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變態的膠水---聚乙烯醇與硼砂的交聯作用
by yangsp, 2011-04-30 10:14:54, 人氣(77220)

中學化學示範實驗

Chemical Demonstrations for High School


國立彰化師範大學理學院化學系 提供

【策劃者:楊水平】  【製作者:李忠家 N3242011】  【編修者:楊水平


變態的膠水---聚乙烯醇與硼砂的交聯作用

簡介

透明膠水加入飽和硼砂水溶液,透明膠水由黏稠的液態變為黏土狀的固體狀態。

示範步驟

1. 準備妥示範實驗的器材和藥品如圖一所示。
2. 配製飽和硼砂水溶液:取大約 2 g 的硼砂固體放入一個 100 mL 燒杯中,加入大約 20 mL 的水,用玻棒攪拌促使硼砂溶解。此配方硼砂固體無法完全溶解,故所得的溶液為飽和的硼砂水溶液,如圖二所示。
3. 配製膠水溶液:250 mL 的燒杯量取大約 100 mL 的透明膠水,加入約 20 mL 的水和少許食用色素並且攪拌均勻,如圖 三~四所示
4. 慢慢地加飽和硼砂水溶液到有色的透明膠水中,並且用玻棒攪拌均勻,仔細觀察混合物的變化,如圖五~六所示
圖一   準備妥器材和藥品 圖二   配製飽和硼砂水溶液
圖三   配製膠水溶液 圖四   配製色的透瓶膠水溶液
圖五  加硼砂溶液到透明膠水中 圖六  觀察混合物的變化

請按此連結:變態的膠水---聚乙烯醇與硼砂的交聯作用,YouTube。

(拍攝者:吳政隆和謝孟樺;影像製作和轉檔者:李忠家)

溶液和器材

1.
透明膠水含PVC(聚乙烯醇,polyvinyl alcohol),約 100 mL。
2.
硼砂(硼酸鈉,sodium borate, Na2B4O7
3.
水溶性食用色素 少許
4.
蒸餾水或自來水。
5.
250 mL100 mL 燒杯各1 個。
6.
玻棒 2 支。

原理和概念

1.

硼砂的分子式為Na2B4O7,當硼砂溶於水中時會生成硼酸(boric acid,H3BO3),硼酸於水溶液中會接受帶負電荷氫氧根離子(Hydroxide,OH-)進而生成硼酸根離子(borate ion,B(OH)4-),反應如下所示

B(OH)3 + 2H2O " B(OH)4- + H3O+ 

圖七  B(OH)3與B(OH)4- 的分子結構式

2.

B(OH)4-與聚乙烯醇 (PVC) 上的醇基進行縮合反應(condensation reaction)並且脫去水分子,使得聚乙烯醇分子交(crosslinking)在一起,而形成具有彈性的黏土狀聚合物 ,如圖八所示

圖八  醇B(OH)4-與聚乙烯進行縮合反應的 交聯作用

另一說明,B(OH)4-與聚乙烯醇上的醇基形成氫鍵(hydrogen bonding),使得聚乙烯醇分子交(crosslinking)在一起,而形成具有彈性的黏土狀聚合物 ,如圖九所示。。

圖九  聚乙烯醇與B(OH)4-形成氫鍵的 交聯作用

教學提示

1. 購買透明膠水時需特別注意上面是否有無標示主要成份為 polyvinyl alcohol(PVA),因為有些透明膠水的成份不是Polyvinyl alcohol,若沒有 事先進行測試而直接進行示範實驗有可能造成示範教學的失敗
2. 示範實驗的材料用量可自行調整,不同的處方用量,可得到物理性質不同的交聚合物。
3. 此示範實驗由於沒有太大危險性因此可以由學生操作。此實驗也可以在家中來進行,燒杯或玻棒可以用適當的容器或家用品來取代;但 太小的小朋友進行此實驗需由大人陪伴避免小朋友因誤食而造成危險。

問題和參考答案

1. 當透明膠水與飽和硼砂水溶液互相混合時,混合物的物理性質會有怎麼樣的變化?
答: 當兩溶液互相混合時,溶液由原來的液體狀態變成為黏土狀的固體狀態。
2.  當改變膠水溶液的濃度時,得到的交聚合物有何不同的特性?
答: 若使用的膠水溶液濃度較濃得到較硬且較脆 的交聯聚合物以及較不容易變形;若是使用的膠水溶液濃度較稀得到較軟較且黏稠 的交聯聚合物以及較容易變形
3. 硼砂在以前較早的年代,曾被拿來用作食品添加物,以增加食物的黏性或彈性例如鹼粽或魚丸的製作,會什麼現在卻禁止使用硼砂當為食品添加物?
答: 因為硼砂進入人體後,會由胃酸作用轉變為硼酸,連續攝取硼砂後,硼酸會在人體內累積,使得人們中毒,進而妨礙消化酵素作用,引起食慾減退、消化不良、抑制營養素之吸收、促進脂肪分解因而體重減輕。

參考資料

1. Slime, Organic Chemistry, General Chemistry Demos, GenChem main page, Chemistry Department, University of Wisconsin-Madison (Accessed on 2011/04/30).
2. Shakhashiri, Bassam Z; Chemical Demonstrations: a handbook for Teachers of chemistry, Volume 3, 1983, pp 362, Madison, Wis., University of Wisconsin Press.
3.

Mickey Sarquis and Jerry Sarquis, Fun with Chemistry: A Guidebook of K-12 Activities, 2nd Ed, Vol. 2, 1995, pp 67-76, the Institute for Chemical Education, Madison.

適用程度

ˇ國民小學 ˇ國民中學 ˇ高級中學 ˇ大學普通化學

安全

 ● 示範這個實驗必須戴安全眼鏡及可丟棄的手套。
 ● 示範這個實驗實行適當的風險評估是老師的責任。
 

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