鋁元素的趣味科學實驗 / 周金城

星期二 , 5, 5 月 2020 Leave a comment

鋁元素的趣味科學實驗

周金城

台北教育大學自然科學教育學系

ccchou62@tea.ntue.edu.tw

  • 鋁元素的簡介

鋁是地殼含量中排序第三的元素,僅次於氧與矽。鋁也有很好的延展性,可以製成鋁箔,在生活中有許多的應用。鋁的活性比鐵大,但鋁製品卻不會像鐵製品整個氧化鏽蝕,這是因為鋁表面和氧氣結合氧化後所產生的氧化鋁,會緊密的結合在鋁的表面上,所以讓鋁的內部不會繼續發生氧化。十九世紀初,由於不易將鋁純化出來,導致當時鋁的價格比黃金還高。由於2019年是國際化學元素週期表年,筆者將兩個鋁元素相關的科學實驗撰寫出來,一個是化學實驗,另一個是物理實驗,這兩個實驗都適合讓國小學生操作,若能先閱讀實驗安全事項,並注意實驗過程,這兩個實驗是安全又好玩的實驗。

  •       鋁元素的物理實驗簡介

第一個實驗是「磁鐵吸引鋁箔紙」,我們知道磁鐵與磁鐵可以互相吸引外,磁鐵也可以吸引鐵製品,但磁鐵不能吸引鋁箔紙。但是,鋁箔紙捲成空心管柱後,將強力磁鐵由垂直地面的鋁箔紙所捲成空心管柱中間自由落下,竟然會減緩掉落的速度,感覺就像強力磁鐵能吸引鋁箔所以減速落下一樣。國小三年級就有磁鐵單元,六年級有電磁作用,因此這個實驗很適合當作國小課程的延伸,讓學生進行探究與實作的活動設計,讓學生找出影響強力磁鐵落下速度變慢的原因探究,並可進一步引導學生思考已利用此一科學現象進行創意發想。

一、實驗原理

當磁鐵與線圈的相對位置快速改變時,磁鐵會誘發線圈產生感應電流,此線圈上的電流會產生一個磁場來抵抗原磁場的變化,這個稱為冷次定律(Lenz’s law)。若磁鐵快速靠近環形線圈,會產生相斥的感應磁場,而當磁鐵離開環形線圈時,會產生相吸的感應磁場,這其實是磁通量改變的結果(如圖一)。若是將線圈改成金屬管,就會使垂直地面掉落的強力磁鐵的落下的速度減緩,這就是應用冷次定律所造成的有趣科學現象。

將鋁箔紙捲成筒狀多層並垂直地面,由上端放入強力磁鐵自由落下,雖然磁鐵不會吸引鋁製品,但是掉落的強力磁鐵因冷次定律所產生吸引與反抗的磁場,產生讓磁鐵落下的速度減慢。若是鋁箔捲越多層,強力磁鐵落下的速度就會越緩慢。

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1在環形線圈掉落的強力磁鐵速度減緩的原因示意圖

雖然前述的實驗原理對小學生來說有些複雜,但是實驗操作步驟與現象的觀察卻很容易進行。這個實驗在網路上常見到使用鋁管或是銅管來進行實驗,但是生活中要找到剛好粗細大小合適的鋁管或銅管並不容易。筆者早期測試時使用一兩張鋁箔紙發現沒有明顯的減速效果,曾經放棄這樣的設計。後來,有一次再度嘗試包覆鋁箔紙時,就想嘗試是否多包覆幾張長鋁箔紙會有明顯的減速效果呢?竟然發現包覆多張就可以觀察到強力磁鐵掉落時的減速效果。而且這樣的實驗還有一個優點,就是讓我們可以觀察到,當包覆越多層鋁箔紙,減緩的效果越明顯,這是直接使用鋁管或銅管沒有辦法觀察到的操縱變因。或許有人會想,使用鐵管是否可以觀察強力磁鐵掉落的速度減緩的更明顯呢?其實使用鐵管是觀察不到這個現象的,因為鐵管會和強力磁鐵緊緊的吸附在一起,根本不會掉落喔!

