2023年9月20日 星期三

相變儲能 - 晶凍 25 度 C

要讓水結晶,需要有冰箱 (冷凍庫),讓溫度降低到攝氏零度。不過,如果添加足量 (但不過量) 的氯化鈣,形成六水氯化鈣,就有機會在室溫,形成冰冰涼涼的結晶。

1. 氯化鈣 (CaCl2)

氯化鈣是一種鹽,具有很強的吸濕性。

直接暴露在空氣中,放任不管的話,會不斷吸收空氣中的水氣。根據水量的不同,可以形成不同的水合物 (帶有不同數量的結晶水的晶體)。包括,無水氯化鈣 (CaCl2),二水氯化鈣 (CaCl2.2H2O)、四水氯化鈣 (CaCl2.4H2O)、六水氯化鈣 (CaCl2.6H2O)。

如果溫度適當的話,甚至會溶解在自己的結晶水中,變成液體。也就是說,其吸濕能力之強,已經達到具有潮解性。而且,即使已經變成液態,都還可能會繼續吸收空氣中的水氣。

所以,在日常生活中,常被用來作為乾燥劑。

2. 氯化鈣與水的相圖

什麼水量、什麼溫度,形成什麼樣的水合物?是固態、還是液態?大致上,可以從「氯化鈣與水的化合物的相圖」來約略的推敲一下。

Phase diagram of calcium chloride and water compound (圖片來源:https://www.researchgate.net/figure/Phase-diagram-of-calcium-chloride-and-water-compound-8_fig1_282899613)

氯化鈣與水化合物的相圖 (Phase diagram of calcium chloride and water compound) (圖片來源:https://www.researchgate.net/figure/Phase-diagram-of-calcium-chloride-and-water-compound-8_fig1_282899613)

3. 六水氯化鈣 (CaCl2.6H2O)

觀察它們的質量:

  • 無水氯化鈣 (CaCl2) 的莫耳質量,大約是 110g/mol。
  • 水 (H2O) 的莫耳質量,大約是 18g/mol。

六個水 (6H2O) 的莫耳質量,大約 108 g/mol (= 18g/mol * 6),差不多就是,一個無水氯化鈣 (CaCl2) 的莫耳質量。

也就是說,當無水氯化鈣與水的重量比,大約是 1:1 時 (亦即,氯化鈣的濃度大約是 50% 時),正好形成,六水氯化鈣 (CaCl2.6H2O)。

從相圖中,可以發現,六水氯化鈣 (CaCl2.6H2O),的熔點,大約是攝氏 30 度。這表示,我們有機會在室溫,就看見六水氯化鈣 (CaCl2.6H2O) 的固態結晶。而且它給人,冰冰涼涼的感覺,因為當它融化時,會吸收熱量。

4. 二水氯化鈣 (CaCl2.2H2O)

市場上比較普遍能買到 (用來作為乾燥劑) 的氯化鈣,多半是,二水氯化鈣 (CaCl2.2H2O)。如果它標示純度 74% 或 77%,大概就是了。

這是因為,二個水 (2H2O) 的莫耳質量,大約 36 g/mol (= 18g/mol * 2),所以,二水氯化鈣 (CaCl2.2H2O) 的莫耳質量,大約 146 (= 110 + 36) g/mol。換算起來,就是濃度 75.3% (= 110 / 146) 的氯化鈣。

此時,只需要再添加,二水氯化鈣 (CaCl2.2H2O) 一半重的水量,就可以配置成,六水氯化鈣 (CaCl2.6H2O)。例如:取用 100g 的二水氯化鈣 (CaCl2.2H2O),添加 50g (= 100g / 2) 的水,即可得 150g 的六水氯化鈣 (CaCl2.6H2O)。

原因是,四個水 (4H2O) 的莫耳質量,大約 72 g/mol (= 18g/mol * 4),差不多就是,二水氯化鈣 (CaCl2.2H2O) 莫耳質量 146 g/mol,的一半。

5. 封裝

由於放置在開放空間中的氯化鈣,會持續吸收空氣中的水氣,導致氯化鈣的濃度不斷下降 (水的濃度不斷上升)。觀察相圖,如果氯化鈣濃度低於 50%,六水氯化鈣晶體的熔點,就會往下降 (低於攝氏 30 度)。

所以,需要把配置好的六水氯化鈣,盛裝在一個密封的容器中,確保它的濃度不變 (使熔點也維持不變)。

反之,如果添加了太多的氯化鈣,導致氯化鈣濃度大於 50%,熔點就會上升 (超過攝氏 30 度),因為會形成熔點更高的晶體 (四水氯化鈣 (CaCl2.4H2O))。

6. 過冷

不過,氯化鈣有明顯的過冷現象。過冷度甚至可以達到攝氏 15 度 (溫度必須比熔點低 15 度,才會真的結晶)。

夏天 (攝氏 30 度) 熔化的六水氯化鈣,可能要等到冬天寒流來 (攝氏 14 度) 的時候,才能見到,六水氯化鈣重新結晶。

7. 複方 (CaCl2.6H2O (93%) + SrCl2.6H2O (2%) + NaCl (5%))

幸好,有許多前輩研究過這個問題。根據「Optimization of Preparation Method, Nucleating Agent, and Stabilizers for Synthesizing Calcium Chloride Hexahydrate (CaCl2.6H2O) Phase Change Material」這份研究,在六水氯化鈣 (CaCl2.6H2O) 中:

  • 添加 2% 的六水氯化鍶 (SrCl2.6H2O) 作為成核劑,可以減輕過冷的現象。
  • 如果再添加 5% 的氯化鈉 (NaCl) 作為穩定劑,還可以更進一步減輕,相分離 (亦即,形成不溶的,四水氯化鈣 (CaCl2.4H2O),沉澱物) 的問題。

配方:

CaCl2.6H2O (93%) + SrCl2.6H2O (2%) + NaCl (5%)

在攝氏 25 度時,就會重新結晶。也就是說,用冷氣機 (如果功率夠大的話),把室溫降到攝氏 25 度,就有可能看到它結晶了。

8. 有多涼

上述研究中有測試,該配方的熔化熱,大約 180J/g。對比於,水的熔化熱 333.55J/g,看起來似乎是略遜一籌。也就是說,冰塊,會比相同重量的,六水氯化鈣 (CaCl2.6H2O),能夠吸收更多 (大概多了快一倍) 的熱量。

不過,可別因此就小看它,因為六水氯化鈣 (CaCl2.6H2O) 的密度 1.71 g/cm3,也比水要大了快一倍。所以,六水氯化鈣 (CaCl2.6H2O),與相同體積的,冰塊,能夠吸收的熱量,其實是差不多的!

再加上,不需要冰箱 (但可能需要冷氣機),就有機會,在炎炎夏日中,感受到一絲涼意。是不是很有意思呢?

9. 參考資料

  1. Phase diagram of calcium chloride and water compound
  2. Optimization of Preparation Method, Nucleating Agent, and Stabilizers for Synthesizing Calcium Chloride Hexahydrate (CaCl2.6H2O) Phase Change Material (https://www.mdpi.com/2075-5309/12/10/1762)
  3. 氯化鈣
  4. 水合物
  5. 過冷
  6. 熔化熱