2012.01.31 超冷溶液

今天的天氣忽然變冷囉~又飄著綿綿的細雨(抖抖... ...今天大家依舊是全勤喔!!!非常優秀~衣服要穿得暖一點不會感冒囉~如果四肢無力；頭昏昏，做起實驗來一定沒有什麼好結果喔!!!大家一定要好好照顧一下自己的身體 :)

[圖1.1]  第一件事情就是......不要忘記簽到喔!

經過昨天的禮砲加持，不知道大家是否有懷著對於化學的熱誠來呢？其實，在化學的世界裡光有熱誠還是不夠的，我們還需要理論來當我們的盾牌，讓我們不僅僅只有看到現象，還可以利用這些理論在解釋現象，這才是學習化學(科學也是如此)的最高境界喔！
因此，我們安排了一系列的師大化學系的教授們，以他們的專長替同學介紹在各領域之間的理論，相信教授們都會利用比較簡單的方式向大家介紹看似深奧又有趣的理論喔~

今天的主題是：物理化學  是由師大化學系 王禎翰助理教授，來替大家介紹"熱力學"的一些基本概念。熱力學，顧名思義，就是要從"熱"的觀點出發，來探討為什麼會有物理變化以及化學變化的產生。其實，與其說"熱"不如說是從"能量"的觀點出發，因為，在熱力學的世界裡，「能量就包含了熱和功這兩種型態的表現」，我們如何在熱力學的世界裡探討呢？在這樣的國度中又有什麼規定呢？讓我們用王禎翰教授Power point來告訴我們吧~

[圖2.1]  一開始就舉了騎腳踏車的例子，為什麼下坡的時候感覺上不用費力呢？
原來是因為重力位能轉換成動能的原因，才會讓下坡很輕鬆，
但是，如果是換成上坡.......感受可能就要南轅北轍囉~

沒錯，相信大家都有能量守恆的概念，能量不可能輕易的在日常生活當中消失或是出現，如果發現有能量消失了，一定是轉換成了其他的方式存在這個Universe(宇宙)之中！(聽起來很玄但是，確實是科學家定義的喔!!)

[圖2.2]  沒錯這就是熱力學第一定理：能量守恆

學會了熱力學第一定理，我們要繼續向熱力學第二定律前進囉!!

[圖2.3]  熱力學第二定理：亂度

老師在課堂上有舉了這一個例子：如果現在沒有任何約束的話，大家應該都會選擇到操場奔跑或是去做自己想做的事情吧？！這樣子的情形就是亂度越大的一個例子，每一位學生隨意地在任何一個角落做自己的事情，反而這樣是最輕鬆最沒有心理壓力的時候。換成微觀的角度來重新敘述就是：每一個分子可以選擇的位置越多(亂度越大)，能量也就越低！而亂度，依照正常的觀點來說，只會越來越大。就像是我們長大一樣，小時候家人老師要求我們做什麼事情，每一件事情我們都會好好地做好，隨著年紀漸增，我們開始有自己的思考方式，開始學會自己決定一些事情，當然，這時候家長老師的要求，就不再是唯一個選擇囉~這是一個比較不好懂的概念，不知道大家有清楚一些了嗎？

[圖2.4]  熱力學第三定理：當純晶體在絕對零度下熵為零
絕對零度就是 0K= -273 ℃  (K為凱氏溫標)

以上就是最重要的熱力學三大定理喔！這三大定理大致上可以概述出物理變化以及化學變化的原因，學習了這些理論，我們就可以從觀察現象的角度轉成解釋現象的角度囉！這就是理論的重要性和力量喔!!

[圖2.5]  王禎翰老師認真的正在想同學講解熱力學的定理，
以及回答同學問題!!

[圖2.6]  大家都有專心在上課喔!!優秀優秀!!!

