創意微型實驗— 微型鋅銅電池及其在化學教學上的應用 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw 化學是一門極具趣味性且理論與實驗並重之科學，因此在相關單元之中，除了理論介紹之外都配有相關的實作性實驗，盼由正確的實驗的結果來應證理論的真實性。在學校的化學實驗裡如何減少使用藥品，以減少廢液的產生進而突增廢液回收與處理的困擾與困難度，以減低對環境污染的衝擊，是當務之急。因此將傳統實驗裝置與實驗過程加以改良，使實驗裝置更為簡單，實驗步驟更為安全更為有趣，使化學實驗更符合環保理念可回收低汙染省資源的綠色化學實驗。在本文中將傳統式的鋅銅電池加以微型化而成為微型鋅銅電池，得以方便將兩個或多個鋅銅電池加以串聯起來，並在化學實驗中加以延伸與應用，以提高學生學習電化學之意願與興趣。 n  微型鋅銅電池之原理 以鋅片和銅片為電極，分別在插入藥品溶液中，電極與溶液之介面間會產生所謂的電極電位，而在當兩溶液間以鹽橋來溝通電路後，在這兩個電極間所產生之電位差即稱為電池電位（電壓），其反應式如式[1]~[3]所示。 正極（銅片，陰極）反應：Cu2+(aq) + 2e– → Cu(s)              Ered = + 0.36 V        [1] 負極（鋅片，陽極）反應：Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e–           Eox  = + 0.74 V       [2] 電池總反應：Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq)  + Cu(s)              Ecell = + 1.10 V        [3] n  傳統鋅銅電池與微型鋅統電池之比較 傳統鋅銅電池與微型鋅銅電池在器材裝置及藥品之使用皆略有不同，其差異之比較如表一所列及相片一所示。 表一：傳統鋅銅電池與微型鋅銅電池之比較   相片一：傳統鋅銅電池裝置和微型鋅銅電池裝置（右） （左圖取材：自八十二年國編版高中基楚理化實驗手冊下冊） n  材料藥品與器材 一、   […]

創意微型實驗—微型氧氣製備裝置 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw 在國中和高中化學實驗中有關氧氣製備之實驗，其裝置是採用傳統式氣體製備裝置（相片一），此套裝置皆是由玻璃器材組成，由於組裝不易且實驗費時，耗用藥品也較多，易造成污染，實驗後清洗不易。因此本人設計改良而成一套「微型氧製備裝置」。此套裝置曾榮獲1997年中華民國第八屆發明與創新展覽會一等獎及特別獎（見附註一），並於1998年以「簡易氧氣製造供應器」獲得中央標準局新型第138233號專利（見附註二）。本裝置曾於1998年在高雄市教師研習中心舉辦之簡易化學實驗教具製作研習，以及本省南區和澎湖等八縣市及金門縣舉辦國中理化科減量減廢改良實驗推廣研習中加以製作與實驗，另於2001年至2002年間在教育部經費支助之下，特別選擇在屏東縣及高雄縣偏遠地區、離島及山地學校等八所國民中學舉辦校內師生研習活動，曾參與研習之教師與學生合計約有三、四百位，每位教師與學生均感到此一裝置器材簡單、製作容易、操作方便、效果正確，此外又可減少很多藥品之消耗，降低污染程度，真可謂之為一兼具有減量減廢環保理念之綠色實驗，實值得在進行活動取向之化學教學中加以推廣使用。