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1、第49 屆國立暨縣(市)公私立高級中等學校第4區科學展覽會科 別：物理科組 別：高中組作 品 名 稱：溶液擴散作用之探討關 鍵 詞：溶液、擴散編 號：壹、摘要 顏料滴入水中，而其擴散情形皆各不相同。因此我們設計一個實驗去探討與溶液相關之變因。將三種不同溶液分別調配出一系列不同濃度之有顏色溶液，再進而以溫度、濃度以及分子量等三方面進行不同因素對於分子擴散速率的影響探討，並利用數位相機拍攝影像，記錄其擴散的過程。輸入電腦後，分析不同時段其速率變化，以探討改變因素對擴散速率的影響。由實驗數據歸納結果如下：1. 溫度上升時，分子之擴散速率亦隨之上升，兩者關係為：。2. 溶液濃度上升時，分子之擴散速率亦
2、隨之上升，兩者間關係為：。3. 分子量越大，液體分子之擴散速率不一定隨之變大，兩者之間無明顯關係；液體分子之擴散速率應與分子大小有關，所以可以反推實驗分子的大小關係。貳、研究動機 參加學校寫生比賽時，在調配顏料時意外發現當顏料滴入水中而暈散開來，且不同顏料在水中的暈散速率各不相同，於是想藉由這次實驗來探討溶液在水中擴散的情形。參、研究目的探討溶液的各項變因與速率的關係：一、探討水中溫度是否影響其速率二、探討溶液濃度是否影響其速率三、探討溶液分子量是否影響其速率肆、研究器材與設備數位相機、腳架、電腦、繪聲繪影10影像處理軟體、電子秤、秤紙、燒杯、滴管、鋼杯加熱器、溫度計、保麗龍1.腳架及攝影2.
3、方形容器3.鉻酸鉀各濃度溶液4.重鉻酸銨各濃度溶液5.赤血鹽各濃度溶液伍、研究過程及方法一、實驗裝置在正立方體透明容器上畫上刻度，並使用保麗龍當背景防止外物干擾拍攝，之後分別滴上溶液，利用數位相機拍攝影像。接著上傳至電腦，使用繪聲繪影10影像處理軟體以1/30秒為單位觀察影像，記錄其擴散的過程。二、溶液 1、鉻酸鉀（K2CrO4）0.1M 鉻酸鉀（K2CrO4）0.2M 鉻酸鉀（K2CrO4）0.3M 鉻酸鉀（K2CrO4）0.4M 鉻酸鉀（K2CrO4）0.5M 2、重鉻酸銨（NH4）2Cr2O7）0.1M 重鉻酸銨（NH4）2Cr2O7）0.2M 重鉻酸銨（NH4）2Cr2O7）0.3M
4、重鉻酸銨（NH4）2Cr2O7）0.4M 重鉻酸銨（NH4）2Cr2O7）0.5M 3、赤血鹽（K3Fe（CN）6）0.1M 赤血鹽（K3Fe（CN）6）0.2M 赤血鹽（K3Fe（CN）6）0.3M 赤血鹽（K3Fe（CN）6）0.4M 赤血鹽（K3Fe（CN）6）0.5M三、實驗步驟1、把標記好的正立方體透明容器放置保麗龍上，且對好鏡頭。2、分別配出三種之五個不同濃度的溶液，將正立方體透明容器注入600c.c的水。3、分別以20、30、40、50的水來觀察其變化。4、滴入配好的溶液並且同時以數位相機錄影拍攝。5、將拍攝好的影像傳入至電腦。6、使用繪聲繪影10影像處理軟體，然後以1/30秒為
5、單位觀察其擴散情形。7、後一個影格與其上一個影格之距離差為1公分，再除於時間及其速率。8、以絕對溫度為橫軸，速率平方為縱軸，使用Excel軟體畫出折線圖圖表。9、以濃度橫軸，速率為縱軸，使用Excel軟體畫出折線圖圖表。10、以分子量橫軸，速率平方為縱軸，使用Excel軟體畫出折線圖圖表。11、在觀察圖表間的關係，研究並探討其所代表的意義。四、原理分子由高濃度至低濃度處運動，稱為擴散作用(diffusion)。擴散作用之所以發生，是因為分子的任意運動，使其能均勻地擴散開來，尤其是氣體或溶劑之例子更能明顯。與熱傳中的傳導相同，都是因相鄰分子之交互作用，使得分子 (或熱量)自勢態較高處移往較低處。
