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紙聖誕樹也能開花!掌握溶解度原理長出滿樹結晶雪花

聖誕樹是聖誕節重要的象徵物之一。圖/Artur Staszewski@flickr, CC BY-SA 2.0

聖誕樹是聖誕節重要的象徵物之一。圖/Artur Staszewski@flickr, CC BY-SA 2.0

文/范博勛|2016 年畢業於臺灣大學化學系學士班,目前在桃園過著清閒的替代役生活。

又到了聖誕季節,對西方人來說,除了濃厚的宗教意義外,也是屬於家人團聚、享用大餐的重要節日,雖然台灣不是基督教國家也不太會下雪,聖誕節仍是眾人喜愛的節慶。

其中,一個重要過節的指標性植物,可能就是聖誕樹了!我們很難在自己家裡擺一棵真的聖誕樹,大多只能以塑膠聖誕樹取代。不過其實你還有一個選擇,可以簡單擁有自己的聖誕樹,還可以看著它漸漸長大。

雖然不是真正的樹,還只是聖誕樹形狀的紙片,但只要組裝好將它立在塑膠平台的十字插槽上,接著倒入神秘的無色透明液體,只要等待一段時間,就會發現聖誕樹上開始長出雪花了。

這種紙樹開花的聖誕樹,你也玩過嗎?

為什麼紙聖誕樹會開花?

紙樹開花是應用溶液溶解度的特性而生的產品。可溶於水中的物質都有溶解量的上限,也就是所謂溶解度,如果溶在水中的物質量小於溶解度,就是「未飽和」溶液,剛好達到溶解度則是「飽和」溶液。未飽和溶液就像是沒吃飽,還能繼續溶解物質,飽和溶液則像是飽到極限肚皮極度緊繃。

想像一下,在你剛吃完吃到飽的情況下,有人用力擠壓你的肚子,讓你胃部體積瞬間縮小,結果絕對是吐得一塌糊塗。同樣的,將飽和水溶液的水慢慢移除,溶液中物質的量超過可溶解量,多出的物質最後會形成晶體而析出。

回到聖誕樹,神祕的無色透明液體通常是磷酸二氫鉀的水溶液(Potassium Dihydrogen Phosphate, KH2PO4),市面上也俗稱它為磷酸一鉀(註)。

  • 註:磷酸二氫鉀一般的用途為農業化學肥料,可直接噴灑在土讓或葉片上。磷酸二氫鉀具良好的水溶性,對於含有大量水份的植物來說非常容易吸收,特別是植物生長初期,需要快速建立根莖系統才能快速吸收養分,磷酸二氫鉀主要提供的「磷」、「鉀」元素能幫助植物達到這一點。
圖/擷取自YouTube

圖/擷取自YouTube

當我們把磷酸二氫鉀水溶液倒入紙聖誕樹的平台中,這些溶液會藉由毛細現象(Capillarity)擴散浸濕整棵聖誕樹,隨等待時間越久,這些擴散到紙片的表面、邊緣的水分逐漸蒸散,相當於紙片上磷酸二氫鉀溶液的濃度越來越高,從未飽和溶液變為飽和溶液。隨著水量漸漸變少,可溶解磷酸二氫鉀的量也越少,超出水溶解量範圍的磷酸二氫鉀就開始以白色結晶的形式析出,在聖誕樹紙片上逐漸長大,最後就像是佈滿雪花的聖誕樹!

圖/擷取自YouTube

圖/擷取自YouTube

至於市面上各種顏色的結晶,其實是預先在紙片上塗上顏料,水溶液吸收顏料後與磷酸二氫鉀一起析出,便生成有顏色的晶體。

圖/擷取自YouTube

圖/擷取自YouTube

大家也許會好奇,只有磷酸二氫鉀水溶液才能用來種聖誕樹嗎?事實上,磷酸二氫鉀並不是唯一的選擇,其他鹽類或化合物像是食鹽(NaCl)、尿素(CON2H4)也曾被使用過。不同的鹽類具有不同的結晶性,像是結晶的難易度或晶形;聖誕樹紙片的材質也是影響結晶的因素之一,水溶液在不同材質下的擴散速率不相同,影響了晶形或是結晶的位置。考慮結晶難易度及晶形,為了種出美麗的聖誕樹,磷酸二氫鉀或許是相對突出的選擇吧!

作者在寫這一篇文章時,也嘗試種了一顆聖誕樹,只能說聖誕樹開花的原理不難,但要開出兼具藝術與不畸形的花朵真的有點難度!最後,跟大家說聲聖誕快樂,祝大家佳節愉快,趕緊去種出屬於自己的聖誕樹吧!

筆者自製的結晶聖誕樹,雖然沒辦法像外面販售的一樣漂亮,但以此小樹祝大家聖誕節快樂!圖/作者提供

筆者自製的結晶聖誕樹,雖然沒辦法像外面販售的一樣漂亮,但以此小樹祝大家聖誕節快樂!圖/作者提供

參考資料:

  1. 陳淑媛,〈化學示範實驗:雪花聖誕樹〉,科學 Online,2010年12月4日
  2. 結晶聖誕樹
  3. JunyiAcademy,1-4 觀念 12 過飽和溶液(youtube)
  4. 科學 Online《暖暖包的原理》
  5. Solution, From Wikipedia, the free encyclopedia
  6. 認識肥料
  7. Monopotassium phosphate, wikipedia
  8. Mono-Potassium Phosphate 0-52-34
  9. A High Analysis Water Soluble Fertilizer

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