 ( 小時)冰+氟化鈉混合溶液冷卻曲線*(C-1)=100:266155(C-2)=100:504210110155-2-20-3-30-3-4-6-5-5-6-8-8-8-7-10-10-9-10-15時間 ( 小時)(C-3)=100:131030892562041522010-10-2-25-4-40-6-5-5-6-8-10時間 (

12、小時)時間 ( 小時)(C-4)=50:100262420155-1-3-4時間 ( 小時)冰+氯化鉀混合溶液冷卻曲線*( D-1)=100:15020251516201015710550-10-5-5-5-10-9-10-14 -13-15-15-20-17-20時間 ( 小時)(D-3)=50:100303526 26(D-2)=100:5020153-3-9-15時間 ( 小時)( D-4)=100:10022 2323302025172010915100-250-10-10-5-15-10-20-1527235-9292929 29時間 ( 小時)時間 ( 小時)冰+碘化鉀混合溶液冷卻

13、曲線*( E-1)=100:33(E-2)=100:503.52.5333222.51.5211.50.511000.5-0.500-1-1 -1-1 -1-0.5-1.5-1.5-1-1 -1 -1 -1-2-2-1.5-2.5時間 ( 小時)時間 ( 小時)(E-3)=100:17(E-4)=50:1002.52522221.52011180.51514000-0.510-1-1-1-1-1.555-2-202 21 1-2.5時間 ( 小時)時間( 小時)冰+硝酸鉀混合溶液冷卻曲線20151050-5-10-15-2035302520151050-5-10-15-20*(F-1)=100

14、:701514108500-5-6-10-10-13 -14 -14-15-20時間 ( 小時)(F-3)=50:1003528302521182013156105-80-5-13 -13-10-15時間 ( 小時)(F-2)=100:50138-2-9-12-14 -14 -14時間 ( 小時)(F-4)=50:50292621158-6-11 -12時間 ( 小時)冰+溴化銨混合溶液冷卻曲線10505 -10 -15151050-5-10-15*(G-1)=100:331085-10-5-5-7-11-10-10-12 -11-15時間 ( 小時)(G-3)=100/p>

15、105-1-1-60-5-9-10-9-10-15時間 ( 小時)(G-2)=100:5085-2-5-8-11 -12 -10時間 ( 小時)(G-4)=50:100232016112-6-11 -10時間 ( 小時)冰+氯化銨混合溶液冷卻曲線*(H-1)=50:37.5(H-2)=50:2520302815151225261020217515150-1109-5-55-10-80-11-5-5-15-15- 10-9-12-20- 15時間( 小時)時間( 小時)(H- 3)=25:50(H-4)=50:5030302525252421202220191815161515101210555

16、010-2- 5-6-6-5-5-8-10- 10時間( 小時)時間( 小時)冰+硫酸銨混合溶液冷卻曲線*(I- 1)=100:1412121011108866442320010-2-1-2-2 -2 -2-4-4時間 ( 小時)(I- 3)=100:765.525542031521011005-1-1-10-1.5-2-2-2-3-5時間( 小時)(I- 2)=100:5010.541-1-1-2-2-2時間 ( 小時)(I- 4)=50:5022201611920-2時間 ( 小時)冰+碳酸銨混合溶液冷卻曲線*(J-1)=100:561561310426503-20-2-4-5-5-6-1

17、0-9-10-8-11-10-15-12時間 ( 小時)(J-3)=100:281530121025205150210-15-5-40-5-6-5-8-10-9-10-15-15時間( 小時)(J-2)=100:10050-2-8-11 -11 -10.5-10時間 ( 小時)(J-4)=50:100252319134-4-9-9時間 ( 小時)冰 +溴化鉀混合溶液冷卻曲線*(K-1)=100:87(K-2)=100:50000-2-2-2-2-2-4-4-4-5-6-6-8-9 -9-8-8-10-10-11-12-12-12-13-14-14 -14-14-14 -14-16-16時間 (

18、 小時)時間 ( 小時)(K-3)=50:10025201915151013750-1-5-8101215-1420時間 ( 小時)冰+硝酸鈉混合溶液冷卻曲線研究討論與思考:冰與鹽類的混合液常可作為冷劑。主要原因有二，其一乃：冰溶解時為吸熱反應。其二：則為大部分鹽類溶於水，亦為吸熱反應。此兩反應造成冰與鹽類混合液冷卻效果佳。（註一）在實驗室或生活實用經常可見，而食鹽則更是生活中最實用且安全的冷劑。至於冰與鹽的比例為何是：？.比較本實驗表（）及圖（） 、（）、（）、（）中，我們發現在冰與氯化鈉的混合溶液中。當冰與氯化鈉的濃度在：（亦即：），及：（：）時，均可降至較低的溫度。而若再增多氯化鈉的量或減少氯化鈉的量，如：（：）及：（：）再冷卻效果上並未提昇，在實用上則反而過度浪費食鹽，故由本實驗上看到冰與食鹽的混合液，再濃度洽為溶解度時 （冰：鹽：）(註)，即可降至低溫及維持較久的低溫，且以此比例亦較（：）或（：）為經濟。對於其他鹽類比較本實驗表 (B)及圖 (B-1)、(B-2) 、(B-3) 、(B-4) 可看出當冰與氟化鈉混合溶液在溶解度的濃度比例下 (註二 )，有較低的溫度，及持續較久的低溫，同樣情形亦可見於：表(C)，圖 (C-1)、(C-2)、(C-3)、(C-4)表(D)，圖 (D-1) 、(D-2) 、(D-3) 、(D-4)表(G)，圖 (G-1