臺灣化學教育

兩岸化學教育高峰論壇:綠色創客-2：霍夫曼微型電解水模組的設計與應用

廖旭茂

台中市立大甲高級中等學校

教育部高中化學學科中心

*[email protected]

• 影片觀賞

本實驗影片由大甲高中提供，微型電解水器的設計、製作以及教學應用過程介紹。

影片網址：https://youtu.be/QaE1Ymuv6FU,YouTube.

• 簡介

水是醞釀生命的泉源，對於生物體來說是不可或缺的無機物質，為了瞭解水的組成，國中理化課程中，透過電解水實驗，以排水集氣法分別收集陰、陽兩極的氧氣與氫氣，觀測兩極的氣體體積比。

早期的電解水裝置是由德國的化學家霍夫曼（August Wilhelm von Hofmann ^[1]）於1866年所發明，電解器外型似H型玻璃製的聯通圓管，金屬電極貫穿橡皮塞，與帶刻度的圓柱形玻璃管底部相連接，兩極中間連接一根細直型的玻璃漏斗，供添加電解液並維持水位；陰陽兩極是由兩根白金棒，貫穿橡皮塞塞住玻璃管底部所組成，隨後以直流電源連接白金電極進行電解。今日玻璃製的霍夫曼電解器因為安全性與不方便考量，慢慢被塑膠的電解槽所取代的，下圖為電解水裝置。

 

圖2：圖左為霍夫曼電解器，圖右為塑膠製電解水裝置

傳統的電解器體積較大、使用的電解液不管是氫氧化鈉或硫酸鈉，都需要數百毫升的體積、過量的廢液處理問題，加上白金電極價格昂貴，總總因素讓目前中學做過電解水實驗，有實際動手做實驗且正確量測出氫氣與氧氣體積比的學生寥寥可數。因應潔淨能源–氫能的崛起，電解水的相關研究風起雲湧^[2],[3]，如何改良電解水器，讓國高中的理科教師們都能方便地帶領學生進行電解水實驗，成了此次研發的重點。

延續之前在科學研習月刊的撰文（綠色創客：微型電化學電池的設計與應用 ^[4]）風格，應用跨領域的技術，從無到有，一步一步地完成新式的微型電解水裝置的設計，以及實驗模組的教學應用；微型的設計中以1毫升塑膠針筒取代傳統的玻璃管，進行陰陽兩極氣體的收集；應用雷射切割技術，壓克力製的電解槽具組裝容易，不易摔破、攜帶方便的優勢；陰、陽電極固著於塑膠螺絲上，螺絲電極可旋入電解槽底部螺孔，方便自由拆卸、更換；不受限於傳統電極固定性結構，提供進行電解的變因探究，目前可使用碳纖維、鐵、不鏽鋼、鎳鈦合金、黃銅以及純銅六種電極；除可透過USB行動電源進行電解實驗，實際節省98%化學試劑使用量，使用後的溶液亦可回收循環使用。下圖為學生在選修課進行微型電解水實驗操作圖。

圖3：本校微型電解水實驗的操作

本文除描述「微型電解水裝置」的製作方法外，亦提供電解水模組的教學使用示例，與教學的設計與應用，並且詳細地說明此實驗所涉及的原理與概念，以及教師教學的提示。期盼透過本刊物的分享，提供讀者瞭解電解水實驗的參考；落實實驗減量、減廢，實踐環境友善與綠色永續的教學目標。

• 器材與藥品

1.      功率80W的雷射切割機。

2.      透明壓克力板60cm × 40 cm，厚度8mm一塊（約可切出20組微型電解水裝置）

3.      螺絲攻牙器1組（含5.0mm的螺絲攻鑽頭）【購自五金材料行】

4.      鑽孔機1台（含1.4mm鑽頭）

5.      PP塑膠一字螺絲（Φ＝6mm，長12mm）數個【購自五金材料行】

6.      雙面矽膠帶（寬＝5mm、寬10mm，各一捲）兩捲

7.      塑膠針筒包括：1毫升針筒3支、2.5毫升針筒1支

8.      塑膠三通閥2個、雙通閥1個【購自醫療用品店，亦可使用3個三通閥】

9.      紅、黑鱷魚夾線各一條

10.  六種電極包括：碳棒2支(碳纖維)、鎳鈦合金棒、不鏽鋼棒、鐵棒、銅棒以及黃銅棒各1支（直徑Φ＝1.5mm，長6mm）

11.  止洩帶1捲

12.  0.5M硫酸鈉溶液、溴瑞香草酚藍指示劑（簡稱BTB）、0.5M硫酸銅（Copper sulfate, CuSO₄）溶液、0.5 M碘化鉀（Potassium iodide, KI）溶液各10mL。

