創意微型實驗— 微型鋅銅電池及其在化學教學上的應用 / 方金祥

星期二 , 3, 十一月 2015 Leave a comment

創意微型實驗—
微型鋅銅電池及其在化學教學上的應用

方金祥

創意微型科學工作室
chfang1273@yahoo.com.tw

化學是一門極具趣味性且理論與實驗並重之科學,因此在相關單元之中,除了理論介紹之外都配有相關的實作性實驗,盼由正確的實驗的結果來應證理論的真實性。在學校的化學實驗裡如何減少使用藥品,以減少廢液的產生進而突增廢液回收與處理的困擾與困難度,以減低對環境污染的衝擊,是當務之急。因此將傳統實驗裝置與實驗過程加以改良,使實驗裝置更為簡單,實驗步驟更為安全更為有趣,使化學實驗更符合環保理念可回收低汙染省資源的綠色化學實驗。在本文中將傳統式的鋅銅電池加以微型化而成為微型鋅銅電池,得以方便將兩個或多個鋅銅電池加以串聯起來,並在化學實驗中加以延伸與應用,以提高學生學習電化學之意願與興趣。

n  微型鋅銅電池之原理

以鋅片和銅片為電極,分別在插入藥品溶液中,電極與溶液之介面間會產生所謂的電極電位,而在當兩溶液間以鹽橋來溝通電路後,在這兩個電極間所產生之電位差即稱為電池電位(電壓),其反應式如式[1]~[3]所示。

正極(銅片,陰極)反應:Cu2+(aq) + 2e Cu(s)              Ered = + 0.36 V        [1]

負極(鋅片,陽極)反應:Zn(s) Zn2+(aq) + 2e           Eox  = + 0.74 V       [2]

電池總反應:Zn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq)  + Cu(s)              Ecell = + 1.10 V        [3]

n  傳統鋅銅電池與微型鋅統電池之比較

傳統鋅銅電池與微型鋅銅電池在器材裝置及藥品之使用皆略有不同,其差異之比較如表一所列及相片一所示。

表一:傳統鋅銅電池與微型鋅銅電池之比較

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相片一:傳統鋅銅電池裝置和微型鋅銅電池裝置(右)

(左圖取材:自八十二年國編版高中基楚理化實驗手冊下冊)

n  材料藥品與器材

一、   材料

鋅片(5 cm x 5 cm 2片、銅片(5 cm x 5 cm 2片、塑膠培養皿(直徑14 cm 1個、塑膠培養皿(直徑9 cm 1個、鉛筆(2B1枝、三角形迴紋針4支、小鑰匙1支、鋁箔紙(16 cm x 16 cm1張、塑膠噴霧瓶1個、塑膠布丁盒1個、塑膠小試管(外徑1.6 cm、內徑1.45cm,高9.55cm 16支。

二、   藥品

硫酸銅溶液(1 M CuSO4 40 mL、碘化鉀溶液(1 M KI 20 mL、氯化鈉溶液(1 M NaCl 10 mL

三、 器材

攜帶式天平(Portable balance 1台、數字顯示型三用電表 1台、電子鐘 1個、音樂盒1個、小馬達風扇1個、熱熔膠(槍) 1組、pH試紙(0~14 1盒。

n  設計與製作過程

一、   多孔凹槽之設計與製作

1.        準備16支塑膠小試管,用小鋸子在距離試管底部約3 cm處鋸開而成小小試管。

2.        用熱溶膠將163 cm小小試管依序固定在小塑膠培養皿上,而成具有排列成正方形的16個多孔凹槽,以當作「微型鋅銅電池」置放藥品溶液與串聯之用,如相片二所示。

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相片二:塑膠小試管(左)與16個多孔凹槽(右)

