有趣的冰曲线.docx
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有趣的冰曲线
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?
2.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、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。
1、鹽類溶解度的測定
1.用量筒量取100c.c.的水倒入燒杯中，測量它的溫度。
2.以天秤稱取適量的鹽類。
3.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。
4.測量飽和溶液的溫度。
5.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。
2、冷卻曲線的製作
（A）以氯化鈉為例
1.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。
2.充分攪拌後，讀出並紀錄溫度。
3.每隔一小時紀錄一次溫度。
4.繪製冰、鹽之溫度─時間冷卻曲線。
5.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1~4。
6.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、鹽溶液的冷卻曲線。
研究結果:
（1）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
26
28
B
氟化鈉
4
20
C
氯化鉀
26.7
25
D
碘化鉀
150
17
E
硝酸鉀
32.9
20
F
溴化銨
70
20
G
氯化銨
33
20
H
硫酸銨
75
22
I
碳酸銨
14
25
J
溴化鉀
56.5
20
K
硝酸鈉
87
20
（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
100
26
最低溫-8.5度,0度以下維持5小時
*A-1
100
52
最低溫-7度,0度以下維持5小時
A-2
100
13
最低溫-5度,0度以下維持5小時
A-3
50
100
最低溫-8度,0度以下維持2小時
A-4
（B）氟化鈉
冰用量（g）
氟化鈉用量（g）
溫度變化
圖形編號
100
4
最低溫-3度,0度以下維持8小時
*B-1
100
8
最低溫-0.5度,0度以下維持4小時
B-2
100
17
最低溫0度,無法降至0度以下
B-3
100
2
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
100
26
最低溫-9度,0度以下維持6小時
*C-1
100
50
最低溫-10度,0度以下維持5小時
C-2
100
13
最低溫-6度,0度以下維持5小時
C-3
50
100
最低溫-4度,0度以下維持2.5小時
C-4
（D）碘化鉀
冰用量（g）
碘化鉀用量（g）
溫度變化
圖形編號
100
150
最低溫-17度,0度以下維持5小時
*D-1
100
50
最低溫-15度,0度以下維持3小時
D-2
50
100
最低溫-15度,0度以下維持2小時
D-3
100
100
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
100
33
最低溫-1度,0度以下維持5小時
*E-1
100
50
最低溫-2度,0度以下維持6小時
E-2
100
17
最低溫-2度,0度以下維持4小時
E-3
50
100
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
100
70
最低溫-14度,0度以下維持5小時
*F-1
100
50
最低溫-14度,0度以下維持5小時
F-2
50
100
最低溫-13度,0度以下維持3小時
F-3
50
50
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
100
33
最低溫-12度,0度以下維持7小時
*G-1
100
50
最低溫-12度,0度以下維持5.5小時
G-2
100
17
最低溫-11度,0度以下維持6小時
G-3
50
100
最低溫-11度,0度以下維持3小時
G-4
（H）硫酸銨
冰用量（g）
硫酸銨用量（g）
溫度變化
圖形編號
50
37.5
最低溫-13度,0度以下維持4小時
*H-1
50
25
最低溫-12度,0度以下維持3小時
H-2
25
50
最低溫-6度,0度以下維持2小時
H-3
50
50
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
100
14
最低溫-2度,0度以下維持5小時
*I-1
100
50
最低溫-2度,0度以下維持5小時
I-2
100
7
最低溫-2度,0度以下維持5小時
I-3
50
50
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
100
56
最低溫-11度,0度以下維持6小時
*J-1
100
100
最低溫-11度,0度以下維持6小時
J-2
100
28
最低溫-9度,0度以下維持5小時
J-3
50
100
最低溫-9,0度以下維持3小時
J-4
（K）硝酸鈉
冰用量（g）
硝酸鈉用量（g）
溫度變化
圖形編號
100
87
最低溫-17度,0度以下維持5小時
*K-1
100
50
最低溫-15度,0度以下維持3小時
K-2
50
100
最低溫-15度,0度以下維持2小時
K-3
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。
冰+氟化鈉混合溶液冷卻曲線
冰+氯化鉀混合溶液冷卻曲線
冰+碘化鉀混合溶液冷卻曲線
冰+硝酸鉀混合溶液冷卻曲線
冰+溴化銨混合溶液冷卻曲線
冰+氯化銨混合溶液冷卻曲線
冰+硫酸銨混合溶液冷卻曲線
冰+碳酸銨混合溶液冷卻曲線
冰+溴化鉀混合溶液冷卻曲線
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３：
１？
１.比較本實驗表（Ａ）及圖＊（Ａ－１）、（Ａ－２）、（Ａ－３）、（Ａ－４）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１００：
２６（亦即３：
１），及１００：
５２（２：
１）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１００：
１００（１：
１）及５０：
１００（１：
２）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＝３：
１）（註二），即可降至低溫及維持較久的低溫，且以此比例亦較（２：
１）或（１：
１）為經濟。
２．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）、（G-2）、（G-3）、（G-4）
表（H），圖＊（H-1）、（H-2）、（H-3）、（H-4）
表（K），圖＊（K-1）、（K-2）、（K-3）
再比較表（E）及圖＊（E-1）、（E-2）、（E-3）、（E-4）。
（可看出當冰與硝酸鉀混合液再溶解度濃度比例下，及濃度稍高的比例下都可降至較低的溫度，及持續較久的低溫）同樣情形亦可見於：
表（F）及圖＊（F-1）、（F-2）、（F-3）、（F-4）
表（I）及圖＊（I-1）、（I-2）、（I-3）、（I-4）
表（J）及圖＊（J-1）、（J-2）、（J-3）、（J-4）
綜合上面１、２討論可看出大部分鹽類與冰的混合液濃度洽為溶解度時，即可有降低溫及持續低溫的效果，故欲配冰鹽系統的冷劑較經濟而有效的方法，及在濃度上選定溶解度的濃度即可！
後記:
本次實驗本組同學從秋天做到夏天，每天早上一到校就到健康中心取冰，再到實驗室稱量藥品，再以保溫杯拿回教室觀察紀錄溫度一整天，經由這個過程，我們深刻體會在科學上，即使是一個簡單的討論，在它的背後，卻是很多從事科學研究者的全心投入，而對我們而言，卻也無形中培養了我們的耐心，增進了我們的實驗技巧。
在本實驗過程中，我們特別感謝莊淑斐老師，因為她的耐心指導，使我們在實驗中能更加投入。
還我們的班導王秀玲老師和各科的科任老師，因為他們的配合，才能使我們做出一個這麼棒的實驗。
非常的感謝他們。
參考資料:
註一:
鹽類的溶解度
http:
//content.edu.tw/junior/phychem/ty-lk/std/content/elec/cph13/cphd41.htm
http:
//www.ceneer.ch.ntu.edu.tw/wwwboard/messaqes/48.html
註二:
國中理化第一冊，國立編譯館（Ｐ22）
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