創意化學實驗—親生活環保電池 / 黃琴扉、梁騏霖、劉嘉茹

星期三 , 1, 七月 2015 Leave a comment

創意化學實驗親生活環保電池

黃琴扉*、梁騏霖、劉嘉茹

國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
*chinf1027@yahoo.com.tw

n  前言

環境教育是目前全世界亟欲推行的教育理念,而其中,節能省碳、節能省電的概念更是日常生活中環境教育的重點。能源與供電是近代人類發展與生活進步的重要驅動力,在日常生活中,人們可以利用能源來使冰箱運轉而保存食物,可以使電燈發光而提供夜間照明,也可以利用石油等能源,提供工廠的運作與汽車的驅動;由此可見,能源與供電對現在人類的生活有不可取代的地位。以日常生活中常見的1.5伏特乾電池(碳鋅電池)而言,其可應用於日常生活中的手電筒照明、時鐘及鬧鐘的轉動、小型電動工具的驅動等,然而乾電池屬於一次性電池,用完即需要回收,使用後會造成許多廢棄物的堆積與環境污染,而乾電池中的電解液若使用不當或放置過久,也會滲出鋅殼外層,導致化學物質外漏的危害,另外,鹼性電池使用氫氧化鉀當電解液,雖然可延長使用時間,但使用後仍需要回收,同樣造成廢棄物堆積與環保問題,而鹼性電解液若不小心外漏,更對人體皮膚造成腐蝕等危害。

目前市面上也有販售許多可充電電池,其電壓也維持在1.5伏特左右,使用的便利性與一般乾電池相似,更提供了可充電的優勢,因此降低了廢棄物的產生,也可以再次循環使用,但是其充電來源是採用家用供電系統進行充電,因此仍是耗費了家用供電能源。再者,充電電池的充電時間往往高達6-8小時,因此對於急需用電的民眾來說是非常不方便的,因此仍有可改善的空間。總結上述,目前的乾電池或充電電池,都需要採用化學物質當導電液,乾電池屬於一次性電池,用完即丟,造成廢棄物堆積,也不能重複使用,而充電電池雖然可以充電後再重複使用,但是其充電來源是家用供電能源,因此並沒有達到實際節省能源的功用。

為了提供一個更環保、更省能的電源,許多研究人員,甚至學生的科學覽展都投入了水果電池的研發。然而,綜觀水果電池的各類研究,大多數均嘗試在改良不同金屬片搭配後電壓大小,或利用不同的果汁、搭配不同濃度,進行相關研究報告。換句話說,傳統的水果電池製作方法,都是以不銅金屬片,插在不同的水果上面,進行電壓或電流的測試,其在操作時果汁的汁液會四處流動,而操作完畢後,那顆水果也無法再利用了;於是,每次要製作水果電池時,就必須再切一顆水果,然後弄得到處都是汁液,非常不方便,導致傳統水果電池的推廣性降低,實用性也降低。為了解決上述一系列的問題,本文作者自行開發了全新的「親生活環保電池」,其設計與組裝詳細說明如下。

n  原理和概念

電化學反應的原理如式[1]~[3]所示。

陰極半反應(銅線,正極):2H+(aq) + 2e H2(g)     E°(標準還原電位) = 0.00 V    [1]

陽極半反應(鋁線,負極):Al(s) Al3+(aq) + 3e    E°(標準氧化電位) = +1.66 V    [2]

電池總反應:2Al(s) + 6H+(aq) 2Al3+(aq) + 3H2(g)    E°(電位差) = +1.66 V    [3]

n  裝置之設計與製作

一、   材料和藥品

鋁線(4公尺) 1廢棄電線(15公分) 2鱷魚夾 4個、廢棄粗銅線(2公尺)1菜瓜布(不限顏色) 1廢棄中藥罐(含藥罐蓋子,100 mL 1檸檬汁 100 mL,如照片一所示。

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照片一:所需材料和藥品(由左而右排列)