二、所需藥品與器材

1.      10×10 mm強力磁鐵兩個

2.      粗吸管兩根(珍珠奶茶吸管,管內直徑約1.2公分,長度大約22公分,內徑要略大於磁鐵,但不宜過大)

3.      鋁箔紙一捲

4.      剪刀

5.      碼表

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2準備兩根珍珠奶茶吸管與兩個強力磁鐵

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3準備比吸管稍短的鋁箔紙數張

三、實驗步驟

1.準備一根吸管及一個強力磁鐵。

2.將強力磁鐵對準吸管口,放開強力磁鐵使其自由落下,碼表記下時間。

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4放開強力磁鐵使其自由落下

3.將吸管外圈用逐層纏繞鋁箔紙,並逐次紀錄磁鐵落下的時間。 

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5鋁箔紙盡可能的平整捲於吸管上

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6測量強力磁鐵在不同吸管中落下速度差異

4.將吸管外圈用鋁箔紙纏繞多圈,重複上述步驟。建議可以繞十幾層,繞越多層強力磁鐵落下減緩效果越明顯,而且鋁箔紙纏繞珍珠奶茶吸管越緊密越好。

5.可以取兩根吸管,一根有包覆鋁箔紙,另一根無包覆鋁箔紙,兩根吸管並排,吸管上端分別置入強力磁鐵並相吸住。當兩根吸管用力拉開時,就可以清楚看到兩個磁鐵落下的時間有明顯差異。

6.可以將兩個強力磁鐵相吸,比較兩個磁鐵與一個磁鐵放入吸管中掉落速度的差異。

四、教學注意事項

1.      第一次操作的吸管無包鋁箔,作為對照組。

2.      包覆鋁箔紙的吸管可形成環形導線的線圈。

3.      當強力磁鐵落下時,磁鐵移動之下方鋁箔管會產生相斥的感應磁場,會抵擋強力磁鐵落下造成的磁場變化;磁鐵移動之上方鋁箔管會產生吸引的感應磁場,下方產生排斥磁場,上方產生吸引磁場,造成強力磁鐵落下的速度減慢的原因。

4.      手拿吸管時,不要大力捏住吸管,這樣磁鐵落下變慢的原因不是因為冷次定律,而是因為吸管口徑變窄,倒致摩擦阻力變大所造成磁鐵落下變慢。

五、安全注意事項

1.          強力磁鐵相吸時力量很大,可能會導致手指的皮膚被夾傷,要小心使用強力磁鐵。

2.          強力磁鐵若由高處直接掉落地面,強力磁鐵可能會破裂,而破裂碎片邊緣可能會很鋒利導致手被割傷,因此由吸管落下的強力磁鐵在桌面上進行,且桌上放置軟布以減緩衝擊力量,避免強力磁鐵破裂。

3.          強力磁鐵請勿靠近磁性物質,例如門禁磁卡、信用卡、硬碟儲存裝置、手錶或手機等電子產品等,可能會造成電子設備毀損。

 

表一、磁鐵吸引鋁箔紙實驗記錄表

 

1.          包覆鋁箔紙的珍珠奶茶吸管是否能減緩強力磁鐵掉落的速度?

         □    不確定

 2.          包覆越多張鋁箔紙是否減緩效果越好?

          □  □不確定

 3.          兩個相吸的強力磁鐵掉落減緩的效果的是否比單獨一個好?

