錫刺猬 科學實驗套組(內含2項實驗)

MEL Science 英國知名科普教育品牌

NT$2,000 NT$1,480

您一定有聽過鐵樹開花,但您知道原來”錫”也會開花嗎?錫開花的樣子像樹枝、像刺猬,這美麗又神奇的景像,一定要讓您的孩子親身體會,啟動孩子的科學魂,就趁現在!

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  • 此實驗套組包含實驗中所需要用到的工具及材料。
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實驗A:錫枝晶

步驟說明

首先,準備氯化錫SnCl 2溶液。

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該溶液將不能很好地覆蓋培養皿的表面。為了使液體均勻分佈,我們需要透過添加一些液體肥皂來降低其表面張力。

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將電極放入溶液中。

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將電極連接到電池的電流源。

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帶負電的電極(黑色電極)附近的錫離子Sn 2+將轉變為金屬錫Sn 0。錫將在整個溶液中逐漸形成長枝狀晶體。

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預期結果

無色鹽溶液中會長出奇妙的枝晶。

處置方式

將固體廢物與生活垃圾一起處理。將溶液倒入水槽。用過量的水沖洗。

科學描述

電池基本上是電子泵:它們以“ +”號吸入電子,並從“-”號中抽出  電子  。當此類泵通過“電動軟管”(即電線)連接到溶液時,會發生多種化學反應:通過“-”電極,  一些顆粒將捕獲傾瀉出來的電子,而通過“ +”電極上的  一些粒子會釋放電子。

在我們的實驗中,錫離子Sn 2+ (即缺少兩個電子的錫原子)將很樂意在“-”線接受一些電子,並變成金屬錫  。同時,由鐵製成的“ +”電極本身  會將其一些電子提供給“ +”導線  ,從而使一些鐵離子漂浮在周圍  。這就是紅色鱷魚夾如果不斷開連接就會最終溶解的原因。

為什麼錫枝晶會生長?

通過將鱷魚夾固定到培養皿的邊緣,我們將氯化錫(II)(SnCl 2)溶液連接至電池。連接後,電流開始流過溶液。在其中一個夾子附近,發生錫還原反應:

的Sn 2+ (水溶液) + 2e中 →Sn的(固體)

錫是一種會沉澱(形成固體)為固態元素錫的金屬。錫枝晶在電流流過溶液的方向上生長;從一個片段到另一個片段

更多細節:

鱷魚夾是導電體,稱為電極。可以使用多種類型的電極。了解已發明的不同類型並了解我們在實驗中使用的類型非常重要。電極可以由金屬,石墨或聚合物材料製成。其中一些參與溶液中發生的化學反應(稱為消耗電極),其他一些則是化學惰性的(非消耗電極)。我們實驗中的電極是惰性(非消耗性)金屬電極。

錫在其中一個夾子上形成為枝晶,直接向另一個夾子生長。為什麼枝晶在第一個片段附近不顯示為錫的“島狀”?答案是,一旦電極上長出一些錫樹枝狀晶體,它也可以導電。因此,它是浸入溶液中的電極的一部分,因此,每個新的樹枝狀分支都進一步生長到溶液中。

重要的是要理解由不同金屬溶液製成的樹枝狀晶體會以不同的方式生長,因為每種金屬都會形成具有獨特特性的獨特晶體。錫具有非常特殊的晶體結構,形成長而薄但足夠堅固的晶體。

什麼是電解?

電解是通過電流誘導化學反應的過程。當電流流過某些物質(稱為電解質)的溶液(或熔合)時,就會發生電解。電解質是易於在溶液中分裂成離子的物質。例如,氯化氨(NH 4 Cl)在水溶液中形成兩個離子:

NH 4氯→NH + +氯

電解為我們提供了一種形成新物質的方法,該物質是在電流的作用下從溶液中存在的物質演變而來的。例如,金屬銅(Cu)從硫酸銅溶液(CuSO 4)中沉澱出來。此類產物也可以通過二次電極反應形成,例如,氯化錫(II)(SnCl 2)氧化為錫(IV)(Sn 4+)得到氧氣(O 2),氧氣在生成過程中從水中釋放出來電解。

更多細節:

什麼是電流?它是帶電粒子的流動。這些粒子是電子(電子電流)或離子(離子電流)。

當電流流過電線時,它會在一個電極(夾子)上建立負電荷,而在另一個電極上建立正電荷。這使溶液中的離子在夾子之間移動。帶正電的電極稱為陽極,帶負電的顆粒(陰離子)向該夾子移動。帶負電的電極稱為陰極,帶正電的粒子(陽離子)向該電極移動。這就是溶液中離子電流的形成方式。