二、  微型鋅銅電池之設計與製作

1.        用剪刀將鋅片和銅片各裁成0.3 cm x 2.5 cm大小之金屬片。

2.        將小鋅片與小銅片重疊0.5 cm,並用細銅絲將其纏繞固定之,另用塑膠帶將纏繞之細銅絲部分加以固定而成「一字形的鋅銅片」,如相片三所示。

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相片三:一字形的鋅銅片

3.        用小鉗子將一字形的鋅銅片中的鋅與銅彎成「小U型鋅銅橋梁」,以當作微型鋅銅電池在串聯時方便溝通電路之用,如相片四所示。

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相片四:小U型鋅銅橋梁

4.        16個多孔凹槽其中之2個凹槽中各加入5 mL1 M硫酸銅溶液,如相片五所示。

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相片五:加入5 mL1 M硫酸銅溶液於多孔凹槽中

5.        將鋅片插入左邊的硫酸銅溶液中,銅片插入右邊的硫酸銅溶液中,另將小U型鋅銅橋樑插入兩溶液中以溝通電路,如相片六所示。

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相片六:鋅電極與銅電極(左)兩凹槽中之溶液中以小U型鋅銅橋梁插入溝通電路

6.        將數字型三用電表之紅色端子與銅片(正極)連接,而黑色端子與鋅片(負極)連接即組成「微型鋅銅電池」,如相片七所示。

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相片七:數字型三用電表(左)與微型鋅銅電池(右)

三、   小馬達風扇之設計與製作

1.        用熱熔膠將一個小馬達固定在塑膠布丁盒上。

2.        取一個軟性小塑膠風扇插在小馬達之轉軸上,即完成「小馬達風扇」,如相片八所示。

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相片八:小馬達風扇

四、   負極圓盤之設計與製作

1.        將一張22 cm x 22cm之鋁箔紙放在直徑為cm塑膠培養皿之底部上,並沿著培養皿周圍將多餘的鋁箔紙折入培養皿中,即成一個「鋁箔圓盤」,如相片九所示。

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相片九:塑膠培養皿(左)和鋁箔圓盤(右)

2.        將一根三角型迴紋針從鋁箔圓盤周圍的左邊(9點鐘的位置)夾住,此迴紋針可供作連接微型鋅銅電池之「負極圓盤」,如相片十所示。

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相片十:負極圓盤

n  實驗操作過程

1.        打開攜帶式天平,於秤盤上放置一張秤量紙後加以歸零,然後秤取3.18克的硫酸銅晶體,如相片十一所示。

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相片十一:攜帶式天平(左)、歸零(中)以及硫酸銅的秤量(右)

2.        先用10 mL蒸餾水將3.18克的硫酸銅晶體溶解之,然後再將其稀釋成20 mL1 M硫酸銅溶液備用,如相片十二所示。

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相片十二:1 M硫酸銅溶液

3.        16個多孔凹槽其中之4個凹槽中各加入5 mL1 M硫酸銅溶液備用,如相片十三所示。

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相片十三:在4個凹槽中各加入5 mL的硫酸銅溶液

4.        將鋅片與銅片插入邊第一個凹槽中之硫酸銅溶液內,即可構成一個微型鋅銅電池,若在第一個凹槽與第二個凹槽之硫酸銅溶液中,以小U型鋅銅橋樑插入兩液中以溝通電路,即成兩個微型鋅銅電池之串聯,以此類推可組成三個或四個以上之微型鋅銅電池之串聯,如相片十四所示。

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相片十四:微型鋅銅電池之串聯數(由左而右:1個、2個、3個、4個)

5.        用數字型三用電表之紅色端子與銅片(正極)連接,而黑色端子與鋅片(負極)連接以測量微型鋅銅電池串聯後產生之電位差(電壓),如相片十五所示。

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相片十五:測量微型鋅銅電池及其串聯之電壓(由左上而右下:1個、2個、3個、4個)

n   實驗結果

1.        微型鋅銅電池所產生之電壓隨著微型鋅銅電池串聯數而增加,如表二所列。

表二:微型鋅銅電池串聯數與產生之電壓之關係

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2.        微型鋅銅電池經串聯2個至4個時所產生之直流電壓皆能使生日快樂歌音樂盒、電子鐘及小型馬達風扇等運轉,如相片十六所示。

