行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
高中基礎化學實驗微型化之設計
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2511-S-110-007-執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學化學系(所) 計畫主持人： 張祖辛 計畫參與人員： 吳威良 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢中
華
民
國 92 年 8 月 17 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
R 成 果 報
告 □期
中進度
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告
高中基礎化學實驗微型化之設計
計畫類別：R 個別型計畫 □ 整合型計畫
計畫編號：NSC 91－2511－S －110 －007－
執行期間：91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日
計畫主持人：張 祖 辛
計畫參與人員： 吳 威 良
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：R精簡報告 □完整
報告
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究
計畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
R涉及專利或其他智慧財產權，R一年□二年後可公
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執行單位：國立中山大學化學系
中 華 民 國 92 年 8 月 15 日
高中基礎化學實驗微型化之設計
張 祖 辛 國立中山大學化學系 摘要： 利用簡易的材料，設計出通用微型電解池和微型離子輸送反應池。設計中， 主要利用微小間隙中的物質不易有物質傳遞的現象與狹小空間中有明顯毛細現 象的原理來產生一般電化學反應池中必須要有的鹽橋功能。此微型裝置使一般反 應所需的藥品用量保持在 1 毫升以下。使藥品的需求量降低了一到兩個級數，同 時巨幅減少了廢棄物的排放量、縮短實驗所需的時間並增加了反應的安全性。 反應中所需的電源乃以電蚊拍改裝而成。它可提供一般電解下所需的低電位 和驅使離子移動時所需的高電位，是一個便宜又方便的被動式可變電源供應器。 此裝置可應用於所有高中化學實驗有關電化學的實驗中，故成功的達成將電 化學反應微型化的目標。在目前教育經費拮据、城鄉差距擴大和注重環保的要求 下，此微型裝置將可有效的降低各級學校實驗經費的支出、使資源匱乏的學校師 生也有能力進行實驗以提升學生的學習興趣並對實驗後廢棄物的處理不必費心。 關鍵詞： 微型電解池、微型離子移動反應池、高中化學實驗。英文摘要
Design of the Microscale Chemical Experiments in the Basic Chemistry Course of Senior High School
Tsu-Hsin Chang Department of Chemistry National Sun Yat-Sen University Kaohsiung (80424), Taiwan, R.O.C.
Abstract
We built a general-purpose microscale electrolytic cell and an ion transport microcell assembled with cheap materials. The function of salt bridge needed in a traditional electrochemical cell is performed with a tiny gap between two plates in these microcells. The electrolytes between those closely contacted plates are almost static and the tiny gap showed significant capillary effect. Both properties made the electrolytes in the tiny gap playing the role of a salt bridge successfully. Using the microscale apparatus, we kept the amount of each reagent used in experiments to less than 1mL. Thus, it decreased the cost of the microscale experiment one to two orders less than that of the traditional experiment. In addition, it lowered the amount of waste disposal dramatically, shortened the experimental period significantly and improved the laboratory safety considerably.
An electric mosquito hunter is modified to convert it into the electric power source used in these experiments. This element may provide a low potential to electrolyze the electrochemical active components in the general-purpose microscale electrolytic cell. On the other hand, it may generate a very high potential to drive the ions moving in the ion transport microcell. Thus, it can be viewed as a passive variable potential power source.
These apparatus may be applied to nearly all the electrochemical experiments in the senior high school. Therefore, the object of this project, doing experiments in microscale, is achieved successfully. Building these two microcells, we offered the selection to lower the cost of doing electrochemical experiments in senior high school, to reduce the amount of waste disposal produced from experiments and to shorten the experiment period. Adoption of these apparatus in chemical education will help those high schools to save budget, to improve their teaching performance and to meet the environmental regulations.
