臺灣化學教育

可攜式積木電解蝕刻教具的設計及應用

陳孟男*、廖心妍、林群曜

臺中市立大甲高級中等學校

*[email protected]

影片觀賞

本實驗影片由臺中市立大甲高級中等學校提供。

                                

YouTube影片網址：https://youtu.be/40zWOrekMr8

簡介

廢棄的乾電池除了交由清潔隊回收處理外，還可以有什麼用途呢？高中化學課程基礎化學(一)及選修化學(上)都有介紹化學電池的單元，但甚少直接觀察到電池的內部構造，偶然將實驗室的廢棄9V乾電池拆解，發現 9V 乾電池的構造有金屬外殼、電池扣、連接正負極的墊片以及用塑膠膜封裝的6個橢圓型小電池，下圖1為拆解的9V電池。

圖1： 9V電池的內部構造為六個串聯的電池單元正反面

這些電池元件可以有那些用處呢？如果將這些電池元件結合生活中隨手可得的物品，如兒童積木、食鹽水、熱熔膠、鱷魚夾及電線等為素材，設計成具實用及趣味性的可攜式積木電解蝕刻教具；僅用數滴的鹽水，即可以在金屬表面進行蝕刻，甚至曲面如刀具、書籤、水壺等金屬外表留下個人化的印記，取代傳統蝕刻過程中大量的高腐蝕蝕刻液，甚至是雷射雕刻機中高功率且昂貴的雷射管。下圖2為電解蝕刻作品。                                                                                              

                                                    圖2：電解蝕刻作品

實驗探究部分，亦可透過電解蝕刻過程中，兩極產物的定性分析、重量變化分析，進而印證法拉第電解定律。

藥品與器材

一、藥品：

    0.5M 硫酸鈉(aq)、1 %酚酞指示劑、小蘇打粉。

二、器材：

    廢棄 9V 電池、兒童積木、化妝棉、銅片、砂紙 1 張、鱷魚夾的紅與黑導線各 1 條、燒杯(250mL)2個、電極夾、電源供應器、三用電表、鉗子、烙鐵、塑膠PP板(瓦楞板)、熱熔膠與熱熔膠槍 1 組。

實驗步驟

一、積木電解蝕刻教具的設計與製作：

(一) 戴上防護手套，在切割墊板上，利用鐵鎚將剛扳開的9V電池外殼鎚打至平整狀，以做為電解蝕刻平台的陰極。將鎚平的金屬片放在一塊長方形的兒童塑膠積木上(2Ï4孔)，以細簽字筆沿積木外圍，在金屬片上描出外框線條。以鐵剪刀順著線條剪出一樣大小的金屬片。再以細砂紙輕刷商標印刷面，磨掉塗層，以利導電。承上述操作，用剪刀剪出與金屬片一樣大小的塑膠PP板做為積木的底襯。相關材料準備與完成如圖3。

  

圖3： 圖左金屬片的修剪，圖右為完成的材料，其中藍色的為塑膠PP板

(二) 利用電池扣做為直流電源的正負極的連接處，將電池扣用熱熔膠固定於積木圓形凸起處，原本與電池扣相連接的金屬墊片彎折至積木底部，準備與金屬片接觸。塑膠PP板以熱熔膠黏著於塑膠積木的底部，接著用熱熔膠將金屬墊片緊貼於金屬片與PP板中間，注意金屬面朝下，烤漆面朝上。相關裝置的組裝如圖4所示。

圖4：圖左為電池扣的固定，圖右為PP板、金屬墊片與金屬片的組裝順序

(三) 將電池扣接上鱷魚夾導線完成積木電解蝕刻裝置，利用積木可任意組合的特性組裝出造型多變的外觀。圖5為多款組合式的蝕刻教具。

圖5：多款積木電解蝕刻教具，電源可以外接也可以直接安插在積木上

二、利用積木蝕刻教具探究電解反應及生活應用：

(一) 平面蝕刻：網路下載與綠色化學、永續環境相關的共享圖案，取一片透明膠膜(或卡典西德)，事先以筆在上方描繪出圖案的輪廓，接著以刀片沿輪廓切割出鏤空狀 (若有割字機，可直接以列印方式直接輸出相關圖案)。將膠膜黏貼在一塊銅片上(3Ï10 cm，事先以水砂紙拋光過)，並以透明膠帶將銅片固定桌沿；銅片上覆一片化妝棉，以數滴0.5M硫酸鈉溶液濕潤化妝棉，接著將積木電解蝕刻裝置平放化妝棉上方，電池的正極以紅色鱷魚夾導線連接銅片，接上直流電源供應器 (或9V電池)進行電解，通電約30秒後，觀察化妝棉上、下兩面是否有任何變化？於化妝棉上方滴加一滴酚酞，觀察是否有顏色變化？圖右為反應過程的變化圖。