        □    不確定

 4.我想要增加的實驗變因是                                     

 5.這個實驗現象可以應用在生活中的設計是                        

 

  • 鋁元素的化學實驗簡介

第二個實驗是「利用備長炭製作能讓小馬達運轉的電池」,在國小四年級有交通工具與能源單元,燈泡與電路單元、在五年級有水溶液的導電性單元、在高年級有生鏽單元、這個利用備長炭、鋁箔紙、廚房紙巾和食鹽水就可以組裝出讓小馬達風扇運轉的電池,會令國小學生感到驚奇。自製電池實驗可以作為學生延伸的探究與實作活動,電池科技是未來的重要科技發展方向,在國小可以設計讓學生自製電池的動手做活動,可以引發國小學生科學學習興趣。

在生活中,各種電子設備的運作都需要用到電池,電池可以說在生活中無所不在。要設計出適合小學生製作的電池實驗並不容易,我們可以使用簡單的步驟就可以製作出讓小馬達風扇運轉的電池嗎?
鋁空氣電池是可以利用生活中容易取得的材料,就可以簡單製作出來效能還不錯的電池。

一、實驗原理

鋁空氣電池的原理是鋁發生氧化放出電子,而氧發生還原而得到電子,放出電子與得到電子的過程,再經由外部導線來完成,此外部導線連接電子設備就可以讓設備進行運轉。金屬鋁氧化變成正三價的鋁離子,而空氣中的氧氣由零價的氧原子變成負二價的氧離子。整個化學反應的方程式如下所示。

Al(s)+ 3OHàAl(OH)3+ 3e     氧化電位 = 2.31V

O2 +2H2O+ 4e- à4OH          還原電位 = 0.40V

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4Al+ 3O2+6H2Oà4Al(OH)3    全反應電位=2.71V

理論上鋁空氣電池的電壓可以達到2.71伏特,但是因為組成的電池會有內電阻,所以電壓會比理論值來的低一些,量測出來大約只有0.7伏特左右。

有人可能會思考使用越長越粗的備長炭,所組成的鋁空氣電池電壓是否會越高。其實備長炭越大,所組成的鋁空氣電池是電量越多,可以提供的電流越大,倒不是電壓愈大喔!

我們看到網路影片使用備長炭所製作的電池,通常備長炭長度較長,直徑也較粗,若是使用較短較細的備長炭,是否還是可以讓風扇馬達運轉起來呢?
我們測試過,若太小太細的備長炭,馬達風散運轉不會很順,若運轉起來時間也非常短。建議使用長度大約十公分,直徑大約兩公分的備長炭,可以讓風扇馬達順利運轉,也可以運轉稍長的時間以利實驗觀察。

二、藥品與器材

1.      備長炭長度大約十公分,直徑大約兩公分,重量大約34克。

2.      廚房紙巾一張,長度大約15公分,寬度大約9公分。

3.      鋁箔紙一片,長度大約15公分,寬度大約8公分。

4.      食鹽水大約1mL(濃度大約1M)

5.      風扇小馬達一組

6.      雙頭鱷魚夾線兩組

7.      滴管一隻

8.      燒杯一個

9.      鐵紙夾一個(大約寬四公分)

三、實驗步驟

1.      取一根備長炭長度大約十公分,直徑大約兩公分並用純水洗淨風乾備用。

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7實驗用備長炭

2.      廚房紙巾一張,並裁成長度大約15公分,寬度大約9公分的大小。廚房紙巾寬度略短於備長炭的長度即可。

3.      取滴管在步驟二紙巾上均勻滴上食鹽水。

4.      將步驟三的紙巾捲在步驟一的備長炭上。

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8備長炭包覆滴過1mL食鹽水的廚房紙巾

5.      取鋁箔紙一片,長度大約15公分,寬度大約8公分。鋁箔紙的寬度略小於廚房紙巾的寬度即可。並將鋁箔紙捲在步驟四的備長炭上。捲好的鋁箔紙兩端的紙巾都要凸出鋁箔紙,不可以讓鋁箔紙直接接觸到備長炭黑色部分。

