2013年1月7日

科學玩具-物性-魔砂(Magic Sand)


看起來跟一般的細砂沒什麼兩樣的魔砂(Magic Sand,如果倒到水裡面,就會發現跟一般的經驗完全不一樣哦!不但可以在水中塑形,而且還能在水底下保持乾燥狀態,真有這麼神奇?
別以為看到這個名字,就以為它具有魔法,其實跟魔術一點關係也沒有

向學生介紹魔砂前,要先解釋一下兩種非常重要的性質。首先,物質可區分為疏水性(hydrophobic和另一類稱之為親水性(hydrophilic吸水性(hygroscopic的物質。以往介紹這個玩具給科學社成員看時,都會先倒一些到紙上,請學生摸一摸紙上的乾燥砂子。問問他們,聽聽他們認為魔砂是親水性的或是疏水性的意見。因為實驗室中也有消防砂,所以也提供一些普通的砂子進行比較。
魔砂表層物質的疏水性能將水排開,並使其乾燥
想建造自己的水底世界,就需要準備一個透明水槽和一些假的水中生物

收存時只要用一隻湯匙將砂移離水中即可保持乾燥狀態
放入水中時,可以發現一些空氣也附著在魔砂上,被帶到水裡面了

先舀一些水起來,原本應該濕潤的砂,依然乾燥如昔
如果讓疏水性物質脫離,也能在水面上形成一層防水薄膜

魔砂實際上是加以染色並塗有保護膜的普通砂子。這種塗料所形成的保護膜是疏水性的,是一種名為「trimethylhydroxysilane」:(CH3) 3 SiOH或「trimethylchlorosilane」:Si(CH3) 3Cl的特殊塗料。因為在外表形成非極性的Si-O-Si(CH3),所以有疏水性。這樣畏水、防水的性質所呈現出來的狀態,讓探索魔砂更加有趣。

例如,沙拉油就是生活中常見的疏水性物質。倒一點沙拉油到水裡面,不難發現油和水不會混合,而且密度小的油會浮在水面上。這是因為油脂分子與油脂分子之間,比油脂分子和水分子之間更容易形成分子鍵結,因此這兩種物質不會混在一起。
一直將魔砂倒到水槽內,不過記得要分散些
可以因為水的表面張力而浮在水面上

魔砂也有同樣「防水」的現象,只不過密度大的魔砂會沉入水底。魔砂的疏水性使得砂在水面下仍能保持其外形。使用小湯匙或手指,也可以將砂子塑造出不同形狀。可以做出水底下的沙堡嗎?當然可以!
換個角度來看水面下的世界
由於砂的表面附著了一層空氣,在水下形成了銀鏡現象

要特別提醒的是砂子表面的銀鏡現象!在此可以提出挑戰性問題(CQ),讓學生試著解釋究竟是什麼原因才能導致這種現象,並引導學生將光的反射或折射融入討論。
不只是魔砂表面能「抓住」空氣,連塑膠匙在抹上一層疏水性物質之後
也能閃閃亮亮,而且看起來比原來的小一些

將塑膠湯匙放在魔砂中攪拌,附著上一層疏水粉末之後
也能在湯匙表面形成具有蓮花效應的疏水性表面

原本水和水槽之間應該是附著力大於表面張力的
但由於疏水物質的加入,使得靠近水槽邊緣的水表面變成突起狀態
和一般我們所熟悉的沙灘完全不一樣

和疏水性相反的性質為親水性,而親水物質容易吸水而潮解,像是NaOHCaCl2CaO等等,所以能當做乾燥劑的主要成分。普通的砂子是不純的二氧化矽,內部為共價網狀結構,但極性的表層可以和水形成氫鍵(Si-O-H),所以我們身邊的砂子是親水的。或是像以前介紹過的科學玩具─物性─膨脹恐龍蛋裡的吸水恐龍,放入水中後,蛋裡面的小恐龍會因為吸水而慢慢變大,也是吸水性物質的應用。
輕輕倒一些魔砂在水面上,動作夠輕的話,水的表面張力就會讓魔砂浮在水面上
手伸進去再拿出來,也不會沾濕哦,另外可以用衛生紙包在手上增加驚奇度

被疏水性物質包覆住的小水滴,可以在砂面上滾來滾去
就好像在模擬蓮花效應一般

一旦魔砂覆蓋在水面上,就可以嘗試兩種不同的玩法。第一,輕輕地將手指按在魔砂上,逐漸往下壓,讓手指低於水面。移開手指後,手指依然是完全乾燥的。如果按的動作幅度又深又急,魔砂可是會聚集而沉到水底的。第二個玩法是用滴管將水珠輕輕地滴在魔砂上,可以看到水珠會在砂面上滾動哦!

當用完魔砂後,只要盡量將水倒到杯外,然後加一小片面紙到砂上。輕輕搖晃容器內的砂子,還困在砂中的水珠就會浮出而被面紙吸收。最後再拿掉濕掉的紙巾,將砂子倒回原本的容器中儲存就可以了。和一次性玩具(如科學玩具-物性-馬屁精)不同的是,儲存妥善的魔砂可以重複使用呢!
魔砂原本是為了清除海上的漏油而製造出來的。原先的構想就是先使用魔砂吸附石油而一起沉入海底,稍後再將石油和魔砂一起從水底移除。除此之外,極地設備也使用了魔砂。有時極地的地下設備需要維修,不過得先挖掘凍結的地面,這就是一件非常艱困的事。所以現在會將設備埋在魔砂中,如此一來就不會吸水或冰凍,讓接觸需要維修的設備更為簡便。
依照自己的想像來建造海底世界,看到烏龜了嗎?
有了化學物質的幫助,水底下的砂堡不再是想像中的產物

可以自製魔砂嗎?嘔父摳耳屎!

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