創意微型實驗—微型化學噴霧槍在化學演示實驗上之應用 方金祥 創意微型科學工作室chfang1273@yahoo.com.tw 一兼二顧摸蛤兼洗褲，資源回收做環保兼組裝成化學實驗裝置—微型化學噴霧槍，此一實驗裝置極符合「低污染、可回收、省資源」的綠色環保理念。可利用此一裝置來演示化學實驗包括酸鹼中和、氧化還原之顏色變化以及化學能轉變成光能等，使化學教學更有創意、化學反應更為直接、更為生動、活潑、有趣。俾能引起學生對化學的好奇與學習興趣。茲將微型化學噴霧槍之設計與製作之詳細過程說明如下： n  材料與藥品 （一）材料 塑膠噴霧器（安立清潔劑噴霧器） 1組、塑膠瓶（蘋果西打630 mL） 1瓶、塑膠瓶（藥品瓶100 mL） 1瓶。（相片一）    相片一：塑膠噴霧器（左）、塑膠瓶（中）、藥品瓶（右） （二）藥品 稀鹽酸（0.1 M HCl） 100 mL、氫氧化鈉溶液（0.1 M NaOH） 100 mL、硫代硫酸鈉溶液（0.1 M Na2S2O3） 100 mL、過氧二硫酸鉀（0.1 M K2S2O8） 20 mL、碘酒溶液（市售） 100 mL、酸鹼指示劑（酚酞，Phenolphthalein）（相片二）。 相片二：酚酞指示劑 n  設計與製作 微型化學噴霧槍係由噴霧器、反應接收瓶及廢液收集瓶等三部分組成。其設計與製作分述如下： 一、噴霧器主體 1.        將回收自安立清潔劑噴霧器之標籤撕下，如相片三所示。 相片三：回收自安立清潔劑之噴霧器 2.        此一噴霧器之構造與一般塑膠噴霧器有所不同，由噴霧器主體（相片四左）與兩個藥品瓶（相片四右）組成。其中噴霧器主體下方有兩條導管分別插入可裝兩組藥瓶之兩個藥品瓶中，當壓縮噴霧器時兩組藥品可同時經由各自之導管上升至噴霧器之噴嘴，然後混合在一起而以霧狀噴出，如相片四所示。    相片四：噴霧器之兩條導管（左）與兩個藥品瓶（右） 3.        撕下蘋果西打塑膠瓶之標籤，如相片五所示。 相片五：取下標籤之蘋果西打塑膠瓶 4.        將塑膠蓋子取下並在蓋子之中央處挖一個孔洞，如相片六所示。   相片六：挖一個孔洞之塑膠蓋子 5.        […]

創意微型實驗—微型氫能燃料電池方金祥 創意微型科學工作室chfang1273@yahoo.com.tw  本文作者先前曾設計兩套微型燃料電池（microscale fuel cell）第一代與第二代，第二代微型燃料電池發表於中國化學會之化學季刊，並榮獲當年度的化學論文獎（如附錄一所示），微型燃料電池係利用廢棄乾電池之碳棒經高溫加熱後急速冷卻以除掉碳棒上之雜質及成為多孔性碳棒作為電極，經加入適當的電解質溶液後進行電解（充電）產生氫氣與氧氣，然後在氫電極（陽極、負極）上之氫氣和氧電極（陰極、正極）上之氧氣化合成水並放出電能（放電）。燃料電池（又稱氫能燃料電池或氫氧燃料電池）是日後零汙染的能源應用在市售汽車上（如附錄二所示）。本文將介紹第三代的微型氫能燃料電池之設計與製作，以供電化學實驗教學之參考與應用，使其在電化學教學上更為生動活潑有趣，以提高學生學習電化學之興趣。 n  燃料電池之原理 燃料電池的原理是利用水電解後在負極（陽極，又稱氫電極）產生的氫氣與在正極（陰極，又稱氧電極）產生之氧氣化合成水時產生的電流可做電功，其反應後之唯一產物只有水而已，因此燃料電池可說是最乾淨且為零無污染的能源。 n  微型氫能燃料電池與一般燃料電池之比較 燃料電池係由電極、電解質、燃料以及氧化劑等所組成，微型氫能燃料電池與一般氫能燃料電池之燃料都是利用電解水產生的氫氣作為燃料，以電解水產生的氧氣作為氧化劑，其比較如表一所列。第一代、第二代及第三代微型燃料電池之比較如表二所列和相片一所示。 表一：微型氫能燃料電池與一般氫能燃料電池之比較 表二：三代微型氫能燃料電池之比較 *燃料：利用電解產生之氫氣H2。 **氧化劑：利用電解產生之氧氣O2。 相片一：第一代微型燃料電池      相片二：第二代微型燃料電池 相片三：第三代微型氫能燃料電池 n  材料與藥品 乾電池（9 V） 1粒、塑膠培養皿 1個、2B鉛筆筆芯（長4.2 cm，直徑0.2 cm） 2支、音樂盒（生日快樂歌） 1組、電子鐘 1個、透明塑膠滴管（3 mL） 2支、熱熔膠槍 1組、飽和硫酸鉀（K2SO4）溶液 5 mL。 n  微型氫能燃料電池之設計與組合 一、   鉛筆筆芯（電極）之處理 1.        將市售兩2支2B鉛筆筆芯（相片四左），用稀鹽酸溶液及清水清洗數次後備用。 2.        截取2支長4.2cm，直徑0.2 cm之鉛筆筆芯作為電極，如相片四（右）所示。   相片四：市售兩2B鉛筆筆芯（左），長4.2 cm直徑0.2 cm之鉛筆筆芯（右） 二、電解管與電解槽之設計組合 1.        取2支3 mL之透明塑膠小滴管，將其底部剪掉，使底部形成一個約3 mm直徑的小圓孔作為電解管，另在其上方挖一小孔以方便鉛筆筆芯插入，供作電極之用，如相片五所示。    […]

製作可逆式微型氫氧燃料電池並進行探索活動 游宗穎 高雄市立高雄女子高級中學教育部高中化學學科中心zwitterion.tw@yahoo.com.tw n  影片觀賞 可逆式微型燃料電池是教育部高中化學學科中心教學資源研發推廣小組2010年研發作品之一，本實驗幫助學生認識氫氧燃料電池，親手動手製作可逆式微型燃料電池，瞭解微型燃料電池如何對外作功。影片是由作者在高雄中學實驗室拍攝，本文提供其製作的詳細過程。 （影片網址：可逆式微型燃料電池，YouTube, https://youtu.be/VZqNHgObYtE.） n  簡介 本實驗利用氫氣與氧氣透過此燃料發電元件，進行氧化還原作用而輸出電能的原理，設計一套可攜帶、實際可用，在高中教學上方便學生瞭解氫氧燃料電池的小型可逆式燃料電池。此自製「可逆式微型燃料電池」電解產生的氫氣與氧氣無須在鉑或鎳的催化下，進行逆向反應使電解出的氫氣和氧氣放電。 本實驗係透過燃料電池之實作與探索活動，幫助學生認識「燃料電池」與其運作原理，以下說明氫氧燃料電池的製作過程以及涉及的原理和概念。 n  藥品與器材 一、藥品：硝酸鈉（NaNO3）、硫酸鈉（Na2SO4）、硝酸鉀（KNO3）、硫酸鉀（K2SO4） 二、器材：市售廢棄乾電池（3號AA）、9 V電池、塑膠試管（10 mL）、塑膠筆蓋、鱷魚夾導線電池座、熱熔膠槍、瓦斯噴燈、三用電表。使用之器材如圖1所示。 圖1：製作氫氧燃料電池所需之器材 n  實驗步驟 一、石墨棒（電極）之活化處理 1.        以尖嘴鉗拆除一顆廢棄3號乾電池，取出石墨棒並留下電池的金屬墊片和石墨的固定環。 2.        將取出的石墨棒浸泡於乙醇1天，或以超音波震盪機清洗數次，清洗乾淨之後，烘乾備用。（此石墨棒會殘留乾電池的一些電解質和糊狀物質，必須清理。） 3.        以鉗子夾住石墨棒，分別將石墨棒的上、中、下三部分在高溫瓦斯噴槍之火焰上加熱至紅熱（溫度約為1300℃），約5分鐘後，將其迅速插入冷水中使其急速冷卻。 4.        重複步驟3三次以上，使整支石墨棒之每一部位皆達紅熱後再急速冷卻，使石墨棒表面充分活化，去除石墨間的膠結物和雜碳相，活化後的石墨棒表面會出現一些細微孔洞增加表面接觸面積。圖2為石墨棒處理過程。   圖2：廢電池之石墨棒、金屬墊片、固定環（左），石墨棒表面活化處理（右） 二、可逆式微型氫氧燃料電池組裝 可逆式微型氫氧燃料電池組裝的流程簡圖，如圖3所示。 圖3：微型氫氧燃料電池組裝流程簡圖 詳細的組裝步驟，如下步驟所示。 1.        取兩支透明塑膠筆蓋（內徑8 mm），切割長度為15 mm，並在底部鑽孔（直徑約3 mm的小圓孔） 2.        