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

星期五 , 5, 五月 2017 Leave a comment

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

*cmnfish2@gmail.com


影片觀賞


本實驗影片由臺中市立大甲高級中等學校提供。

                                 clip_image003

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()及選修化學()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。

clip_image005

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。clip_image007                                                                                              

                                                    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

二、器材:

    廢棄 9V 、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、三用電表、鉗子、烙鐵塑膠PP(瓦楞板)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:

() 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),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

clip_image010  

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

() 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。

clip_image012clip_image014

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

() 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。

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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 (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。

clip_image018clip_image020

          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。

clip_image022clip_image024 

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Δ=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。

() 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120150180210270360 秒。

() 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0.10.20.30.40.5安培。

結果與討論

一、蝕刻過程與反應:蝕刻教具示意圖如下

擷取

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

clip_image028


 

    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

t()

I(A)

WCu

WCu

△WCu

F

誤差%

120

0.1

26.6674

26.6633

0.0041

92994

-3.62%

150

0.1

26.5736

26.5688

0.0048

99290

2.91%

180

0.1

26.6238

26.6180

0.0058

98612

2.20%

210

0.1

26.5680

26.5610

0.0070

95319

-1.21%

270

0.1

26.5389

26.5298

0.0091

94271

-2.29%

360

0.1

26.5584

26.5465

0.0119

96120

-0.38%

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△WCu為縱座標作圖,經EXCEL數據處理探討,兩者的R20.9989,顯示實驗值與理論值相當接近,其結果如下圖所示:

clip_image030


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

t()

I(A)

WCu

WCu

WCu

F

誤差%

180

0.1

26.6238

26.6180

0.0058

98612

2.20%

180

0.2

26.0601

26.0484

0.0117

97769

1.33%

180

0.3

26.4555

26.4369

0.0186

92250

-4.39%

180

0.4

26.5382

26.5139

0.0243

94148

-2.42%

180

0.5

26.4929

26.4631

0.0298

95964

-0.54%

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R20.9991,其結果如下圖所示:

clip_image032


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()。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。2017519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

 

 

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