創意微型實驗—微型化學水火箭 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw     「保特瓶水火箭」是一項既好玩又有趣的戶外科普活動，保特瓶水火箭顧名思義乃是以保特瓶為材料設計製作成水火箭頭，然後再配合腳踩式、手壓式或電動式打氣裝置組合而成。一般保特瓶水火箭在組合時需要使用到體積大或小的保特瓶，以及需有特殊的發射架來配合，同時更需要在開闊空間的場所如運動廣場才可發射，然而唯一美中不足之處是當其發射時只見到保特瓶水火箭升空以及保特瓶水火箭中之水被噴出來而已，而卻沒有噴出「火」來的現象。 本文以設計並製作一套更為名符其實、更為環保、更為經濟，更為普遍及大眾化且能兼具科學性及趣味性的真正有「水」又有「火」的微型化學水火箭。微型化學水火箭在發射時能噴出「水」和「火」，以及產生一聲「ㄅ一ㄤ、」的聲音來，非常吸引社會大眾及學生們的好奇與興趣。此一創意微型實驗裝置可在一般教室內、教室外走廊、實驗室或戶外實施，配合電解水與牛頓第三運動定律—「作用力與反作用力」之介紹來演示水火箭之發射，以及燃燒與爆炸之現象等單元之介紹，將使化學教學更為生動、活潑而有趣，教師之教學與學生之學習效果更為直接而有效。 n  原理 利用水電解的簡單原理，將水電解時所產生之氫氣（H2）和氧氣（O2）使之混合成氫氧混合氣，再以混合氣體中之氫氣作為水火箭的燃料（推進劑），氧氣作為水火箭幫助燃燒之氧化劑，僅僅將3~4 mL少量的氫氧混合氣體被收集在微型水火箭頭中，然後用改良型電子發射器（兼當作發射架）—經引燃之後，會於瞬間爆炸產生推力並應用牛頓第三運動定律—「作用力與反作用力」原理（表一），進而將留在水火箭頭中少量（約1 mL左右）的水排出作為動力，利用動量守恆的原理使微型水火箭頭飛出去。 表一：微型化學水火箭之操作與發射原理 n  材料與工具 塑膠注射筒（10 mL） 1支、三通塑膠活栓 1個、三角形迴紋針 2支、注射針頭 1支、透明小容器或底片空盒子 1個、塑膠滴管 1支、熱熔膠（槍） 1組、瓦斯電子點燃器（相片1） 1支、手搖式發電器（相片2） 1台。 相片一：瓦斯電子點燃器           相片二：手搖式發電器 n  微型化學水火箭之設計與製作 微型化學水火箭由微型水火箭頭、改良式電子發射器、微型電解裝置等三部分組成。其設計與製作分述如下： （一）微型水火箭頭之設計 1.          用剪刀在一支5 mL塑膠滴管頭下方1 cm處剪掉作為微型化學水火箭頭，如相片三所示。 相片三：塑膠滴管頭下方1 cm處剪掉作為微型化學水火箭頭 2.          利用熱熔膠，固定4片小塑膠片在塑膠滴管頭下面對稱之位置作為尾翼，像火箭頭，如相片四所示。 相片四 加上尾翼更像火箭頭 （二）改良式電子發射器之設計與製作 1.          將拆開相片一電子點燃器，並將瓦斯取出。 2.          將內部之兩條導線分別接出來，約露出外面4 cm長，並使其微微向上彎曲並使其尖端稍微分開約0.2 cm，而成不需電力永遠可用的「改良式電子發射器」，如相片五所示。 相片五：改良式電子發射器 （三）微型電解裝置之設計與製作 1.          將2支三角形迴紋針扳成L形狀，如相片六所示。 […]

