臺灣化學教育

綠色創客-4：微型電磁攪拌器模組的設計、製作與應用

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

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n  簡介

攪拌均勻是化學反應過程必要的加工程序，電磁攪拌器使用不沾黏的鐵氟龍塑膠來包覆磁石，馬達帶動的攪拌機構，不必直接接觸溶液，並可依溶液的體積或黏滯性來調控磁石的轉速，具有方便清理、節省人力、穩定可靠的優點；當使用電熱式加熱功能時，可取代明火的使用，屬於安全的熱源，因此目前已列為普通高中化學實驗室的標準配備（”Magnetic stirrer”, 2022）。

然而實驗室的電磁攪拌器體積龐大、笨重，不易攜帶的特色；當教室內進行實驗，或戶外實驗教學活動時較不方便。本文章將介紹一款適用微型實驗、便於攜帶、可使用行動電源或乾電池的電磁攪拌器；使用太陽能實驗的小馬達、搭配兩顆小型的強力磁鐵製作的鐵氟龍磁攪拌子旋轉的驅動器；使用可變電阻，調控馬達與磁石的轉速；使用6P3段切換開關，適時變換乾電池與USB兩種電源；搭配針筒、螺桿、緊固套環的滴定管模組，可進行酸鹼滴定、氧化還原滴定等實驗。下圖為微型電磁攪拌模組裝置圖。

圖1：微型電磁攪拌器模組的外觀。

本文除描述「微型電磁加熱攪拌器」的製作方法外，亦提供微型蒸餾輔助（廖旭茂，2020）等數種教學使用示例。期盼透過本刊物的分享，提供讀者自行製作攪拌器的參考；並期待拋磚引玉，吸引更多的教師自行設計微型教具，落實實驗減量、減廢，實踐環境友善與綠色永續的教學目標。

n  器材與藥品

1.     太陽能馬達 RF-300，DC 0.5~6V，軸徑2mm。

2.     磁攪拌子驅動器，含圓形強力磁鐵直徑6mm，厚度2mm兩個及橢圓形壓克力板一個。

3.     USB母頭線

4.     3號電池盒

5.     6P3段切換開關

6.     可變電阻，500Ω

7.     烙鐵30W，1支（含焊錫）

8.     UV膠組（含紫光燈）

9.     熱熔膠槍組（含膠條）

10. 撥線鉗。下圖為所需材料圖

圖2：微型電磁攪拌器所需材料。

n  製作微型電磁攪拌器

1.     概念發想：在可攜式、微型及可延伸應用性用的原則下，設計改良的重點五個方向：

(1)  如何縮減電磁攪拌器的大小，方便組裝與攜帶。

(2)  如何不使用複雜電路，僅使用可變電阻來調整轉速。

(3)  如何使用易取得的低電壓直流電源，如1.5V的乾電池或5.0V的USB行動電源，來驅動馬達，減少電能的浪費。

(4)  提供易維修的穩定支撐平台。

(5)  平台可安裝可調式支架，與套環模組，方便利用針筒進行微量滴定實驗。

2.     固定支撐架的加工與組裝：此部分包含壓克力元件切割與組裝兩個部分。

(1)  雷射切割：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，接著取一塊厚度為5mm的透明壓克力板，放置雷射切割機平台，進行雷射加工，共切割出前後立面各1個、上下支撐底板各1個，及瓶身固定套環大小2組，以及攪拌子驅動器1個。下圖為各機構製圖。

圖3：雷射切割壓克力機構設計圖

(2)  上底固定支撐架的組裝：取兩個直徑5mm圓形強力磁鐵，以棉花棒沾取少量uv膠塗抹在磁鐵上，將磁鐵置入上底板的預切孔中（藍色圓孔），隨後以uv手電筒照射約30秒，待乾備用。1根M6的螺絲攻，在標記的M6鑽孔位下孔，製作一M6的螺牙，將一螺桿旋緊並安裝可移動針筒套環。下圖為完成組裝的支撐架。

 

圖4：完成的攪拌模組的支撐架

3.     各元件固定與電路的焊接製作：包括乾電池座、usb母座、小馬達、切換開關、可變電阻的膠合固定，與線路連接兩大部分。

(1)  乾電池與usb母座的黏合固定：取熱熔膠槍，接上電源，3分鐘後，擠出些許的熱熔膠於後立面的壓克力板上，將乾電池座黏合在壓克力板上，紅、黑電源線穿出壓克力板預留的孔洞；隨後擠出一些熱熔膠於usb座預留孔，接著將母座置入預留孔，緊壓約1分鐘，待冷卻黏合固定後鬆手。下圖為完成黏合圖。

