神奇圣诞树的化学原理

神奇圣诞树的化学原理

小时候有一种玩具，当你加了一种溶液后，只要经过一个晚上，纸树就会神奇的开花了。其实看起来很神奇，说穿了其实它只是溶解度及结晶的应用而已。如果是用白色结晶则看其来就像雪结在树上，所以常常被当成圣诞节应景礼物送人。要一起来做一个特别的圣诞礼物吗？

一、实验目的：了解固态物质的溶解度与结晶。

二、实验原理：

溶解度：在一定温度下，定量溶剂中可以溶解溶质的最大量称為该溶质在此溶剂的溶解度（Solubility）。常见的溶解度的单位是「克(g) 溶质/ 100 (g) 溶剂」与「莫耳溶解度，（莫耳(mole) 溶质/ 升(L) 溶剂）」。溶质和溶剂不限固体、液体或气体。如果没有指明溶剂种类，通常意味著溶剂為水，比如「氯化钠的溶解度」代表的是「氯化钠在水中的溶解度」。溶解是物裡现象，没有化学反应发生。溶质在溶剂中的溶解度并不是一个恒定的值，跟溶质分子间与溶质-溶剂分子间作用力、温度、溶液中是否有其他溶质存在等有关（表一），气体的溶解度则和气体溶质的分压有关。因此，物质的溶解度都会清楚的标明温度、压力和溶剂。表一、1atm下的氯化胺在不同温度下对水的溶解度（g 氯化胺/100 g 水）

结晶：

当加入溶液中溶质的量超过溶解度时，溶液中多餘的溶质会沉淀於溶液中。此时的溶液溶质的溶解速率和沉淀速率相等，达到溶解平衡，為饱和溶液。如果移除的部份溶剂，使被溶解的溶质量瞬时大於溶解度（过饱和溶液），因為定温定压下溶解度不变，根据勒沙特列原理，故溶质的沉淀速率会大於沉淀速率，减少溶质在溶液中被溶解的量，直到溶液从过饱和溶液变成饱和溶液。

结晶，是指从饱和溶液或气体中凝析出具有一定的几何形状的固体（晶体）的过程。在自然环境下，气温的下降或压力的作用，都会造成结晶。结晶是一个缓慢的沉淀过程。

纸树之所以会开花，是由於当纸树浸入磷酸二氢钾(KH2PO4)水溶液后，水溶液藉毛细现象在纸树中快速上升，直达全棵树；由於水从各树枝末端蒸发，使得末端水溶液浓度越来越高，使得此盐类水溶液在树枝形成过饱和水溶液，水溶液中白色的磷酸二氢钾结晶析出，看起来就像从末端开始开花。当水溶液没了，纸树乾了，它就不会再开花（结晶）了。

三、实验仪器及药品：

四、实验步骤：

1. 市售纸树

(1)照市售纸树袋上之说明，种好纸树（将神奇魔术水放入塑胶盒中，种上纸树即可）。

(2)观察纸树开花之情形。

2. 自製纸树

(1)将西卡纸三摺后，依市售的纸树大小剪出三棵纸树。

(2)用双面胶带将三棵纸树从背后黏好，形成立体的纸树。

(3)用热水将磷酸一钾溶解成饱和溶液。

(4)将纸树放在小碟子上，倒入5 mL的磷酸二氢钾水溶液（或直接将纸泡入溶液中）。

(5)观察纸树开花的情形，并与市售的纸树加以比较。

(6)也可在自製的纸树上涂上各种顏色，则会开出更漂亮的花。

备註：水溶液的浓度，环境的温、湿度、是否通风，以及纸树的形状、纸树分岔的情形……等，都会影响纸树开花（结晶）的快慢。

实验照片：

1. 市售圣诞树

2.一段时间后，尖端有晶体析出

3. 加热磷酸二氢钾溶液

4.自行裁剪圣诞树

5.自制的圣诞树

参考资料：

1. 维基百科网站–溶解性/zh-tw/溶解性

2. 彰化县立阳明国民中学，奇幻晶灵—探讨纸树的结晶条件，彰化县第48届中小学科学展览会作品说明书-编号22024。

.tw/sfs3 …2005/1224386032.pdf

3. 维基百科网站–结晶/zh-tw/结晶

4. 维基百科网站–溶解度表/zh-tw/溶解度表