experiment. 前言： 隨著環保要求的日漸嚴格及中學教育資源的日漸緊縮，化學實驗的微型化已 是化學教育中不可逃避的發展方向。國內、國外都已有相當程度的發展(1-8)。尤 其國內在教改一綱多本的政策下，各學校都面臨用不同的課本就得做不同實驗的 窘境。而細觀各版本的內容，在一綱的限制下，其實欲傳達的化學觀念是一樣的。 而各版本的實驗中所用到的化學藥品往往不同，故在教材的選擇上，若考慮實驗 藥品的浪費，即已限定了換用教材的自由。而各家所用的實驗器材更是各有所 好。故於執行面來看，其實一綱多本不僅沒有達到原先給學校更多選擇的機會， 在更換實驗器材和藥品的考量下，反而剝奪了各學校自由選擇教材的機會。若各 實驗都能走入微型化的境地，或有通用的器材可用，則教師在考慮更換教材時所 受到實驗花費的影響，才可降至最低。 於高中基礎化學的教材內，各版本的書中都有電解實驗。例如較常用的南一 版中以傳統的方式進行離子存在的證據與簡易的電解實驗(9)；三民版中則以傳統 的方式進行碘化鉀的電解，而以微型實驗的方式示範過錳酸鉀的解離(10)；龍騰 版中則以近微型實驗的簡易方式行食鹽水的電解反應(11)。傳統方式所花實驗時間 較久且用量也大。三民版的微型方式若電解稍久，紙上的溶劑就會蒸乾而且過錳 酸離子也會在酸性液中漸漸褪色。龍騰版的實驗則最省時間也有微型實驗的特 徵，但是此方法卻不能用於做離子存在證據的實驗而且其中還是必須用棉線當作 鹽橋。故若有一通用的微型裝置，將可使所有這些電化學的反應都能順利進行。 故本計畫針對電化學的實驗提出了下面的解決之道。 實驗設計與製作 實驗裝置的主要目的在使電化學反應所需的化學藥品用量減少，同時又不失 操作方便和觀察容易為準。由於本計畫中包含兩個主要實驗。一個是觀察離子化 合物在水溶液中是以離子狀態存在，欲以實驗方法觀察離子在水溶液中實際會向 吸引它的電極方向移動以為證明。另一實驗則是欲以電解方法看陽極和陰極產生 的物質各不相同，並證明陽離子會在陰極發生還原反應而陰離子則在陽極進行氧 化反應。故以兩種不同的反應槽方式來進行此二種反應。 一、電解反應通用的微型電解裝置。 材料： 有孔壓克力板(一片)，載玻片(一片)，碳棒(兩支)，滴管(兩支)，鱷魚夾連電 線(兩條)，電蚊拍改裝電源(一具)，1.5 伏特電池(兩個)，溴化銅溶液(1 毫升)， 四氯化碳(兩滴)。 微型電解裝置的製作： 壓克力板：壓克力板必須要有下列的特徵：板面的面積必須略小於載玻 片的尺寸，以防止溶液由接觸面間外溢。使用市售透明壓克力板，板的厚度 約在 4~5 公厘間。壓克力板上的孔洞，以電鑽鑽孔。孔徑則為 6.5 公厘(1/4
英寸)。二孔中心距離為 1.2 公分。開孔位置如下圖所示： 1.2cm 7.5cm 2.5cm 0.65cm 其組裝方式則是將載玻片置於最下層，其上放置壓克力板。使壓克力板和載 玻片密合即可。壓克力板上的孔洞與載玻片所限定出的空間即是反應溶液的 容器。 電蚊拍改裝的電源供應器： 以起子鬆開握柄上的螺絲，並將電蚊拍之拍面和握柄分開。切斷握柄頂 端連到金屬網之連線。確認輸出之兩條導線的正負電極。再以鱷魚夾連線分 別連接此兩電極，紅線表正極，黑線表負極。(注意：未接負載時，此兩電 極的斷路電位可超過 1000 伏特。)如此即完成了一具好用又便宜的被動式可 調電源供應器。 微型裝置運作原理： 在此微型裝置中，壓克力板和載玻片間的界面間隙非常窄，足以限定水 溶液不易由兩板間流出。可是因水溶液有很強的毛細作用，故當以水溶液填 入孔洞形成的容槽內時，溶液可以經由毛細作用立即充滿兩板間的空隙，但 是因其間隙很小，故孔洞內的溶液仍可保持其液面高度，不致流失。