國小時常常到文化局去欣賞水墨畫展，後來對水墨畫產生莫名的興趣，要求媽媽帶我去學水墨畫。在學習過程中，發現 把毛筆放入洗筆壺中，原本清澈見底的水，漸漸變成筆上原本的顏色，我對這個現象感到十分好奇，於是到圖書館查資料， 才發現這個現象叫「擴散作用」。基於對擴散作用的好奇心 ‚ 我們便著手從事研究。本實驗中，使用混合物、離子化合物、

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1 國小時常常到文化局去欣賞水墨畫展，後來對水墨畫產生莫名的興趣，要求媽媽帶我去學水墨畫。在學習過程中，發現 把毛筆放入洗筆壺中，原本清澈見底的水，漸漸變成筆上原本的顏色，我對這個現象感到十分好奇，於是到圖書館查資料， 才發現這個現象叫「擴散作用」。基於對擴散作用的好奇心 ‚ 我們便著手從事研究。本實驗中，使用混合物、離子化合物、 分子化合物等各式不同的溶液來探討會影響各種溶液擴散的現象。 一、設計儀器來測量溶液的擴散速率。 二、探討溫度對液體擴散行為的影響。 三、探討墨汁 ( 混合物 ) 在清水、食鹽水及糖水等不同溶液 的擴散行為。 四、探討過錳酸鉀 ( 離子化合物 ) 在清水、食鹽水及糖水等 不同溶液的擴散行為。 五、探討酚紅、亞甲藍 ( 分子化合物 ) 在清水、食鹽水及糖 水等不同溶液的擴散行為。 一、综合光學組二、墨汁一罐三、試管 60ml 數支 四、鐵架一組五、電子溫度計六、輸液器數個 七、量筒 100ml 八、光度計九、保麗龍 十、精密電子秤十一、燒杯十二、玻棒二支 十三、刮勺二支十四、糖十五、透鏡成像組 ( 一 ) 光學擴散檢測組：由文獻得知溶液的透光性會受到 其濃度的影響，尤其是有色溶液其影響就更為明顯，且 利用凸透鏡來產生平行光通過整根試管，藉由光度計來 偵測擴散是否均勻之判斷。 一、儀器設計與原理 ( 二 ) 輸液器：本實驗原先採用滴管將高濃度的溶液滴入 試管中，但是發現到不易控制滴入的液體體積，因此改 用點滴的輸液器來控制。而因為針頭極細，因此可以控 制每一滴的體積大約為 0.0075ml 。 ( 使用電子天秤測量滴 10 滴水的重量再取平均 ) 滴數重量平均重量 ( 一滴水 ) 1滴1滴 0.0077 克 5滴5滴 0.0373 克 0.00746 克 10 滴 0.0749 克 0.00749 克 註：由此表可以看出每滴溶液體積約為 0.0075 ml 。 圖 1 取自綜合光學組之光源 ( 側視圖 ) 圖 2 取自綜合光學組之光源 ( 正視圖 ) 圖 3 透鏡成像之木箱 ( 正視圖 ) 圖 4 木箱底黏上保麗龍，以調 整對應之光原高度 圖 5 光源箱外側黏上保麗 龍，用以組合試管及 木箱。 圖 7 將透光處以黑紙密封起來 圖 6 將步驟一及二的設備組裝起來 圖 8 裝上光度計之完成圖 圖 9 裁切保特瓶 圖 10 利用加熱鐵釘在瓶蓋上打洞 圖 12 組裝輸液器和保特瓶 圖 11 將輸液器接上瓶蓋 圖 13 將光學擴散檢驗組及輸液 器組裝之完成圖 圖 15 輸液器組裝示意圖 圖 14 光學擴散檢測組之示意圖 二、實驗步驟 實驗一：探討墨汁 ( 混合物 ) 在清水、食鹽水及糖水等不同溶液 的擴散行為 ( 一 ) 架設儀器。 ( 二 ) 調配試管中溶液 ( 清水 ) ，並控制溫度在 20 ℃，以水 溶液對試管內之液體加熱 ( 以水浴法控溫 ) ，並以溫度 計測量。 ( 三 ) 將墨汁倒入輸液器上方的寶特瓶容器裡，並將試管 放到實驗位置，然後記錄光度計有光及無光的數值。 ( 四 ) 用輸液器的調節器控制墨汁的滴數和大小。 ( 五 ) 滴下墨汁，並紀錄下光度計的讀值，每十秒記錄一次數值， 直到讀數不再變化。 ( 六 ) 改變清水溫度分別為 30 ℃、 40 ℃、 50 ℃、 60 ℃及 70 ℃，並重複上述 步驟 ( 三 )~( 五 ) 。 ( 七 ) 更改試管中的溶液分別為食鹽水及糖水，並重複上述步驟 ( 二 )~( 六 ) 。 延伸實驗： ( 一 ) 確認墨汁在高溫的含鈉離子的溶液中會發生鹽析的現象，將墨汁滴入氫氧化鈉及食鹽水中觀察。 ( 二 ) 將實驗一中的食鹽水改成氯化鉀水溶液，再重複實驗並記錄之。

