臺灣化學教育

創意微型實驗—微型水果電池

方金祥

創意微型科學工作室
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本文作者在本期刊《臺灣化學教育》第十期中曾設計微型鋅銅電池，其電解液需用到一種化學藥品硫酸銅溶液，而在以水果製作成的微型水果電池中就不必用到任何化學藥品，其電解液並非硫酸銅溶液而是水果原本的內含物。由於微型鋅銅電池中之銅離子在正極會被還原成金屬銅，而鋅在負極會被氧化成鋅離子，然而在微型水果電池中並沒有如同一般鋅銅電池或微型鋅銅電池中有銅離子來被還原，而是由水果中之內含物酸性氫離子來被還原。因此以鋅片為負極與銅片為正極，在水果中正負極間所產生的電位差就不會跟一般的鋅銅電池產生1.10 V一樣，然以鋅片為負極與銅片為正極在各種水果正負極間所產生的電位差，也同樣可使電子鐘音樂盒、搖擺器、電子鐘運轉以及使聖誕音樂卡唱出聖誕歌及接在聖誕音樂卡上之LED燈發亮等等現象。在本文中將介紹以在作者在庭園中自種之水果為材料來製作微型水果電池及其應用，俾以提高學生學習電化學之意願與興趣。

n  微型水果電池之原理

一般水果中之內含物之液體都是含有豐富的維生素C（抗壞血酸）而呈現酸性，因此微型水果電池的原理乃是利用其果汁中之酸性物質內的氫離子在正極被還原成氫氣（氫之標準還原電位為0.00 V），而陽極（負極）的鋅易被氧化（鋅的標準氧化電位為0.74 V）。因此，以銅片為正極和鋅片為負極時，負極在水果中所產生之電位差即為0.74 V，其反應式如式[1]~[3]。

陰極（銅片，正極）反應：2H⁺(aq) + 2e^– → H₂(g)               E_red = 0.00 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) + 2H⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + H₂(g)                  E_cell = +0.74 V         [3]

n  材料與藥品

小番茄 2粒、百香果 2粒、檸檬 2粒、諾麗果 2粒、大塑膠蓋子 1 個、銅片（0.2 cm x 4 cm） 2片、鋅片（0.2 x 4 cm） 2片、音樂盒（生日快樂歌） 1個、電子鐘 1個、搖擺器 1個、聖誕音樂晶片卡 1個、pH廣用試紙（Universalindikator pH 0-14, Merck） 1盒、熱熔膠槍 1組

n  微型水果電池之設計與組合

一、水果

本實驗所用之水果是取自作者自種於庭園之小蕃茄、桃太郎蕃茄、金桔、百香果、檸檬及諾麗果等六種水果為製作微型水果電池之材料，如相片一所示。

  

  

相片一：作者自種之水果

二、器材

本實驗中所用之器材包括生日音樂盒、搖擺器、電子鐘及聖誕音樂晶片卡，如相片二所示。

  

 

相片二：生日音樂盒（上左）、電子鐘（上中）、搖擺器（上右）、聖誕音樂晶片卡（下左）及pH廣用試紙（下右）

三、正負電極之處理

1.        將用細沙紙銅片與鋅片各將其表面加以磨拭乾淨，並在其上端接一條導線後供作正極（銅片）和負極（鋅片）使用，如相片三所示。

相片三：銅片（左）和鋅片（右）各接上一條導線

2.        將接在銅片上之導線的另一端接上一個紅色鱷魚夾，供作正極使用，另將接在鋅片之導線的另一端接上一個黑色鱷魚夾，供作負極使用，如相片四所示。

相片四：正極銅片（左）和負極鋅片（右）

四、U型鋅銅橋梁

1.        各取一條長4 cm寬0.2 cm之鋅片與銅片，用細沙紙將其表面加以磨拭乾淨備用。

2.        將鋅片與銅片重疊1 cm，並用細銅絲在重疊處繞緊，再用塑膠帶纏繞之，然後將兩端折成U型狀，即組成U型鋅銅橋梁，以供作兩粒水果間電路溝通之橋梁，如相片五所示。

 

相片五：重疊之鋅銅片（左）與U型鋅銅橋梁（右）

五 微型水果電池之組合

1.        微型水果電池之串聯

(1)     用銅片插入一粒水果中作為正極，另用鋅片插入另一粒水果中作為負極。

(2)     再用U型鋅銅橋梁將2粒水果串聯起來，即組成微型水果電池，如相片六所示。

   

  

相片六：微型水果電池

2.        微型水果電池支架之設計組合

(1)     用熱溶膠將2個小塑膠盒子固定在一個大的塑膠蓋子上，而成微型水果電池之支架，以供作小蕃茄、桃太郎蕃茄及金桔等較小水果串聯後之置放，如相片七所示。

   

相片七：置放串聯之水果之支架

n  實驗操作

1.        水果酸鹼性之簡易測定

(1)     準備pH 0-14之廣用試紙，並取出pH試紙備用，如相片八所示。

 

相片八：pH 0-14之廣用試紙

(2)     用水果刀分別將各類水果切開，如相片九所示。

  

相片九：切開之水果

(3)     取出pH試紙，並分別用一張試紙去接觸水果之切開面，由pH試紙上之 四個區塊之顏色變化與pH試紙盒子上之標準顏色加以對照，即可來顯示出測定各類水果之酸鹼性，並以pH值之大小來表示水果之酸鹼性，如相片十所示。

