綠色法拉第–微型氣體蒐集裝置的設計與應用 廖旭茂*、廖心妍、林群曜 臺中市立大甲高級中等學校 *nacl880626@hotmail.com n  影片觀賞 實驗影片「綠色法拉第(二)：微型氣體蒐集裝置的設計與應用」於2016年10月拍攝，由臺中市立大甲高級中等學校提供。 YouTube影片網址：https://youtu.be/X6K8FQkg8AY n  簡介 電鍍產品廣泛應用在日常生活中，大至汽車用的鍍鋅防銹鋼板、機車美觀用的鍍鉻飾條、雨傘鍍鎳的傘骨，小至五金業的螺絲、耳環，甚至半導體製程；但電鍍廢液也往往造成很嚴重的汙染問題[1],[2]。在高中的課本中，長久以來都是藉著電解電鍍的實驗，探討電流強度I、通電時間t與電鍍金屬增加的重量W之間的線性關係，並求得法拉第常數F，進而印證法拉第電解定律[3]；但電鍍層上的金屬晶體容易剝落加上烘乾不易，往往造成實驗結果與極可觀的誤差。本文嘗試藉由自行設計的微型氣體收集裝置，固定電流強度I下，探討電解過程中氣體的體積變化ΔV與通電時間t的關係，並推算法拉第常數。結果顯示，氣體體積變化量ΔＶ與通電時間的相關係數達0.999，兩者呈線性的正相關，所求出法拉第常數與理論值間的誤差約+6.4%~-1.7%，亦相當準確。下圖為高中電鍍實驗中兩極的變化。                                                                                    圖1 電鍍實驗中陰極電鍍層金屬剝落的狀況 本實驗的微型氣體蒐集裝置，從生活的取材，僅使用數滴無毒的硫酸鈉溶液，電解時間更短、更節能，實驗所有的微量廢棄物，可利用鉛筆與一般的鑰匙，透過電解方法將化妝棉上微量的銅離子還原成銅，進行回收。 本實驗亦嘗試透過雷射切割機的輔助，超越手做極限，發揮現代maker的精神，將教具製作帶往更精準、更安全的方向。 n  藥品與器材 一、器材： 兒童塑膠積木、化妝棉、30mL塑膠注射筒、1mL塑膠吸量管、銅片、砂紙一張、長約20公分的紅與黑(或藍色)單芯線各一條、直流電源供應器、鐵架、塑膠PP(瓦楞)板、熱熔膠與熱熔膠槍一組、80W雷射切割機一台、5 mm厚透明壓克力板。 二、藥品： 0.5 M硫酸鈉(aq) 1 mL。 n  實驗步驟 以下介紹兩種微型氣體蒐集裝置製作，第一種是兒童積木版，第二種是雷射切割壓克力版。 一、微型氣體蒐集裝置製作一:兒童積木版 1.      首先取一支30mL塑膠針筒，拉出推桿備用。取兩片雪花狀塑膠積木片作為正、負極金屬片的載台；先將第一片積木片為負極載台(上方)，以熱熔膠將圓型金屬片黏著在一起，金屬片預計與一條黑色單芯導線焊連在一起 (圖2出現的金屬片為9V電池外殼裁修而成，本實驗可直接用0.5 mm厚的銅片取代)。 2.      重複上述步驟，第二片積木片為正極載台(下方)，金屬片預計焊連一條紅色導線。 3.      分別在注射筒最前端及筒身側邊，以螺絲釘鑽出兩圓孔。紅色的單芯線從針頭前端的圓孔穿出，而黑色單芯線從針筒側邊預先鑽好的小圓孔穿出。把推桿壓回，即完成微型氣體蒐集裝置。圖2為微型氣體搜集裝置的裝置圖。                                                                                                           圖2 圖左為正負極金屬載台裝置，圖右為針筒蒐集裝置圖 二、微型氣體蒐集裝置製作二:雷射切割壓克力版 1.      以游標尺測量30毫升注射筒的內徑，並在illustrator軟體中繪製正負極金屬載台設計圖後，以壓克力為材料，由雷射切割機輸出。下圖為正負極金屬載台設計圖。 圖3 圖左為壓克力正極載台，圖右為壓克力負極載台 2.      取長20公分長的單芯線，前端剝除約5公分長的塑膠外皮後，裸露電線尖端由兩極載台的背面的細孔穿入後，再由另一細孔穿出。長方形的雷雕區域即為金屬片黏貼處。取兩片尺寸為10 mm×15 mm 的銅片，經水砂紙磨光後，以酒精沖洗，乾燥後以熱熔膠黏貼於壓克力載台上。下圖4為壓克力載台。 圖4 穿線前後的壓克力載台及完成裝置圖 […]

