STEM活動課堂「風調雨順」——結晶作用 7/3/2019

STEM午間活動「風調雨順」來到最後一天,今天的活動主題是結晶作用。

前一天的活動中,同學們都造好了各自的天氣瓶,等待結晶變化。今天的活動開始時,同學們便能觀察到瓶中羽毛狀的結晶,按照古人留下的資料,這種結晶揭示近日天氣轉陰甚至下雨。到底天氣瓶為甚麼會形成這樣的結晶呢?

其實,天氣瓶中的白色結晶是樟腦結晶,而結晶的變化則來自溫度對結晶作用的影響。溶質(如:糖、鹽、樟腦)能夠溶化於溶劑(水或其他液體中),形成溶液,而溶質的溶解度(需要多少溶劑溶解)隨著溫度產生變化。當天氣瓶處於溫度較高的環境,樟腦的溶解度增加,徹底溶化於天氣瓶的溶劑,令天氣瓶變得清澈;當溫度較低時,樟腦的溶解度下降,無法溶解的樟腦就會形成結晶,而結晶的形狀則由溫度降低的速度決定。溫度急劇下降,則形成大量微小的結晶,溫度緩慢下降,則形成大片的結晶。

STEM活動課堂「風調雨順」——製作天氣瓶 6/3/2019

STEM午間活動「風調雨順」來到第三天,今天的活動主題是天氣瓶。

我們每天早上開電視,就能看到天文台的天氣預報,能夠按照當日天氣採取適當安排。事實上,天氣變化主要與對流層內的溫度、氣壓及溼度有關。天文台通過將地面及海洋分為不同「網格」,記錄每個「網格」的氣象資料,然後使用超級電腦進行預測。那麼,沒有電腦的古代人是如何預測天氣呢?除了觀察天色變化,古人還會使用天氣瓶。天氣瓶是18世紀至19世紀用於天氣預報的工具,根據外界天氣改變,瓶內會呈現不同形狀的結晶。雖然天氣瓶已經被淘汰,但也可以讓我們參考古人的傑作。

 

STEM活動課堂「風調雨順」——氣壓知多少 5/3/2019

STEM午間活動「風調雨順」來到第二天,今天的活動主題是氣壓。

氣壓指氣體對某一點施加的壓力。從粒子模型解釋,氣體粒子快速運動,撞擊盛載著它們的容器的內壁,就會在容器壁上造成壓力。氣壓對天氣的影響很大,最易理解的便是風的形成:在一個地區中,氣壓若有高低差,空氣便會從高氣壓的地區推向低氣壓的地區,這種空氣的走向便是風。在今天的活動中,同學使用空氣水杯(利用氣壓控制開關的水杯)、WindTunnel App及小型的空氣炮分別探討氣壓的存在、氣壓對空氣走向的影響及風的形成三大問題。

STEM活動課堂「風調雨順」——熱脹冷縮?熱縮冷脹? 4/3/2019

新一輪的STEM午間活動開始了!這次的主題是「風調雨順」,我們會探討各種影響天氣的因素與預報天氣的技術。第一天,我們會談論溫度與熱脹冷縮。

相信大家都知道物質會熱脹冷縮這個原理,不過坊間有一個說法:「冰會浮於水面,證明冰的密度低於水,水是會熱縮冷脹的!」到底是不是真的呢?正所謂實踐出真知,第一天活動就由同學以科學驗證的精神進行一個簡單的試驗。在老師的指導下,同學們使用玻璃瓶、細管及加了顏料的水製作簡單的「顏料水溫度計」,然後將「顏料水溫度計」分別放進溫水與冰水中,觀察細管的水位。結果如何?

結果,所有同學製作的「顏料水溫度計」在放進溫水時水位上升,放進冰水時水位下降。這證明了水具備熱脹冷縮的特性。那麼,為甚麼冰會浮於水面呢?原來,水分子能夠彼此建立一種名為氫鍵的連結。當水處於液態時,水分子的排列不規則;當水處於固態(冰)時,水分子能夠通過氫鍵形成四面體的聚合水分子結構,在這種結構中,水分子之間的空隙反而增加了,所以冰的密度反而低於水。這使得冰能夠浮於水面。

STEM活動課堂「有機化學」——香薰蠟燭 25/1/2019

STEM午間活動「智能種植」來到最後一天。今天的主題是製作香薰蠟燭。

在談製作香薰蠟燭之前,我們首先要想一個問題:到底甚麼是蠟?其實蠟是一個泛稱,指擁有複數烷基的有機化合物。市面能夠買到的蠟燭多以石蠟為原材料,這是提煉石油的副產品之一。我們本次活動使用的則是蜂蠟,這是蜜蜂製作蜂巢的原材料,含有複數長鏈脂肪酸。

