化學教室活動：神奇的超吸水聚合物 – I

化學教室活動：神奇的超吸水聚合物 (Magic Super Absorbent Polymers)〔I〕
國立彰化女子高級中學化學科陳琬菁老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

學生講義 (Student Handout)

化學示範

老師示範「水到那兒去了」，學生觀察顏色變化的現象，並與學生互動討論水到那兒去了。

實驗介紹

本次實驗的目的是探討超吸水聚合物（Super Absorbent Polymers, SAP）聚丙烯酸鈉（sodium polyacrylate）的滲透作用、尿布內聚丙烯酸鈉的吸水倍數、以及玩具恐龍吸水的膨脹率。圖一為尿布含內聚丙烯酸鈉的位置圖。

圖一 尿布含內聚丙烯酸鈉（在With Ultra Absorbency所指之處）（圖片來源：Diapers Introduction, http://diapers-n-kidswear.com/babydiapers_introduction.html）

聚合物，又稱為高分子是指具有非常大的分子量的化合物，分子間由結構單位（structural unit）、或單體（monomer）經由共價鍵連接在一起。聚合物因為分子量大。聚丙烯酸鈉是一種單體單元分子式為[－CH₂-CH(COONa)－]不斷重覆的聚合物，其結構如圖二所示。

圖二 聚丙烯酸鈉的結構式

聚丙烯酸鈉為白色顆粒狀，是一種吸水高分子，主鏈含有－COONa，如圖三的左圖所示。當水介入時，會解離成－COO^–和Na⁺。因－COO^–陰離子之間互相排斥，導致原本彎曲鏈展開成直條鏈，如圖三的右圖所示。由於H₂O（H－O－H）分子中氫原子略帶正電荷，氧原子略帶負電荷，略帶正電荷的氫原子和帶負電的－COO^–之間產生氫鍵的吸引力，因此聚丙烯酸鈉能吸水，但它不是溶解於水中而是形成膠狀物質。原因是當交聯（cross-link）程度高時，水無法進入高分子中，其吸水能力降低。而在低交聯度的情形下，水分子容易滲透進入高分子中，使樹脂膨脹，進一步親水而凝膠化，成為高吸水性的狀態。當交聯密度太低的情況下，就可能溶解於水。

圖三 聚丙烯酸鈉未吸水（左）和吸水（右）的結構（圖片來源： http://www.disposablediaper.net/faq.asp?1）

聚丙烯酸鈉高分子本身是一個半透膜，利用半透膜只容許水分子通過的特性，以此半透膜包住氯化鈉而形成小圓球，半透膜內是高濃度，半透膜外是低濃度。當聚丙烯酸鈉高分子接觸到水時，由於小圓球內外的溶液濃度相差懸殊，因此大量的水由小圓球外的低濃度溶液滲透進入小圓球內部的高濃度溶液，直到內外溶液的濃度相等，即所謂的等滲透壓。

基於滲透的原理，吸水高分子所吸收的水量取決於外在的溶液種類。如果是蒸餾水，可以吸收聚合物本身重量的800倍。如果是自來水，因為含有較多離子，所以只能吸收本身重量的300倍。如果是尿液（約0.9%食鹽水），只能吸收本身重量的60倍。利用半透膜滲透原理，超強吸水高分子可以應用在老人及嬰兒用之紙尿布，或婦女用之衛生棉。

除此之外，在其他方面也有許多用途，與生活息息相關：(1)可使植物的土壤具有保水功能；並使花朵長期保持新鮮而不凋謝。(2)可用於飛機、太空火箭或汽車燃料，如汽油中的水有效的移除。(3)做成小朋友喜愛的「水晶寶寶」與「會長大的恐龍、蜥蜴等玩具」。

藥品和器材

1. 聚丙烯酸鈉（Sodium polyacrylate）  少許/組
2. 蒸餾水  50 mL/組
3. 食鹽  少許/組
4. 尿布  1片/人
5. 塑膠袋  1個/組
6. 攜帶型小型電子秤（詳見「教學提示」一節）  2-4台/班
7. 玩具恐龍  5隻/組
8. 1 M糖水  100 mL/組
9. 1 M食鹽水  100 mL/組
10. 飽和食鹽水    100 mL/組
11. 家用塑膠量杯（容量250 mL或500 mL）  4個/組

實驗步驟

A. 聚丙烯酸鈉的滲透作用

1. 取一個杯子，置入少許的聚丙烯酸鈉，再慢慢地加入適量的蒸餾水，觀察有何現象？並說明其理由。

2. 然後加入適量的食鹽，觀察又有何現象？說明其理由。

B. 聚丙烯酸鈉的吸水倍數

1. 秤重一個透明塑膠袋，並記錄為m₁。

2. 記錄紙尿片的廠牌和型號。割開一片紙尿片，取出內部棉狀填充物，置入塑膠袋。棉狀填充物摸起來應該有砂礫的感覺，這是由於填充物中有吸水聚合物的粒子。 觀察尿片內層與外層之吸水粒子有何不同。