由於此 二種作用，使得孔洞形成反應的適當容器，而兩板間的界面則形成具有相當 於洋菜膠能阻絕物質流動卻又能讓帶電粒子通過的功能。也就是說，兩板間 的間隙可模擬為具有鹽橋性質的空間。此時陽極和陰極的反應就被限定於各 自的孔洞中。而可輕易地觀察兩極分別發生的反應為何。並可就反應後，兩 極的溶液進行必要的確認。若所用板間的間隙過大，可以用橡皮圈束緊兩板 使間隙減小。 在此電解實驗中，因所用的水溶液有相當程度的離子濃度，其導電性甚 佳，故當電路接通時，電蚊拍改裝的電源供應器在電路上的實際輸出電位會 降低至約 6 伏特附近。這是因為電蚊拍電源供應器中，用來產生輸出的為一 電容器元件。故外電路的電阻值若降低，則其輸出電位就會隨著減少。因此， 電解反應中，所用的外加電位都在 6 伏特以下。 由電源供應器伸出的兩支鱷魚夾可以夾住由 AA 電池中取出的碳棒作 電極，也可用鉛筆的筆心替代碳棒；若有需要也可用迴紋針當作電極。但以 迴紋針作電極時，陽極的電位足使迴紋針本身進行氧化反應，若會造成干擾 則應避免使用。 實驗方法： 1. 組裝好微型電解裝置。
2. 以滴管取溴化銅溶液，於兩孔洞中各滴入 5 滴溶液。部分溶液會滲入兩板 間的間隙，注意不可使其產生氣泡。 3. 以正負極的鱷魚夾分別夾住碳棒，並將碳棒一端浸於孔洞內的溶液中。 4. 按下電源供應器的按鈕進行電解 5 分鐘。 5. 仔細觀察兩極溶液的顏色變化，並分辨由何電極處會放出氣味。 6. 電解結束後，取出碳棒並於正極孔洞中加入兩滴的四氯化碳，以滴管吸取 方式加以攪拌，觀察吸入滴管中的下層液體的顏色。 實驗結果： 電解進行中，可看到正極和負極處原先溶液的淡藍色都漸漸改變。正極 處的顏色由淡藍變綠再變成黃色，同時有氣味釋出。正極的溶液和四氯化碳 混合後，在四氯化碳中可見到棕色產生。 負極的溶液顏色漸漸變淡，近於無色。電極表面則生成黑色物質。 討論： 原始水溶液中的淡藍色為 Cu2+ (aq)的顏色。正極進行的是氧化反應，故 溶液中的溴離子於此被氧化為溴氣，故可聞到由此極放出的溴氣味道。因為 在水溶液中，溶於水中的溴分子濃度漸增和原來溶液中殘餘的淡藍色以不同 比例混合，故電解時可見到顏色連續的變化。 負極中的溶液進行的是還原反應。其中的 Cu2+(aq)會被還原為銅。但是 生成的銅顆粒極細，故以黑色呈現。溶液中的銅離子因為被消耗了，故顏色 漸漸變淡，反應結束時會趨近無色。 結論： 此實驗成功的以極少量的物質進行了正常裝置反應所可觀察到的全部 反應現象。而其反應時間則同時縮短為 5 分鐘。不只反應時間縮短，因為不 必準備洋菜，連準備時間也大幅度地減少。故符合微型實驗所強調的用量 少、體積小、污染低、時間省、反應快、效果好、操作易、安全高的特點。 二、溶液中離子輸送的微型裝置。 材料： 有孔壓克力板(一片)，載玻片(一片)，碳棒(兩支)，滴管(兩支)，鱷魚夾連電 線(兩條)，電蚊拍改裝電源(一具)，1.5 伏特電池(兩個)，1M 的二鉻酸鉀水 溶液(一滴)，1M 的硫酸銅水溶液(一滴)，純水(10 滴)。 微型裝置的製作： 壓克力板：壓克力板必須要有下列的特徵：板面的面積必須略小於載玻 片的尺寸，以防止溶液由接觸面間外溢。使用市售透明壓克力板，板的厚度 約在 4~5 公厘間。壓克力板上的孔洞，以電鑽鑽孔。小孔徑為 2~3 公厘間， 大孔徑則為 6.5 公厘(1/4 英寸)。開孔位置如下圖所示：
