關鍵概念
化學
溶解度
飽和
晶體
提純
引言
你有沒有想過晶體是如何形成的？晶體有各種不同的形狀和大小。然而，最純淨、最乾淨的晶體通常也是那些生長到最大尺寸的晶體。在這個活動中，你將比較在不同溫度下生長的晶體的大小和形狀。只需用水和硼砂（一種家用清潔產品），你就可以發現培養大型純淨晶體的方法！
背景知識
化學反應不斷地發生在你周圍——以及你的體內。例如，化學反應可以將金屬變成紅棕色的鐵鏽（金屬中的鐵與空氣或水中的氧氣發生反應，最終產物就是我們所知的鐵鏽）。化學家進行化學反應，將一種化合物轉化為另一種化合物。有時，當形成多種產物時，化學家可能希望將一種化合物與其他化合物分離。一種方法是使用稱為重結晶的過程，將化合物的溶液溶解在熱水中，然後冷卻。當溶液冷卻時，一種物質結晶（變成晶體），可以從剩餘的液體中取出，剩餘的液體保留著其他化合物。
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為什麼晶體會隨著混合物冷卻而出現？這與溶解度有關，或者說，某種物質可以在另一種物質中溶解的最大量，例如將粉末狀清潔產品硼砂溶解在水中。大多數固體的溶解度隨著溫度的升高而增加。換句話說，與冷水相比，更多的硼砂可以溶解在熱水中。因此，如果將熱的飽和混合物冷卻，那麼冷水所能容納的硼砂會更多，因此硼砂可能會從混合物中析出，形成晶體。
材料
• 大碗
• 冰塊
• 水
• 細繩
• 剪刀
• 兩支鉛筆
• 兩個相同的罐子或大號飲水杯
• 烹飪鍋
• 硼砂，也稱為 20-騾子隊家用清潔劑。可以在許多雜貨店的清潔用品區找到。（處理清潔劑時請小心——它們會傷害皮膚和眼睛，不應吸入。）
• 量匙（湯匙）
• 保鮮膜
準備工作
• 將大碗裝滿一半的冰塊，然後加水直到碗大約四分之三滿。
• 剪下兩段細繩（它們應該至少與罐子或大號飲水杯的高度一樣長）。將一根繩子的一端系在兩支鉛筆的每一支上。調整細繩的長度，使當鉛筆橫放在其中一個罐子或大號飲水杯的頂部時，細繩的末端正好懸在罐子的底部上方。使細繩的長度相等。
• 如果吞食、吸入或接觸眼睛，硼砂是有害的，並且在極少數情況下，觸控它會導致皮疹。處理時建議謹慎並由成人監督。
步驟
• 在烹飪鍋中裝滿足夠的水，以幾乎裝滿兩個罐子。然後在爐子上將水燒開。水沸騰後，關掉爐子，使水停止沸騰。（由於吸入或接觸眼睛時硼砂是有害的，建議不要用沸水溶解它。）
• 向水中加入一湯匙硼砂並攪拌直至溶解。繼續每次加入一湯匙，直到不再溶解為止。每杯水可能需要大約三湯匙硼砂。飽和溶液看起來怎麼樣？
• 小心地將等量的飽和硼砂溶液倒入兩個罐子中。每個罐子應該大約四分之三滿。
• 將鉛筆橫放在每個罐子的頂部，使細繩懸掛到飽和溶液中。
• 用保鮮膜蓋住罐子的頂部。
• 將一個罐子放在臺面或桌子上，在室溫下靜置。將第二個罐子放在你準備好的裝滿冰的碗中。如果需要，調整碗中的水位，使水至少達到罐子的四分之三高度，但又不會高到進入罐子。
• 至少五個小時不要移動罐子。定期檢查冰碗，如果冰融化了，就加冰。
• 大約每小時檢查一次罐子，看看晶體是如何形成的。可能難以觀察碗中的罐子——嘗試透過保鮮膜蓋觀察細繩。你是否看到晶體在一個罐子的側面形成？晶體是否在一個罐子中比另一個罐子更快地形成？
• 至少五個小時後，小心地取出鉛筆，觀察細繩上的晶體。每根細繩上的晶體的大小、形狀和數量彼此之間如何比較？你認為這是為什麼？
• 額外：在這個活動中，你研究了兩種不同溫度下的硼砂晶體形成，但你也可以嘗試其他溫度；一種方法是將其中一個罐子放入冰箱。在不同溫度下冷卻硼砂混合物如何影響晶體的形成？
• 額外：嘗試用其他材料製作晶體，如糖或鹽。使用其他與水的混合物形成晶體的效果如何？
• 額外：你進行了至少五個小時的這個活動。如果你的晶體生長更長時間，你的結果會如何變化？確保在整個活動過程中不斷地向水浴中新增冰塊，以保持其冷卻。
觀察和結果
在冰水碗中的罐子和細繩上是否形成了更小、更豐富的晶體，而在室溫下罐子中形成了更大、更少、形狀更好的晶體？
當熱的飽和硼砂和水混合物冷卻時，有比冷水所能容納的更多的硼砂，因此這些硼砂從混合物中析出並形成晶體。晶體是由以特定重複模式結合在一起的產物分子製成的。當晶體的分子結合在一起時，其他通常被認為是雜質的產物，或化學反應中不需要的產物，由於它們不太適合，就像拼圖的錯誤部分不適合一樣，它們很難融入晶體結構。如果晶體形成的速度足夠慢，雜質將被排除，因為它們不合適，而是會留在水中。這就是為什麼室溫罐中的晶體應該更大且更像立方體。但是，如果溶液冷卻得太快，則沒有時間排出雜質，而是它們會被困在晶體結構中，並且模式會受到干擾。因此，冰水碗中的晶體應該形成得更快，數量更多，但是由於含有更多的雜質，它們更小且形狀不太像立方體。
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