臺灣化學教育

綠色化學實驗模組的設計與應用-1：電化學模組

廖旭茂

台中市立大甲高中

教育部高中化學學科中心

[email protected]

n  影片觀賞

 本實驗影片由國立大甲高級中學提供，微型電化學電池與綠色電解蝕刻的使用介紹。

影片網址：https://youtu.be/takvuhMvthU, YouTube.

n  簡介

    綠色化學實驗隨著環保意識的抬頭，在全球掀起了一股風潮，從實驗藥品減量、實驗廢棄物減少排放，到有毒化學實驗藥品的取代等等，在在都是化學教育工作者努力的目標。國高中的電化學實驗課程中，無論電化學電池（electrochemical cell）或電解電池（electrolytic
cell），通常會涉及有毒重金屬鹽類的使用，以及有毒廢液的排放，加上實驗器材繁瑣，實驗準備與善後工作往往造成老師不少的負擔。

“One of the things that I’ve been focused on as President is how we create an all-hands-on-deck approach to science, technology, engineering, and math… We need to make this a priority to
train an army of new teachers in these subject areas, and to make sure that all of us as a country are lifting up these subjects for the respect that they deserve.”

President Barack Obama

Third Annual White House Science Fair, April 2013

2009年美國前總統歐巴馬提出了“Educate to Innovate”的口號¹，一時之間結合科學（Science）、科技（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）跨領域的人才培育計劃、教學策略以及相關合作教案，在國際間形成一股巨大的風潮。因應這樣的數位自造者風潮，台灣的中小學學校也開始使用雷射切割機、以及3D列印機等新科技，進行教具的製作與開發。本校亦不例外，在行政系統的全力支援下，啟動了「綠色創客」特色課程。

本文中所呈現的電化學模組裡，是綠色創客利用這樣的現代數位機具─雷射切割機，完整開發的一個實驗模組，其中包含了兩樣教具–平面型微型電池與綠色電解蝕刻教具。雷切機擁有人性化的軟體介面，可根據使用者的喜好與需求，自行繪製並輸出作品；具有精準定位、突破徒手做的極限、客製化的優點，廣為自造者所喜好。下圖為本校開發的微型電化學實驗模組。

 

圖1：微型電化學實驗模組

期盼透過本實驗模組的分享，能拋磚引玉，除了鼓勵中小學的教師們「自己的教具，自己做」外，更推前瞻化學教育核心素養–「綠色思維」，讓中小學的化學實驗能真正達到減量、減廢，並符合綠色化學原則，落實永續環境教育的經營目標。

n  器材與藥品

1.  功率80 W的雷射切割機。

2.  透明壓克力板60 cm × 40 cm，厚度8 mm及3 mm各一塊（約可切出24組綠色電化學電池）

3.   螺絲攻牙器1組【購自五金材料行】

4.   鑽孔機1台（含鑽頭）

5.   手擰螺絲（Φ＝6 mm，長12 mm）數個【購自五金材料行】

6.   柱頭內六角螺絲（Φ＝4 mm，長20 mm）數個【購自五金材料行】

7.   螺母（Φ＝4 mm）數個【購自五金材料行】

8.   鎂合金、鋅、鐵、銅金屬片數片（尺寸為1 cm × 1.5 cm，厚0.5 mm）

9.   不鏽鋼片（尺寸為2.4 cm × 7.2 cm，厚1.0 mm）

10. 濾紙（尺寸為40 cm × 40 cm）

11.  0.5 M硫酸鈉（Sodium sulfate, Na₂SO₄）溶液、0.5 M硫酸銅（Copper sulfate, CuSO₄）溶液、0.5 M硫酸鋅（Zinc sulfate, Na₂SO₄）溶液、0.5 M硫酸亞鐵（Ferrous sulfate,FeSO₄）溶液、0.5 M硫酸鎂（Magnesium sulfate, MgSO₄）溶液各10 mL，盛裝在點滴瓶內。

12. 藍光LED 燈泡一個

(一)微型電化學電池裝置的製作與使用

一、   設計製作流程

1.  發想：在減廢、減量及重複使用的原則下，製作前的設計思考有三個方向：

 (1)  如何在一個培養皿大小的空間，進行一組或多組的電化學電池實驗。

(2)  電極位置的安排，可隨時替換電極的方便性、鹽橋的形式、多組電池串聯的可能性。

(3)  設計電池組合為可攜式，電解液不易滲漏。

2. 在Adobe CS3 Illustrator 或Coreldraw的繪圖軟體中，依設計原稿繪出數位的圖檔，另存為雷射切割建軟體可預讀的ai檔。下圖為軟體輸出的數位設計圖。

 

圖2：微型電池的底座（左）及其上蓋（右）

3.   在雷切軟體Rdworks中，導入設計ai檔，然後依圖層依序填色，並調整雷射切割的速率與功率。打開雷切機暖機後，取一塊大小為30
cm × 60 cm，厚度為8 mm的透明壓克力板，置入雷切機中，進行切割。雷切完畢後，再取一塊大小為30 cm × 60 cm，厚度為3 mm的透明壓克力板，切出與下蓋大小相等的圓盤。下圖為雷切機切割的過程。