1.2cm 7.5cm 2.5cm 0.65cm 0.2cm 除了此壓克力板的開孔位置和前一實驗略有不同外，其餘裝置部分都與 前面反應相同。 微型裝置運作原理： 此實驗中微型裝置的運作原理大致和前一實驗相同。唯其中確有一極不 相似的地方。於前一實驗中是要進行電解反應，故所用電位約在 6 伏特以 下。但此實驗並非要進行電解反應，而是要觀察離子在水溶液中受電極作用 的移動情形。而帶電粒子受電場影響而運動，其運動的快慢是受電場梯度的 大小而變。故較大的電場梯度應有利於離子的移動。大電場梯度是由電源器 中的電容配以純水的高電阻特性共同作用達成。其正常操作電位在 200~300 伏特間。此環境造成類似電泳的帶電粒子運動的效應，故可使離子向相反電 性的電極上快速移動。 實驗方法： 1. 組裝好離子輸送的微型裝置。 2. 以滴管取純水，於兩大孔洞中各滴入 5 滴溶液。部分溶液會滲入兩板間的 間隙，注意不可使其產生氣泡。 3. 以正負極的鱷魚夾分別夾住碳棒，並將碳棒一端浸於大孔洞內的純水中。 4. 以滴管取二鉻酸鉀溶液和硫酸銅溶液各一滴，置入中央的小孔洞內。 5. 按下電源供應器的按鈕 5 分鐘。 6. 仔細觀察兩極溶液的顏色變化。 實驗結果： 通電後，於正極的孔洞內可看到溶液由無色漸漸變為橙色，而負極的孔 洞內則可見淡藍色的固體生成。中央小孔中溶液的顏色則漸漸變淡。小孔和 正極大孔間的路徑上，則隱約可看到橙色出現。 討論： 橙色為 Cr2O72-(aq)的顏色，故有橙色的地方就代表有 Cr2O72-離子的存 在。故由實驗結果可知，帶負電的二鉻酸陰離子受正極電位的影響已移到正 極的孔洞內。而帶正電的銅陽離子則移到負極的孔洞內，但由於負極內有部 分水進行還原反應，使得孔內的水具鹼性，故銅離子移入孔洞後就變成氫氧 化銅的固體。故實驗證實離子會受正負電極的吸引。 結論： 此實驗由於提供相當高的驅動電位，造成的大電場梯度使離子傳送的速 率很快。故可在短時間內即進入電極附近而使溶液呈現各離子的特性顏色。
離子實際移動的路徑，由於兩板間的間隙非常薄，故呈現的顏色較淡，必須 仔細觀察才可見到。但是由其最後的結果，可明確的證明離子確實可以向與 其電性相反的電極處移動。故此實驗符合微型實驗的各種優點外，最大的特 色即是結果十分明確所需時間又短。 三、原實驗用量與微型化後用量的比較 以每組學生實驗所需用品為準。 實驗器材的比較： 器 材 原實驗 微型化實驗 可調式直流電源器(0V~20V) 1 台 ----連鱷魚夾電線 2 條 2 條 迴紋針或碳棒 4 支 2 支 滴管 2 支 2 支 鐵架連鐵夾 1 組 ----U 型玻璃管(高 150mm) 2 支 ----燒杯(100mL) 2 個 ----燒杯(250mL) 1 個 ----試管(直徑 16mm,高 160mm) 1 支 4 支(全班共用) 酒精燈 1 個 ----三角鐵架 1 個 ----石綿心網 1 個 ----電蚊拍改裝電源器(0V~900V) 1 具 載玻片 1 片 有孔壓克力板(5mm 厚，略小於載玻片 大小) 1 片 1.5 伏特電池 2 個 實驗藥品的比較： 試藥 原實驗 微型化實驗 二鉻酸鉀晶體 5.0 公克 ---硫酸銅晶體(CuSO4· 5H2O) 5.0 公克 ---溴化銅溶液(1.0M) 50 毫升 少於 1 毫升 四氯化碳 2.0 毫升 2 滴 洋菜粉 20 公克 ---二鉻酸鉀溶液(1.0M) 10 毫升 1 滴 硫酸銅溶液(1.0M) 10 毫升 1 滴 硫酸溶液(1.0M) 40 毫升 ---由前列二表中，可以清楚的看出，微型實驗在器材和藥品的用量上都比 傳統實驗的需求少了許多。以二鉻酸鉀為例，原用量為 5.0 克，但在微型裝 置中的用量只有 0.0147 克，藥品的用量減少為原用量的 1/340。硫酸溶液在
