2013年2月4日

科學玩具-熱學-暖暖袋


天氣那麼冷,寒流又一波波地接著來,不禁讓我想到去年夏天的爆熱,再加上今年冬天全球氣候的暴冷,真令人為環境氣候捏了一把冷汗。在溫室效應氣體是否影響氣候變遷的兩派科學家爭論不休的同時,人類的生活正遭受前所未有的衝擊。
暖暖袋的造型千變萬化,不過骨子裡可都是一樣的冷冰冰

以前在批發店買了兩、三個隨手可用的暖暖袋,想說可以用來討論吸熱反應與放熱反應,同時也能表現出可逆反應的過程,是個難得的可重複使用的化學教具。天氣冷,保暖的產品就會熱賣,這種東西夜市也有賣,說穿了,就是利用過飽和溶液結晶的原理,其實和一般俗稱的「熱冰」做法是相同的。

什麼是熱冰(Hot Ice)?它是一種醋酸鈉水溶液,既然是水溶液,那麼就不用懷疑它是混合物。混合物的性質是隨著物質間的比例而改變的,也就是說並不固定。以純水來說,一大氣壓下的沸點為攝氏100度,但若是加了鹽,氯化鈉在溶解後所產生的氯離子和鈉離子便會妨礙水分子脫離水的表面,使得沸點因而上升,也就是在比攝氏100度更高的情況下才會有沸騰的現象。

在暖暖袋中,就包含了過飽和的醋酸鈉水溶液。然而,如何讓醋酸鈉水溶液過飽和呢?將溫度提高,溶解更多的醋酸鈉晶體即可。雖然加入了大量的晶體,不過高溫時可以溶解的晶體質量還是較低溫時多。在高溫時將其配製成飽和溶液以後,使其靜置,慢慢冷卻至室溫。

在上述水溶液冷卻的過程中,如果有成核點(晶種、雜質、氣泡或容器縫隙均可)存在,過多的溶質便會結晶析出。所以一定要小心調配,並放置在沒有外在擾動的地方,以免功虧一簀。過程當中,溶解更多的晶體是吸熱過程,那麼讓晶體再次從溶劑當中析出,則能將熱釋放出來。

暖暖袋是由兩片耐熱塑膠膜所夾製而成,其中的內部空間就填充了上述的過飽和醋酸鈉水溶液。不過塑膠膜的平滑內層不易產生成核點,所以裡面便附了一個圓盤形小鐵片,目的就是要利用它產生擾動,並提供成核點。怎麼做?按壓一下,聽到有聲響就行了。
原本透明的水溶液在結晶以後變成了白色固體狀
這是一個釋放能量的過程,但也能讓它逆向進行

按壓的動作會讓圓盤形小鐵片產生彎折,彎折處的少部分金屬原子就會脫離原處,進入到水溶液中,也就是形成了晶種(凝結核)。所以醋酸鈉晶體便開始附著在凝結核上「生長」,過程中並釋放出熱能,因此可以讓使用者接觸的地方感覺溫暖,因為熱能是由高溫的地方傳導到低溫處啊!

不過這種暖暖袋受限於型體的大小,「小的」便代表反應物少,溫暖的感覺維持不了多久,「大的」雖然代表反應物多,但也顯得厚重而失去實用性。另外,若想要讓變成白色的結晶還原成原本透明的溶液,就只要再將暖暖袋放到鍋裡,用熱水烹煮一段時間即可。
鍋子中的水煮了很久才會沸騰,熱量會從滾水中傳到暖暖包內,這個過程也不算短
不是加熱一下子就能恢復清純的模樣,左邊的袋中就仍有一塊結晶漂浮在小鐵片上

等於是說把暖暖袋當作能源銀行,先把能量放在暖暖袋中儲存,等到要用的時候再將它提領出來。提領完後,再將能量儲存回去,便可靜待下一次的使用。不過,光是算算它在熱水中復原所待需要的時間,和它所能維持使人「揪感心」的時間,就知道這是一種投資比回收少的工作,只能應急,但卻一點都不划算!

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