臺灣化學教育

使用鋅–空氣電池教學實驗
驗證法拉第電解定律

作者：Takahiro SHIBATA（柴田隆宏安）and Masahiro KAMATA（鐮田正弘）*

日本東京學藝大學教育學院科學教育學系
*[email protected]

譯者：周金城

國立臺北教育大學自然科學教育學系

n  簡介

我們發展一個新的教學實驗來驗證法拉第電解定律（Faraday’s law of electrolysis），使用鋅–空氣PR44電池（zinc-air PR44 batteries）和一個電阻對它們進行放電。雖然PR44電池的輸出電流很小，但是藉由串聯四個PR44電池連接在一起，可以獲得如同使用一顆大的PR2330電池一樣而得到清楚的實驗結果。此外，該裝置不昂貴，且對高中學生來說容易組裝和處理。

法拉第電解定律是指在電解過程中，物質生成的莫耳數與在該電極處轉移的電子的莫耳數成正比，這是在日本高中化學課中學生會學到的單元。在大多數的情況下，會用電解硫酸銅溶液中的銅片來驗證這個定律^{[1, 2]}；然而，這個實驗不僅需要相當量的化學藥品，而且需要數種精密的儀器，例如分析天平、直流電源供應器和直流安培計。此外，學生需要花很長的時間才能獲得定量的數據。

從這觀點來看，我們先前發表一個新的教學實驗，使用四個鋅–空氣PR2330電池與一個電阻（或定電流二極體）組合進行放電 ^[3]。這個實驗不需要任何的化學藥品，因此不需要廢物處理。此外，這個實驗可以在短時間內完成定量的測量。然而，PR2330電池最初是為了現今已不再使用的傳呼機所製造的，目前已經停產。無法藉由更改電池類型來創造一個替代實驗，因為PR2330電池的輸出電流相當大，目前沒有商業用相當於鋅–空氣PR2330電池。因此，我們開發一個新的實驗，使用不同的結構裝置，用四個較小的PR44電池來替代一個PR2330電池。這個裝置不僅廉價且容易組裝和處理。此外，實驗所獲得的定量數據已能滿足教學所需，就像先前使用PR2330電池進行實驗一樣。

n  實驗

裝置

PR44電池的結構如圖1所示，與我們早期研究的PR2330電池的結構相同。

圖1：鋅–空氣PR44電池（左：塑膠薄片被移除；右：用塑膠薄片蓋住氣孔）

陽極材料是鋅粉並被存放在PR44電池的內部，陰極材料（如MnO₂）並沒有被存放在其內部。取而代之，它是使用電池陰極端的數個氣孔所流入的空氣中氧氣。以氫氧化鉀作為電解質，在陽極和陰極的電極反應，分別如式[1]和[2]所示；總反應如式[3]所示：

陽極（氧化）：Zn + 2OH⁻ → ZnO + H₂O + 2e⁻       [1]

陰極（還原）：O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻              [2]

總反應：2Zn + O₂ → 2ZnO                                      [3]

有許多家公司生產PR44電池，而在本研究中使用的PR44電池是德國VARTA Microbattery GmbH的產品。一片塑膠薄片蓋在電池的陰極端用以封住氣孔，在使用電池之前必須移除此薄片。在薄片移除之後，即使電池沒有連接到電路上，此電池會立即吸收一定量的氧氣。因此，至少在實驗前一個小時，塑膠薄片應被移除且不連接任何材料，使得陰極與空氣中的氧氣反應達平衡。

PR2330電池的直徑為23 mm，而PR44的直徑為11.6 mm。這表示PR44電池釋放的電流比PR2330電池小得多。為了彌補這種差異，在本研究中串聯四個PR44電池，如圖2(a)所示。將每一個PR44電池擠入短的軟性PVC管（12 mm外徑、10 mm內徑、14 mm長度）內。在四個PR44電池裝管之後，再使用迴紋針和PVC管間墊圈（12 mm外徑、10 mm內徑，5 mm長度）連接電池在一起，如圖2(b)所示。使用間墊圈是為了避免一個迴紋針連接到三個電池而造成短路。

圖2：串聯四個PR44電池

然後，放入已連結四個電池的PVC管在一支試管（18 mm內徑、90 mm長度）中，如圖3所示。用已固定兩條導線以及1 mL塑膠吸量管的矽膠塞封住，如圖4所示。兩條導線的兩端分別連接四個電池組兩端上的迴紋針。吸量管用於找出在放電期間電池所吸收氣體（氧氣）的體積。

圖3：實驗裝置

圖4：如何整齊切斷塑膠吸量管

如何使用

為了驗證法拉第定律，從塞子連結的兩根導線末端之間連接一個500 Ω的電阻，如圖三所示。放入少量的乙醇到移液管之後，再放置裝置呈水平狀，使得乙醇可以在移液管內平穩地移動，並避免受重力影響。隨著鋅–空氣電池放電（與試管中的氧氣反應），試管內的壓力降低，這使得吸量管中的乙醇朝向電池移動。因此，我們可以測量乙醇通過吸量管的0.05 mL刻度線所需的時間。用這種方式，可以獲得反應所需氧的體積與放電時間之間的關係。

另一方面，法拉第定律可以表示為式[4]：

電池中反應所需氧的量 = I × t / 4F     [4]

其中I、t和F分別是放電電流（A）、放電時間（sec）和法拉第常數（96500 C/mol, 96500 s A/mol），數字“4”表示1莫耳的氧氣需要與4莫耳的電子反應（見式[2]）。假設在室溫下1莫耳氧氣佔據24.8 L，四個電池中反應掉氧氣的體積V（mL）可以表示為式[5]。

    [5]

雖然鋅–空氣PR44電池的正常電壓為1.4 V，但是當它們連接到500 Ω的電阻時，四個PR44串聯的端電壓為5.0 V。因此，PR44電池的電流可以計算為I = 5.0 V / 500 Ω = 0.010 A，且用計算值和特定值帶入式[5]，可以得到式[6]，`並且式[6]可以簡化為式[7]；式(7)可以與實驗結果進行比較。

V mL = 4 × [0.010 A × t s / (4 × 96500 s A/mol)] × 24.8 L/mol× 1000 mL/L    [6]

V mL = 0.0026 × t mL    [7]

n  結果與討論

圖5呈現實驗結果的典型範例，此處乙醇通過0.05 mL刻度線所需的時間與吸收氧氣體積之關係作圖，以及用式[6]推導的理論曲線。雖然實驗在幾分鐘內就能完成，但還包括用於測量的準備，計算所獲得數據與理論間的誤差在百分之幾以內。此處值得注意的是，可以使用定電流二極體（CRD）代替電阻來獲得精確的定量數據。 

圖5：實驗結果的典型範例

藉由圖5中藍色點的趨勢線，結果表明被反應的氧氣體積與陰極所需的時間成正比。因此，反應的氧氣的莫耳數與在該電極處轉移的電子的莫耳數成正比。這趨勢線是非常接近理論線（橘色線），因此實驗結果驗證了法拉第定法。

n  參考資料

1.        Kamata, M.; Kawahara, T. Chemistry and Education (in Japanese) 2000, 48, 192.

2.        Kamata, M. Chemistry and Education (in Japanese) 2000, 48, 330.

3.        Masahiro Kamata and Miei Paku, Journal of Chemical Education 2007, 84, 674.