微型實驗－磁性黏土 陳家琦 國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班 s109612028@stu.ntue.edu.tw 壹、前言: 　　本實驗是由＂鼻涕蟲＂實驗加以調整改良，添加磁性，使之能更加廣泛應用於自然科教學。並期望透過磁性黏土的運用，讓學生學習磁力單元時能有不同的體驗與學習經驗。本文首先介紹磁性黏土之原理，主要有如何配製硼砂飽和水溶液及磁鐵吸引鐵製品兩個概念相關，第二部分以照片步驟說明製作方式，並附註實驗過程中的注意事項，第三部分則提出將磁性黏土運用於教學上的活動構想。 貳、原理: 　　第一階段黏土的形成主要是運用硼砂水溶液加白膠。硼砂溶於水後解離成硼酸根離子，遇上聚醋酸乙烯酯（白膠）便會和長鏈狀的聚醋酸乙烯酯形成氫鍵，兩條聚醋酸乙烯酯透過和硼酸根離子形成的氫鍵產生交聯作用，此作用讓原本柔軟具黏性的白膠內部分子間的吸引力變強，而使白膠膠體無法自由流動，成為具有可塑性的黏土。 　　第二階段透過添加四氧化三鐵使黏土成為磁性黏土。四氧化三鐵是鐵的一種氧化物，化學式為Fe₃O₄，具有不溶於水、可溶於酸的性質，在自然界中常以磁鐵礦的形態出現。四氧化三鐵中含有Fe2+和Fe3+，使四氧化三鐵具有高的電導率，四氧化三鐵在磁場中，呈現相鄰磁性粒子指向相反方向排列，稱為亞鐵磁性，能夠被磁鐵所吸引，本實驗即是運用四氧化三鐵的亞鐵磁性，讓磁性黏土能夠被強力磁鐵吸引，展現不同的磁力樣貌。 參、磁力黏土設計與製作   一、實驗藥品與器材 (一)實驗藥品：硼砂、四氧化三鐵、白膠。 (二)實驗器材：燒杯、量杯兩三個（一個裝硼砂，一個裝水，一個裝四氧化三鐵粉末）、量匙三個（掏取白膠、硼砂、四氧化三鐵用）、滴管、攪拌棒、電子秤。   二、實驗步驟： (一)      調配硼砂飽和水溶液。 (二)      將白膠與四氧化三鐵粉末約以5：1的比例混合。 (三)      將硼砂飽和水溶液徐徐加入白膠與四氧化三鐵中，同時快速攪拌，讓硼砂飽和水溶液能和四氧化三鐵白膠順利混合。 (四)      將三種材料混合完成後，取出磁性黏土，輕拉測試黏土堅韌度，如果太黏則再加入一些硼砂水溶液，如果太硬則再加入一些水，讓磁性黏土呈現易造型卻不黏手的狀態即完成。 (五)      成品製作完成。建議放置於塑膠容器內，因磁性黏土仍具有一些黏著性，如果放置於紙張上會造成紙張沾黏，不易清除。   圖1:實驗器材一覽   圖2-1：磁性黏土製作過程–硼砂秤重與配製飽和硼砂溶液   圖2-2：磁性黏土製作過程–四氧化三鐵與白膠秤重   圖2-3：磁性黏土製作過程–混合攪拌確認黏稠度     圖2-4：磁性黏土製作過程–磁性黏土成品   圖3:磁性黏土完成圖 肆、實驗操作及教學演示 一、本實驗中所使用之化學粉末，因調配量較少，部分電子秤難以精算，如要製作小型的磁性黏土，建議使用能測量1公克以下之小秤重範圍之電子秤，較能準確調整材料比例。 二、實驗調配中，因使用到四氧化三鐵粉末，如不慎吸入易對學生健康產生不良影響，因此建議讓學生配戴口罩或由教師示範操作。 圖4: 四氧化三鐵粉末 三、在實驗過程中，第一步驟可引導學生觀察硼砂經過攪拌溶解在水中的現象，並在逐漸加入硼砂粉末後出現沉澱，以導出飽和溶液的概念。因硼砂具有毒性，請提醒學生實驗後務必將雙手洗淨，實驗過程中手部避免碰觸臉，以確保實驗安全。 圖5:硼砂飽和水溶液 四、實驗第二步驟中所使用的四氧化三鐵粉末可使製作出來的黏土具有磁性，添加時注意如果過量會使黏土形成凝固的小顆粒，而無法製作出高品質的磁性黏土。 五、實驗第三步驟透過攪拌讓學生觀察硼砂水與四氧化三鐵白膠混合所產生的改變，硼砂溶於水後解離，會與白膠反應讓白膠的性質改變，此一步驟可讓學生觀察到不同化學物質混合會產生性質上的改變，讓學生能認識物理變化與化學變化的不同。 六、製作完畢後，可以使用強力磁鐵來吸引磁性黏土，磁性黏土會被吸引而像蝸牛伸出觸角般靠近強力磁鐵，學生可實際操作來體驗磁鐵吸引鐵製品的能力，除此之外也可以將紙板或墊板隔在磁性黏土與強力磁鐵間，讓學生觀察磁鐵的超距力現象。 圖6:磁性黏土受強力磁鐵吸引 七、第二個操作方式是將小的強力磁鐵放在磁性黏土上方，磁性黏土會受到吸引而慢慢包覆住強力磁鐵，看起來就像強力磁鐵被吞噬一般，此操作同樣是利用磁鐵吸引鐵製品的特性。 圖7:磁性黏土逐漸包覆強力磁鐵 八、教學演示完畢後，可將磁性磁鐵放入密封的罐子或袋子中保存，並加入少許水分，以避免磁性黏土中的水分散失，可以稍微保存較長時間。 圖8:磁性黏土建議保存於密封袋中 九、製作過程中所剩餘的硼砂應以大量清水稀釋後再倒入水槽倒，四氧化三鐵則建議由教師統一收集後以化學廢棄物處理。 […]