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相片十六:微型鋅銅電池使音樂盒(左)、電子鐘(中)以及小型風扇(右)運轉

n  微型鋅銅電池在化學教學上之應用

一、   使用碘化鉀溶液之電解試驗

1.        用削筆機將一枝一般的2B鉛筆的兩端削去木材部份,使鉛筆兩端露出筆芯,並用一條細導線在鉛筆一端之筆芯連接後,再用電火布加以固定之,以當作電極(正極)之用,如相片十七所示。

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相片十七:鉛筆作為電極(正極)

2.        將一張濾紙放在鋁箔圓盤上,然後用裝在塑膠噴霧器中之碘化鉀溶液往濾紙噴,使整張濾紙濕潤之,如相片十八所示。

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相片十八:濾紙放在鋁箔圓盤上(左),裝有碘化鉀溶液之噴霧瓶(中),及用噴霧瓶噴碘化鉀溶液在濾紙上

3.        將微型鋅銅電池之正極(銅片)與鉛筆上之導線連接成正極,另將微型鋅銅電池之負極(鋅片)與負極圓盤上之迴紋針連接成,即成碘化鉀溶液之電解氧化還原裝置,如相片十九所示。

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相片十九:碘化鉀溶液之電解氧化還原裝置

4.        手持連接在微型鋅銅電池之鉛筆(正極),在負極圓盤上之濾紙寫字。在以碘化鉀溶液濕潤過的無色濾紙上會出現棕褐色之字型來,此乃因濾紙上無色之碘離子在正極被氧化成棕褐色碘分子,其反應式如式[4]~[6],碘化鉀溶液電解之結果如相片二十所示所示。

正極(筆芯,陰極)反應:2I(aq) I2(s) + 2e                               [4]

負極(鋁箔,陽極)反應:2H2O(l) + 2e H2(g) + 2OH(aq)         [5]

電解總反應:2I(aq) + 2H2O(l) I2(s) + H2(g) + 2OH(aq)                    [6]

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相片二十:電解碘化鉀溶液之氧化還原反應

二、   在鑰匙及迴紋針上之電鍍試驗

1.        用導線使微型鋅銅電池之正極(銅片)與另一銅片連接,並放入此銅片到另一裝有硫酸銅溶液之另一凹槽中。

2.        用導使線微型鋅銅電池之負極(鋅片)與一支鑰匙或一個迴紋針連接,並放入此鑰匙或迴紋針到步驟1裝有硫酸銅溶液之另一凹槽中。

3.        使用微型鋅銅電池產生之直流電源,在3~5分鐘內即可將鑰匙或迴紋針鍍上金屬銅,其反應式如式[7]~[9],鑰匙或迴紋針之電鍍結果如相片二十所示。

正極(銅片,陰極)反應:2H2O(l) O2(g) + 4H+(aq) + 4e           [7]

負極(鋅片,陽極)反應:2Cu2+(aq) + 4e 2Cu(s)                       [8]

電鍍總反應:2Cu2+(aq) + H2O(l) 2Cu(s) + O2(g) + 4H+(aq)              [9]

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相片二十一:未電鍍之鑰匙和迴紋針(左上)、電鍍鑰匙裝置(右上)、電鍍迴紋針裝置(左下)以及鍍上金屬銅之鑰匙或迴紋針(右下)

三、   電解中性溶液之正負極酸鹼性測定

1.        準備pH 0~14之廣用試紙一盒備用,如相片二十二所示。

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相片二十二:pH廣用試紙

2.        將兩根三角型迴紋針之一邊弄直後,接上導線以當作正極和負極之用,如相片二十三所示。

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相片二十三:迴紋針電極

3.        準備妥串聯2個和4個之微型鋅銅電池,並用三用電表測其電壓,如相片二十四所示。

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相片二十四:串聯2個及4個之微型鋅銅電池

4.        將一張pH試紙插入氯化鈉(NaCl)溶液後,取出與pH試紙盒上pH 0~144組顏色顏色對照後,顯示出氯化鈉溶液為pH 7之中性溶液,如相片二十五所示。