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9包覆鋁箔紙於廚房紙巾外

6.      使用鐵紙夾夾住步驟五的備長炭一端,紙鐵夾住的位置不可以接觸到廚房紙巾。

7.      使用兩組雙頭鱷魚夾線,第一組雙頭鱷魚夾線一端夾在鐵紙夾,另一端夾在馬達接頭上。第二組雙頭鱷魚夾線一端夾在捲在最外面的鋁箔紙處,另一端夾住馬達的另一個接頭上。

8.      此時應該可以看到風扇馬達運轉起來,有時馬達阻力稍大,可以輕輕撥動一下風扇葉片幫助運轉起來。

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10鋁空氣電池讓小馬達風扇運轉情形

四、教學提示

1.      市售備長炭的品質有時不佳,本身電阻過大,導致所組成的空氣電池無法讓風扇法馬達運轉起來。建議先使用燈泡電池組測試,利用一個1.5伏特的3號乾電池,以及鎢絲小燈泡,還有兩條導線即可。可以將備長炭當成一段導線,看燈泡亮度是否因接上備長炭導線而變暗,若變暗越多則表示備長炭電阻大,品質越差。若有三用電表直接量測電阻亦可。

2.      只要將備長炭當做電池燈泡組的其中一段電線,觀察有接上備長炭與無接上備長炭形成通路,燈泡的亮度是否有改變即可,品質越好的備長炭電阻越小,燈泡的亮度改變就愈小。若要採購備長炭,可以選擇前述的方法測試即可。

3.      滴在紙巾上的食鹽水不宜過多,食鹽水過多,鋁空氣電池的效能不一定會更好。

4.      小馬達風扇盡量選擇運轉時聲音較小,且震動較小的馬達,運轉聲音大代表摩擦阻力大,震動代表馬達軸心沒有對稱,所以產生的震動也會大。

5.      若是風扇停止運轉,可以將鋁箔紙稍微再捏緊一點,有時風扇又會運轉起來。

6.      使用過的備長炭,可以使用純水洗淨並並浸泡於純水一小時後晾乾,可以再重複使用。

五、安全注意事項

1.      本實驗會使用美工刀或是剪刀切割廚房紙巾或是鋁箔紙,要提醒學生操作時要小心。

2.      備長炭堅硬但易碎,若破裂碎片可能會很尖銳,要避免備長炭掉落破裂。

 

表二 利用備長炭製作能讓小馬達運轉的電池實驗紀錄表

 

學生實驗記錄

1.    風扇馬達是否順利轉起來?

□ 是  □否  □不確定

2.    我的風扇運轉時間大約     分鐘。

3.    我使用電池燈泡組檢測備長炭的品質,我覺得接上備長炭的燈泡亮度?

□ 變的更亮 □亮度一樣 □亮度變暗一點 □亮度變暗很多 □燈泡不亮

4.我想要增加的實驗變因是                                     

5.這個實驗現象可以應用在生活中的設計是                        

  • 以元素為主題科學實驗

過去的學校科學實驗設計,大多是以學科為實驗的分類,例如物理實驗、化學實驗與生物實驗等,較少是以元素為主題來設計的科學實驗。回顧元素發現的歷史,或是科學發展的歷史,科學的各領域的確是沒有分開的,後來分工越來越細,各科學領域就逐漸分開了,但是要真的解決生活中的科學問題,還是需要各領域知識的統整,也不是單一個科學領域就可以解決複雜的問題,甚至除了科學領域,還要其他學門的知識。前述的科學實驗,都是筆者帶過國小學生進行過的科學實驗活動,學生們也都可以順利的完成實驗活動,並觀察到實驗中的科學現象。也許其中的科學原理對他們來說有些深奧,但國小自然科學實驗主要目的就是以實驗現象觀察為主,未來他們逐漸學習更多的科學知識之後,就可以逐一解開其中的實驗背後的原理。

  • 參考資料

周金城所拍攝3D有趣實驗:自製鋁空氣電池, https://youtu.be/BPbbbYEToGI

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