化學教室活動：製作磁性異形（How to Make Magnetic Alien）〔II〕

化學教室活動：製作磁性異形（How to Make Magnetic Alien）〔II〕
國立大甲高級中學化學科廖旭茂老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

請按此連結，參閱「製作磁性異形〔I〕」

教師指引（Teacher’s Guide）

教學提示

1. 切記四氧化三鐵不可添加過量，否則不易攪拌均勻，易發生疙瘩狀的結塊。

2. 飽和的硼砂水溶液切勿添加太快或過量，否則「異形」會太Q或太硬，影響強力磁鐵的操作的效果。

3. 製作完成的磁力異形請務必放置入可密封的塑膠瓶中，以防水分蒸發，甚至乾掉硬化。

4. 製作磁力異形時，必須攪拌均勻並搓揉至油亮光滑的程度，細小的四氧化三鐵粉末很容易被磁鐵吸引。

原理和概念

磁力異形的製作原理主要是高分子聚合物之間的交聯反應（cross-linking)。以下分別詳細地說明相關的反應與作用。

● 白膠與硼砂的交聯作用：白膠的主要成分是聚醋酸乙烯酯（polyvinyl acetate, PVAc），化學式為(C4H6O2)n，其單體為醋酸乙烯酯，是一種有彈性的高分子加成聚合物，廣泛用於木材、印刷裝訂和書籍藝術的黏著劑，其結構容易與透明膠水的主要成分－聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）相混淆；而硼砂（borax）在水中會形成硼酸根離子，三者的結構式，分別如圖六所示：

圖六 聚醋酸乙烯酯（左）、聚乙烯醇（中）、硼酸根離子（右）

● 當聚醋酸乙烯酯與硼酸根離子相遇時，硼酸根離子可以在長鏈狀的聚醋酸乙烯酯分子間形成氫鍵，進而發生交聯作用（cross-linking)，改變此聚合物的黏性。由於此分子結構中缺乏高極性的官能基（如羥基或羧基)，氫鍵吸引力比透明膠水（PVA）來得小，製備時添加的硼砂使用量較多。兩者的交聯作用，如圖七所示：

圖七 交聯作用：聚醋酸乙烯酯（左）、聚乙烯醇（右）

● 磁性的分類：當一個物質的晶胞中所有的磁性粒子在磁場中均指向它的磁性方向時，被稱為順磁性（paramagnetism）。若其不同磁性粒子所指的方向相反，其效果能夠相互抵消則被稱為抗磁性或反磁性（diamagnetism）。若不同磁性粒子所指的方向相反，且有強弱之分，其產生的效果不能全部抵消，則稱為亞鐵磁性（ferrimagnetism）。關於順磁性和亞鐵磁性的描述，如圖八所示。

圖八 順磁性粒子（左）和亞鐵磁性粒子（右）的磁矩方向

● 磁鐵礦（Magnetite）中的四氧化三鐵（Fe3O4）是亞鐵磁性物質，同時含有Fe2+和Fe3+的離子，有時以FeO∙Fe2O3視之。當在磁場中，亞鐵磁性物質的未成對電子是大量的有方向排列，此物質的有些電子自旋的方向與其它電子自旋的方向是互為相反的，且有強弱之分，並未完全抵消（這取決於在晶格中的Fe2+和Fe3+離子的位置），導致強力磁鐵能夠吸引亞鐵磁性物質，亦即四氧化三鐵具有亞鐵磁性，可被磁鐵所吸引。

● 若以鐵粉取代四氧化三鐵，會發生兩個缺點：一是鐵粉比重大，且顆粒大，無法均勻分散在膠水當中；二是鐵粉容易生鏽氧化，變成橙紅棕色的氧化鐵，鐵磁性也會慢慢消失。圖九是鐵粉取代四氧化三鐵，製作磁力異形的成品，可看出鐵分無法分散在膠水中。從圖時可看出靜置十二小時後鐵粉氧化的情形。

圖九 可看出鐵分無法分散在膠水中

圖十 靜置十二小時後鐵粉氧化的情形

磁力異形玩法

1. 取出一塊強力磁鐵，靠近製作完成的磁力異形的旁邊，可發現磁力異形很快地被強力磁鐵吸引，不一會兒，磁鐵完全沒入黑色的磁力異形中。相關操作過程，如圖十一所示。

圖十一 強力磁鐵沒入磁力異形中

2. 手持一塊強力磁鐵，靠近製作完成的磁力異形的旁邊，很快磁力異形發生拉長變形的情形，當快速左右移動強力磁鐵時，異形磁力會因磁場作用，亦步亦趨跟著晃動，相關操作過程，如圖十二所示。

圖十二 磁力異形被強力磁鐵拉長變形

致謝

感謝台中市立順天國中莊秋美老師，協助異形製作及影片拍攝。

參考資料：

1. Polyvinyl acetate, Wikipedia.
2. Polyvinyl alcohol, Wikipedia.
3. PVA Polymer Slime, Nuffield Foundation.
4. Iron(II,III) oxide, Wikipedia.
5. Ferromagnetism, Wikipedia.
6. 鐵磁性，維基百科。
7. Ferrimagnetism, Wikipedia.
8. 亞鐵磁性，維基百科。
9. Paramagnetism, Wikipedia.
10. 順磁性，維基百科。
11. 陳燕華，神奇的奈米磁鐵礦。科學發展，2013年，2月，482期，頁18-23。