[圖2.6]  不知道，大家聽完老師的講解，對於物理化學有沒有多一層了解呢？ 

"物理化學"在化學系扮演著一個殺手的角色，對於計算和理論不擅長的同學(我說的是我啦~)真的是非常頭痛的一個科目，不僅僅上課要專心，下課也要多讀書啊~不然... ...如此深澳的科目真的不是很好克服的，必須多聽幾次！記得在大學的時候，剛好我有上到王禎翰老師的"化學數學"、"物理化學─熱力學"，老師每次在台上熱力四射的演講，我都覺得... ...老師...你真的是天才啊!!!不過大學聽完一年之後，現在，再聽老師上起課來會發現，好像多懂了一些喔！或許現在各位和我大學的時候一樣似懂非懂，但是，只要多聽幾次，你也會發現，好像沒有當初這麼的艱澀難懂喔！大家一起加油吧  :)

在上完理論性質比較重的課程之後，大家一定迫不及待的要闖入實驗室開始做實驗了吧！沒錯，現在我們就要利用剛剛學過的熱力學概念，來破解日常生活中看似神奇的手法！
在去年夏天，高溫的大白天，最喜歡的就是來一瓶冰涼暢快的可樂，可以帶走整身的煩躁溫度！似乎，光是從飲料販賣機滾出來的冰涼可樂還不能抵擋去年夏天的炎熱高溫。現在，有一種可樂是，從投幣機滾出來的時候還是液體，但是，只要你喝完一口之後，蓋上瓶蓋，搖一搖，會發現，天啊!!!!從可樂變成....變成...可樂冰沙了!!!這無非是炎炎夏日清涼解熱的聖品呀!!!!在開心享受冰沙可樂帶給你的感官刺激之後，有沒有想過一個這樣的問題：為什麼會有這樣的現象呢？
對的！答案就在我們剛剛上過的課程當中，像是"可口可樂從液體瞬間變成固體"這樣的現象，我們稱為「過冷現象」，也就是當靜置冷凍後的可口可樂，由於打開瓶蓋後釋放出二氧化碳，會降低壓力，因此凝固點會上升。老師在上的時候是不是也有提到類似的概念!!!別光說不練~那我們就來製作這樣的解熱聖品吧!!!

[圖3.1]  管老師先開始介紹如何製作冰沙可樂的實驗步驟！

[圖3.2]  當然必備品就是要有冰塊囉~兩位你們拿著空桶子要幹什麼呢?!

[圖3.3]  當然是拿冰塊啊!!!

[圖3.4]  感謝這兩位冰塊小王子的幫忙!!提來必備的冰塊!!  

[圖3.5]  有了冰塊我們就可以開始動手囉~開始選取各自喜歡的飲料~ 

[圖3.6]  你看~拿到可樂多開心啊!!但是，現在還不是最開心的時候。 

[圖3.7]  先舖上一層冰塊散撒上一層食鹽！

[圖3.8]  再放入這次的主角，瓶裝可樂們!!!

[圖3.9]  重複著一樣的動作，一層冰塊；一層食鹽。

[圖3.10]  把可樂蓋呈現是沙丘一樣尖尖的!!完全包覆住可樂~

[圖3.11]  奇怪，怎麼大家埋完可樂之後，就到前面集合呢？有什麼好玩的呢？ 

[圖3.12]  原來，因為要製造冰沙可樂，我們需要一段時間的等待，老師先問幾個問題，
而且有獎品，你看大家做的多前面，多期待阿~ 

[圖3.13]  哇~得主出現，獎品是經過液態氮處裡的棉花糖~ 

[圖3.14]  吃起來是什麼感覺呢？應該是有液態氮的感覺吧!! 

[圖3.15]  如果等不及利用冰塊加食鹽所製成的冷劑來製造冰沙可樂，
剛好手邊又有一杯液態氮，我們可以怎麼做呢？

 原來只要把液態氮倒進可樂當中，然後開始攪拌，就可以囉~因為有液態氮的關係，是不是有一種在熬製魔法食品的感覺啊!?!?

[圖3.16]  你看~這就是可樂冰沙囉~很酷吧!!!!

[圖3.17]  這... ...好吧~他...也是得主之一!!!很優秀喔~

就在此時此刻，我們期待的事情好像發生了!!!道地發生的什麼事情呢?!讓大家飛也似的衝回各自的實驗桌上呢？

[圖3.18]  這是剛拿出來的飲料，
好像沒有什麼不一樣!!

[圖3.19]  開瓶之後，發現，天啊!!!從上端開始
向下結冰變成冰沙啦~(上端白色霧狀)

[圖3.20]  不用說就知道，這樣的可樂多好呵!!! 

[圖3.21]  誠摯向你推薦!!自己做的衛生經濟又好喝喔~讚啦!!! 

[圖3.22]  在這樣的天氣裡頭確實有點冰，但，一定非常好喝!!! 