• 製作微型電解水裝置

1.      概念發想：在可攜式、減量及電極可替換性用的原則下，設計改良的重點五個方向：

(1)  如何縮減電解槽的空間大小，減少電解液的使用量。

(2)  如何取代玻璃管，方便收集陰、陽兩極的產物。

(3)  如何取代大型的鐵製支撐架，固定整個電解器機構。

(4)  如何設計可拆卸式電極。

(5)  如何完成防漏水、防漏氣設計，提供定量探究電解反應的空間。

2.      數位繪圖：利用Adobe CS3 Illustrator繪圖軟體，設計繪製電解器，機構規劃包括四個部分：

(1)  兩根塑膠針筒注射口朝上，作為陰、陽極反應的空間，並藉此觀測兩極的氣體體積變化。

(2)  方形電解槽：使用8 mm壓克力板構建電解槽的底部與四邊，電解槽底部陰雕出兩根針筒壓柄的橢圓外型（紫色區域），針筒垂直放置於內；壓柄置中留兩個圓孔，以連接陰陽兩電極之用。

(3)  針筒固定橫桿：中間兩圓型穿孔，針筒筒身可穿越圓孔，針筒壓柄與水槽底部的橢圓形凹陷處接合；兩端各有一個卡榫（深綠色區域），橫桿的卡榫可與水槽邊框的榫洞接合，固定在電解槽上（紅色區域）。

(4)  電解槽的支撐腳：為節省材料，電解槽的邊框內的方型區域，扣除橢圓形區塊（淡藍色區域），作為電解槽的兩支的支撐腳。下圖為微型電解水裝置的設計圖。

 

圖4：圖左為微型電解水裝置示意圖，圖右電解槽各部位元件的電腦設計圖

3.      雷射加工：打開雷射切割軟體Rdworks中，導入機構設計的數位檔案，依照需求調整雷射切割的速率與功率的設定，接著取一塊大小為60 cm × 40 cm，厚度為8mm的透明壓克力板，放置雷射切割機平台，進行雷射加工。下圖為雷切機切割的過程。

圖5：雷射光切割過程圖

4.      底板攻牙：將壓克力電解槽底板放置在方形的模具裡，並用虎鉗夾具夾緊，固定在桌面；接著一支M6螺絲攻，牢固地夾持在電鑽的夾頭，隨後將電鑽固定在固定支撐架上。啟動電鑽電源，鑽頭順時針方向旋轉，下壓支撐架把手，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8 mm的螺牙；切換鑽頭轉向開關，拉起支撐架把手，完成攻牙程序。下圖為攻牙的過程。

 

圖6：圖左為攻牙電鑽與支撐架，圖右為螺絲功牙過程

5.      可拆卸式螺絲電極的製作：取數個PP塑膠螺絲，固定在壓克力模具上接著取一支1.4 mm鑽頭，牢固地夾持在電鑽的夾頭上，下壓電鑽把手，；在塑膠螺絲的一字溝槽中央鑽出一個圓孔。取出螺絲，螺絲一字溝圓頭朝下放置在木板上，以鐵鎚輕輕敲打電極，隨後將電極貫穿螺絲約1公分。下圖為拆卸電極製作的過程。

  

圖7：圖左螺絲鑽孔，圖中為螺絲安裝貫穿電極，圖右為完成的拆卸電極

6.      電解槽組裝：包括電解槽黏合、螺絲電極安裝兩個部分：

(1)  電解槽底板雕刻區朝上，取寬度5 mm的雙面矽膠帶，依四邊長度裁剪適當長度，並沿邊界黏貼在電解槽底部四週。撕開雙面膠帶離形紙，取電解槽邊框與底部對齊，隨後適度用力壓合約1分鐘，確保兩者緊密黏合，降低漏水的機率。