二、   設計與製作過程

1.        利用鐵釘和手邊可用的工具,將中藥罐的上蓋鑽兩個孔洞,讓鋁線與銅線可以穿出孔洞,方便日後攜帶保存,如相片二所示。

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相片二:用鐵釘將中藥罐蓋子鑽孔

2.        利用小型圓筒狀物體,例如麥克筆等,將鋁線捲成小螺旋形狀(相片三),以當成其中一個電極。將鋁線捲成螺旋形狀的主要目的是可以縮小整體體積,卻可以大大增加接觸的表面積,使電解液與電極的反應快速且增加兩者的接觸表面積。

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相片三:利用小型圓筒狀物體(如麥克筆),將鋁線(銀色)捲成螺旋形狀

3.        利用較大型圓筒狀物體,例如化妝水瓶等,將銅線捲成大螺旋形狀(相片四),以當成其中一個電極。將銅線捲成螺旋形狀的主要目的是可以縮小整體體積,卻可以增加接觸的表面積,使電解液與電極的反應快速且增加兩者的接觸表面積。

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相片四:利用較大型圓筒狀物體(如化妝水瓶),將銅線(紅銅色)捲成螺旋形狀

4.        依中藥瓶的高度,剪裁菜瓜布(相片五),使菜瓜布捲成圓筒狀置入中藥瓶內,菜瓜布的用途是隔絕鋁線與銅線,但卻能溝通兩個電極,並且能讓電解液通過,其原理與科學家伏打最早期利用沾了食鹽水的濕布隔絕兩片金屬片的原理相似。

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相片五:依中藥瓶的大小,剪裁菜瓜布

5.        剪裁完菜瓜布之後,再將菜瓜布捲成圓筒狀,置入中藥瓶內備用,如相片六所示。

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相片六:將菜瓜布捲成圓筒狀,置入中藥瓶內

6.        將螺旋形鋁線置入菜瓜布內層,再將螺旋形銅線放在菜瓜布外層,以當成電池的正、負兩極,如相片七(左)與相片七(右)所示。為了讓讀者能更清楚地看出鋁線與銅線的放置方式,因此相片七(左)將以綠色菜瓜布為示範,使鋁線與銅線的放置方式能清楚顯示;但是,相片七(右)則顯示了較為優美的放置方式,亦即將最外層用白色的菜瓜布再次圍繞,則可使銅線不外露,增加美感。

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相片七:菜瓜布使鋁線與銅線隔開(左),最外層也用白色的菜瓜布圍繞,使銅線不外露(右)

7.        依上述步驟即可組裝完成「親生活環保電池」。

三、   實驗步驟與電壓、電流檢測

1.        將環保電解液倒入中藥瓶內:

進行實驗前,先將環保電解液(如檸檬汁、各種果汁、食鹽水等)倒入中藥瓶內,並讓汁液蓋過螺旋形鋁線與銅線之上如相片八所示。

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相片八:將環保電解液(如檸檬汁)倒入中藥瓶內

2.        利用三用電錶檢測電壓

(1) 將三用電錶轉到20伏特處,準備進行電壓檢測,如相片九所示。

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相片九:將三用電錶轉到20伏特處,準備進行電壓檢測

(2) 先將鱷魚夾裝在兩條廢棄的電線上,將兩條電線分別纏繞在銅線與鋁線上,並連結三用電錶,進行電壓的檢測,如相片十所示。由三用電錶的數據顯示可以明顯看出,「親生活環保電池」的電壓可以快速地穩定在0.5伏特左右,比一般水果電池的電壓大而穩定。

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相片十:以三用電錶檢測,「親生活環保電池」可達0.5伏特

3.        利用三用電錶檢測電流

先將鱷魚夾裝在兩條廢棄的電線上,將兩條電線分別纏繞在銅線與鋁線上,並連結三用電錶,將三用電錶轉到200毫安培,進行電流的檢測,如相片十一所示。由三用電錶的數據顯示可以明顯看出,「親生活環保電池」的電流可以快速地穩定在6毫安培(mA)左右,為一般水果電池電流的60倍左右。

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相片十一:以三用電錶檢測,「親生活環保電池」可達6毫安培

4.        讀者可自行進行串聯、並聯與其他創意改良

本研究自行開發的「親生活環保電池」,製作非常簡便快速,因此如果想要利用電池串聯的概念來提高總電壓量,可以製做多個「親生活環保電池」,並利用廢棄的電線與鱷魚夾進行電池的串聯,如相片十二所示。