於此特將「微型氧氣製備裝置」之設計與組裝過程與在化學教學上之應用詳述如下： 相片一：傳統式的氣體製備裝置 n  微型氧氣製備裝置之設計與製作 一、  材料、器材與藥品 （一）     材料與器材（相片二） 塑膠注射筒（35 mL）1支、注射針1支、通塑膠活栓（2-way stopcock）1個、塑膠培養皿1個、塑膠噴霧瓶1個、單孔橡皮塞1 個、橡皮管（內徑3 mm，長20 cm）1條、塑膠試管1支、熱熔膠（槍）1 組    塑膠注射筒（左）、塑膠噴霧瓶（中）、雙通塑膠活栓（右）   塑膠培養皿（左）、熱熔膠（槍）（右）   注射針（左）、塑膠試管（右） 相片二：使用之材料與器材 （二）     藥品（相片三） 雙氧水（20％ H2O2）50 mL、二氧化錳（顆粒狀）數粒    雙氧水（左）、二氧化錳（中）、顆粒狀二氧化錳（右） 相片三：雙氧水與顆粒狀之二氧化錳 二、  設計與製作過程 （一）     微型氧氣製備裝置之設計 利用1支塑膠注射筒、1個雙通塑膠活栓及1個塑膠噴霧瓶等簡易器材，設計一套製備氧氣之「微型氧氣製備裝置」，可將藥品分別存放於塑膠注射筒及噴霧瓶內，要製造氧氣時可隨時使其發生反應。 （二）     製作方法 1.      將1支35 mL塑膠注射筒之活塞拔出，然後在距離注射筒上方3公分處用鑽孔器挖一直徑約1.5公分之孔洞，作為反應管，如相片四所示。   相片四：拔出塑膠注射筒之活塞，並在注射筒上挖一孔洞 2.      用熱熔膠將塑膠噴霧瓶之噴嘴黏在塑膠注射筒之孔洞中，如相片五所示。   相片五：將塑膠噴霧瓶之噴嘴固定在注射筒之孔洞中 3.      將2個大小相同的2個塑膠培養皿背對背用塑膠帶固定起來，如相片六所示。   相片六：用塑膠帶將2個塑膠培養皿背對背固定起來 4.      […]

創意微型實驗—微型化學花園 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw 生物體在良好的環境下會生長，然而在它的生長過程中我們並無法在很短時間內觀察到它的生長與變化。沒有生命的物體（如含有過渡金屬鹽類之化學藥品）在適當的環境中也會生長，有些在一分鐘之內就可看到它長大，而且在1~5分鐘的短時間之內便可以觀察到它的成長過程、變化與生長出來的形狀。 利用化學藥品如過渡金屬鹽類在一裝有水玻璃(Water Glass，矽酸鈉)溶液的透明小玻璃瓶中，過渡金屬鹽類不但不會溶解反而會慢慢地生長成類似海底美麗的珊瑚狀（化學珊瑚），此一化學珊瑚之形狀有如海底之景觀，故稱之為「海底世界（Seabed World）」，又稱為「化學花園（Chemical Garden）」。其製作方法如下： n  材料與藥品 製作微型化學花園所需的化學藥品與材料有透明的小玻璃瓶、水玻璃（矽酸鈉）、硫酸銅、硫酸鎳、氯化亞鈷及細沙等，如相片一所示。 相片一：製作微型化學花園所需的化學藥品與材料 ＊注意：1. 藥品不可用手觸摸，萬一碰到藥品應馬上用水沖洗乾淨。                 2. 為了安全，請戴上塑膠手套來用小刮杓來添加藥品。                 3. 氯化亞鈷晶體在空氣中容易潮解，使用完後要立刻將瓶蓋蓋緊。 n  原理 過渡金屬鹽類在水玻璃溶液中不會被溶解，而當過渡金屬鹽類表面與水玻璃溶液接觸時，過渡金屬鹽類中之銅離子、鎳離子、鈷離子等會與水玻璃溶液中之鈉離子進行陽離子交換，離子交換後便形成銅、鎳、鈷之矽酸鹽類薄膜，此一薄膜具有半透膜之性質，它只容許水玻璃溶液中細小的水分子透過半透膜滲透進入，當水進入半透膜至超過其滲透壓後半透膜便會裂開，致使內部新鮮之過渡金屬鹽類又與水玻璃溶液接觸，此刻過渡金屬離子又即刻與水玻璃中溶液之鈉離子進行陽離子交換，然後再度形成新的薄膜（半透膜），又再度容許水玻璃溶液中之水分子透過此半透膜進入，當水進入半透膜再度超過其滲透壓後，半透膜又會裂開又再度形成新的薄膜，依此類推，一直重複此一過程，就讓在水玻璃溶液中的化學藥品（過渡金屬鹽類）漸漸地長大而成化學珊瑚，不同過渡金屬鹽類之藥品長的速度和形狀都不一樣，看起來就如同海底的珊瑚景觀，因此就稱此化學珊瑚為「微型化學花園」，又可稱做「奇妙的海底世界」。 