臺灣化學教育

創意微型實驗—簡易環保電解裝置

方金祥

創意微型科學工作室
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本文作者曾先後設計了三代的「簡易環保電解裝置」，這三代的電解裝置之比較如表一所列和相片一所示。第一代「簡易環保電解裝置」曾參加中華民國第四屆發明和創新展覽會榮獲發明類教師組第二名，並取得中華民國經濟部中央標準局新型專利，如附錄所示。第二代的「簡易環保電解裝置」曾以「學校化學科減量減廢實驗之設計」為企畫案主題之一，參加由台灣通運傳動機械股份有限公司所舉辦的一九九七年歐普環保獎（The 1997 Opel Environmental Award）企畫案競賽，本文作者以「學校化學科減量減廢實驗之設計」榮獲第一名，如附錄所示。本文將介紹第三代的「簡易環保電解裝置」之設計與製作過程。

表一：三代簡易環保電解裝置之比較

  

相片一：三代簡易環保電解裝置，第一代（左）、第二代（中）、第三代（右）

n  原理和概念

在以鹼性的氫氧化鈉溶液為電解質，經通入直流電後，進行水的電解，其電解反應如式[1]~[3]所示。電解總反應之電位差為負值（–1.229 V），因此欲電解水時必需外加至少1.229 V，才能順利進行水在鹼性溶液中之電解。

陰極（負極）：4H₂O(l) + 4e^– → 2H₂(g) + 4OH^–(aq)    E°_red = – 0.828 V    [1]

陽極（正極）： 4OH^–(aq) → O₂(g) + 4e^– + 2H₂O(l)    E°_ox = – 0.401 V    [2]

電解總反應[1] + [2]：2H₂O(l) → O₂(g) + 2H₂(g)      △E ° = – 1.229 V    [3]

n  材料與藥品

塑膠杯（布丁） 2個、丟棄式滴管（10 mL） 2支、單孔塑膠塞 1個、小塑膠塞 1個、小橡皮塞 2粒、接電端子（紅色） 1 個、接電端子（黑色） 1 個、9 V乾電池 1粒、9 V乾電池冒扣和鱷魚夾 1組、線香 1支、火柴 1盒、熱熔膠（槍） 1支、氫氧化鈉溶液（10 %） 150 mL。

n  設計與製作

1.        回收2個布丁塑膠杯，並在其中一個杯底挖出5個孔洞（2大、1中、2小）。如相片二所示。

相片二：杯底挖出5個孔洞

2.        將2支注射針頭之尖端處剪掉，並用導線金屬部分從注射針頭之塑膠處插入，務使導線之金屬與注射針之金屬接觸，再用熱熔膠（相片三之左）固定之供作電解時之電極，如相片三（右）所示。

 

相片三：熱熔膠（槍）（左）和注射針頭作為電解之電極（右）

3.        將2支丟棄式滴管上方距離刻度〝0 ”上面0.5 cm 處鋸掉，並在滴管下方距離刻度〝9.5 ”處鋸掉，如相片四所示。

 

相片四：將丟棄式滴管（左）之上方與下方鋸掉（右）

4.        用熱熔膠將相片三之電極固定在相片四的滴管下方內側作為電解管，如相片五所示。

相片五：電極固定在滴管中作為電解管

5.        將相片五之2支電解管分別插入相片二挖有孔洞之塑膠杯中央處之2個大孔洞中，並使電解管上之刻度〝7 ”與塑膠杯底平，然後用熱熔膠固定，如相片六所示。

相片六：固定在塑膠杯上的電解管

6.        將2個接電端子固定在塑膠杯底部左右2個最小的孔中，並用熱熔膠固定。然後再將單孔塑膠塞用熱熔膠固定之作為電解時之通氣孔，如相片七所示。

  