(2)  取出兩根螺絲電極與一捲止洩帶，止洩帶自螺絲圓頭起依順時針方向纏繞，環繞2-3圈後剪斷，接著裝入M6規格的塑膠墊片，隨後依序將兩根螺絲電極自電解槽底部螺孔順時針轉入並旋緊。下圖為電解槽黏合、螺絲電極的安裝過程。

圖8：電解槽組裝

7.      氣體收集針筒的固定：取兩根針筒與壓克力固定橫桿，針筒壓柄朝下，固定橫桿的卡榫亦須朝下，貫穿固定橫桿的兩圓孔；下壓橫桿，讓兩端的卡榫與水槽邊框兩對邊的卡合部緊密崁合，此時針筒壓柄與水槽底部的橢圓形凹陷處接合。隨後將兩個三通閥緊密接在針筒的前端，控制閥一個朝前，一個朝後。螺旋母接口以較大的藍色塑膠塞塞住後，完成電解器組裝。下圖為針筒的固定過程。

圖9：氣體收集針筒的固定

• 教學應用

1.      0.5 M Na₂SO₄水溶液的電解

(1)  先以紅(+)、黑(─)鱷魚夾導線，夾住電解槽底部的鎳鈦合金電極與碳纖維電極，後將電解槽翻正(見圖10為電極與電源的連接)。

圖10：電極與鱷魚夾導線的連接

(2)  取約5mL的飽和 Na₂SO₄(aq)，倒入電解槽內，約八分滿，在滴入5滴的BTB指示劑。隨後取一支5mL的針筒，緊密連接上三通閥的側邊接口，三通閥呈T字型；將針筒的拉桿往後拉動，將電解槽內的溶液往上吸。當溶液上升至針筒刻度為0時，停止拉桿，接著將三通閥翻轉成⊥字型，使針筒與外界呈隔絕狀態。下圖為氣體收集裝置安裝。

 

圖11：電解氣體收集裝置圖，電解前溶液呈黃綠色。

(3)   以紅黑鱷魚夾導線連接9伏特方形的乾電池，開始電解並計時，30秒後觀察陰、陽極顏色是否發生變化？圖12為電解的過程。

圖12：電解30秒後，陽極溶液變為黃色(酸)，而陰極變為藍色(鹼)。

(4)  3分鐘後停止電解，仔細觀察兩極氣體體積的變化，試比較兩極氣體的體積比值為多少？

2.    0.5 M CuSO₄水溶液的電解

(1)   同上之操作方法，將溶液改為硫酸銅，不須添加BTB指示劑，以紅黑鱷魚夾導線連接9伏特方形的乾電池，開始電解並計時，30秒後觀察陰、陽極是否發生變化？

(2)   3分鐘後停止電解，紀錄正極收集氣體的體積；回收電解液，以清水稍加沖洗，仔細觀察電極上的變化。下圖為電解後的變化。

圖13：負極發現紅棕色的緊密的附著物，預估是銅的析出

3.    0.5 M KI水溶液的電解

(1)   同上之操作方法，將溶液改為碘化鉀，以紅黑鱷魚夾導線連接9伏特方形的乾電池，開始電解並計時，30秒後，觀察並記錄陰、陽極所發生的變化。下圖為兩極的反應變化。

圖14：陰極發現大量氣泡的產生，陽極附近溶液出現紅棕色

(2)  3分鐘後，停止電解，接著取一根塑膠針筒，自負極的三通閥吸取液體，滴1~2液體在餐巾紙上，隨後入滴加1~2滴的BTB指示劑，觀察顏色是否發生變化；再取一根塑膠針筒，自正極的三通閥吸取液體，滴加在餐巾紙的另一隅，隨後入滴加數滴的澱粉試劑，觀察溶液是否會發生什麼變化？下圖為檢測結果。

圖15：餐巾紙的上方顏色由黃變藍(鹼性)；下方由紅棕色變為藍黑色(含碘)