2 圖 26 亞甲藍在清水中擴散的情形，在高溫 的清水中大約在 100 秒就可達到平衡， 而低溫部分 (20 ℃及 30 ℃ ) 則要到大約 300 秒才會達平衡。 圖 27 亞甲藍在食鹽水中擴散的情形，在高 溫及低溫部分的擴散情形差異不大。 圖 28 亞甲藍在糖水中擴散的情形，在高溫及 低溫部分的擴散情形差異不大，擴散時 間並無顯著差異。 一、由圖 16 及圖 17 可以很明顯的看到擴散速率與溫度成正比，而由文獻得知，當溫度 越高時，粒子運動速率越快，因此可以合理的說明溫度越高擴散速率越快。 二、由 圖 16 及圖 17 來看，墨汁在清水中的擴散速率明顯高於在糖水中的擴散速率，本文 嘗試利用所找到的瑞利 - 泰勒不穩定性理論來加以說明。 瑞利 - 泰勒不穩定性 (Rayleigh-Taylor instability) 墨水的密度比水大，當我們把密度較大的液體擺放在密度較小的液體上方時，任何一個小小的擾動，都很容易驅使上 方的液體侵入下方的液體中 ( 因為「頭重腳輕」 ) 。可是因為這些液體都是不可壓縮的，所以受到「侵犯」的低密度液體 會因被排擠的結果而往兩側流開。因為這個緣故而導致的對流也會順便把一部份入侵的高密度液體帶走。被帶到新環境 的高密度液體並不會很安分，因為它仍會感到「頭重腳輕」。於是，同樣的「侵入 → 流開」的戲碼再度上演。這樣的過 程反覆幾次之後就造成了我們所看到的墨水暈開來的現象。且可以說此機制會極易受到密度差異的影響，因此密度差異 越大擴散越快。 三、由圖 18 來看，可以發現到墨汁在食鹽水中的擴散，很明顯的違背了前兩項規則 ( 溫度及密度會影響擴散行為 ) ，因此 必有一套新規則的產生。我們找了許多相關文獻 [3] ，發現到墨汁會和食鹽水中的產生鹽析作用，且我們也做實驗證實 了含的試 劑，皆會使墨汁鹽析，並不因其陰離子不同而異。此外有一項論點說在鈉離子電解質加入膠體溶液中，溫度 升高時，鹽析現象更明顯 [3] ，此可以用來說明墨汁在高溫食鹽水中不會發生擴散，而在低溫食鹽水卻可發生擴散。 實驗二：探討過錳酸鉀溶液 ( 離子化合物 ) 在清水，食鹽水，糖水等不同溶液的擴散行為 一、由圖 20 及圖 21 來看擴散行為仍舊受到溫度效應的影響。 二、由圖 20 及圖 21 來看，過鉀酸鉀在高溫食鹽水中的擴散速度較在清水快，但是低溫食鹽水就沒有這種情形。 三、由圖 22 來看，可以發現光度幾乎沒發生變化，因此推測過錳酸鉀在糖水中較不易發生擴散的行為。 實驗三：探討酚紅及亞甲藍 ( 分子化合物 ) 在清水，食鹽水，糖水等不同溶液的擴散行為 酚紅 : 一、同樣地，擴散行為仍舊受到溫度效應的影響，高溫的部份很快就達到平衡，而低溫部分還會稍微震後 才會達到平衡。 二、由圖 23 、圖 24 及圖 25 來看，酚紅在食鹽水及糖水中的擴散速率大於在清水中的擴散速率，但是無法判斷 酚紅在食鹽水和糖水中和者擴散速率較快。 亞甲藍 : 一、同樣地，擴散行為仍舊受到溫度效應的影響。 二、由圖 26 、圖 27 及圖 28 來看，亞甲藍在食鹽水及糖水中的擴散速率大於在清水中的擴散速率，但是無法 判斷亞甲藍在食鹽水和糖水中何者擴散速率較快。但若只比較低溫部分，則亞甲藍在糖水中的擴散速率 大於在食鹽水中的擴散速率。 由前述之討論，可以很容易的得知，擴散行為極易受到溫度高低的影響，溫度越高擴散越快，反之則越慢。此外由瑞 利 - 泰勒不穩定性理論得知，擴散也受到兩溶液密度的差異影響，由溶液密度大的滴入溶液密度小的則擴散較快，反之則較 慢；因此本實驗認為重力會影響到擴散行為的發生。再則就墨汁滴入食鹽水的情形來探討，因為發生鹽析作用而使擴散行 為不發生，而我們可以把此情形歸因為受到靜電力的影響。 本實驗中可以看到各式溶液 ( 混合物、分子化合物、離子化合物 ) 分別滴進清水、食鹽水、糖水等三種溶液中，可以發現到 性質相近的溶液互相混合，其擴散速率較快，但是其影響程度遠不如前段所提到的溫度、重力、靜電力等外在趨力。總而 言之，擴散行為是一種非常複雜的行為，在一次的擴散行為中可能會受到許多因素的影響，因此就必須更深入了解各因素 的影響力大小，才能使我們更加理解整個擴散過程所發生的行為。 實驗一：探討墨汁 ( 混合物 ) 在清水、食鹽水及糖水等不同溶液的擴散行為 圖 29 瑞利 - 泰勒不穩定性 理論示意圖