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 […]