圖3：雷射光切割過程圖

4.   取一支螺絲攻板手，牢固的夾持住螺絲攻的四個角落雙手穩握住板手，與壓克力圓盤務必保持垂直，順時針方向旋轉，在預先雷切的中心孔位（直徑5 mm）緩慢地攻出一個直徑6 mm，深8mm的螺牙。下圖為攻牙的過程。

圖4：螺絲功牙過程

5.  取出切好的壓克力上蓋，取一長12 mm且6 mm的自擰螺絲和透明塑膠墊片，固定上下蓋並旋緊。下圖為可攜式電化學電池的完成圖。

圖5：電化學電池底座（左）及其上蓋（右）

二、微型電化學電池的使用指引

1.   取出圓形壓克力電池裝置，鬆開螺絲，打開上蓋將紙鹽橋放置在底座的相對位置。下圖為鹽橋的位置圖。

 

圖6：紙鹽橋的位置

2.   先以數滴硫酸鈉溶液稍微濕潤紙鹽橋，隨即在紙片的方格中滴入2滴的硫酸銅溶液，接著將銅片放置在紙片上方；另一方格中放置一鋅片，蓋上上蓋將螺絲旋緊，金屬片具小孔的一端均朝外，即完成一組鋅銅電池。以紅、黑鱷魚夾導線的一端分別連接銅、鋅兩極，導線另一端連接三用電表即可量測鋅銅電池的電位差。下圖為平面型鋅銅電池的完成圖。

 

圖7：平面型電化學電池的電位量測配置圖

3.   每片金屬片皆有一小孔，藍色的單芯線，供串聯之用。藍光LED中，較長的金屬腳位為正極，短的金屬腳為負極。若以單芯線個小孔即可串連三組電化學電池。下圖為三組鎂銅電化學電池串連後點亮藍光LED圖。

圖8：三組鎂銅電化學電池串聯的配置圖

 

(二)綠色電解蝕刻裝置的製作與使用

一、設計製作流程

1.  發想：在減廢、減量及重複使用的原則下，製作前的設計思考有三個方向：

(1)   可攜式的特性，可以在任何空間進行電解蝕刻實驗。

(2)   以不鏽鋼片取代石墨，增加機械器具的可加工性。以化妝棉隔開不鏽鋼電極（–）與被蝕刻金屬（+），以數滴中性的鹽水為電解質。

(3)   印台的英文譯為stamp，stamp另一個字面上的意思為郵票。故印台的外觀形似一張郵票。

2.    在Adobe CS3 Illustrator 或Coreldraw的繪圖軟體中，依設計原稿繪出數位的圖檔，另存為雷射切割建軟體可預讀的ai檔。下圖為軟體輸出的數位設計圖。

圖9：左為綠色蝕刻台的把手，又為蝕刻平台

3.   使用8mm壓克力板，經過雷射加工後的印台，必須以水清洗印台上的粉塵，之後靜置陰乾；以砂紙磨去金屬片的利邊，以免使用時被割傷；並在印台雷射掃描處塗上層薄矽膠，將金屬片黏貼於方框處，靜置乾燥固定。下圖為製作流程圖。

圖10：蝕刻印台的製作流程

4.   利用直徑3.3 mm的鑽頭，經由壓克力印台中間的圓孔，在金屬片上進行導孔；接著利用M4螺絲攻在金屬片攻出一個M4的螺牙；以利用棉花棒清潔螺孔後，將M4圓柱頭螺絲旋進圓形把手，連結印台金屬片上的螺孔，將把手與印台兩者緊固。下圖為整個蝕刻印台的完成圖。

圖11：蝕刻印台的完成圖

二、綠色點解蝕刻裝置的使用指引：部分操作做成可參閱2014年7月出版的台灣化學教育期刊之【行動電化學蝕刻──印台和金屬書籤的製作】一文²。

1.   撕開部分膠膜，將金屬書籤平放在膠膜的離型紙上，膠膜上鏤空的字樣請置中對齊書籤空白處。將膠膜復原貼上，並留一小塊區域，供紅色導線連接。以膠帶將膠膜固定在桌子邊緣，在膠膜上方放置一片化妝棉，以數滴硫酸鈉溶液濕潤化妝棉。

2.   鱷魚夾導線的一端依紅(+)、黑(-)分別連接9V電池的正、負極。黑色鱷魚夾另一端夾住蝕刻印台圓形把手下方的螺栓；紅色鱷魚夾的另一端則夾住金屬書籤。

3.   手持蝕刻印台的圓形把手，按壓潮濕化妝棉，開始電解。通電約60秒後，以鑷子取下化妝棉，隨即撕開膠膜，並用新化妝棉擦拭金屬片。下圖為蝕刻操作過程圖。

  

  

