取氫取氧合成水
壹、活動目標 Goal
使用生活周遭容易取得之材料,製作簡易的化學實驗裝置,觀察現象(能量轉換模式的應用,例如:化學能→動能),並了解對應的科學概念及原理。
大概念 Big Idea
燃料電池是能源直接轉換裝置,水電解的逆反應。陽極(氧化反應)為可被氧化的燃料(例如:氫氣、酒精…),陰極(還原反應) 為氧氣,屬於自發反應。
核心問題(探究問題) Essential Question
如何產生燃料電池反應?
燃料電池在生活中的應用?
教學對象
國中生1~3年級
教學時間
25分鐘/1節課
作者(服務單位)
1蔡正立*[台北市立兒童育樂營(前)]
2仿生與環境工作坊團隊
通訊作者e-mail
m0918311036@kimo.com
貳、課程綱要對照 Course Outline
※十二年國教素養導向綱要
【自然科學-第四學習階段-學習表現】
po -Ⅳ-1
能從學習活動、日常經驗及科技運用自然環境書刊網路媒體中,進行各種有計畫的觀察而能查覺問題。
pa-Ⅳ-2 能運用科學原理、思考智能、數學等方法,從(所得的)資訊或數據,形成解釋、發現新知、獲知因果關係、解決問題或是發現新的問題。
ai-Ⅳ-1
動手實作解決問題或驗證自己想法,而獲得成就感。
ai-Ⅳ-2
透過與同儕的討論,分享科學發現的樂趣。
參、活動原理 Theory
1、 將收集到的氫氣和氧氣,置入透明空心塑膠管中,兩端密閉。以壓電素子撞擊產生的火花,點燃氫氣和氧氣;快速燃燒,產生高壓,管壁上附著少量的水霧。
二、燃料電池是一種能源直接轉換裝置(化學能🡪電能),運作原理為水電解的逆反應。通常陽極(氧化反應)為可被氧化的燃料(例如:氫氣、甲烷、甲醇、酒精、沼氣…),陰極(還原反應) 為氧氣,屬於自發反應。燃料電池完全無污染,也無傳統電池充電耗時的問題,是目前最具發展前景的新能源。
三、1839年William R. Grove 爵士「氣體電池」實驗,將兩條白金分別放入二個密封瓶中(氫氣、氧氣),同時將二密封瓶放入稀硫酸溶液內,電流便在兩個電極之間傳遞,裝有氧氣瓶中產生水,為了提高電壓,分別串連相同的裝置,這種方式的電池稱作為「氣體電池」。在1889年 Ludwig Mond和 Charles Langer化學家分別以多孔性非傳導電解質,鉑黑當作電催化劑,以鑽孔的鉑金或者金片為集電器組裝為氣體電池。利用工業煤氣和空氣取代氫氣與氧氣,當時工作電流密度3.5mA/cm2時,電池輸出電壓為0.73V,首次製造出實用性燃料電池,將其命名為「Fuel Cell」。
燃料電池含有陰陽兩電極,分別充滿電解液,而兩電極間為具滲透性的薄膜所組成。燃料電池的基本元件包括電極(electrode)、電解質薄膜(electrolyte membrane)以及集電器(current collector)/ 雙極板(bipolar plate)。電極是燃料氧化與氧化劑還原的電化學反應發生的場所,電解質可分隔氧化劑與還原劑並同時傳導質子,集電器可收集電流、疏導反應氣體以及分隔氧化劑與還原劑。當燃料以氫氣由陽極進入,氫氣被觸媒分解成為氫質子與電子,電子的流動即產生電力。氫質子被氧『吸引』到薄膜的另一邊,電子則經由外電路形成電流後,到達陰極。在陰極催化劑之作用下,氫質子、氧及電子,發生反應形成水分子,水是燃料電池唯一的排放物。燃料電池使用的「氫」燃料可來自碳氫化合物,例如天然氣、甲醇、乙醇(酒精)、水的電解、沼氣…等。
陽極(負極):2H2(g) +4OH-(aq)→4H2O(l)+ 4e-
陰極(正極):O2(g)+2H2O(l)+4e-→4OH-(aq)
全反應:2H2(氫氣)+ O2(氧氣) → 2H2O(水)
(負/陽極) (正/陰極)
氣體體積比 2 : 1
氣體質量比 1 : 8
四、應用
依據燃料電池發電量,分為可攜式電源、交通運輸、住宅用電、定置型發電機、垃圾掩埋場及廢水處理廠。