在我們的實驗中,錫沉積在陰極上並長成美麗的枝晶:

陰極:2SN 2+ (水溶液) + 4e中 →2SN (固體)

在陽極發生更多的反應。主要過程是氧氣(O 2)的形成:

陽極+:2H 2 -O – 4E  →O; 2 + 4H +

同時,放出的氧氣與氯化錫(SnCl 2)之間發生次級反應:

2SnCl 2 + O 2 + 2H 2 O→2SnO 2 + 4HCl

您應注意,與錫相互作用的氧實際上不是O 2分子。它更像是原子氧-一種非常活潑的粒子,參與該反應。它將錫(II)(Sn 2+)氧化為錫(IV)(Sn 4+)。形成白色的氧化錫(IV)沉澱(SnO 2)。

這些並不是在陽極附近發生的所有反應,但沒有任何意義使我們的故事變得更加複雜,因此讓我們跳過它們。

為什麼使用SnCl 2

由於錫的某些特殊性質,我們選擇了氯化錫。首先,錫晶體形成細長的結構。這是因為一個方向上的晶體生長速度快於其他方向上的晶體生長速度。其次,錫是一種明亮,閃閃發光的銀色,這就是為什麼枝晶看起來很壯觀的原因。錫還是一種易延展且柔軟的金屬,可減少樹枝狀晶體斷裂的機會(由於其自身的重量或從夾子上脫落)。實際上,錫枝晶漂浮在液體表面上。此外,金屬錫對空氣中的氧氣和濕氣具有足夠的惰性,因此在實驗過程中不會分解。最後,錫還原反應足夠快,可以觀察到枝晶的生長。

可以從其他鹽溶液中獲得樹突嗎?

錫是該實驗的最佳選擇。當電流流過其鹽溶液時,許多金屬會形成沉澱,但只有錫才能提供如此引人注目的枝晶。一些金屬,例如鉛(Pb),會一層一層地從夾子表面剝落。其他金屬,例如銅(Cu)或銀(Ag),會形成微弱的多孔結構,這些結構會因自身重量而坍塌。每種金屬都具有獨特的特性,這會導致不同的晶格,從而產生具有獨特特性的晶體。

延伸實驗

我們已經準備了一些想法,以便您可以繼續進行此實驗。我們建議您閱讀所有內容,然後為您選擇最有趣的內容。

消失的枝晶

在此實驗過程中,請務必避免搖動桌子或培養皿。為了成功,枝晶應與其生長的夾子接觸。確保將鱷魚夾牢固地固定在培養皿上。最好在後續步驟中種植一個較小的樹枝狀晶體,大小約為培養皿的1/3。

現在,交換電池塊上的夾子。為此,請將它們都與電池塊斷開,然後一次重新連接一次。仔細觀察枝晶!它將開始消失。同時,在另一側將開始形成新的枝晶。

怎麼了?我們已經改變了電池的極性。現在,電流以相反的方向流過系統。這就是為什麼舊的樹枝狀晶體開始消失的原因:

固體 – 2E  →錫2+ 解決方案

如何控制錫枝晶的生長?

這樣做沒什麼大不了的!請按照開頭的說明進行操作。當樹枝狀晶體從其中一個鱷魚夾開始生長時,將另一個夾子從培養皿壁上斷開,然後沿其移動。確保夾子保持浸入氯化錫溶液中!樹突將嘗試以最短的路徑“到達”您正在移動的剪輯。您也可以將夾子完全從培養皿壁上取下,以使其在整個培養皿中移動。同樣,請確保夾子與溶液保持接觸。

象形文字:濾紙實驗

進行此實驗時,請務必戴好防護手套。取普通的濾紙(可以使用優質的咖啡濾紙或繪圖紙)。切成一塊矩形(4х8厘米或1.5 x 3.0英寸)。如果您使用的紙張是多層的,並且可以輕鬆分成單層,則最好採用單層。用氯化錫溶液徹底弄濕紙(在乾淨的培養皿中進行)。避免使用過多的液體。從盤子中取出紙,然後在兩端將兩個鱷魚夾固定在上面。仔細觀察紙張:內部會逐漸出現小的錫枝晶。嘗試將濾紙放在光源上,以查看“象形文字”(但請確保夾子與紙保持連接)。請記住戴防護眼鏡!

稀釋SnCl 2溶液將如何影響實驗?