4.    飽和食鹽水溶液的電解

(1)   同上之操作方法，因陽極產物易與鎳鈦合金中的鈦金屬作用，故將兩電極的位置互換，並將溶液改為飽和食鹽水，以紅、黑鱷魚夾導線連接9伏特方形的乾電池，開始電解並計時，30秒後觀察兩極發生的變化？

(2)   3分鐘後停止電解，取一根1毫升塑膠針筒，針筒前端連接一個雙通閥；接著將碘化鉀澱粉試紙放入針筒中，推入拉桿後，利用兩通閥連接三通閥吸取陽極的氣體，仔細觀察試紙顏色的變化，根據觀察到的現象以及你原有的科學知識，請嘗試推測該氣體的成分是什麼？打開雙通閥，將針筒靠近鼻子，以手揮動，聞聞看像甚麼氣味？

(3)   隨後再取另一支2.5毫升針筒，將長約2公分的廣用試紙置入針筒內，輕推壓柄將試紙推至注射口；接著與三通閥連接自三通閥吸取陰極的液體後，廣用試紙會發生什麼變化？下圖為正負極產物的檢測結果。

 

圖16：圖左澱粉試紙發生的變化(陽極)，圖右廣用試紙發生的變化(陰極)

•      原理與概念

本微型電解水實驗教具可提供數種類型的電解反應與教學應用，包括一般的電解水、電解質的參與、電解電鍍等，茲將類型分述如下：

1.      一般電解水，以硫酸鈉為電解質：

   只有水參與反應，電解質宜使用強酸、強鹼，如硫酸或氫氧化鈉，亦可用不參與反應的中性電解質，如硫酸鈉等；此狀況下，電極基本不參與反應，陰極發生水還原，可使用抗腐蝕的材料，如石墨、不鏽鋼；陽極發生水氧化，宜使用活性小的鈍性的金屬或導體，如白金、純鎳^[5]、或石墨。本文電解硫酸鈉溶液，陰極使用碳纖維^[6],[7]電極取代易折斷的石墨，電解產生氫氣，溶液呈鹼性，可使溴瑞香草酚藍指示劑呈藍色；陽極因白金價格過高，改採抗腐蝕力強，可用於人體心血管支架的鎳鈦合金電極^[8]，電解時產生氧氣，溶液呈酸性，可使溴瑞香草酚藍指示劑呈黃色。陰陽極的反應如下：

陽極（接正極，氧化反應）：H₂O(l) → 1/2 O₂ + 2H⁺(aq)+ 2e^－   E^o_ox = -1.23V

陰極（接負極，還原反應）：2H₂O(l) + 2e^－ → H₂O(l) + 2OH^－(aq)  E^o_red= -0.83 V

2.    電解質參與反應：

(1)  以電解質硫酸銅溶液為例，Cu²⁺的還原電位為0.34 V，比水的還原電位-0.83 V高，故在陰極發生還原，金屬銅析出；H₂O在陽極發生氧化反應，產生氧氣。陰陽極的反應如下：

陽極（接正極，氧化反應）：H₂O(l) → 1/2 O₂ + 2H⁺(aq)+ 2e^－   E^o_ox = -1.23V

陰極（接負極，還原反應）：Cu²⁺(aq) + 2e^－ → Cu(s)E^o_red= 0.34 V

(2)  以電解質碘化鉀溶液為例，H₂O在陰極發生還原，產生氫氣；碘離子I^－的氧化電位  -0.54V比水的氧化電位-1.23V高，陽極發生氧化反應，產生碘。陰陽極的反應如下：

   陽極（接正極，氧化反應）：2I^－(aq) →I₂(aq) + 2e^－   E^o_ox = -0.54V

   陰極（接負極，還原反應）：2H₂O(l) + 2e^－ → H₂O(l) + 2OH^－(aq)  E^o_red= -0.83 V

(3)  以電解質飽和食鹽水為例，H₂O在陰極發生還原，產生氫氣；而陽極哪一個物質發生氧化呢？氯離子Cl^－的氧化電位為-1.36 V比水的氧化電位-1.23V低，照理說，是水發生氧化，但因高濃度氯離子使反應利於向右進行使然，氯離子在陽極發生氧化反應，產生氯氣。陰陽極的反應如下：

