零食袋裡的乾燥劑，是怎麼吸走濕氣的？
― 1 公克的顆粒裡，摺疊著兩座網球場大小的牆壁
海苔和仙貝袋子裡的透明小顆粒，並不是把水「吸進去」而已。它是把水分子一個一個貼在顆粒內部、細得看不見的孔洞牆壁上。據說把那些牆壁全部攤開，1 公克就有兩座半網球場那麼大。
拆開海苔的包裝，裡面有一個寫著「不可食用」的小袋子，裝著像玻璃碎片一樣的透明顆粒。
摸起來是乾的，也不像海綿那樣吸水膨脹。可是袋子裡的海苔，過了好幾個星期仍然酥脆。
這些小顆粒，到底把水藏在哪裡了呢？
能吸濕氣的原因，只有兩個
顆粒內部像是由許多極小的顆粒黏在一起的海綿。把縫隙的牆壁加起來，每 1 公克約有 700 平方公尺。這些牆壁會把水分子吸引過來貼住。
孔洞的直徑大約只有頭髮的幾萬分之一。在這麼細的孔裡，即使空氣還沒有濕透，水蒸氣也會變回水並填滿孔洞。所以就算是一般房間裡的濕氣，也能大量吸收。
這兩種力量，都來自顆粒的「形狀」，而不是「材料」。矽膠的成分和玻璃、水晶幾乎一樣。玻璃杯不會吸濕氣，矽膠卻會，是因為內部的構造完全不同。
顆粒裡面是什麼樣子？
請看圖 1。左邊是袋子裡的顆粒，直徑約 2 到 5 毫米，看起來就是個玻璃珠。
中間是把顆粒內部放大的樣子。直徑只有幾奈米的更小顆粒，像葡萄串一樣黏在一起，中間的縫隙就成了迷宮般的孔洞。
右邊是再把孔洞的牆壁放大。牆壁表面密密排列著和水分子「合得來」的小「手」。水分子靠近時，會被這些手吸住，貼在牆上。
關鍵在於牆壁的面積。1 公克的玻璃珠，表面積只有指尖那麼大。但同樣重量如果變成許多細小顆粒的集合，表面積可以增加好幾萬倍。道理就像把紙越撕越碎，切口的總長度就越長。
為什麼連沒濕透的空氣也能取水？
如果只是在牆上貼一層水，能吸的量其實有限。矽膠能吸得更多，是靠第二個機制。
水通常要等到濕度達到 100% 才會從水蒸氣變回水。但在很細的孔洞裡情況不同：貼在孔壁上的水，會從兩側互相靠攏、想連在一起。所以即使濕度低於 100%，孔洞裡也會先積起水。
請在圖 2 中改變孔的粗細。孔越細，越低的濕度就能讓水填滿孔洞。矽膠的孔洞，粗細剛好在一般房間的濕度下就開始被填滿。
孔的直徑到了 10 奈米，濕度要到約 80% 左右孔才會被填滿。反過來，細到 1 奈米時，濕度只有 10% 多就開始被填滿。據說食品用的矽膠，為了能從乾燥的空氣中取水，孔洞做得比較細。
鞋盒或衣櫃用的乾燥劑裡，有些混著藍色顆粒。那是浸了「吸水就變色」藥劑的「指示顆粒」。變成粉紅色，就表示孔洞差不多被水填滿了。近年也有越來越多產品改用變成其他顏色的藥劑。
仙貝等食品裡，有時會放白色粉末或顆粒的「生石灰乾燥劑」。它不是靠孔壁，而是和水起化學反應、變成別的物質來除水。反應時會變得相當燙，所以請小心不要沾到水或進入眼睛。請確認標示，並依照各地的規定丟棄。
總結
矽膠是把與玻璃相同的成分，做成像葡萄串般細小顆粒的集合。裡面摺疊的廣大牆壁，能把水分子一層一層貼住。在更細的孔洞裡，連沒濕透的空氣，水蒸氣也會變回水積存下來。據說它能維持乾爽的外表，同時收納相當於自身重量三分之一左右的水。
乾燥劑靠的不是會吸水的「材料」，而是能抓住水的「形狀」。
在 1 公克之中，藏著兩座網球場大小的牆壁。
孔洞大小會改變水的行為，這個話題也和砂糖和鹽結塊的原因相通：聚集在顆粒表面的水，會把顆粒彼此黏在一起。
- 準備含藍色指示顆粒的乾燥劑，把顆粒分成兩個小碟子（海苔袋裡的乾燥劑也可以做步驟 3）。
- 一碟放進有蓋的空瓶並蓋緊，另一碟放在浴室或廚房等潮濕的地方。每隔幾小時比較一次顏色的變化。