在開始該實驗之前,用水將氯化錫溶液稀釋兩倍。之後,請按照說明進行操作。

當我們稀釋溶液時,錫離子的濃度會降低,這會導致樹枝狀晶體的生長速度減慢。樹枝狀“分支”的生長頻率較低,並且彼此垂直對齊。最後,所有分支都將變薄。

那很有意思!

我們需要迴紋針做什麼?

讓我們重複一下實驗。這次我們將使用迴紋針。在將電池塊連接到鱷魚夾之前,請將紙夾放入氯化錫溶液中。將迴紋針放在兩個鱷魚夾之間的中間,迴紋針的一個圈指向一個鱷魚夾,第二個圈指向另一個鱷魚夾。按照給定的說明重複實驗。

錫枝晶在迴紋針環之一上生長。而且,它增長非常快!

為什麼會這樣?迴紋針將溶液分為兩部分。紙夾環作為電極參與電解反應(請參閱“什麼是電解?”部分中的“了解更多”)。現在,我們的系統中有四個電極:兩個鱷魚夾(陰極和陽極)和兩個迴紋針環(陰極和陽極)。錫枝晶從兩個陰極中的每個陰極生長。紙夾陰極位於指向鱷魚夾陽極的環上。迴紋針由金屬製成,因此流經迴紋針的電流是電子流。電子在金屬中的移動比離子在溶液中的移動快得多。因此,在這種情況下,電子流的移動遠快於離子流。這就是為什麼樹枝狀突起在迴紋針上比在鱷魚形夾子上生長更快的原因。

錫與人類:長久的關係

人類很久以前就發現並開始使用錫。錫的熔點略高於230 o C(446 o F)。將一些木炭與含錫石(錫石礦物包含錫以氧化物SnO 2的形式)混合就足以在火坑中發現熔融金屬滴。

錫以及銅是銅的重要成分之一,銅是發現鐵之前人類已知的最堅硬的合金。錫和青銅的重要性不可過分強調:整個歷史時期都以青銅命名-青銅時代(持續了大約2000年!)。

實驗B:錫刺猬

步驟說明

首先,準備氯化錫SnCl 2溶液。

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現在,將一種更具活性的金屬鋅Zn浸入錫鹽溶液中。取代反應的結果是,一些鋅會溶解到溶液中,而錫會以可愛的針狀形式沉澱在鋅丸的表面上。

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預期結果

鋅顆粒變成刺猬!

處置方式

將固體廢物與生活垃圾一起處理。將溶液倒入水槽。用過量的水沖洗。

科學描述

金屬形式的金屬由嵌入帶負電的電子云中的帶正電的粒子組成  。一些金屬粒子比其他粒子更喜歡留在這種雲中。

在我們的實驗中,錫Sn  寧願在電子云中冷卻,而鋅Zn   則更傾向於以帶電粒子(或化學家所說的離子)的形式自行漂浮。當我們將鋅丸放入含有錫離子Sn 2+ 的溶液中時,錫離子“拉”“電子毯”  ,變成金屬錫,鋅冒險進入溶液  

錫顆粒不僅會隨機散佈在各處。他們喜歡彼此“坐著”的某種方式。化學家稱這種晶體結構。這就是錫形成優雅的針頭而不能均勻覆蓋鋅粒的原因。同時,其他物質具有不同的晶體結構。如果您選擇的溶液中含有銅離子(例如CuSO 4,而不是錫離子),則不會產生不必要的刺猬,而是會產生  完全不同的野獸  

甚至錫本身也可以具有許多晶體結構。在非常低的溫度下,錫傾向於採用不同的包裝方式,這會極大地影響其性能。堅固的錫塊易碎且易碎。這種現像被稱為“錫害蟲”,如果您在錫冷時依靠錫製成的東西,可能會造成很多麻煩。有人說,極地探險家羅伯特·斯科特(Robert Scott)學會了這一艱辛的方法,因為他的探險隊發現自己在冰凍的南極沙漠中間,無法取暖:裝滿燃料的罐子被錫焊了,錫在寒冷中碎裂,他們所有的燃油都洩漏了。

錫刺猬如何形成?

鋅金屬(Zn)與溶液中存在的氯化錫(II)(SnCl 2)反應。發生以下反應:

SnCl 2 + Zn→Sn + ZnCl 2

在反應過程中,錫從溶液中沉澱出美麗的晶體。錫晶體在鋅粒的表面上生長。這就是錫刺猬的樣子。

為什麼出現錫針?