第二個問題,為甚麼我們燃燒木炭或其他燃料時,會整塊木炭燃燒;但點燃蠟燭的時候卻不會整根蠟燭著火?原來,燃燒是一個劇烈的化學反應,需要火三角:燃料、氧氣與熱,而蠟燭能夠持續燃燒的關鍵是中央的燭芯,由吸收性強而燃點低的物料造成。當點燃蠟燭時,燭芯周圍的蠟首先熔化。液態的蠟通過毛細作用沿着燭芯往上移動,在火焰中氣化並進行燃燒作用。氣化的蠟燭吸收了熱能,令燭芯不能達到燃燒點,不會一下子燒沒燭芯。

當製作香薰蠟燭時,我們會加入香薰精油。香薰的香味來自植物精油中的揮發性化合物:酯類(Esters)或芳香族化合物(Aromatic Compounds)。精油在製作香薰蠟燭時加入熔化的蠟中。點燃蠟燭時,精油亦通過毛細作用沿燭芯往上移動,當中的揮發性化合物隨着熱空氣揮發,散發香味,起安神或提神的作用。

STEM活動課堂「有機化學」——酒精膏+肥皂製作 24/1/2019

STEM午間活動「智能種植」來到第四天。今天的主題是介紹酒精膏的製作,並讓更多同學有製作手工肥皂的機會。

部分餐廳會使用酒精加熱或照明。不是液態的酒精,而是膏狀的「酒精膏」。 酒精膏是怎樣造出來的呢? 分子之間的吸引力是決定物質形態的因素。酒精(乙醇)分子之間形成氫鍵,在室溫下以液態存在。酒精膏加入醋酸鈣的醋酸根離子具一個負電荷,鈣離子有二個正電荷。當酒精與醋酸鈣加在一起之後,醋酸根離子、鈣離子和乙醇分子彼此以靜電力互相吸引,降低粒子的自由度降低,形成接近固態的膏狀。

STEM活動課堂「有機化學」——彈力史萊姆23/1/2019

STEM午間活動「智能種植」來到第三天。今天的主題是兩種童年玩意:彈力球與史萊姆。

彈力球擁有強勁的彈性,而史萊姆能夠自由變形及重新融合。乍看之下看似兩種截然不同的物質,但我們可以使用同樣的主要原料構成它們:膠水和硼砂。為甚麼?

物質的相(固態、液態、氣態)是由分子之間的鏈接決定的。若分子間的作用力較弱,令分子能夠在一定範圍活動,則物質有固定的體積,但形狀不固定,即為液態;若分子間的作用力強,分子不能自由活動,則物質有固定的體積與形狀,即為固態

膠水的成分之一是聚乙烯醇。這是是一種由上萬個乙烯醇連接而成的高分子聚合物,它具有極性且能與水形成氫鍵,溶化於水並製成具粘性的膠水。當我們將硼砂加入膠水,硼砂能解離出四羥基硼離子([B(OH)4]−)並與聚乙烯醇形成交鍵。形成交鍵的聚合物吸引力更強,分子不能自由活動,形成固體。通過調整膠水(聚乙烯醇)與硼砂的比例,我們可以製作具備不同特性的玩意:具備彈性的彈力球,形狀可塑的史萊姆,甚至是粘糊糊的「鬼口水」!

STEM活動課堂「有機化學」——天然蚊怕水 22/1/2019

STEM午間活動「智能種植」來到第二天。今天,我們來研究以下遠足必備良物:蚊怕水。

蚊怕水的主要成分是DEET,能夠干擾蚊蟲的感官及神經系統。然而,DEET具備一定程度的神經毒性,且有造成皮膚疾病的風險。怎麼辦?

原來,我們可以使用香茅精油作為天然蚊怕水。不過使用香茅精油,我們需要注意幾點:

  1. 市面常見的香茅精油為高濃度的原液,不能直接用在人體上。我們要按照1:10或1:100的比例稀釋香茅精油。例如要製作50mL的1:100天然蚊怕水,就需要(50/100)=0.5mL的香茅精油。
  2. 正如上一天活動介紹,水與油不能混合,精油亦如是。這次,我們可以使用食用乳化劑或酒精,令水與精油更易混合。

STEM活動課堂「有機化學」——製作肥皂 21/1/2019

上學期考試完結,STEM午間活動又開始了!這次的活動是「有機化學」,我們會運用手工製作來探討日常生活中的有機化學原理。今天的主題是製作肥皂。在製作肥皂之前,我們要先問一個問題——為甚麼肥皂能清潔油污呢?

大家都直到水與油不能混合,所以難以用水清洗油污。不過,肥皂的分子結構分為兩部分:它的頭部是有極的COO-,具備親水性;而尾部是和油類似的非極性碳鏈,具備厭水性(或稱親油性)。當使用水與肥皂接觸油污,肥皂的尾部吸附油污,而親水的頭部溶於水中。這個反應形成油微滴並令其均勻地分布在水中,容易被清洗乾淨。

脂類與鹼性溶液(例:氫氧化鈉水溶液)結合,便會進行皂化作用,形成脂酸鈉(皂)與甘油。由於反應需時,且鹼性溶液具腐蝕性,我們改為使用已調配好的皂基。將皂基隔水加熱至熔化,然後倒進矽膠模具,冷卻後便能製成手工肥皂。

讓我們看看同學們的作品!

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