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

星期二 , 2, 七月 2019 Leave a comment

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


*nacl880626@hotmail.com

  • 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。

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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。

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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。

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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(含1.4mm鑽頭)

5.      PP塑膠一字螺絲Φ6mm,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

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(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Φ1.5mm,長6mm

11.  止洩帶1

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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)

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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。

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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。clip_image036

12:電解30秒後,陽極溶液變為黃色(),而陰極變為藍色()

(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。

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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。

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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。

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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。

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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   Eoox = -1.23V

陰極(接負極,還原反應):2H2O(l) + 2e → H2O(l) + 2OH(aq)  Eored= -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   Eoox = -1.23V

陰極(接負極,還原反應):Cu2+(aq) + 2e → Cu(s)Eored= 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   Eoox = -0.54V

   陰極(接負極,還原反應):2H2O(l) + 2e → H2O(l) + 2OH(aq)  Eored= -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   Eoox = -1.36V

   陰極(接負極,還原反應):2H2O(l) + 2e → H2O(l) + 2OH(aq)  Eored= -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。

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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。201711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。20185月,545期,頁36-41

8.      陳怡安,鎳鈦合金設計及製程技術。20195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/

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