圖12：電解蝕刻的操作步驟圖

n  微型電化學電池與綠色電解蝕刻裝置之教學應用

一、微型電化學電池的教學應用：詳細過程可參閱科學研習月刊2017年11月出版的【綠色創客：微量電化學電池的設計與應用】一文³。

1.   測定電化學電池電壓：以Mg、Zn、Fe、Cu四種活性不同的金屬為電極。測量任何兩組電化學電池的電位差，與課本實驗的結果、標準電位差互相比較，並嘗試說明偏差產生的原因。

2.   練習多組電化學電池的順向接法與逆向接法並測定電壓。

3.   金屬活性序列的比較：「看誰最來電？」任取數種大小相同的未知金屬片（假設Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Cu六種），讓學習者由電子的流動方向和電位差高低，來判斷這六種未知金屬的活性大小。

二、綠色電解蝕刻的教學應用²

1.    電解反應兩極產物預測：以印台為負極，石墨片為正極，觀測並比較電解強酸強鹼鹽（比如硝酸鉀、硫酸鈉、低濃度的氯化鈉等）、強酸弱鹼鹽（比如硫酸銅、硝酸銀等）、以及碘化鉀等不同類型的鹽類溶液，在陰陽兩極所發生的變化的差異。

2.      藝術融入科學實作課程：學生自行繪製圖案，製作鏤空膠膜，在生活金屬器具的平面上進行蝕刻，留下紀念。下圖為上課學生實作過程。

  

圖13：學生蝕刻作品圖

n  微型電化學電池與綠色電解蝕刻裝置之原理與概念

一、微型電化學電池

1.   本電化學電池實驗教具改良自傳統國高中課本提供鋅銅電池實驗，將3D立體的外型改造成為平面化的電池。電子自鋅銅電池中活性較大的鋅片流出，經外部導線流入活性小的銅片電極，並以「紙鹽橋」取代玻璃U形管保持兩極溶液的電中性。

2.  標準電極電位E^o，分為標準還原電位E^o _red （一般教科書多以還原電位來表示），與標準氧化電位E^o_ox。標準還原電位越高，代表物質越容易得到電子，為越強的氧化劑；標準氧化電位越高，代表物質越容易失去電子，為越強還原劑。電池電位差的計算，以鋅銅電池反應為例：

陽極（負極，氧化反應）：Zn(s) →Zn²⁺(aq) + 2e^－   E^o_ox = +0.76 V

陰極（正極，還原反應）：Cu²⁺(aq) + 2e^－ → Cu(s)   E^o _red =+0.34 V

 電池的電位差E^o_cell = 陽極的氧化電位E^o_ox + 陰極的還原電位E^o_red，亦等於

陽極的氧化電位E^o_ox – 陰極的氧化電位E^o_ox，亦等於

                   陰極的還原電位E^o_red – 陽極的還原電位E^o_red = 1.10 V

二、綠色電解蝕刻²

本實驗係利用電化學電解原理，使用一個自製的蝕刻印台，在一塊事先貼好膠膜的金屬表面上，隔著以鹽水沾濕的棉布，數分鐘內隨即完成電化學蝕刻實驗。若蝕刻的金屬為鐵片，則其兩極的反應，如式[1]和[2]所示：

陰極（負極）（–）：2H₂O(l) + 2e^– → H₂(g) + 2OH^–(aq)    [1]

陽極（正極）（+）：Fe(s)  → Fe²⁺(aq) +2e^–    [2]

———————————————————————————

全反應：2H₂O(l) + Fe(s) → H₂(g) + 2OH^–(aq) + Fe²⁺(aq)    [3]

2H₂O(l) + Fe(s) → H₂(g) + Fe(OH)₂(s)    [4]

在電化學蝕刻後移去電源，以鑷子夾起棉布，上殘留棕色的字跡，研判應為陰極（負極）生成的氫氧根離子與鐵等金屬離子生成氫氧化物的沉澱，其反應如式[4]所示。

n  安全注意及廢棄物處理

l   本次實驗所用的CO₂雷射切割機，波長為1064 nm，為高能灼熱的熱線，眼睛不可直視，切割加工過程切勿離開現場，以免起火燃燒，引發火災；產生的氣體與粉末可能對健康有害，加工前後，務必全程開啟抽風機和空氣清淨機。

l   每次實驗後，應以自來水清洗微型電池的壓克力盤，並以水砂紙磨去各種金屬片上的氧化物，擦乾置入封口袋保存。

l   電解蝕刻的實驗結束後，印台不鏽鋼金屬片電極必須以清水沖洗擦乾，以待下次使用；或沾上汙跡，可用水砂紙磨過，同樣以清水沖洗擦乾。

n  致謝

感謝大甲高中蕭建華校長對「綠色創客」工坊的鼎力支持，以及林怡君教務主任對軟、硬體的精心規劃。

n  參考資料

1.  Educate to Innovate, https://obamawhitehouse.archives.gov/issues/education/k-12/educate-innovat.

2.  廖旭茂、黃維靜，行動電化學蝕刻──印台和金屬書籤的製作。台灣化學教育電子期刊，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=2174.

3.  廖旭茂，綠色創客：微量電化學電池的設計與應用。科學研習月刊，2017，卷56，期11，頁54~62。