圖5：乾電池與usb母座的黏合固定圖

(2)  可變電阻的黏合固定：取前立面壓克力板，以熱熔膠槍擠出些許熱熔膠塗布在將一可變電阻的旋鈕把手穿出預留孔洞，用力緊壓約1分鐘，待冷卻黏合固定後鬆手。下圖為黏合過程圖。

 

圖6：可變電阻的黏合固定過程

(3)  切換直流電源：將切換開關放置在預切開的方孔中，以小螺絲開關的把手與可變電阻的旋鈕把手方向一致朝外，以小螺絲將切換開關緊固在前立面壓克力板上。若想左右滑動切換開關時可選擇直流電源的來源時，可分別將乾電池紅、黑電源線以焊錫連接到切換開關的1、1’兩個腳位，usb的紅、黑電源線連接到切換開關的3、3’兩腳位。

(4)  調整馬達的轉速：小馬達的紅、黑電源線分別連接至可變電阻的a腳位與切換開關的2’腳位；可變電阻的b腳位連接至切換開關的2腳位。下圖為雙電源可調速微型攪拌器的電路設計示意圖。

圖7： 可調速微型電磁攪拌器的電路設計

(5)  磁攪拌子旋轉的驅動器的製作：取一預切完成橢圓形的壓克力片，在左右兩個凹洞內擠入少許的uv膠，隨後將兩個5mm的強力磁鐵放置兩個凹洞內，接著將馬達的軸心沾取少許的uv膠後，穿進驅動器的中孔，隨後以uv光源照射約30秒，進行黏合；當小馬達轉動時，像是一根轉動的磁棒，可以帶動燒杯中的磁攪拌子隨之轉動。特別注意的是兩個磁鐵面的極性必須相反，一端為N極，另一端為S極。下圖為操作過程。

圖8：攪拌子驅動器磁石的安裝

(6)  小馬達黏合固定：沾取少許的uv膠均勻塗在小馬達下，將小馬達放置於壓克力下底板圓圈處，隨後以uv光源照射約30秒，完成黏合。下圖為操作過程。

 

圖9：磁攪拌子驅動器與小馬達的黏合過程

(7)  前後立板的固定與磁石的黏合：取兩顆5mm的磁石，塗上少許uv膠，放置在前後立板預留的凹洞內，接著以uv手電筒照射約30秒，固定磁石；接著將前後立板以uv膠與壓克力下底板接合，接著以uv手電筒照射約30秒，固定前後立板，隨後將上底版蓋上，完成微型攪拌模組的製作。完成後前後立板與上底板兩部件的磁石可緊密相吸，形成一個可掀蓋的活動裝置。下圖紅圓圈處為磁石位置。

 

圖10：磁石黏著固定的完成圖

n  教學應用

    攪拌模組包括電磁攪拌主體、平台上的螺桿支架，以及可固定針筒、樣本瓶等容器的各式套環。主要是用於需要「快速攪拌均勻」的實驗活動，比如酸鹼中和滴定、氧化還原滴定、蒸餾實驗、酵素催化反應等。使用電磁攪拌可以使反應物充分混合反應、減少實驗誤差、並節省人力。茲將幾個實驗應用分述如下：

1.    微型酸鹼中和滴定：以氫氧化鈉滴定未知濃度的硫酸為例–溶液充分均勻反應

     (1)  取1個5毫升的透明樣本瓶，以1毫升的分度吸量管吸取未知濃度的硫酸0.4mL，接著加入1.6 mL的蒸餾水，滴入2滴地酚酞溶液後，將樣本瓶放置在壓克力攪拌平台的圓圈中心。

(2)  把1個長10mm的攪拌子置入樣本瓶中，接著將電源切換開關滑至左邊，使用乾電池來驅動馬達；順時針旋轉可變電阻的旋鈕，調整馬達的轉速。下圖為操作過程。

圖11：圖左為切換電源開關，圖右為轉速的調整

(3)  微型滴定管模組的使用：取1支3.0毫升的螺口針筒，吸取0.1M的氫氧化鈉溶液至刻度3.0毫升。螺口前端連接一個塑膠雙通閥（閥門呈現關閉狀態），雙通閥的另一端連接一個塑膠針頭。將針筒穿過小套環，並旋緊螺絲穩定固定針筒，接著取出針筒拉桿，打開閥門，讓溶液流下至針頭尖後關閉閥門。讀取針筒內液面刻度，為2.95mL。打開閥門開始滴定，觀察溶液的顏色；當溶液中心出現紅色時，代表當量點快到了，此時必須控制閥門，放慢溶液滴入的速度，至樣本瓶內溶液全變為紫紅色時，立即關閉閥門，讀取針筒內溶液的刻度為2.15mL。下圖為滴定前後刻度的讀取。