相片十：用pH試紙去接觸水果之切開面

2.        用數字顯示型之三用電表來測量2粒水果串聯起來後之電池電位（電壓）之大小。

3.        將微型水果電池之正極（陰極銅片）與電子鐘之正極連接，負極（陽極鋅片）與電子鐘之負極連接後，觀察電子鐘之運轉情形。

4.        將微型水果電池之正極（陰極銅片）與生日音樂盒之正極連接，負極（陽極鋅片）與生日音樂盒之負極連接後，觀察生日音樂盒之運轉情形。

5.        將微型水電池之正極（陰極銅片）與搖擺器之正極連接，負極（陽極鋅片）與搖擺器之負極連接後，觀察搖擺器之運轉情形。

6.        將微型水果電池之正極（陰極銅片）與聖誕音樂晶片卡之正極連接，負極（陽極鋅片）與聖誕音樂卡之負極連接後，觀察聖誕音樂晶片卡之運轉情形。

n  實驗結果

1.        利用pH 0-14之廣用試紙來測量水果之酸鹼性以pH值表示之，其結果如相片十一所示。在相片十一之各相片中間的2條試紙分別為測試前（左）與測試後（右），經與pH 0-14之廣用試紙盒子上pH 0-7之標準色對照後即可並得知各類水果之pH值分別為：小蕃茄pH 4、桃太郎蕃茄pH 4、金桔pH 3、百香果pH 4、檸檬pH 2及諾麗果pH 4。這些水果之pH值皆在2-4之間，明顯指出這些水果皆屬於酸性（pH小於7為酸性，pH等於7為中性，pH大於7為鹼性）。

  

  

相片十一：以pH 0-14之廣用試紙測試各類水果之酸鹼性與pH 0-7呈色之對照

2.        利用數字型三用電表測出2顆水果串聯時，所得到的直流電壓依序分別為小番茄：1.89 V、桃太郎番茄：1.60 V、百香果：1.78 V、金桔：1.84 V、檸檬：1.71 V、諾麗果：0.84 V，如相片十二所示。

  

  

相片十二：各類水果串聯時所測出之電壓

3.        將水果串聯後之微型水果電池的正極與生日音樂盒之正極連接，微型水果電池的負極與生日音樂盒之負極連接時，會即刻唱出生日快樂之歌曲，如相片十三所示。

  

  

相片十三：串聯水果與生日音樂盒

4.        先將裝在電子鐘上之電池拿掉，再把水果串聯後之微型水果電池的正極與電子鐘之正極連接，微型水果電池的負極與電子鐘之負極連接時，會即刻使電子鐘走動，如相片十四所示。

 

 

 

相片十四：串聯水果使電子鐘走動

 

5.        先將裝在搖擺器上之電池拿掉，再把將水果串聯後之微型水果電池的正極與搖擺器之正極連接，微型水果電池的負極與搖擺器之負極連接時，會即刻使搖擺器左右來回擺動，如相片十五所示。

  

  

相片十五：串聯水果使搖擺器左右來回擺動

6.        先將裝在聖誕音樂晶片卡上之電池拿掉，再把水果串聯後之微型水果電池的正極與聖誕音樂晶片卡之正極連接，微型水果電池的負極與聖誕音樂晶片卡之負極連接時，會即刻使聖誕音樂晶片卡唱出聖誕歌來之外，同時也會使連接在聖誕音樂晶片卡上之LED燈亮起來，如相片十七所示。

  

  

相片十七：串聯水果使聖誕音樂晶片卡唱出聖誕歌及LED燈亮起來

n  微型水果電池之特點

1.        不需使用任何化學藥品，並可多次重複使用。

2.        由2顆新鮮水果串聯起來，便可組成微型水果電池。

3.        體積小操作容易又安全方便，極適合於電化學教學演示及學生親自做實驗。

4.        微型水果電池可使電子鐘、生日音樂盒及搖擺器等電器運轉。

5.        微型水果電池可使聖誕音樂晶片卡唱出聖誕歌曲及其上之LED燈發亮。

6.        微型水果電池可隨時放電、操作過程簡單安全、極富趣味性，頗能引起學生學習電化學之興趣。

n  結語

微型水果電池之組合很簡單，只需用到農產品之新鮮水果及鋅片與銅片等加以組合，除了將2顆水果串聯時即可產生1至2 V之直流電壓之外，本微型水果電池亦可直接在水果樹上將2顆或3顆以上之水果串聯起來（見相片十八），即可馬上使生日音樂盒、電子鐘、搖擺器及聖誕音樂晶片卡等電器運轉和聖誕音樂晶片卡上之LED燈亮起來。在日常生活中將上述生日音樂盒、電子鐘、搖擺器及聖誕音樂晶片卡等之乾電池或水銀電池拿掉，或在原乾電池或水銀電池之電量耗盡無法運轉時，可改用本微型水果電池使其繼續運轉，既方便省錢又環保有趣，因此本微型水果電池時為一有趣的環保小能源，應用在電化學之教學演示及實驗及學生實驗之過程皆非常有趣，因此利用水果所組合成的微型水果電池，更能引起學生在電化學的學習興趣，使化學教學過程更為生動、活潑、有趣，使化學教學成效更佳。

 

相片十八：直接在水果樹上串聯2顆蕃茄使聖誕音樂晶片卡唱出聖誕歌，並使聖誕音樂晶片卡上之LED燈亮起來