👨‍🏫class 3 10/06 化學花園

本週社課的主題是：化學花園
本實驗的主角是-矽酸鈉。矽酸鈉融液與二、三價金屬鹽類相遇，會因為金屬替換，連結模式較一價鈉金屬更為複雜，形成膠狀沉澱。 以金屬鹽固體為種核形成透水半透膜，再透過內外濃度梯度差滲透漲破半透膜，結晶就會如同植物一般生長

活動一、觀察不同金屬的結晶樣貌
將金屬鹽放入觀察瓶底，加入矽酸鈉，靜置10~20分鐘，會看到小芽以無法察覺的速度緩慢成長。不同的矽酸化金屬有不同的晶形，因而生長的形狀顏色各不相同。

觀察到：硫酸鐵的生長較快、硫酸銅生長的慢而直，顏色是藍色、硫酸鋅自然產生的結晶能夠長的像海帶，顏色是白色等等…
觀察瓶就各自帶回家好好玩賞一番囉！

活動二、實驗設計與操作
社員針對觀察到矽酸化金屬結晶的現象，討論並選擇想要進行的實驗。
小組發現結晶柱有歪斜的現象，最後選擇觀察透過注射主動影響結晶生長的實驗。
-實驗Ａ組-
問題主軸：化學花園結晶是否必定向上成長？
實驗一
金屬鹽種核懸掛實驗－與放置於瓶底的金屬鹽進行比較，結晶是否偏向向上生長？
實驗方式：利用小滷包紗網包裹金屬鹽，懸掛於矽酸鈉溶液中。
實驗成果：結晶柱未生長出紗網，推測是紗網內空間過大導致。

實驗二
反晶實驗－替換種核，反過來以矽酸鈉固體作為種核，觀察反晶柱的生長方向，是否趨於向下生長？
實驗方式：將矽酸鈉固體包裹於紗網中，懸掛於硫酸銅溶液中。
實驗成果：結晶柱確實向下生長，形狀酷似鐘乳石柱，可惜無法與實驗一對照，提供可信結論。

－實驗Ｂ組－
問題主軸：為何結晶柱的生長形狀有細長而直立，也有分節而曲折的現象？
實驗一
二維注射結晶實驗－將結晶的三維柱狀生長簡化為二維結晶現象，不同的注射速率會影響結晶樣貌嗎？
實驗方式：利用注射針筒，將硫酸銅水溶液注入盛裝矽酸鈉的平躺夾鏈袋中，觀察結晶生長的特性。
實驗結果：社員雖操作順利，但是由於夾鏈袋過於柔軟，難以觀察到結晶柱剖面，應換成硬壓克力板。不過結晶順著流體生長的樣貌十分美麗喔！

－實驗Ｃ組－
問題主軸：我們能以那些方式，影響結晶的生長？（因而能推測結晶柱形成的特性）
實驗一
不均勻熱對流實驗－結晶的生長方向，是不是順著水流生長？關係何在？
實驗方式：以酒精燈組針對加有矽酸鈉與硫酸鋅的燒杯進行不均勻的加熱，促成熱對流，觀察生長方向與一般自然成長有何不同？
實驗結果：社員挑選到十分適合此實驗的硫酸鋅進行觀察，硫酸鋅的結晶柱十分細而長，完美的呈現熱對流的方向。

實驗二
磁力實驗－結晶的生長涉及電子轉移，與磁場是否具有關聯性？
實驗方式：搬來加熱板，開啟磁石攪拌子的spin功能，將受試的金屬鹽結晶反應試管置於磁場內，觀察其相對於對照組的生長趨勢。
實驗成果：社員觀察到，放置於磁場中的實驗組，明顯的生長緩慢甚至不生長，推測有受到磁場影響。（原本希望能夠觀察到螺旋生長，但是沒有能夠提供所需磁場的電磁鐵設備）

－實驗Ｄ組－
問題主軸：我們能以那些方式，影響結晶的生長？
實驗一
Ｇ力實驗－離心機是一部能夠以旋轉向心力增加Ｇ力的機器，金屬鹽結晶柱的生長與密度梯度有關，能否透過增加Ｇ力加快結晶生長？
實驗方式：搬來一部離心機，將數組實驗組以不同的轉速穩定提供Ｇ力，並觀察生長的高度差。
實驗結果：社員觀察到，進入離心機的實驗組，生長的速度較一般靜置的對照組來的快，而轉速與生長速度具有正相關。

結語
本次的大社課內容十分豐富且複雜，期待社員在高度自主選擇實驗，設計實驗的課程中發展對於自主研究的興趣，並學習到實驗設計的能力。化學花園是一個發展歷史十分長的知名實驗，其中涉及的原理與實驗方法包羅萬象，是個非常有趣的社課經驗。

致謝
感謝社團指導老師協助確認器材與藥品使用安全；感謝化學科、生物科管理室借用實驗室、協助借用器材與藥品。