本次实验的目的是探讨超吸水聚合物（Super Absorbent Polymers, SAP）聚丙烯酸钠（sodium polyacrylate）的渗透作用、尿布内聚丙烯酸钠的吸水倍数、以及玩具恐龙吸水的膨胀率。图一为尿布含内聚丙烯酸钠的位置图。
图一 尿布含内聚丙烯酸钠（在With Ultra Absorbency所指之处）（图片来源：Diapers Introduction, http://diapers-n-kidswear.com/babydiapers_introduction.html）
聚合物，又称为高分子是指具有非常大的分子量的化合物，分子间由结构单位（structural unit）、或单体（monomer）经由共价键连接在一起。聚合物因为分子量大。聚丙烯酸钠是一种单体单元分子式为[－CH2-CH(COONa)－]不断重覆的聚合物，其结构如图二所示。
图二 聚丙烯酸钠的结构式
聚丙烯酸钠为白色颗粒状，是一种吸水高分子，主链含有－COONa，如图三的左图所示。当水介入时，会解离成－COO-和Na+。因－COO-阴离子之间互相排斥，导致原本弯曲链展开成直条链，如图三的右图所示。由于H2O（H－O－H）分子中氢原子略带正电荷，氧原子略带负电荷，略带正电荷的氢原子和带负电的－COO-之间产生氢键的吸引力，因此聚丙烯酸钠能吸水，但它不是溶解于水中而是形成胶状物质。原因是当交联（cross-link）程度高时，水无法进入高分子中，其吸水能力降低。而在低交联度的情形下，水分子容易渗透进入高分子中，使树脂膨胀，进一步亲水而凝胶化，成为高吸水性的状态。当交联密度太低的情况下，就可能溶解于水。
图三 聚丙烯酸钠未吸水（左）和吸水（右）的结构（图片来源： http://www.disposablediaper.net/faq.asp?1）
聚丙烯酸钠高分子本身是一个半透膜，利用半透膜只容许水分子通过的特性，以此半透膜包住氯化钠而形成小圆球，半透膜内是高浓度，半透膜外是低浓度。当聚丙烯酸钠高分子接触到水时，由于小圆球内外的溶液浓度相差悬殊，因此大量的水由小圆球外的低浓度溶液渗透进入小圆球内部的高浓度溶液，直到内外溶液的浓度相等，即所谓的等渗透压。
基于渗透的原理，吸水高分子所吸收的水量取决于外在的溶液种类。如果是蒸馏水，可以吸收聚合物本身重量的800倍。如果是自来水，因为含有较多离子，所以只能吸收本身重量的300倍。如果是尿液（约0.9%食盐水），只能吸收本身重量的60倍。利用半透膜渗透原理，超强吸水高分子可以应用在老人及婴儿用之纸尿布，或妇女用之卫生棉。
除此之外，在其他方面也有许多用途，与生活息息相关：(1)可使植物的土壤具有保水功能；并使花朵长期保持新鲜而不凋谢。(2)可用于飞机、太空火箭或汽车燃料，如汽油中的水有效的移除。(3)做成小朋友喜爱的「水晶宝宝」与「会长大的恐龙、蜥蜴等玩具」。
药品和器材
1. 聚丙烯酸钠（Sodium polyacrylate）??少许/组
2. 蒸馏水??50 mL/组
3. 食盐??少许/组
4. 尿布??1片/人
5. 塑胶袋??1个/组
6. 携带型小型电子秤（详见「教学提示」一节）??2-4台/班
7. 玩具恐龙??5只/组
8. 1 M糖水??100 mL/组
9. 1 M食盐水??100 mL/组
10. 饱和食盐水? ? 100 mL/组
11. 家用塑胶量杯（容量250 mL或500 mL）??4个/组
实验步骤
A. 聚丙烯酸钠的渗透作用
1. 取一个杯子，置入少许的聚丙烯酸钠，再慢慢地加入适量的蒸馏水，观察有何现象？并说明其理由。