將已活化的石墨棒插入塑膠筆蓋之管口，然後蓋上廢棄乾電池之石墨的固定環，使石墨棒一端露出墊片約3 mm長。再用熱熔膠將石墨棒之上方固定在墊片和筆蓋口上，使其與管口密閉。重複製作，完成兩支相同電解管的製作。電解管完成圖如圖4所示。    圖4：組裝電解管（左），兩支燃料電池之電解管（右） 3.        取一支10 mL的塑膠試管，切成兩條長度約4 cm的塑膠管。 4.        將兩支燃料電池之電解管，經由步驟1的小圓孔，裝填1.0 M的NaNO3。 5.        用熱熔膠先固定一支電解管在塑膠管的一端後，再裝填適量的1.0 […]

創意微型實驗—微型發光噴泉裝置 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw n  目的 在微型發光噴泉裝置的二支並聯式塑膠注射筒中，分別抽取兩組不同的藥品溶液後，經同步推擠注射筒之活塞後，兩種藥品溶液會經由注射針頭前端噴出，當兩組藥品溶液相遇後，會即刻起化學反應並發出螢光，而以噴泉方式產生，此裝置可在一般教室中之講台或學生座位前演示化學能轉變為光能（發光噴泉，簡稱光泉）。 n  原理 魯米諾（Luminol）之中文名稱為3-氨基鄰苯二甲醯肼（又稱光敏靈），英文名稱為5-Amino-2,3-dihydro-1,4-phthalazinedione，其分子結構式如圖一所示。化工原料行販售的魯米諾藥品是呈白色粉末狀，如相片一所示。將魯米諾溶解在氫氧化鈉的鹼性水溶液後鹼性的氫氧化鈉溶液作為激發劑，將魯米諾激發產生一個帶有兩個負電荷的雙陰離子（dianion），此魯米諾的氫氧化鈉溶液為第一組藥品。另在過氧化氫（雙氧水）中加入赤血鹽（鐵氰化鉀K3Fe(CN)6），以赤血鹽中正三價之鐵離子（Fe3+）作為催化劑，催化過氧化氫（雙氧水）分解放出氧氣，並以分解所放出之氧氣作為氧化劑，赤血鹽之過氧化氫（雙氧水）溶液為第二組藥品。而此氧氣可將雙陰離子加以氧化成一極為不穩定的過氧化物，此一過氧化物會急促地分解而放出氮氣來，進而將原雙陰離子轉變成激發態（excited state）的3-氨基鄰苯二甲酸。當由激發態轉換至基態＊（ground state）時便會將其化學能釋放出來，而釋放出來的化學能會轉變成光能而以光子的形式存在，此光子的波長約位於可見光譜中的藍色光（~450 nm）部分。因此當將第一組藥品溶液（魯米諾的氫氧化鈉溶液）與第二組藥品溶液（含赤血鹽之雙氧水）溶液混合再一起時，混合溶液中之氧氣即可將魯米諾氧化而瞬間發出淡藍色光來。 圖一：魯米諾（Luminol、光敏靈）之分子結構式   相片一：白色粉末之魯米諾 （Luminol） n  材料與藥品 一、   材料 塑膠注射筒（35 mL） 2支、三孔橡皮塞 1粒、注射針頭（針頭需磨平） 2支、透明塑膠軟管（或橡皮管） 20 cm、有蓋透明塑膠瓶 1個、半透明塑膠瓶 1個、單孔塑膠塞 1個、小塑膠塞 1粒 二、   藥品 魯米諾（Luminol，光敏靈） 0.1g、過氧化氫(3% 雙氧水H2O2） 5 mL、赤血鹽（鐵氰化鉀K3Fe(CN)6） 0.3 g、氫氧化鈉 4 g、氰光棒（市售14吋犀利光） 1支 n  設計與製作過程 1.        用熱熔膠將2支35 mL的塑膠注射筒黏成一組並聯式注射筒，如相片二所示。 相片二：並聯式注射筒 2.        將2支注射針頭之尖端剪掉或磨平，再分別插入3孔橡皮塞之2個孔中。另在3孔橡皮塞之第3位置孔插入一支硬質塑膠管（勿穿出橡皮塞），如相片三所示。 相片三：插入2支注射針頭與一段硬質透明塑膠之3孔橡皮塞 3.        將2支並聯式塑膠注射筒之注射針接頭分別插入在3孔橡皮塞中之注射針孔中，另以一條長約20 […]