加水來電：鎂電池 廖旭茂1, 2, *、廖心妍1、黃家均1、林群耀1 1國立大甲高級中學2教育部高中化學學科中心*nacl880626@hotmail.com n  影片觀賞 本文介紹介紹幾樣來自日本和中國的鎂加水電池。本影片提供購自日本科學未來館的鎂電池的元件介紹、組裝過程、運作等步驟，並在文章中介紹鎂電池陰陽極的反應、發電的科學原理。 影片網址：加水來電：鎂電池，https://youtu.be/pzWj2iwDuiI。 n  簡介 最近有一則可充電式的鎂電池的媒體報導：「由國立成功大學材料科學及工程學系洪飛義教授所組成的鎂電池研究團隊，已經獲得突破性進展，與傳統鋰電池的容量相較提高了8到12倍，充放電的效率提高5倍，以電動自行車來說，傳統鋰電池充飽電約需3小時，若改用新研發的鎂電池約充電36分鐘即大功告成。新ㄧ代鎂電池除了電容量高外，又較安全，即使車輛相撞，不像鋰電池，並無爆炸的危險。惟可充電式鎂電池使用的電解液，材料價格不斐，貨源掌握在他國手中，電解質化合物的合成，尚待突破。」（自由時報，2014-10-16）。 相較於可充電式的鎂電池，不可充電式的一次性鎂電池已悄悄進入我們的生活，日本技術發展的進度最快，因應突發的地震等天災，日本的古河電池株式會社（Furukawa Battery，簡稱FB）與凸版印刷（Toppan）聯手，推出紙盒包裝家用的鎂電池—MgBOX，以鎂金屬為負極，使用非貴金屬系列的碳素電極為正極材料，強調只要加水，就可為智慧型手機充電30次，或提供緊急照明等備用電源[1]。在中國亦有相關的產品的推出，還提供可替換的負極鎂板零件供消費者選擇。根據文獻探討，負極鎂在電解質中腐蝕過程所造成的極化現象，一直與鎂電池放電的效能有很大的關聯[2]。本文章提供簡易鎂電池的製作過程，以及在不同電解質下，電池放電效能比較。 n  藥品與器材 市售鎂電池兩種、20 × 55 × 0.5 mm鎂合金片、0.5 M硫酸鈉溶液、活性碳粉、化妝棉、糖果鐵盒、3 mm透明壓克力片、長尾夾、二氧化錳、海藻酸鈉、電壓感測器、電流感測器、Vernier數據收集分析平台。 兩種市售鎂電池包括購自日本科技未來館的的可組裝的鎂電池套件一組、購自淘寶網的水用照明電池。 1.        「鎂電池可組裝套件」一盒，其中包括組裝說明圖、外包裝盒、鎂金屬片（負極）、電解層、觸媒催化層、不鏽鋼片（正極），吸管、LED燈泡。相關套件如圖1所示。 圖1：鎂空氣電池套件 2.        「水用照明電池」一盒，不須自己組裝，直接在罐底加水處加水，透明壓克力中間有一LED燈泡。 圖2：加水電池手電筒 n  實驗步驟與結果 一、  日本市售鎂電池組裝和觀察 1.        取出塑膠袋內的各元件，依說明書的圖片上所載順序排列。圖示說明如圖3所示。 圖3：M為鎂片（負極）、P為分隔紙（電解層）、X為催化層、S為不鏽鋼片（正極） 2.        將四組單電池，依照圖3的順序依序疊合後，以黑色膠帶黏著固定，隨後將盒內所附的LED的金屬腳正確與電池的正負極相連接（LED長腳為正極與不銹鋼片連接，短腳為負極與鎂片連接），並以膠帶環繞固定。相關組裝如圖4所示。   圖4 鎂電池的組裝 3.        將組裝好的電池組合，LED燈泡朝前，放入塑膠圓筒中後，加入約3 mL的自來水，蓋上底蓋，觀察燈泡點亮的情況。隨後以三用電表量測電壓值。四個串連鎂電池測得的電壓約為3.2伏特。圖5為加水過程及燈泡點亮情形。   圖5：鎂電池注水孔的加水（左），點亮情形（右） 4.        以三用電表量測電壓值，量測完畢，5分鐘後，並撕開膠帶，一一攤開各層觀察金屬片。比較結果：反應後的鎂金屬表面呈現灰暗色。圖6為鎂金屬表面反應前後比較。 圖6：反應過的鎂金屬片有明顯發生腐蝕的現象（左），尚未反應的金屬片（右） 二、中國市售鎂電池的觀察 1.        取出中國市售的加水鎂電池，撕開電池的底部透明膠帶後，在加水孔加入約2~3 mL的自來水，貼上貼紙封住加水孔，觀察燈泡點亮的情況。圖7為鎂電池加水過程及點亮狀況。 […]