相片七：接電端子（左）、單孔塑膠塞與小塑膠塞（中）與固定在塑膠杯上之電解管（右）

7.        將左邊電解管中電極導線接在黑色接電端子作為負極，右邊電解管中電極導線接在紅色接電端子作為正極，並在其下方用熱熔膠將另一塑膠杯固定且使之密合，以供作承接電解液之電解槽，如相片八所示。

相片八：電極導線接上黑色接電端子為負極，電極導線接上紅色接電端子為正極，下方為電解槽

8.        在該裝置上之左右電解管上方各用一粒小橡皮塞塞住，並使橡皮塞之底部位在電解管刻度” 0 “處，使電解時左右電解管皆從零開始，如相片九所示。

 

相片九：小橡皮塞（左）與電解管上塞住小橡皮塞（右）

9.        最後再接上9V乾電池作為直流電源，即組裝完成一套「簡易環保電解裝置」，如相片十所示。

相片十：組裝完成之「簡易環保電解裝置」

n  實驗操作

1.        將2支電解管上之橡皮塞取下來，由電解管之管口加入10%氫氧化鈉（NaOH）溶液至電解槽中約六至七分滿，如相片十一所示。

相片十一：在電解槽內加入10 %氫氧化鈉溶液約六至七分滿

2.        以橡皮塞塞住電解管，以小塑膠塞塞住單孔塑膠塞之通氣孔，然後手持電解裝置使電解管向下傾斜，讓電解液流入電解管中，如相十二片所示。

相片十二：將電解裝置之電解管向下傾斜

3.        待電解槽內之氫氧化鈉溶液緩緩流入電解管至加滿為止，由於電解管下方仍然位於電解槽內之電解液中，因此當電解裝置正立時電解液仍可將電解管裝滿。

4.        當電解管裝滿電解液時，再將裝置正立於桌面，然後再將原塞住通氣孔上的小塑膠塞拔離，準備進行電解。

5.        將9 V乾電池之黑色鱷魚夾夾住該裝置上的黑色接電端子為負極，而紅色鱷魚夾夾住該裝置上的紅色接電端子為正極，當電源接通後即刻進行水的電解，如相片十三所示。

 

相片十三：直流電源（左）與通電後進行水的電解（右）

n  實驗結果

一、   電解實驗

1.        在使用該裝置進行電解時，電解槽中之電解液是10%之氫氧化鈉溶液，以9 V乾電池為直流電源，乾電池之負極（黑色鱷魚夾）是接在該裝置上黑色接電端子，黑色接電端子所接的電極即為負極，亦即是該裝置左邊的電解管即為負極的電解管。相對的乾電池之正極（紅色鱷魚夾）是接在該裝置上紅色接電端子，紅色接電端子所接的電極即為正極，亦即是該裝置右邊的電解管即為正極的電解管。

2.        在電解過程中約在5分鐘之內，在左邊的電解管（負極）所產生的氣體體積皆為在右邊的電解管（正極）所產生的氣體體積之2倍，亦即是左邊電極管（負極）所收集到的氣體與右邊電極管（正極）所收集到的氣體之體積比由電解管上之刻度可直接讀出為2 : 1。如相片十四所示

  

1 mL : 0.5 mL    2 mL : 1 mL     3 mL : 1.5 mL

  

4 mL : 2 mL     5 mL : 2.5 mL     6 mL : 3 mL

相片十四：電解水時在左邊電解管（負極）與右邊電解管（正極），所收集到的氣體之體積比為2 : 1

二、   電解產物之檢驗

水在電解過程中在負極會產生氫氣（H₂），在正極會產生氧氣（O₂），且其體積比為2 : 1，因此在電解管中收集到較多的氣體可能是氫氣，較少的氣體可能是氧氣，至於是否為氫氣和氧氣都必須經由檢驗才能確認。其簡易的檢驗方法如下：