2. 然后加入适量的食盐，观察又有何现象？说明其理由。
B. 聚丙烯酸钠的吸水倍数
1. 秤重一个透明塑胶袋，并记录为m1。
2. 记录纸尿片的厂牌和型号。割开一片纸尿片，取出内部棉状填充物，置入塑胶袋。棉状填充物摸起来应该有砂砾的感觉，这是由于填充物中有吸水聚合物的粒子。 观察尿片内层与外层之吸水粒子有何不同。
3. 撕开在塑胶袋中的填充物成为碎片，再绑住塑胶袋的袋口。然后用力摇晃袋子约1分钟，使吸水粒子由填充物脱落。不打开袋子，相互搓揉填充物，再次摇晃塑胶袋。打开塑胶袋，检查填充物，如果仍有砂砾感，必须重複摇晃与搓揉之步骤数次，直到没有砂砾感。
4. 轻轻地摇晃塑胶袋，使吸水粒子沈积至袋底。打开袋子，取出填充物。秤重含吸水粒子的塑胶袋，并记录为m2。
5. 加蒸馏水至塑胶袋中，并摇晃、搓揉塑胶袋，使吸水粒子充分吸水。至吸水粒子完全无法吸水后，倒出未被吸收的蒸馏水，秤量此时塑胶袋总重，并记录为m3。
6. 重複步骤1~5两次，计算每一片纸尿片含吸水的聚丙烯酸钠粒子重（mpa = m2 - m1）、吸水重（mw = m3 – m2）及其吸水倍数（M = mw / mpa）。
C.??玩具恐龙的膨胀率
1. 记录玩具恐龙的厂牌和型号，如图四所示。秤重四只玩具恐龙，并记录为m1。
图四 实验用的四只玩具恐龙
2.??四只玩具恐龙分别放入蒸馏水、1 M的食盐水、1 M的糖水、饱和食盐水中。
3. 每天秤重，待玩具恐龙不在吸水时（即重量不再改变时），取出擦乾，再秤重，并记录为m2。
4. 计算四只玩具恐龙的吸水量以及吸水膨胀率。
安全和注意
● 本实验十分安全，但实验完后仍建议洗手，且聚合物不可食入。
废弃物处理
● 实验后的废弃物为环境无害，可直接丢弃到垃圾桶中。
观察纪录
一、化学示範
I. 写出此示範实验的变化现象。
● 10 mL的蒸馏水倒入第一个透明塑胶杯中，颜色为（? ?）色。
●??第一个透明塑胶杯中的水倒入第二个透明塑胶杯中，颜色由（? ?）色变为（? ?）色。
●??第二个透明塑胶杯中的水倒入第三个透明塑胶杯中，颜色由（? ?）色变为（? ?）色。
●??第一个纸杯中的水全部倒入第二个纸杯中，由第一个纸杯倒出来的水的颜色为（? ? ）色。
●??第二个纸杯中的水全部倒入第三个纸杯中，由第二个纸杯倒出来的水的颜色为（? ? ）色。
●??第三个纸杯反倒，竟然没有水流出，其他杯子也是空的。第三个杯子内呈现（? ? ）色。
II. 写出此示範实验的化学原理。
● 第一个透明塑胶杯：
● 第二个透明塑胶杯：
● 第三个透明塑胶杯：
● 第一个纸杯：
● 第二个纸杯：
● 第三个纸杯：
二、聚丙烯酸钠的渗透作用
I. 加适量的蒸馏水至塑胶袋中，观察变化现象，说明理由。
II. 加适量的氯化钠至塑胶袋中，观察变化现象，说明理由。
三、聚丙烯酸钠的吸水倍数
● 纸尿片的厂牌和型号：帮宝适超薄乾爽系列9-14 kg L/88
四、玩具恐龙的膨胀率
● 玩具恐龙的厂牌和型号：膨胀动物世界 PZ028
问题
1. 聚丙烯酸钠吸水聚合物已运用在纸尿布（及卫生棉）上。为了预防挤压时水分回渗，通常必须在纸尿布各层中添加不同浓度的食盐。依你所学的化学知识判断，纸尿布内层及外层（图五），何者添加的食盐浓度应较大？试解释其理由。
图五 纸尿布内层及外层结构
2. 在「聚丙烯酸钠的吸水倍数」之实验中，实验的吸水倍数比原理所提到的吸水倍数少很多，试说明可能的影响因素。
3. 在「玩具恐龙的膨胀率」之实验中，为何恐龙的膨胀率：蒸馏水 ＞ 1 M糖水 ＞ 1 M食盐水 ＞ 饱和食盐水？解释原因。
4. 生活中有何渗透作用的实例，试举例之。
请按此连结，参阅「教师手册」
