化學示範實驗：雪花聖誕樹

化學示範實驗：雪花聖誕樹(Solubility)
桃園縣私立復旦高級中學化學科陳淑媛老師/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

小時候有一種玩具，當你加了一種溶液後，只要經過一個晚上，紙樹就會神奇的開花了。其實看起來很神奇，說穿了其實它只是溶解度及結晶的應用而已。如果是用白色結晶則看其來就像雪結在樹上，所以常常被當成聖誕節應景禮物送人。要一起來做一個特別的聖誕禮物嗎？

一、實驗目的：

了解固態物質的溶解度與結晶。

二、實驗原理：

溶解度：

在一定溫度下，定量溶劑中可以溶解溶質的最大量稱為該溶質在此溶劑的溶解度（Solubility）。常見的溶解度的單位是「克 (g) 溶質 / 100 (g) 溶劑」與「莫耳溶解度，（莫耳 (mole) 溶質 / 升 (L) 溶劑）」。

溶質和溶劑不限固體、液體或氣體。如果沒有指明溶劑種類，通常意味著溶劑為水，比如「氯化鈉的溶解度」代表的是「氯化鈉在水中的溶解度」。溶解是物裡現象，沒有化學反應發生。溶質在溶劑中的溶解度並不是一個恆定的值，跟溶質分子間與溶質-溶劑分子間作用力、溫度、溶液中是否有其他溶質存在等有關（表一），氣體的溶解度則和氣體溶質的分壓有關。因此，物質的溶解度都會清楚的標明溫度、壓力和溶劑。

表一、1atm下的氯化胺在不同溫度下對水的溶解度（g 氯化胺 /100 g 水）

結晶：

當加入溶液中溶質的量超過溶解度時，溶液中多餘的溶質會沈澱於溶液中。此時的溶液溶質的溶解速率和沈澱速率相等，達到溶解平衡，為飽和溶液。如果移除的部份溶劑，使被溶解的溶質量瞬時大於溶解度（過飽和溶液），因為定溫定壓下溶解度不變，根據勒沙特列原理，故溶質的沈澱速率會大於沈澱速率，減少溶質在溶液中被溶解的量，直到溶液從過飽和溶液變成飽和溶液。

結晶，是指從飽和溶液或氣體中凝析出具有一定的幾何形狀的固體（晶體）的過程。在自然環境下，氣溫的下降或壓力的作用，都會造成結晶。結晶是一個緩慢的沈澱過程。

紙樹之所以會開花，是由於當紙樹浸入磷酸二氫鉀(KH₂PO₄)水溶液後，水溶液藉毛細現象在紙樹中快速上升，直達全棵樹； 由於水從各樹枝末端蒸發，使得末端水溶液濃度越來越高，使得此鹽類水溶液在樹枝形成過飽和水溶液，水溶液中白色的磷酸二氫鉀結晶析出，看起來就像從末端開始開花。 當水溶液沒了，紙樹乾了，它就不會再開花（結晶）了。

三、實驗儀器及藥品：

四、實驗步驟：

1. 市售紙樹

(1)照市售紙樹袋上之說明，種好紙樹（將神奇魔術水放入塑膠盒中，種上紙樹即可）。

(2)觀察紙樹開花之情形。

2. 自製紙樹

(1)將西卡紙三摺後，依市售的紙樹大小剪出三棵紙樹。

(2)用雙面膠帶將三棵紙樹從背後黏好，形成立體的紙樹。

(3)用熱水將磷酸一鉀溶解成飽和溶液。

(4)將紙樹放在小碟子上，倒入5 mL的磷酸二氫鉀水溶液（或直接將紙泡入溶液中）。

(5)觀察紙樹開花的情形，並與市售的紙樹加以比較。

(6)也可在自製的紙樹上塗上各種顏色，則會開出更漂亮的花。

備註：水溶液的濃度，環境的溫、濕度、是否通風，以及紙樹的形狀、紙樹分岔的情形……等，都會影響紙樹開花（結晶）的快慢。

實驗照片：

1. 市售聖誕樹

2.一段時間後，尖端有晶體析出

3. 加熱磷酸二氫鉀溶液

4.自行裁剪聖誕樹

5.自製的聖誕樹

參考資料

1. 維基百科網站–溶解性 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/溶解性
2. 維基百科網站–結晶 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/結晶
3. 維基百科網站–溶解度表  http://zh.wikipedia.org/zh-tw/溶解度表