6、當一個物質在兩相鄰區域不能均勻地分散開時，產生了濃度差(concentration gradient)，於是物質會往濃度低的區域運動，而此一流量是與濃度梯度成正比，一直到這種濃度差不再存在時，表示系統已達擴散開平衡(Diffusion equilbrium),因而擴散作用完成。而且溫度高代表粒子的運動速率比較快，因此擴散的速率當然會比較快。我們在教科書學到有關氣體擴散的速率可以利用氣體動力論的關係，表示為：，而且依據斐克擴散定律質量是從高濃度移往低濃度處，而此一流量是與濃度梯度成正比，所以：1.溫度上升時，分子之擴散速率亦隨之上升，兩者關係為：。2.溶液濃度上升時，分子之擴散速率亦隨之上升，兩
7、者間關係為：。3.具有相同濃度的不同分子之氣體，其分子量變大時，兩者間之關係為：。但液體分子之擴散速率應與分子大小有關，不一定隨分子量改變。陸、研究結果實驗一 探討絕對溫度和速率的關係如何本部份實驗係測量三種不同鹽類溶液(各五種濃度)於四種相異溫度的水中之擴散速率，且以速率平方值對溫度作圖，探討兩者間的關係。a.鉻酸鉀鉻酸鉀(K2CrO4)溶液於水中擴散速率平方值與其相對溫度一覽表(0.1M)速率平方(cm/s)2)54176658.67218.218171溫度(K)293303313323鉻酸鉀溶液擴散速率平方值與其相對溫度關係圖上圖為0.1M鉻酸鉀溶液於不同溫度水中之擴散速率平方值對溫度的
8、關係示意圖，其中R2是趨勢線對原始值的解釋能力，其值越接近表示解釋能力越強。由上圖可知，當0.1M鉻酸鉀溶液滴入不同溫度的水中時，當水的溫度越高，鉻酸鉀的擴散速率平方值亦隨之變大，兩數值呈正比關係。鉻酸鉀(K2CrO4)溶液於水中擴散速率平方值與其相對溫度一覽表(0.2M)速率平方(cm/s)2)9662.96938.91212223104溫度(K)293303313323鉻酸鉀溶液擴散速率平方值與其相對溫度關係圖上圖為0.2M鉻酸鉀溶液於不同溫度水中之擴散速率平方值對溫度的關係示意圖，其中R2是趨勢線對原始值的解釋能力，其值越接近表示解釋能力越強。由上圖可知，當0.2M鉻酸鉀溶液滴入不同溫度
9、的水中時，當水的溫度越高，鉻酸鉀的擴散速率平方值亦隨之變大，兩數值呈正比關係。鉻酸鉀(K2CrO4)溶液於水中擴散速率平方值與其相對溫度一覽表(0.3M)速率平方(cm/s)2)10342.911257.213317.229721.8溫度(K)293303313323鉻酸鉀溶液擴散速率平方值與其相對溫度關係圖上圖為0.3M鉻酸鉀溶液於不同溫度水中之擴散速率平方值對溫度的關係示意圖，其中R2是趨勢線對原始值的解釋能力，其值越接近表示解釋能力越強。由上圖可知，當0.3M鉻酸鉀溶液滴入不同溫度的水中時，當水的溫度越高，鉻酸鉀的擴散速率平方值亦隨之變大，兩數值呈正比關係。鉻酸鉀(K2CrO4)溶液於水