微型實驗中也完全不需要。 在器材方面，同樣地減少了相當數量的器材使用。由於微型實驗裝置是 直接置於桌面，故各種支架都可完全不用。另外，由於不必用到洋菜膠，故 酒精燈、U 型管和燒杯也不必用到，大幅地增加實驗的安全性。體積龐大的 可調式直流電源器則以小巧又只用兩個 1.5 伏特 AA 電池的電蚊拍改裝的電 源器取代，不僅使用上較方便、價格上較便宜且又更安全。 總結： 本計畫中，利用簡單的材料組合成可做高中基礎化學教材中，幾乎所有電化 學方面的微型裝置。經操作後確實可得和利用傳統實驗裝置所得到的實驗效果。 其中的關鍵在於利用狹縫成功地模擬出鹽橋的功能以及改裝電蚊拍成為一被動 式可調電源器。此微型池不只適用於報告中的物質，尚可應用到任何其它的反應 系統。可以視為將電化學反應全部成功微型化的典型裝置。 因其為一微型化的裝置，故舉凡微型化實驗應有的特點，於此裝置中也全都 具備，可充分達成體積小、時間省、反應快、效果好、操作易、很安全、用藥少， 污染低的特點。 建議： 上述微型裝置經請參與高雄區化學學習成就優異班的部分同學測試後，都覺 得操作簡單，效果極佳，很節省時間。故以改善中學學生接觸化學實驗的機會而 言，應用微型池的實驗當可使教師更有意願從事實驗課程的教學。在改善城鄉差 距的考量下，對資源貧乏的學校，採行微型實驗當更容易提升學生的學習興趣。 微型實驗在化學教育上已成流行趨勢的今日，各級教材中應儘量採用有各種好處 的微型化實驗於其內容。 誌謝： 感謝行政院國家科學委員會研究經費補助（NSC 91-2511-S-110-007），使本 文得以順利完成。 參考資料： 1. 方金祥；科學教育月刊，第 103 期，51 頁，1987。 2. 蕭次融；科學教育月刊，第 234 期，69 頁，2000。
3. Singh, M. M.; McGowan, C. B.; Szafran, Z.; Pike, R. M.. J. Chem. Educ. 77, 625,
2000. 4. 佘瑞琳，張博文，鄭淑芬；中國化學會「化學」，第 52 卷，185 頁，1994。 5. 林笏稜，吳春桂，劉廣定；中國化學會「化學」，第 54 卷，63 頁，1996。 6. 方金祥；中國化學會「化學」，第 57 卷，225 頁，1999。 7. 方金祥；中國化學會「化學」，第 59 卷，353 頁，2001。 8. 方金祥；簡易安全水電解器。中華民國中央標準局專利公報，1997，24 (5)， 2347。 9. 翁春和主編；高級中學基礎化學。第 84 頁，南一書局，2000。 10. 楊永華，張麗英，羅世焜，何金錫；高級中學基礎化學。第 134 頁，三民書
局，2001。 11. 楊寶旺主編；高中基礎化學。第 139 頁，龍騰文化事業公司，2001。 自評： 本研究提供了通用型的電解微型裝置，並成功的得到預期中有效減少化學藥 品用量的目標。在此目標下，即使爾後所用到的化學藥品是環保上有相當顧慮的 項目，也可因為用量的大幅減少，不僅可使實驗的總排放量降低，減少廢棄物處 理的問題，且可輕易地符合環保規定的排放標準。對各級學校在設計化學實驗 時，於藥品或實驗內容的取材上可以較不受限制。不僅在藥品的使用上微型化可 節省用量，即使在器材的使用上，微型化的裝置也更經濟。具備這些優點，此成 果應可推廣至各級學校使用。 本研究中設計的裝置以創新的思維，模擬出傳統實驗條件下的微型設備，使 高中基礎化學教材中幾乎所有電化學方面的實驗都可微型化，完全達成本計畫所 設定的目標。 此研究成果整理後，將以通用微型電化學反應池的設計內容投稿至化學教育 期刊，以供關心化學教育者參考；並請本校申請國內新型式專利。
可供推廣之研發成果資料表
R 可申請專利 □ 可技術移轉 日期：92 年 8 月 15 日國科會補助計畫
計畫名稱：高中基礎化學實驗微型化之設計 計畫主持人：張 祖 辛 計畫編號：NSC 91-2511-S-110-007- 學門領域：科學教育技術/創作名稱
泛用微型電解及離子輸送裝置發明人/創作人
張祖辛技術說明
