水的電解取氫氧
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(水電解,例如:電能→化學能),並了解對應的科學概念及原理。
大概念 Big Idea
電流能分解水及溶解於水中的化合物。
將直流電導入氫氧化鈉溶液中,電極兩端會產生氫氣和氧氣,屬於非自發反應。
核心問題(探究問題) Essential Question
產生電解反應?
電解反應在生活中的應用?
教學對象
國中生1~3年級
教學時間
20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
一、水的電解裝置為電解電池,利用外加的電池組來提供電能,再轉換為化學能,強迫電解裝置內進行氧化還原反應,屬於非自發反應。電解應用包含:提煉礦石中的金屬、純化金屬、電鍍…等。例如:鋁工業利用電解熔融的氧化鋁與冰晶石(Na3AlF3)來製備金屬鋁,稱為霍爾電解法(Hall-Héroult process)。氯鹼工業電解海水(食鹽水)來製造氯氣、燒鹼(氫氧化鈉)海水提煉氯氣和氫氧化鈉,最新製程為薄膜法(Membrane cell process)。
二、水、空氣、陽光-人類生存必需品,如何發現水的組成?
18世紀科學家燃燒氫氣來產生水,證明水是氫、氧兩種元素組成的化合物。
如何從水中分解氫與氧?1800年英國奈可爾生聽說義大利伏打發明電池,動手製作電池並將連接電池兩極的兩條金屬導線放入水中,發現水中的金屬導線上冒出氣泡,水被電流分解成氫、氧(人類第一個電解實驗-電能🡪化學能。
三、水的電解
1.純水為極弱的電解質(1 L的水僅產生10-7M之H+與10-7 M之OH-)難導電,故須加入少量硫酸、氫氧化鈉或易解離之電解質如NaCl 等,產生離子以助水導電而電解
2.需用直流電
3.陰極得H2,陽極得O2
體積比 H2:O2=2:1
質量比 H2:O2=1:8
4.裝置:如圖。【圖一】
二、常見水的電解陽極及陰極之半反應
1.加入少量硫酸(H2SO4)
∵SO42-本身安定,不會至陽極處氧化而失去電子,故以水代替之
陽極:H2O(l)→2H+(aq)+1/2O2(g)+2e-
陰極:2H+(aq)+2e-→H2(g) (H+來自於H2SO4)
全反應:H2O(l)→H2(g)+1/2O2(g) (故H+、SO42-量均不變)
2.加入少量的NaOH
∵Na+本身安定,不會至陰極處還原而獲得電子,故以水代替之
陽極(正極):2OH-(aq)→H2O(l)+1/2O2(g)+2e-
陰極(負極):2H2O(l)+2e-→2OH-(aq)+H2(g)
全反應:H2O(l)→H2(g)+1/2O2(g) (故Na+、OH-量均不變)
3.加入少量NaCl(或KNO3、Na2SO4等)Na+(或K+)與Cl-亦不被電解
陽極:H2O(l)→2H+(aq)+1/2O2(g)+2e-
陰極:2H2O(l)+2e-→2OH-(aq)+H2(g)
全反應:H2O(l)→H2(g)+1/2O2(g)
<Note1>電解ⅠA+(鹼金屬離子)、ⅡA2+(鹼土金屬離子)、Al3+、NH4+等陽離子的水溶液時,陰極半反應為2H2O(l)+2e-→2OH-(aq)+H2(g)
<Note2>電解含NO3-、PO43-、SO42-、ClO4-、F-等陰離子水溶液時,陽極半反應為
H2O(l)→2H+(aq)+1/2O2(g)+2e-
<Note3>每電解1 mole的水,需消耗2 F法拉第(2×96500 coulomb庫倫)的電量
