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。
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?