          圖6 ：圖左濕潤的化妝棉處冒出大量氣泡，圖右化妝棉下方呈現藍綠色   

(二) 曲面蝕刻：將切割好圖案的膠膜黏貼於一個不鏽鋼材質的保溫瓶上，重複上述實驗，通電約30~40秒後，移開積木電解蝕刻裝置，觀察化妝棉上、下兩面及保溫瓶上是否有任何變化？相關實驗裝置及結果如圖7所示。

 

圖7： 圖左電解蝕刻裝置與保溫瓶的連接，圖右化妝棉出現的棕色痕跡

 

三、使用可攜式的電解蝕刻教具，在銅片上進行電解蝕刻，探討法拉第電解定律。

    取一銅金屬片，水砂紙拋光過後，並以酒精清洗，烘乾、放涼、秤重，紀錄蝕刻前銅片的重量為W1。接著利用積木及電池金屬外殼製成的蝕刻電解台，蝕刻台上的金屬片與直流電源的負極相接，銅金屬片與負極相連接，兩金屬片中間放上化妝棉，並滴加數滴0.5M的硫酸鈉溶液，以幫助導電。每次實驗結束後，以前述方法處理銅片，烘乾、放涼後秤重，得銅片的重量W2。減少重量ΔＷ=W1-W2，分別在以下的條件下，探討ΔＷ與電流強度I、通電時間ｔ的關係，並求出法拉第常數。

(一) 定電流強度0.1安培(A)下，測量銅片減少重量ΔＷ與通電時間ｔ的關係。電解蝕刻時間分別為120、150、180、210、270、360 秒。

(二) 固定時間180秒下，測量銅片減少重量ΔＷ與電流強度I的關係。電流強度I分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5安培。

結果與討論

一、蝕刻過程與反應：蝕刻教具示意圖如下

圖 8：積木蝕刻教具電極、電源及導線裝置示意圖

由觀測結果得知，H₂O在負極附近發生還原反應，產生的氣泡經點燃後具有爆鳴聲，證實為氫氣；化妝棉上滴加酚酞後變為紅色，代表原來中性的溶液變為鹼性。而與正極連接的銅片發生氧化，產生銅離子，化妝棉下方有藍綠色的痕跡(見圖 6)，相關化學反應方程式如下：

陽極：Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e^－                          

陰極：2H₂O(l) + 2e^－ → H₂(g) + 2OH^－(aq)                

全反應：Cu(s)＋2H₂O(l) → Cu²⁺(aq) + H₂(g) + 2OH^－(aq)   

 

二、探討ΔＷ與電流強度I、通電時間ｔ的關係，並求出法拉第常數

    積木電解蝕刻教具應用於改進電解電鍍實驗的探討過程中，法拉第常數求得的方法如下：

 

    相關實驗結果如下 ：

 1.定電流強度0.1安培(A)下，測量銅片減少重量ΔＷ與通電時間ｔ的關係。結果顯示所得的實驗數據，與理論值相當接近，呈現相當相當小的誤差約-3.62%~2.91%。實驗數據結果如下表所示：

表一：定電流下，電解蝕刻銅片上的質量減少時間的關係

至於ΔＷ與通電時間ｔ是否成線性的正比關係？若以時間t為橫坐標，銅片減少的質量△W，Cu為縱座標作圖，經EXCEL數據處理探討，兩者的R²達0.9989，顯示實驗值與理論值相當接近，其結果如下圖所示：

圖9：定電流0.1A下，△W與通電時間t的正比關係

2.固定時間180秒下，測量銅片減少重量ΔＷ與電流強度I的關係。結果顯示所得的實驗數據，與理論值相當接近，呈現相當相當小的誤差，約2.20%~-4.39%。相關實驗數據結果如下表所示：

      表二：定時間下，電解蝕刻銅片上的質量減少與電流強度I的關係

若以電流強度I為橫坐標，銅片減少的質量△WCu為縱座標作圖，經EXCEL數據處理探討，兩者的R²達0.9991，其結果如下圖所示：

圖10：定時間180秒下，△W與電流強度I的正比關係

 

安全注意及廢棄物處理

l  本實驗過程會產生少許銅離子廢液，依實驗室廢棄物規定，統一回收處理。

參考資料

一、郁仁貽編著(1990)。電池的科學(初版)。臺南市：復文出版社。

二、葉明倉(2016)。高中選修化學(上)。臺南市：南一出版社，頁234~254。

三、黃得時(2015)。高中選修化學實驗活動手冊。新北市：龍騰文化。

四、Nine-volt battery，參考自維基百科。2017年5月19日，取自 https://en.wikipedia.org/wiki/Nine-volt_battery.

五、廖旭茂(2013)。家庭化學實驗：行動電化學蝕刻。科學研習月刊，卷52，期11，頁16~19。