3. 撕開在塑膠袋中的填充物成為碎片，再綁住塑膠袋的袋口。然後用力搖晃袋子約1分鐘，使吸水粒子由填充物脫落。不打開袋子，相互搓揉填充物，再次搖晃塑膠袋。打開塑膠袋，檢查填充物，如果仍有砂礫感，必須重複搖晃與搓揉之步驟數次，直到沒有砂礫感。

4. 輕輕地搖晃塑膠袋，使吸水粒子沈積至袋底。打開袋子，取出填充物。秤重含吸水粒子的塑膠袋，並記錄為m₂。

5. 加蒸餾水至塑膠袋中，並搖晃、搓揉塑膠袋，使吸水粒子充分吸水。至吸水粒子完全無法吸水後，倒出未被吸收的蒸餾水，秤量此時塑膠袋總重，並記錄為m₃。

6. 重複步驟1~5兩次，計算每一片紙尿片含吸水的聚丙烯酸鈉粒子重（m_pa = m₂ – m₁）、吸水重（m_w = m₃ – m₂）及其吸水倍數（M = m_w / m_pa）。

C.  玩具恐龍的膨脹率

1. 記錄玩具恐龍的廠牌和型號，如圖四所示。秤重四隻玩具恐龍，並記錄為m₁。

圖四 實驗用的四隻玩具恐龍

2.  四隻玩具恐龍分別放入蒸餾水、1 M的食鹽水、1 M的糖水、飽和食鹽水中。

3. 每天秤重，待玩具恐龍不在吸水時（即重量不再改變時），取出擦乾，再秤重，並記錄為m₂。

4. 計算四隻玩具恐龍的吸水量以及吸水膨脹率。

安全和注意

● 本實驗十分安全，但實驗完後仍建議洗手，且聚合物不可食入。

廢棄物處理

● 實驗後的廢棄物為環境無害，可直接丟棄到垃圾桶中。

觀察紀錄

一、化學示範

I. 寫出此示範實驗的變化現象。

● 10 mL的蒸餾水倒入第一個透明塑膠杯中，顏色為（   ）色。
●  第一個透明塑膠杯中的水倒入第二個透明塑膠杯中，顏色由（   ）色變為（   ）色。
●  第二個透明塑膠杯中的水倒入第三個透明塑膠杯中，顏色由（   ）色變為（   ）色。
●  第一個紙杯中的水全部倒入第二個紙杯中，由第一個紙杯倒出來的水的顏色為（    ）色。
●  第二個紙杯中的水全部倒入第三個紙杯中，由第二個紙杯倒出來的水的顏色為（    ）色。
●  第三個紙杯反倒，竟然沒有水流出，其他杯子也是空的。第三個杯子內呈現（    ）色。

II. 寫出此示範實驗的化學原理。

● 第一個透明塑膠杯：
● 第二個透明塑膠杯：
● 第三個透明塑膠杯：
● 第一個紙杯：
● 第二個紙杯：
● 第三個紙杯：

二、聚丙烯酸鈉的滲透作用

I. 加適量的蒸餾水至塑膠袋中，觀察變化現象，說明理由。

II. 加適量的氯化鈉至塑膠袋中，觀察變化現象，說明理由。

三、聚丙烯酸鈉的吸水倍數

● 紙尿片的廠牌和型號：幫寶適超薄乾爽系列9-14 kg L/88

四、玩具恐龍的膨脹率

● 玩具恐龍的廠牌和型號：膨脹動物世界 PZ028

問題

1. 聚丙烯酸鈉吸水聚合物已運用在紙尿布（及衛生棉）上。為了預防擠壓時水分回滲，通常必須在紙尿布各層中添加不同濃度的食鹽。依你所學的化學知識判斷，紙尿布內層及外層（圖五），何者添加的食鹽濃度應較大？試解釋其理由。

圖五 紙尿布內層及外層結構

2. 在「聚丙烯酸鈉的吸水倍數」之實驗中，實驗的吸水倍數比原理所提到的吸水倍數少很多，試說明可能的影響因素。

3. 在「玩具恐龍的膨脹率」之實驗中，為何恐龍的膨脹率：蒸餾水 ＞ 1 M糖水 ＞ 1 M食鹽水 ＞ 飽和食鹽水？解釋原因。

4. 生活中有何滲透作用的實例，試舉例之。

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