臺灣化學教育

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
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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)              E_red = + 0.36 V        [1]

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

電池總反應：Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq)  + Cu(s)              E_cell = + 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

 

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（2B）1枝、三角形迴紋針4支、小鑰匙1支、鋁箔紙（16 cm x 16 cm）1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16支3 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。

  

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。

 

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。

相片四：小U型鋅銅橋梁

4.        在16個多孔凹槽其中之2個凹槽中各加入5 mL的1 M硫酸銅溶液，如相片五所示。

相片五：加入5 mL的1 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。

 

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。

 

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。

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。

 

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。

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。

  

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 mL的1 M硫酸銅溶液備用，如相片十二所示。

相片十二：1 M硫酸銅溶液

3.        在16個多孔凹槽其中之4個凹槽中各加入5 mL的1 M硫酸銅溶液備用，如相片十三所示。

相片十三：在4個凹槽中各加入5 mL的硫酸銅溶液

4.        將鋅片與銅片插入右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。

   

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。

 

 

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

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。

  

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。

 

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。

  

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。

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]

  

  

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]

 

  

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。

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。

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。

 

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 0~14之4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。

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^–

或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]

 

   

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 mL的1 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。