優勢:
安全性(能源、國防)、可靠度(供電穩定、免充電)、多樣性(多種燃料、多用途)、高效能、
環境親和性(低汙染、低噪音、無廢棄物)
劣勢:
成本高、啟動速度慢、氫氣儲存/傳輸/儲存/轉換能量技術/充氣站…待改善。
肆、活動材料 Material
器材
壓電素子、橡皮塞(直徑約1.8cm)、塑膠管(直徑約1.8cm)、熱熔膠、保麗龍膠
藥品
酒精、氫氣、氧氣
【圖一】
【圖一】
伍、活動步驟 Step
第一部分
【圖一】準備材料 、【圖二】塑膠管中間打洞,塞入壓電材料和電線,以熱熔膠或保麗龍膠固定,再以膠帶黏貼塑膠管,加強結構。
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第二部分
【圖三至圖五】
針筒裝入氫氣和氧氣組成混合氣體,氫氣:氧氣=2:1(參考:水的電解取氫氧)。
以海綿塞或手指塞住,啟動壓電素子,觀察反應。將手放在塞子旁約5公分距離,感受質量輕巧的海綿塞被發射的力量。
若在爆炸前塞住塑膠管,將看到塑膠管中呈現微量霧狀的水氣。
針筒裝入酒精,以海綿塞(或手指)塞住,搖晃以手加溫後,啟動壓電素子,觀察反應。
【圖一】
【圖二】
【圖三】
【圖四】
【圖五】
教案學習單
(待調整)
點火後,為何海綿塞被噴出? 如何觀察霧狀的水氣?
參考答案:
氫氣是燃料,氧氣助燃,密閉空間內,燃燒瞬間產生大量熱能並推動海綿塞。水變成水蒸汽體積大約增大為1600倍。
在爆炸前塞住塑膠管,會看到塑膠管中呈現霧狀的水氣。
2. 如何控制海綿塞的飛行距離?
參考答案:
調整氫氣及氧氣用量,但是維持氫氣:氧氣=2:1。
3. 為何改用酒精?
參考答案:
以手溫加熱酒精後,約1∼2滴酒精液體可產生100cc酒精氣體,足夠推動活塞。
實作注意事項
實驗安全事項
控制氫氣、氧氣或酒精用量,發射時請朝向牆壁或面板。
實驗廢棄物處理
回收可利用材料。
教學心得
以簡易材料自製微型裝置,可操作,少藥品,易觀察,能協助學生認識燃料電池反應,並兼具綠色化學及環保概念。
參考資料
闖關活動(十分鐘)
壹、準備活動
★教師準備:
一、闖關地點預先放置長桌子。
二、實驗準備材料:如上述。必須先完成實驗材料預作。
三、製作工具:如上述。
四、預先製作一件作品當範本。
五、闖關卡。
六、說明板(一):原理、說明板(二):製作步驟及注意事項。
★學生準備:
一、預先分組。每組5-6人。
貳、闖關之前
一、闖關負責關主及學生就位。約需兩人,關主負責解說指導,副關主負責指導與通過與不通過判定。
二、預先集合參加同學,以小組隊伍排列。
三、說明關卡配置與發下小組闖關卡。
四、安全宣導,請小朋友注意安全,不可以在場地內奔跑。
五、請學生注意禮貌,進入關關卡和離開關卡都要跟關主問好。
参、進入關卡
1、 關主利用說明板(一)說明實驗原理。
2、 關主利用說明板(二)說明製作步驟及注意事項。
3、 學生實作。關主要掌握時間和隨時給予指導、提醒。
4、 完成作品的學生可以測試,視通過人數給予集點小貼紙。
5、 若尚有時間,可請未通過學生參考組員或請組員幫忙,改進錯誤後,再試一下。
6、 請未通過組員及通過組員說明製作的訣竅或有什麼新發現。
7、 關主總結實驗概念及生活應用。
8、 關主在闖關卡上簽名或蓋通過章。
伍、闖關結束
一、鼓勵學生繼續闖下一關,或到服務台交回闖關集點卡。
二、請學生說明參加闖關的心得感想與各關卡的相關科學原理。
三、鼓勵學生設計與製作更多有創意的DIY玩具。
預算表
每人次/每組的材料及預算(*以一組為單位)
項目.材料 / 數量/金額 (元)
1.壓電素子/
2.塑膠管/
3.熱熔膠/自備
4.熱熔槍/1/自備
5.保麗龍膠/
6.海綿塞/
7.酒精/
8.氫氣、氧氣/(參考:水的電解取氫氧)
總計 / 每人次(或每組)/30