   陽極（接正極，氧化反應）：2Cl^－(aq) →Cl₂(g) + 2e^－   E^o_ox = -1.36V

   陰極（接負極，還原反應）：2H₂O(l) + 2e^－ → H₂O(l) + 2OH^－(aq)  E^o_red= -0.83 V

3.    電極參與反應：陽極發生氧化，可進行金屬的精煉，或合金金屬組成的分析，以銅的精煉為例，純銅做為陰極，黃銅（鋅銅合金）作為陽極，陽極氧化，產生銅離子，銅離子游向陰極，析出金屬銅，可由陰、陽兩極重量的增減，推算黃銅中不純物的含量百分比。

•      安全注意及廢棄物處理

1.          本次實驗所用的CO₂雷射切割機，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。

2.          在螺絲上鑽孔，或在壓克力板上攻牙，都必須以夾具夾緊後再施工。

3.          氯氣對黏膜有極大的刺激性，雖產量極少，亦不可將收集針筒的注射口直對人的眼睛或鼻腔；實驗結束，宜用該針筒直接吸取少量陰極的鹼性溶液，輕輕搖晃筒身後，廢液依規定回收。

4.          每次實驗後，應以自來水清洗壓克力電解器，擦乾置入封口袋保存。

5.          所有實驗後的廢液，依規定回收處理。

•      教師教學提示與建議

1.          鎳鈦合金，鈦金屬易形成氧化鈦鈍化膜，抗腐蝕性強，一般產氧的電解水實驗中，可作為陽極使用；尤其表面黑化處理的鎳鈦合金效果更好，鎳鈦合金棒可購自釣具用品店。

2.          碳纖維高彈性，不易折斷的特性^[6]，可取代石墨碳棒，不過碳纖維在強酸的環境易與氧氣發生氧化作用^[7]，以硫酸鈉為電解質，進行電解水實驗時，不宜當陽極使用。

3.          碘化鉀澱粉試紙，對光與空氣相當敏感，宜用黑色或深褐色的5毫升玻璃試劑瓶盛裝。

4.          雙通閥亦可用三通閥取代，為實驗前宜先讓學生孰悉三通閥的操作，免得電解結束，收集氣體時控制閥轉錯方向，造成實驗結果錯誤。

5.          收集氣體用的1mL針筒管徑較小，電解生成的氣泡有可能堆積在管內，造成氣泡中隔，進而影響數字讀取時的誤差，若改以2.5mL針筒時，情況可大幅改善。

6.          螺絲電極體積較小，拆卸不便，可設計輔具作為拆卸螺絲電極之用，下圖為螺絲電極拆卸輔具的參考。

 

圖17：螺絲電極拆卸輔具

•  特別致謝：

    筆者曾經於2018年在雪梨舉辦的國際化學教育討會(International Conference on Chemistry Education )，參加英國CLEAPSS教育機構學者Bob Worley的工作坊，從中得到啟發與激勵，特向他致謝；Bob是國際級的微型化學實驗大師，有興趣可以參考他的網站^[9]。

•  參考資料

1.      Hofmann voltameter, https://en.wikipedia.org/wiki/Hofmann_voltameter。

2.      Electrolysis of Water, http://www1.lsbu.ac.uk/water/electrolysis.html。

3.      Koponen, Joonas (2015), Review of water electrolysis technologies and design of renewable hydrogen production systems.https://goo.gl/jsWEur。

4.      廖旭茂，綠色創客：微量電化學電池的設計與應用。科學研習。2017年11月，No.56-11期，頁54-62。

5.      Daniel Symes, Connie Taylor-Cox, Leighton Holyfield, Bushra Al-Duri, Aman Dhir. Feasibility of an oxygen-getter with nickel electrodes in alkaline electrolysers. Mater Renew Sustain Energy (2014) 3: 27. https://doi.org/10.1007/s40243-014-0027-4。

6.      Carbon fibers, https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_fibers。

7.      黃博雄，碳纖維原本不是一根碳。科學發展。2018年5月，545期，頁36-41。

8.      陳怡安，鎳鈦合金設計及製程技術。2019年5月參考經濟部工業局地區產業整合發展計畫網站，www.srido.org.tw/attach/3088324512.doc。

9.      Microchemuk, https://microchemuk.weebly.com/。