臺灣化學教育

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

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• 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。

圖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

圖2準備兩根珍珠奶茶吸管與兩個強力磁鐵

圖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。

圖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。 

圖5鋁箔紙盡可能的平整捲於吸管上

圖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?

         □是  □否  □不確定

 2.          包覆越多張鋁箔紙是否減緩效果越好?

        □是  □否  □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?

        □是  □否  □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)+ 3OH^–àAl(OH)₃+ 3e^–     氧化電位 = 2.31V

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

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。

圖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。

圖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。

圖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。

圖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