我們已經確定了實驗過程中錫的來源。將其從氯化錫溶液(SnCl 2)中取出,並用鋅代替。

但是為什麼錫會像花式針一樣沉澱在鋅丸上?

SnCl 2和Zn 之間的反應在鋅粒的表面附近發生。作為該反應的產物,錫以針狀晶體結構生長。此過程稱為結晶。

每種金屬都具有一組獨特的化學和物理特性,例如其晶體的特定結構。錫晶體堅固且相對有彈性,並且一個方向的晶體生長速度快於其他方向的晶體生長速度,這導致出現長針狀。

以從其他金屬鹽中生長刺猬嗎?

讓我們提醒自己在這個實驗中會發生什麼。鋅還原SnCl 2溶液中的錫以形成金屬錫,金屬錫從溶液中結晶為金屬針狀。

如果要用另一種鹽代替SnCl 2,則需要滿足一些要求,例如:

  • 該鹽應易溶於水並在水中穩定
  • 金屬鹽中的金屬應易於與鋅反應,使其氧化形成Zn +2(鹽中的金屬還原為不帶電荷的金屬形式)
  • 金屬應該能夠形成固態晶體結構
  • 鹽中的金屬不應以金屬形式與空氣中的氧氣發生反應(如果金屬針被氧化,則會被破壞)。

儘管很難找到合適的金屬鹽,但刺猬可能不會出現。每種金屬的晶體都有獨特的特性,錫可以形成良好的針狀。

延伸實驗

如果在製作刺猬之前稀釋SnCl 2溶液會怎樣?

重複實驗,但先將氯化錫溶液稀釋兩倍。您可以為此使用普通的飲用水。最好使用過濾水,或者不含任何添加劑的礦泉水。不要使用蘇打水。

當我們稀釋鹽溶液時,我們會增加其體積,但是由於鹽分子的總數保持不變,因此溶液的濃度降低了。氯化錫濃度的降低導致錫針變長,這使刺猬看起來很棒,但針的生長慢得多。如果將溶液稀釋四倍以上,則刺猬會形成得太慢。

別忘了給刺猬拍照!

那很有意思!

我可以養刺猬嗎?

不幸的是,沒有辦法保留刺猬。錫針細而脆弱,當您將刺猬從溶液中取出時,錫針會立即塌陷。即使您打開瓶蓋並緩慢蒸發溶液,錫針也會塌陷。針在自己的重量下折斷。儘管時間不長,也可以將刺猬保留在溶液中。在溶液中輕輕搖動刺猬會壓傷針頭。另外,氯化錫(II)(SnCl 2)水溶液在空氣中非常不穩定。溶液很快變渾濁並形成沉澱。錫針也會失去其明亮的銀色光澤。我們建議您在刺猬形成後且退化之前為它拍照。

錫也會生病?稱我們實驗中沉澱的金屬錫並不完全正確。錫可以兩種不同的形式存在,稱為“變體”。白錫和灰錫。白錫是一種柔軟而有彈性的固體,具有銀色。它是刺猬刺針的白色錫。白錫在溫度存在高於13.2 о С(-8.24 Ø F),它是在19世紀流行的材料被用於軍事制服,瓶,盤等家居用品和兒童玩具。

但是,如果冷卻至低於13.2錫о С(-8.24 Ò F),這將逐漸成為一個脆弱易碎,灰色物質,被稱為灰色錫。當錫放入深凍(≈-30 о С/ -22 ö F)合攏,以形成灰色粉末。有趣的是,如果將一塊灰錫與一塊白錫接觸,則白錫會被“感染”並變成灰錫。這種現像被稱為錫病。

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一、醫療級消毒措施:我們與生物科技及醫療專家合作,針對教室空間用最嚴格的標準進行「醫療級」消毒工作,為孩子提供最佳環境防護。
- 每週1次”次氯酸”全室消毒。
- 每天2次”酒精”全室消毒”。
- 消毒範圍包含門窗、桌椅、把手、牆壁。

二、全方位防護工作:我們將時時提醒並嚴格要求學童,每日進入教室前,需完成三件工作:
- 口罩:上課全程需配載口罩。
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三、定時控管體溫變化:我們將使用額溫槍定時為學童測量並記錄體溫變化,若體溫異常,將即刻通知家長領回。
- 每日上午及中午,將統一測量並記錄體溫,若超過37度將通知家長領回。
- 針對體溫過高的學童,我們將持續追蹤後續的健康情形。

四、完善的預防配套指施:我們將制定學童停止報到及停課標準,並請求所有家長配合,預防疾病發生。
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