創意微型實驗—微型電解裝置 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw     「水的電解」在化學教師之教學及學生的學習過程中是一項很重要、也很實際而且又非常有趣的實驗，有關水的電解設計已有很多報告，進行水的電解最重要的目的是實驗結果要明確且能使電解過程中在負極產生之氫氣和在正極產生之氧氣之體積比為2：1。 n  電解的定義 電解在化學實驗上可分為水的電解與一般電解質溶液之電解（如常見的硫酸銅溶液之電解）等二種，茲以在中學較常用的水的電解為例。所謂電解即是將直流電源接在兩支電極並使其插入電解質溶液中，當通入直流電時正負兩極便會即刻發生化學變化而將水加以分解，在正負兩極表面都為有氣體產生，此一過程稱為電解。 n  電解的基本概念 一、傳統水的電解裝置 國中理化以及高中化學實驗教材中所採用的簡易電解裝置，如相片一及相片二（左）所示。在國編版民國八十八年版八月初版的國中理化教科書第三冊第72頁曾列有微型電解裝置，如相片二（右）所示，此實驗裝置是當年教材編審委員祈明輝老師來函要求列入教材供師生參考。電解實驗之主要目的是要將水電解後，能以簡易的方法檢驗出在電解管中所收集到的氣體分別是氫氣與氧氣，並且能直接從電解管上之刻度觀察到產生之氫氣與氧氣之體積比為2：1。然而教材上所設計的實驗裝置及所用之器材雖然很簡單，但是操作不方便，效果也不盡理想。除此之外，使用多年的簡易電解裝置在操作時尚有如下之缺點：(1) 2支試管中之電解液（如氫氧化鈉溶液或稀硫酸溶液）不易裝滿，而且在倒插入燒杯中，會有空氣充入其間，導致電解所產生之氫、氧之體積比無法得到正確的2：1。(2) 2支電極導電能力未加以檢測是否相同？(3) 2支電極不易放入試管中。(4) 將試管放入燒杯及把注射針放入試管中時，手需帶手套否則手會接觸到氫氧化鈉溶液。(5) 電解液用量較多，回收處理困難，廢液易造成環境污染。(6) 電解後所產生之氫氣及氧氣之檢驗不易。 相片一：八十八年版國中理化課本中所採用之水電解裝置示意圖 相片二：國中理化課本中之何夫曼（Hofmann）水電解裝置圖（左），微型電解裝置（右） 二、電解最佳條件 欲使水的電解實驗操作進行較為快速、容易又安全、實驗結果較為明顯又正確（氫氣和氧氣之體積比為2：1），同時又能兼顧到環保時，在其實驗裝置及實驗方法、實驗結果等，必須具備以下四大要求。 （一）實驗裝置部分 (1) 電解水的實驗裝置，必須容易組合，操作簡單又安全。(2) 電解產生的氫氣和氧氣之體積，以能直接在電解管上之刻度讀出較為方便，且其體積比應為2：1。(3) 電解實驗裝置必須容易拆卸、清洗及整理保管。 （二）電源及電極部分 (1) 電源必需使用能夠提供較大電流的電源供應器，如穩壓整流器、9 V乾電池、陽能電池或手搖發電器等。(2) 電極材料必須容易取得，價格便宜，而且不會與電解產物發生作用。 （三）藥品部分 (1) 耗用藥品要儘量少，且使用後又可將其可回收重複使用、以減少污染。(2) 幫助導電之電解質，必須本身不會被電解。(3) 電解液必須用蒸餾水（切勿用自來水替代）來配置。 （四）電解時間 電解所需時間不宜太長，以5-10分鐘之間能完成為宜。 三、電解產物與電解反應式 在酸性、鹼性與中性等三種不同性質的電解質進行電解水時，雖在正、負兩極所發生之半反應有所不同，但其全反應乃是一致的，為其所需供應的電能稍有不同，其反應分別如下： A. 水在酸性溶液中電解 正極（陽極）：2H2O(l) → 4H+(aq) + O2(g) + 4e–               Eo = +1.229 V […]