n  微型化學花園的製作過程 1.          在透明小玻璃瓶內倒入少量的水玻璃，約瓶身的1/5或1~2 c m的高度，如相片二所示。 相片二：玻璃瓶內倒入少量的水玻璃 2.          加水至九分滿，蓋緊瓶蓋後，再搖盪均勻，如相片三所示。 相片三：加水搖盪均勻 3.          分別依序加入上述三種藥品。 (1)     取一小刮杓藍色的硫酸銅晶體加入到水玻璃溶液中，如相片四所示。 相片四：加一小刮杓的硫酸銅晶體到水玻璃溶液中 (2)     取一小刮杓綠色的硫酸鎳晶體加入到水玻璃溶液中，如相片五所示。 相片五：加一小刮杓的硫酸鎳晶體到水玻璃溶液中 (3)     取一小刮杓紅色的氯化亞鈷晶體加入到水玻璃溶液中，如相片六所示。 相片六：加一小刮杓的氯化亞鈷晶體到水玻璃溶液中 4.          待三種藥品完全加入，經約1~2分鐘之後，再加入一小刮杓的細沙到水玻璃溶液中，如相片七所示。 相片七：加一小刮杓的細沙到水玻璃溶液中 (4)     旋緊瓶蓋後，靜置並觀察瓶子內之化學藥品在水玻璃溶液中的變化情形。 n  實驗結果 1.          分別各取一小刮杓藍色的硫酸銅晶體、綠色的硫酸鎳晶體及紅色的氯化亞鈷晶體等三種過渡金屬鹽類，依序加入水玻璃溶液中，然後靜置於桌面，在一分鐘之內所加入之藥品會開始慢慢地成長，經過一至十分鐘後，在瓶子中長出來的化學珊瑚，其形狀很像海底中之珊瑚非常漂亮，其生長情形如相片八所示。 相片八：過渡金屬鹽類在水玻璃溶液中不同時間內之成長情形 […]

創意微型實驗— 微型氯氣製備裝置及在化學教學上之應用 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw   利用一粒塑膠三通活栓及2支塑膠注射筒組合成一套多功能的微型氣體製備裝置，此套裝置可應用在不需要經加熱過程，即可反應製造出氣體的簡易多功能微型氯氣製備裝置，並可兼製備氯氣（Cl2）及乙炔（C2H2）等二種氣體。微型氯氣製備裝置可應用在化學實驗教學及演示趣味化學實驗—水中火泉（或稱水中煙火），以微型實驗教具來教化學原理與認識化學，可提升中學化學之學習動機、興趣與教學成效。 n  材料與藥品 材料：塑膠注射筒（25 mL） 2 支、塑膠三通活栓（Top 3-way stopcock） 1個 藥品：濃鹽酸、漂白水（或次氯酸鈉）、碳化鈣（電石或電土） n  微型氯氣體製備裝置之設計與製作 一、實驗裝置設計與製作 1.        準備一個塑膠三通活栓，如相片一所示。 相片一：塑膠三通活栓 2.        接1支 25 mL 的塑膠注射筒在塑膠三通活栓的上方。 3.        再接另 1 支 25 mL 的塑膠注射筒在塑膠三通活栓的側方。 4.        接在塑膠三通活栓上之 2 支 25 mL 的塑膠注射筒是互相垂直，而組成一簡易安全之「微型氯氣製備裝置」，如相片二所示。 相片二：微型氯氣製備裝置 二、實驗步驟 此套微型氯氣製備裝置操作非常簡單，每位學生皆可在上課中人手套，可兼製備氯氣（Cl2）及乙炔（C2H2）等二種氣體，本文將介紹利用此兩種氣體在水中之特殊反應來演示與操作趣味化學實驗—水中火泉（或稱水中煙火），實驗過程不一定要在實驗室中進行，在一般教室中自己的座位上或戶外場所皆可讓學生親自動手操作。其詳細製備與演示過程分述如下： (一)      氯氣（Cl2）的製備 1.        取 2 支 25 mL 的塑膠注射筒及一個塑膠三通活栓備用。 2.        […]