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相片二十五:pH 7之氯化鈉中性溶液

5.        將微型鋅銅電池之正極和負極與迴紋針電極連接後,將迴紋針電極平放在由氯化鈉溶液中取出之pH試紙上,然後再將迴紋針電極各向兩邊平行移開。

6.        當迴紋針電極移開之同時,會立刻顯現出顏色變化,最後將其變化之顏色與pH試紙盒上pH 0~14之顏色對照,顯示出中性的氯化鈉溶液,經以微型鋅銅電池為直流電源電解後,立刻可讀出電解後在正極和負極在pH試紙上之顏色變化和pH之值變化值,正極附近之溶液呈現酸性而負極附近之溶液則呈現鹼性。在2秒內即可讀出氯化鈉溶液電解後在正極處之顏色變化和之pH之值約為2~3,在負極處之顏色變化和pH之值約為13~14,其反應如式[10]~[12]及相片二十六所示。

正極(陰極)反應:2Cl(aq) Cl2(g) + 2e

2H2O(l) O2(g) +4e +4H+(aq)(呈酸性)                     [10]

負極(陽極)反應:2H2O(l) + 2e H2(g) + 2OH(aq)(呈鹼性)         [11]

電解總反應:2Cl(aq) + 2H2O(l) Cl2(g) + H2(g) + 2OH(aq)                  [12]

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相片二十六:串聯2個微型鋅銅電池來電解pH試纸上的氯化鈉溶液(上左),串聯4個微型鋅銅電池來電解pH試纸之氯化鈉溶液(上右),經電解後在正極(下左圖右邊的迴紋針處)和負極(下左圖左邊的迴紋針)處之顏色變化以及pH試纸盒上pH值對照(下中圖和下右圖)

n  微型鋅銅電池裝置之特點

l  取材簡單,操作安全。

l  體積很小,攜帶方便。

l  反應快速,效果明確。

l  節省藥品,減少污染。

l  鋅銅電池,節省能源。

l  實驗教學,生動有趣。

n  實驗注意事項

l  微型鋅銅電池中之鋅電極會因電路通電後慢慢被氧化成鋅離子,鋅電極漸漸被溶掉而終止反應,因此要適時更換鋅電極能繼續作用。

l  在進行碘化鉀溶液之電解反應時,宜將碘化鉀溶液裝入塑膠噴霧瓶中,再以噴霧方式均勻噴灑在鋁箔圓盤上之濾紙,且使用量不宜過多,以能將濾紙均勻濕潤即可。用來寫字之鉛筆電極必須與微型鋅銅電池中之正極(銅片)連接,在正極上才能將無色的碘離子氧化成棕褐色的碘分子,而出現棕褐色的字型來。若將鉛筆與負極(鋅電極)連接時就無法將無色的碘離子氧化成棕褐色的碘分子,也就無法寫出棕褐色的字型來。

n  結語

鋅銅電池實驗是眾所皆知的一項極為有趣的化學實驗,在化學實驗中是重點實驗之一,然美中不足之處為用藥量太多,不但造成廢棄液回收處理之困擾,在廢液處理不當之下也會造成環境汙染。若將傳統的鋅銅電池所用的藥品量,所產生的直流電壓多不會達到理論值1.10 V,但同樣的藥品量用在本文所設計的微型鋅銅電池時,即可相當於數十個鋅銅電池串聯所產生的電壓。微型鋅銅電池每一電池只需1 M硫酸銅溶液5 mL左右,本文所設計的微型鋅銅電池串連四個也只需要20 mL1 M硫酸銅溶液。

當微型鋅銅電池串聯2~4個時所產生的電壓即可當作直流電源之用,此一直流電源將可使電子鐘至少運轉30小時以上,亦可使音樂盒唱出生日快樂歌和小馬達風扇運轉。除此之外,微型鋅銅電池產生的直流電源,也可運用在碘化鉀溶液之電解氧化還原,小鑰匙及迴紋針的電鍍,以及中性溶液電解實驗在正極與負極處所產生的pH變化,此一pH變化在2秒內即可完成測定,實為一快速測定中性鹽類溶液經電解後,在正負極附近溶液之酸鹼性變化與pH值。微型鋅銅電池在化學實驗教學上非常實用且有趣,足以引起學生學習化學之興趣與增強化學教與學的成效。

 

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