1.        氫氣之檢驗

將氣體較多的電解管上方之橡皮塞拔離，在取下橡皮塞之同時手持點燃的火柴以水平方式移至電解管之管口上方，如有小小爆鳴聲者，即可證明該電解管收集到較多的氣體為氫氣（檢驗完成後必須再將橡皮塞塞回原電解管），如相片十五所示。

 

相片十五：以點燃之火柴檢驗氫氣

2.        氧氣之檢驗

將氣體較少的電解管上方之橡皮塞拔離，取下橡皮塞之同時手持點燃的線香垂直插入電解管中，如發現線香復燃起來，此乃因氧氣有助燃的性質，因此可證明該電解管收集到較少的氣體為氧氣，如相片十六所示。

 

相片十六：以點燃之線香檢驗氧氣

n  實驗注意事項

1.        作為電解液之氫氧化鈉溶液需用蒸餾水來配置，配製時須戴上實驗用塑膠手套。

2.        電解槽中電解液至少要裝有六至七分滿，務必使將裝置傾斜時，待電解液裝滿電解管後再將裝置正立時，電解管之底部必須維持在電解槽中之電解液內。

3.        傾斜裝置以加滿電解管之前，必須先將通氣孔塞住，要進行電解時必須將塞住通氣孔之小塑膠塞拔離。

4.        氣體檢驗時氫氣先檢驗或氧氣先檢驗皆可，唯切記先檢驗完者，必須將橡皮塞塞回原電解管，然後再繼續檢驗另一電解管中之氣體。

5.        電解完成後，只需將電解管上方之橡皮塞打開，使電解管中之電解液流回電解槽內，然後再將橡皮塞塞回電解管，電解槽中之電解液不必倒出來，保留在電解槽中之電解液可一直重複使用。

n  實驗裝置特點

簡易環保電解裝置具有以下之特點：

l   器材很簡單，取得也方便。

l   價格很低廉、每套約五十。

l   組裝很容易、操作又安全。

l   將裝置傾斜、裝滿電解管。

l   藥品重複用、手不碰藥品。

l   氣體之體積、由刻度讀出。

l   結果很正確、氫氧二比一。

l   檢驗既簡單、結果又明確。

l   回收再利用、經濟又環保。

l   動手做裝置、實驗更有趣。

n  結語

第三代之簡易環保電解裝置係以回收品及簡單滴管組成，電解液之藥品（氫氧化鈉溶液）可一直重複使用，且操作過程中手都不會碰觸到藥品，可說是極符合「低污染、可回收、省資源」等減量減廢之環保理念，也是一種推展綠色化學之綠色實驗裝置。電解所產生之氫氣與氧氣肢體幾可直接由電解管上之刻度讀取，電解過程中都可看出氫氣與氧氣之體積比皆為2 : 1，既正確又方便。氫氣與氧氣之檢驗也極為簡便且安全有趣。

n  附錄

第一代簡易環保電解裝置曾參加中華民國第四屆發明及創新展覽會榮獲發明類教師組第二名，並取得中華民國經濟部中央標準局新型專利（新型第102322號），如相片十七所示。第二代的簡易環保電解裝置曾以「學校化學科減量減廢實驗之設計」為企畫案主題其中之一作品，參加由台灣通運傳動機械股份有限公司所舉辦的一九九七年歐普環保獎（The 1997 Opel Environmental Award）企畫案競賽，經十三位專家學者（國內十一位、國外二位）書面審查後，錄取前三名進入決賽作口述報告，並經原十三位初審專家學者提問及答覆後，召開評審會議後當場公布錄取三名名單（第一名一位，第二名重缺，第三名兩位）及頒發得獎通知，第一名獎金壹拾陸萬元，第二名陸萬元，第三名參萬元。本文作者以「學校化學科減量減廢實驗之設計」榮獲第一名，如相片十八所示。

 

相片十七：第一代簡易環保電解裝置獲發明類教師組第二名與專利

  

相片十八：第二代作品參加1997歐普環保獎企畫案主題榮獲第一名