中文： 利用簡易的材料，設計出泛用微型電解池和微型離子輸送反應 池。設計中，主要利用微小間隙中的物質不易有物質傳遞的現象與 狹小空間中有明顯毛細現象的原理來產生一般電化學反應池中必 須要有的鹽橋功能。此微型裝置使一般反應所需的藥品用量保持在 1 毫升以下。使藥品的需求量降低了一到兩個級數，同時巨幅減少 了廢棄物的排放量、縮短實驗所需的時間並增加了反應的安全性。 反應中所需的電源具被動調變電位的性質。它可提供一般電解下所 需的低電位和驅使離子移動時所需的高電位，是一個便宜又方便的 被動式可調電源供應器。 附件二英文：
We built a general-purpose microscale electrolytic cell and an ion transport microcell assembled with cheap materials. The function of salt bridge needed in a traditional electrochemical cell is performed with a tiny gap between two plates in these microcells. The electrolytes between those closely contacted plates are almost static and the tiny gap showed significant capillary effect. Both properties made the electrolytes in the tiny gap playing the role of a salt bridge successfully. Using the microscale apparatus, we kept the amount of each reagent used in experiments to less than 1mL. Thus, it decreased the cost of the microscale experiment one to two orders less than that of the traditional experiment. In addition, it lowered the amount of waste disposal
dramatically, shortened the experimental period significantly and improved the laboratory safety considerably.
The electric power source used in these experiments is a passive variable potential power supply. This element may provide a low potential to electrolyze the electrochemical active components in the general-purpose microscale electrolytic cell. On the other hand, it may generate a very high potential to drive the ions moving in the ion transport microcell. Thus, it can be viewed as a passive variable potential power source.