圖12：圖左為切換電源開關，圖右為轉速的調整

2.    微型氧化還原滴定：以已知濃度的高錳酸鉀滴定未知濃度的硫酸亞鐵為例–快速攪拌均勻

(1) 取1個5毫升的透明樣本瓶，以1毫升的針筒吸取未知濃度的硫酸亞鐵製刻度為1.00 mL，隨後將針筒穿過套環，固定在微型滴定管模組上。打開閥門，讓針筒內的溶液緩慢地滴入樣本瓶中，並開始計數滴入的滴數；當針筒刻度為0.00毫升時，關閉閥門，並計算針筒滴出1滴溶液的體積（53滴≒1mL）。隨後滴入5滴6M的硫酸溶液後，酸化溶液，並將樣本瓶放置在壓克力攪拌平台的圓圈中心，調整馬達的轉速後，準備滴定。下圖為操作過程  

 

圖13：未知濃度的亞鐵離子的準備及操作過程

(2) 取1支3.0毫升的螺口針筒，吸取0.01M的高錳酸鉀溶液至刻度3.0毫升。隨後按上述的步驟，將針筒穿過套環，固定在微型滴定管模組上。讀取針筒內液面刻度（約為3.00~2.90mL）。打開閥門開始滴定，觀察溶液的顏色，並計數溶液滴入的滴數；當溶液中心出現粉紅色時，代表當量點快到了，此時必須控制閥門，放慢溶液滴入的速度，至樣本瓶內溶液全變為粉紅色時，而且顏色不再變化時，立即關閉閥門，並讀取針筒內溶液的刻度（約為2.00~1.90 mL）。下圖為滴定前後顏色變化與刻度的讀取。

  

圖14：滴定過程與刻度的讀取

3.     蒸餾攪拌防突沸：紅酒的蒸餾–預防突沸使用，首先將支架螺桿上的小套環換成大套環，接著將電熱式蒸餾瓶約10毫升的紅葡萄酒倒入電熱式蒸餾瓶後，再置入一個小型攪拌子（長10mm*直徑3mm），隨後調整可變電阻的旋鈕至適當轉速後，蓋上矽膠塞，接線通電開始加熱、蒸餾。下圖為蒸餾裝置圖。 
圖15：微型電磁攪拌器結合微型蒸餾器進行紅酒的蒸餾

4.     酶催化反應：雙氧水的酵母催化分解為例–非均質混合物的充分均勻反應。取一個50毫升的錐形瓶，倒入1.0M的H₂O₂(aq)5毫升、19毫升的蒸餾水及1%的酵母液1毫升，總體積約25毫升，再置入一個小型攪拌子（長25mm*直徑8mm），並以支架螺桿上的大套環固定瓶身；隨後調整可變電阻的旋鈕至適當轉速，穩定旋轉後，塞上矽膠塞，開始攪拌。接續連接塑膠管的公接頭後，可以利用壓力感測器開始收集數據（廖旭茂，2021）。下圖為雙氧水的酵母催化分解的攪拌過程。

 

圖16：微型電慈攪拌器應再在雙氧水的酵母催化分解的攪拌過程。

n  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.        紫外光燈對眼睛有極大傷害，須戴上抗uv的護目鏡。

3.        利用烙鐵焊錫，溫度可達200℃以上，操作過程，不可直接碰觸，請戴上防熱手套，以免燙傷。

4.        5mm的強力磁鐵吸力極強，欲分開兩塊磁石時，宜用手指左右滑開磁石。

5.        所有實驗後的廢液，依規定回收處理。

n  教師教學提示與建議

1.        製作微型磁攪拌器的材料，多可以在電子材料行購得，滴定模組所需的螺口針筒、螺口針頭尖、M6不鏽鋼螺棒、M6長螺母可在拍賣網站購得。

2.        焊接的工作區很小，馬達、電池盒的電線很細，焊接時請小心，避免燙傷。

3.        微型滴定管模組，因是塑膠材質做完實驗，為避免殘留，應立即以蒸餾水清洗、50~60 ℃烘乾後，備用。

4.        塑膠針筒刻度的讀取，可能會有誤差，可以溶液每滴的體積或質量進行校正。

n  參考資料

1.     Magnetic stirrer. (2022, Feb 20).Retrieved fromhttps://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_stirrer

2.     廖旭茂（2020）。綠色創客-3：微型電熱式蒸餾器的設計與製作。台灣化學教育電子期刊，期40，2022年3月參考http://chemed.chemistry.org.tw/?p=39263

3.     廖旭茂（2021）。利用壓力感測器調查雙氧水的催化分解。台灣化學教育電子期刊，期43，2022年5月參考http://chemed.chemistry.org.tw/?p=40821