- 把一顆乾燥的透明顆粒丟進杯子的水裡。把耳朵靠近，有時會聽到啪滋啪滋的小聲音，顆粒也可能出現裂痕。
步驟 3 的聲音，一般認為是水一口氣灌進孔洞，產生的熱和壓力讓顆粒發出嘎吱聲。顆粒不可食用，請在小孩拿不到的地方嘗試，做完後丟棄。請不要用白色粉末的生石灰乾燥劑來做。
想知道更多的人 ― 名詞・算式・與課本的連結明確標示內容屬於國中理化到大學專業課程的哪個程度
- 國中國中理化學到的範圍
- 高中高中「化學」學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學、大學專業課程（物理化學、界面化學）的內容
- 研究連大學也不當作「定論」來教、研究者目前仍在探討的話題
國中名詞：這個現象有名字
- 吸附：其他分子貼在物體表面上。和滲入內部的「吸收」不同。
- 矽膠：把二氧化矽（與玻璃、水晶相同的成分）做成布滿細孔的固體。
- 毛細凝結：在極細的孔洞中，即使濕度低於 100%，水蒸氣也會變回液態水。
- 比表面積：每 1 公克的表面積。矽膠據說可達數百平方公尺。
國中高中用算式確認：牆上排一層，會貼上幾公克的水
首先算出在牆上無縫排滿一層水分子時的重量，再和實際能吸收的量比較。最後再和海苔袋裡空氣中的水量比較。
| 用符號表示 | m ＝ S × σ （σ ＝ m₁ ÷ a） |
| 用文字表示 | 貼上的水的重量 ＝ 牆壁面積 × 每 1 平方公尺排一層水的重量 |
| 這個式子的來由 | 在牆上，水分子一個個各占自己的面積排列，這是一種數個數的算法。一層膜的重量，是用一個分子的重量 m₁ 除以一個分子占的面積 a 求得。 |
符號的意思：m 是貼上的水的重量（毫克），S 是 1 公克矽膠的牆壁面積（平方公尺），σ 是水分子排成一層的膜每 1 平方公尺的重量（毫克）。
| 1 公克矽膠的牆壁面積 | 據說約 700 平方公尺（依產品為數百〜800） |
| 水分子一層膜的重量 | 每 1 平方公尺約 0.29 毫克（假設一個分子占約 0.1 平方奈米） |
| 實際能吸收的水量 | 在潮濕空氣中，據說約為自身重量的 35% |
| 25℃ 時 1 公升空氣最多能含的水蒸氣 | 最多約 0.023 公克 |
| 網球場（雙打）1 面的面積 | 約 261 平方公尺 |
| 一層水的重量（毫克） | 700 × 0.29 ＝ 203 |
| 換算成公克 | 203 ÷ 1000 ＝ 0.203 |
| 實際能吸收的量（公克） | 1 × 0.35 ＝ 0.35 |
| 是一層的幾倍 | 0.35 ÷ 0.203 ≒ 1.7 |
| 牆壁面積相當於幾面球場 | 700 ÷ 261 ≒ 2.7 |
| 5 公克小袋能吸收的水（公克） | 5 × 0.35 ＝ 1.75 |
| 濕度 60% 的 1 公升空氣中的水（公克） | 0.023 × 0.6 ≒ 0.014 |
| 小袋能吸相當於幾倍的 1 公升空氣的水 | 1.75 ÷ 0.014 ＝ 125 |
光是在牆上排一層，就能貼上約自身重量兩成的水。實際能吸的量約是它的 1.7 倍，多出來的部分，一般認為是在細孔中變回水的水（毛細凝結）。而 5 公克的小袋，能承受袋中空氣所含水量的 100 倍以上。袋子縫隙一點一點滲進來的濕氣，它能持續吸好幾個星期，原因就在這裡。
高中高中＋壁上「手」的真面目，以及吸水時放出的熱
高中矽膠的牆壁表面排列著「矽醇基」，也就是矽接上氧和氫的結構。水分子會和矽醇基以氫鍵相連。氫鍵是分子之間較弱的結合，所以加熱後水就會離開，矽膠可以反覆使用。這是它和靠化學反應除水的生石灰乾燥劑的最大差別。