[圖3.23]  大哥... ...這不是可樂嗎?!?!怎麼感覺上你醉了?!!?哈哈哈~ 

[圖3.24]  來~朋友們!!!我們就....乾杯~

[圖3.25]  大家一起乾杯喔~ 

好囉~歡樂的早上就這樣結束囉~來吧!!!又是愉快的午餐時間!!!

[圖4.1]  今天的午餐是炒麵耶~好吃好吃!!!

[圖4.2]  今天看起來都有熟悉彼此囉~吃起飯來有說有笑呢!!!

下午是一場挑戰自我的實驗，大家都知道，純水的凝固點是 0℃，那有想過如果是食鹽水或是蔗糖水的凝固點是多少呢？如果完成了以下的實驗，經過實驗和理論的互相佐證之後，就會得到答案囉~

[圖5.1]  龎老師正在替大家講解今天做實驗的目的以及原理。  

[圖5.2]  講解為什麼在製作冷劑時所需要的比例為 冰塊:食鹽=3:1，而溫度可以降到幾度呢?

此次用的冷劑為食鹽加上冰塊，那為什麼要使用食鹽加上冰塊呢？是因為當時鹽溶於水的時候會有吸熱的反應，造成溫度下降的現象。就在當水溶化食鹽時吸收熱量，使溫度下降，而有使得水凝固成冰，這樣循環的過程當中我們的冷劑就發會揮了作用。

可是你知道 (1)食鹽和水最完美的搭配比例是多少呢？ (2)那最低溫又可以到達幾度呢？

(1)食鹽在水中的溶解度為每100公克的水最多可以溶解35.9公克的食鹽，因此，冰塊:食鹽

     =3:1是最適當的比例，如果在加更多的食鹽不能溶化到水中(已達飽和)，再加多只是浪費

     而已喔!!

(2)根據凝固點下降的公式:

∆T_f =  K_f Cm i

∆T_f：凝固點下降量，Cm：溶液重量莫耳濃度，K_f：凝固點下降常數，i：凡特何夫因數

     可以算出大約是 －22℃喔!!(∆T_f = 1.86x 6.137x2=22) (按我查閱參考資料)

[圖5.3]  有點難，但是大家都聽得津津有味喔!!!

[圖5.4]  龎老師正在講解實驗操作應該注意的事項！ 

[圖5.5]  再次叮嚀，千萬不要把酒精溫度計當作是攪拌棒來使用!!!

[圖5.6]  開始實驗囉~先拿冰塊做冷劑啦!!! 

[圖5.7]  別忘記，還有食鹽喔!!!比例是冰塊:食鹽=3:1 

[圖5.8]  之後在試管裡頭裝進清水、蔗糖水(1 Cm)或食鹽水(1 Cm) 的溶液 

[圖5.9]  之後就開始進行觀察囉~要注意溫度計的溫度變化喔!! 

[圖5.10]  如果夠細心和小心的話，或許會觀察到過冷現象喔!!

[圖5.11]  對鏡頭笑一下吧!!! 

[圖5.12]  也要記得記錄溫度喔!!

[圖5.13]  當全部結冰之後，實驗就結束囉~

[圖5.14]  最後龎老師在幫大家整理一下！

根據理論值的推算：
        清水的凝固點為  0 ℃

        食鹽水(1 Cm)的凝固點為  -3.72 ℃(∆T_f = 1.86 x 1 x 2 = 3.72 ; 0－3.72=-3.72)

        蔗糖水(1 Cm)的凝固點為  -1.86 ℃(∆T_f = 1.86 x 1 x 1 = 1.86 ; 0－1.86=-1.86)

根據理論值和實驗值的差距就是所謂的誤差喔!!大家可以利用今天測出來的實驗值來比較一下，看看自己的實驗技巧是否不錯呢？

點心時間~今天的點心時間為：美味蛋餅！！

[圖5,15]  哇~做實驗還有點心可以吃耶!!!

今天的課程是不是有挑戰性阿~希望大家回家之後可以再多想幾次今天的內容，說不定想一想一些當下的問題都會忽然之間都解開喔!!!還有，最重要的是，要寫筆記喔!!!和大家分享一下幾位同學優秀的筆記:) 

[圖7.1]  整齊又清楚!! 

[圖7.2]  包含了詳細的解說~ 

[圖7.3]  豐富又完整的圖表和重點!!很棒喔~

別忘記囉~要開始培養筆記的習慣喔!!!這樣學習起來才會非常有效果喔!!!大家加油囉!! ^ ^