兩岸化學教育高峰論壇:綠色創客-2：霍夫曼微型電解水模組的設計與應用 廖旭茂 台中市立大甲高級中等學校 教育部高中化學學科中心 *nacl880626@hotmail.com 影片觀賞 本實驗影片由大甲高中提供，微型電解水器的設計、製作以及教學應用過程介紹。 影片網址：https://youtu.be/QaE1Ymuv6FU,YouTube. 簡介 水是醞釀生命的泉源，對於生物體來說是不可或缺的無機物質，為了瞭解水的組成，國中理化課程中，透過電解水實驗，以排水集氣法分別收集陰、陽兩極的氧氣與氫氣，觀測兩極的氣體體積比。 早期的電解水裝置是由德國的化學家霍夫曼（August Wilhelm von Hofmann [1]）於1866年所發明，電解器外型似H型玻璃製的聯通圓管，金屬電極貫穿橡皮塞，與帶刻度的圓柱形玻璃管底部相連接，兩極中間連接一根細直型的玻璃漏斗，供添加電解液並維持水位；陰陽兩極是由兩根白金棒，貫穿橡皮塞塞住玻璃管底部所組成，隨後以直流電源連接白金電極進行電解。今日玻璃製的霍夫曼電解器因為安全性與不方便考量，慢慢被塑膠的電解槽所取代的，下圖為電解水裝置。   圖2：圖左為霍夫曼電解器，圖右為塑膠製電解水裝置 傳統的電解器體積較大、使用的電解液不管是氫氧化鈉或硫酸鈉，都需要數百毫升的體積、過量的廢液處理問題，加上白金電極價格昂貴，總總因素讓目前中學做過電解水實驗，有實際動手做實驗且正確量測出氫氣與氧氣體積比的學生寥寥可數。因應潔淨能源–氫能的崛起，電解水的相關研究風起雲湧[2],[3]，如何改良電解水器，讓國高中的理科教師們都能方便地帶領學生進行電解水實驗，成了此次研發的重點。 延續之前在科學研習月刊的撰文（綠色創客：微型電化學電池的設計與應用 [4]）風格，應用跨領域的技術，從無到有，一步一步地完成新式的微型電解水裝置的設計，以及實驗模組的教學應用；微型的設計中以1毫升塑膠針筒取代傳統的玻璃管，進行陰陽兩極氣體的收集；應用雷射切割技術，壓克力製的電解槽具組裝容易，不易摔破、攜帶方便的優勢；陰、陽電極固著於塑膠螺絲上，螺絲電極可旋入電解槽底部螺孔，方便自由拆卸、更換；不受限於傳統電極固定性結構，提供進行電解的變因探究，目前可使用碳纖維、鐵、不鏽鋼、鎳鈦合金、黃銅以及純銅六種電極；除可透過USB行動電源進行電解實驗，實際節省98%化學試劑使用量，使用後的溶液亦可回收循環使用。下圖為學生在選修課進行微型電解水實驗操作圖。 圖3：本校微型電解水實驗的操作 本文除描述「微型電解水裝置」的製作方法外，亦提供電解水模組的教學使用示例，與教學的設計與應用，並且詳細地說明此實驗所涉及的原理與概念，以及教師教學的提示。期盼透過本刊物的分享，提供讀者瞭解電解水實驗的參考；落實實驗減量、減廢，實踐環境友善與綠色永續的教學目標。 器材與藥品 1.      功率80W的雷射切割機。 2.      透明壓克力板60cm × 40 cm，厚度8mm一塊（約可切出20組微型電解水裝置） 3.      螺絲攻牙器1組（含5.0mm的螺絲攻鑽頭）【購自五金材料行】 4.      鑽孔機1台（含1.4mm鑽頭） 5.      PP塑膠一字螺絲（Φ＝6mm，長12mm）數個【購自五金材料行】 6.      雙面矽膠帶（寬＝5mm、寬10mm，各一捲）兩捲 7.      塑膠針筒包括：1毫升針筒3支、2.5毫升針筒1支 8.      塑膠三通閥2個、雙通閥1個【購自醫療用品店，亦可使用3個三通閥】 9.      紅、黑鱷魚夾線各一條 10.  六種電極包括：碳棒2支(碳纖維)、鎳鈦合金棒、不鏽鋼棒、鐵棒、銅棒以及黃銅棒各1支（直徑Φ＝1.5mm，長6mm） 11.  止洩帶1捲 12.  0.5M硫酸鈉溶液、溴瑞香草酚藍指示劑（簡稱BTB）、0.5M硫酸銅（Copper sulfate, CuSO4）溶液、0.5 M碘化鉀（Potassium iodide, KI）溶液各10mL。 […]