綠色化學實驗模組的設計與應用-1:電化學模組 / 廖旭茂

星期六 , 3, 十一月 2018 Leave a comment

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

nacl880626@hotmail.com

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。

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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。

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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 mm3 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(含鑽頭)

5.   手擰螺絲Φ6 mm,長12 mm)數個【購自五金材料行】

6.   柱頭內六角螺絲(Φ4 mm,長20 mm)數個【購自五金材料行】

7.   螺母(Φ4 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

()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. Adobe CS3 Illustrator 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。

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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。

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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。

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4:螺絲功牙過程

5.  取出切好的壓克力上蓋,取一長12 mm6 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。

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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。

 

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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。

 

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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。

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8:三組鎂銅電化學電池串聯的配置圖

 

()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stampstamp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.    Adobe CS3 Illustrator 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。

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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。

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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。

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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20147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。

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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201711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MgZnFeCu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MgAlZnFeSnCu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。

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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Eo,分為標準還原電位Eo red (一般教科書多以還原電位來表示),與標準氧化電位Eoox。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   Eoox = +0.76 V

陰極(正極,還原反應):Cu2+(aq) + 2e → Cu(s)   Eo red =+0.34 V

 電池的電位差Eocell = 極的氧化電位Eoox + 陰極的還原電位Eored亦等於

陽極的氧化電位Eoox陰極的氧化電位Eoox亦等於

                   陰極的還原電位Eored 陽極的還原電位Eored = 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][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

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