10、中擴散速率平方值與其相對溫度一覽表(0.4M)速率平方(cm/s)2)13572.316332.832076.850310.5溫度(K)293303313323鉻酸鉀溶液擴散速率平方值與其相對溫度關係圖上圖為0.4M鉻酸鉀溶液於不同溫度水中之擴散速率平方值對溫度的關係示意圖，其中R2是趨勢線對原始值的解釋能力，其值越接近表示解釋能力越強。由上圖可知，當0.4M鉻酸鉀溶液滴入不同溫度的水中時，當水的溫度越高，鉻酸鉀的擴散速率平方值亦隨之變大，兩數值呈正比關係。鉻酸鉀(K2CrO4)溶液於水中擴散速率平方值與其相對溫度一覽表(0.5M)速率平方(cm/s)2)37442.340562.011758
11、0.4162006.3溫度(K)293303313323鉻酸鉀溶液擴散速率平方值與其相對溫度關係圖上圖為0.5M鉻酸鉀溶液於不同溫度水中之擴散速率平方值對溫度的關係示意圖，其中R2是趨勢線對原始值的解釋能力，其值越接近表示解釋能力越強。由上圖可知，當0.5M鉻酸鉀溶液滴入不同溫度的水中時，當水的溫度越高，鉻酸鉀的擴散速率平方值亦隨之變大，兩數值呈正比關係。b.重鉻酸銨重鉻酸銨(NH4)2Cr2O7)溶液於水中擴散速率平方值與其相對溫度一覽表(0.1M)速率平方(cm/s)2)7482.38611.817004.219796.5溫度(K)293303313323重鉻酸銨溶液擴散速率平方值與其相對
12、溫度關係圖上圖為重鉻酸銨(NH4)2Cr2O7)溶液於不同溫度水中之擴散速率平方值對溫度的關係示意圖，其中R2是趨勢線對原始值的解釋能力，其值越接近表示解釋能力越強。由上圖可知，當0.1M重鉻酸銨(NH4)2Cr2O)溶液滴入不同溫度的水中時，當水的溫度越高，重鉻酸銨的擴散速率平方值亦隨之變大，兩數值呈正比關係。重鉻酸銨(NH4)2Cr2O7)溶液於水中擴散速率平方值與其相對溫度一覽表(0.2M)速率平方(cm/s)2)12122.017476.818496.020764.8溫度(K)293303313323重鉻酸銨溶液擴散速率平方值與其相對溫度關係圖上圖為重鉻酸銨(NH4)2Cr2O7)溶液
13、於不同溫度水中之擴散速率平方值對溫度的關係示意圖，其中R2是趨勢線對原始值的解釋能力，其值越接近表示解釋能力越強。由上圖可知，當0.2M重鉻酸銨(NH4)2Cr2O7)溶液滴入不同溫度的水中時，當水的溫度越高，重鉻酸銨的擴散速率平方值亦隨之變大，兩數值呈正比關係。重鉻酸銨(NH4)2Cr2O7)溶液於水中擴散速率平方值與其相對溫度一覽表(0.3M)速率平方(cm/s)2)14400.018605.020107.223963.0溫度(K)293303313323重鉻酸銨溶液擴散速率平方值與其相對溫度關係圖上圖為重鉻酸銨(NH4)2Cr2O7)溶液於不同溫度水中之擴散速率平方值對溫度的關係示意圖，
14、其中R2是趨勢線對原始值的解釋能力，其值越接近表示解釋能力越強。由上圖可知，當0.3M重鉻酸銨(NH4)2Cr2O7)溶液滴入不同溫度的水中時，當水的溫度越高，重鉻酸銨的擴散速率平方值亦隨之變大，兩數值呈正比關係。重鉻酸銨(NH4)2Cr2O7)溶液於水中擴散速率平方值與其相對溫度一覽表(0.4M)速率平方(cm/s)2)15926.425888.827955.830067.6溫度(K)293303313323重鉻酸銨溶液擴散速率平方值與其相對溫度關係圖上圖為重鉻酸銨(NH4)2Cr2O7)溶液於不同溫度水中之擴散速率平方值對溫度的關係示意圖，其中R2是趨勢線對原始值的解釋能力，其值越接近表示解釋