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相片十二:可簡易串聯多個「親生活環保電池」

此外,使用者也可依照不同的需求,在此裝置內倒入不同濃度的溶液、不同果汁的汁液,或混合食鹽等方式,進行不同的創意實驗改良;此外,也可將鱷魚夾裝置於LED燈、小鬧鐘等裝置上,更添趣味與實用性。本文利用三個「親生活環保電池」串聯並連接上紅色LED燈,使其在夜晚發出明亮光線,並可當成生日蛋糕的造型燈(相片十三(左)(右));讀者也可依照類似的想法自行發揮創意。

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相片十三:紅色LED燈在夜晚特別明亮(左),也可當成蛋糕蠟燭裝飾(右)

() 重覆利用、清洗與收納方式

1.        將環保電解液倒回收納瓶中,可重覆使用

實驗結束後,只要將環保電解液(如檸檬汁、食鹽水等)倒回收納瓶中,放置冰箱冷藏,即可重覆循環使用,直到不能發電為止,如相片十四所示。如果已經無法發電,可以再於液體內加入少許食鹽,即可充電重新循環發電。

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相片十四:將環保電解液倒回收納瓶中重覆使用

2.        用清水直接沖洗「親生活環保電池」裝置,並蓋上瓶蓋收納保存

將電解液倒回收納瓶之後,再以水龍頭的清水直接沖洗「親生活環保電池」裝置,最後蓋上已經鑽孔的瓶蓋進行收納保存,為了避免鋁線和銅線容易刺到手,因此收納後建議將鋁線和銅線反摺,提高安全性;收納後的「親生活環保電池」裝置攜帶十分方便,對於提升電池本身的應用價值有極大的助益,如相片十五所示。

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相片十五:「親生活環保電池」簡易收納圖

n  親生活環保電池之特點

「親生活環保電池」,完全符合環境保護、節約能源、減廢減量、高安全性等微型裝置與環境教育的整體概念,其特點如下:

l  電壓穩定達0.5 V,電流可達6 mA

l  簡易進行串聯,串聯增強電壓。

l  操作皆不沾手,輕便容易攜帶。

l  材料容易取得,製作方法簡便。

l  電解液可回收,重覆多次使用。

l  組裝費用低廉,只需40-60元。

n  結語

所謂的環境教育,就是希望人人都能從愛護環境、保護環境著手,運用問題解決能力,思考如何解決生活中的環境破壞、環境污染、能源缺乏等困境,進而主動具有環境保護、節能省碳與節能省電的積極作為。有鑑於此,本文作者積極地利用創意的方式,開發新型環保電池,以取代容易造成汙染與廢棄物堆積的乾電池。

過去許多研究均嘗試用水果電池取代一般電池,並透過不同水果種類、不同果汁濃度、不同電極片等嘗試,試圖提升水果電池的電壓與電流;然而水果電池在操作上容易產生汁液噴濺、水果浪費等問題,在使用上並不方便,也較難普及化。為了解決上述一系列的問題,本文作者自行開發了全新的「親生活環保電池」,該電池製作方便簡易,幾乎從生活中隨手可得的器材中就可以製做出可循環利用、方便性極佳、價格極為便宜(每組裝置約台幣40-60元)的「親生活環保電池」;本研究經過測試後發現,每個單獨的「親生活環保電池」電壓可穩定達0.5伏特以上,電流也可穩定達到6毫安培以上(為一般水果電池的60倍),效果令人驚艷。

除此之外,「親生活環保電池」在倒取果汁汁液時,完全不沾手,使用完畢後,汁液可倒回收納瓶回收再利用,而整組裝製攜帶方便,更達到環境保護、減廢減量、高安全性、高方便性等優點,讓學生、教師、一般民眾都可以從生活中直接體驗環境教育的核心價值,並能透過動手做瞭解化學電池的相關原理。因此在理論學習、動手做學習與實務應用上,都具備高度的價值;期盼本篇文章能開啟拋磚引玉的成效,鼓勵相關研究人員、教師、民眾等加入環境友善生活用品或教材教具的開發,一起為更美好的環境努力。

 

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