高中＋水蒸氣貼上牆壁時，會像水蒸氣變回水時一樣放出熱（吸附熱）。把乾燥的顆粒丟進水裡，水會一口氣灌進孔洞深處，那股熱，加上孔內空氣被擠出的力量，有時會讓顆粒裂開。濕度是「現在的水蒸氣量，相對於該溫度下空氣最多能含的水蒸氣量的比例」，稱為相對濕度。
大學克耳文方程式與表面積的測量方法（BET 法）
圖 2 的計算用的是克耳文方程式。設孔的半徑為 r、水的表面張力為 γ、1 莫耳水的體積為 V、氣體常數為 R、溫度為 T。於是孔被水填滿的相對濕度，取自然對數後為 −2γV ÷ (rRT)。25℃ 的水，2γV ÷ RT 約為 1.05 奈米，所以直徑 2.4 奈米的孔約為 42%。實際的孔，半徑會因為牆上已貼著的水膜厚度而變小，所以要用加上這項修正的式子來分析。
矽膠「1 公克 700 平方公尺」這個數值，是在低溫下讓氮氣吸附，從吸附量以 BET 式（布魯諾爾—埃梅特—特勒方程式）求出一層的量而得到的。提高濕度與降低濕度時，吸附量曲線不重合的「吸附遲滯」，也是毛細凝結的知名特徵。孔的大小，小於 2 奈米稱為「微孔」，2〜50 奈米稱為「中孔」。
📖 算式的推導與更進一步的內容：克耳文方程式（英文版維基百科） ／ 矽膠（維基百科）
研究目前還不清楚的事
- 奈米大小的孔中，克耳文方程式能適用到什麼程度 直徑只有幾個水分子寬的孔，把水當作「平滑液體」的前提就不成立了。能用到多細，目前仍在用實驗和電腦模擬研究。
- 孔中的水，和一般的水一樣嗎 有報告指出，被關在極細孔中的水，結冰的溫度和流動的難易度都會改變。其機制的細節仍在爭論中。
- 從空氣中取得飲用水的材料 在乾燥地區，夜間從空氣吸水、白天靠太陽熱取出水的材料正在研究中。人們正在尋找能從更乾的空氣取得更多水的孔洞形狀。
也就是說，這篇文章的內容，也只是「就目前所知範圍內的說明」。尤其是水在極細孔洞中如何表現，至今仍是不斷有新發現的領域。
與課本的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化「水蒸氣與濕度」「狀態變化」 | 濕度、水蒸氣變回水 |
| 高中 | 化學「氫鍵」「矽的化合物」 | 矽醇基與水的結合、矽膠的成分 |
| 高中＋ | 化學「蒸氣壓」「狀態變化與熱」 | 相對濕度、吸附熱、丟進水裡的顆粒會裂開的原因 |
| 大學 | 物理化學・界面化學 | 克耳文方程式、BET 式、吸附遲滯 |
| 研究 | 奈米空間中的水、從空氣取水的材料 | 研究的段落 |
| ― | 與生活的連結 | 食品・鞋子・相機的防潮、乾燥劑的正確丟棄方式 |
- 維基百科「シリカゲル」（矽膠，日文版）
- Wikipedia "Kelvin equation"
- 近藤精一・石川達雄・安部郁夫『吸着の科学』（吸附科學），丸善（Maruzen）
- S. J. Gregg, K. S. W. Sing, "Adsorption, Surface Area and Porosity", Academic Press
- National Consumer Affairs Center of Japan (国民生活センター) 石灰乾燥剤による事故に関する注意喚起（關於生石灰乾燥劑事故的注意事項）
※本文是為一般讀者撰寫的科學解說。所列數值是為了幫助理解機制的參考值與概算。乾燥劑不可食用。若不慎誤食或進入眼睛，請依產品標示處理，必要時請洽醫療機構或日本的中毒諮詢專線（中毒 110 番）。丟棄方式請依各地方政府的指示。