正/陽極氣體的檢驗:以點燃的火柴餘燼插入正極氣體試管內,發現:火柴餘燼復燃,且火焰較空氣中燃燒旺盛。
負/陰極氣體的檢驗:拇指按住負極氣體試管口,倒立試管,以點燃的火柴接近試管口再放開拇指,發現:氣體劇烈燃燒並產生爆鳴聲。
【圖一】
肆、活動材料 Material
器材
燒杯、自來水、熱熔膠、熱熔槍、AA乾電池*2、電池座、鱷魚夾*2、20ml針筒*2、軟管(三通軟管)、牛奶瓶蓋、白鐵鐵絲
【圖二】
【圖三】
藥品
氫氧化鈉、食鹽
【圖二】
【圖三】
伍、活動步驟 Step
第一部分
【圖四】
實驗材料預作 (10分鐘)
【圖五】準備材料。
【圖六】組裝電池盒、鱷魚夾。
【圖七】調配氫氧化鈉水溶液:燒杯裝入100ml的清水,放入約3~5g的氫氧化鈉結晶,調和成氫氧化鈉水溶液。
【圖八】拔出一個針筒的塞子(針筒1)。
【圖九】針筒1底部放入2根彎曲的白鐵針,一端放入針筒內,一端置於空氣,兩根白鐵鐵絲不能互相接觸,以熱熔膠固定-瓶蓋、針筒、白鐵針。
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第二部分
【圖十】以針筒將氫氧化鈉打入針筒1,針筒保留的空氣柱含量決定蒐集的氣體純度。
【圖十一】以虎尾夾夾住針筒1外的白鐵針,造成通路,電解反應開始了!直流電導到空氣中的電極,氫氧化鈉水溶液的電極會產生氣體。
【圖十二】針筒1針尖裝上軟管(三通軟管)來連結另一個針筒以蒐集氣體。氣體產生一定的量後,使用衣架尖端的塑膠套將針筒塞住,防止氣體洩出。
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第三部分
延伸實驗
活動一
1. 建構簡易電解裝置(100mL電解瓶及2根碳棒),並加入3%氫氧化鈉水電解液。
2. 通電後觀察碳棒上氣泡產生之情形及速率。
3. 將連接碳棒電極之鱷魚夾拆除,換上連接LED燈之鱷魚夾、觀察LED燈亮度變化有何不同?
活動二
1.觀察通電時間長短對LED燈亮度變化有何不同?
2.觀察碳棒距離對LED燈亮度變化有何不同?
【圖四】
【圖五】
【圖六】
【圖七】
【圖八】
【圖九】
【圖十】
【圖十一】
【圖十二】
教案學習單
(待調整)
1. 水被電解時,氣泡產生的速率是否不同,為什麼?
參考答案:
水分子H2O,產生氫氣比氧氣多。
2. 如何改變氣泡產生的速率?
參考答案:若電池(3V電池盒)改成交流電轉換器(12V),氣泡產生速度會更快。
3.為何使用氫氧化鈉水溶液來電解?
參考答案:
氫氧化鈉水溶液提供離子(電解質)。
用自來水來電解,氣泡產生極少。
自來水加入鹽巴再電解,產生氣泡較多,因為氯氣溶於水呈微綠色。
若以12V電源來電解時,則加速產氣,產生較濃綠顏色,陽極產生綠色沉澱物Fe(OH)3。
延伸實驗
1. 水被電解時分解為氫氣及氧氣,電極馬上連接LED燈,為何LED會亮?代表意義為何?
參考答案:
2. 增加水電解時間後,連接LED燈時,LED亮度及點亮時間是否加長?
參考答案:
3.如何增加LED燈的亮度及延長點亮時間?
參考答案:
實作注意事項
實驗安全事項
注意:氫氧化鈉水溶液是放熱反應,會感覺溫溫的;避免碰觸皮膚和眼睛,若碰觸請以大量清水沖淋。
實驗廢棄物處理
請回收3%氫氧化鈉水溶液、電池。
教學心得
以簡易材料自製微型電解裝置,可操作,少藥品,易觀察,能協助學生認識電解反應,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.燒杯/1/自備
2.清水/100ml/$0
3.熱熔膠/1/自備
4.熱熔槍/1/自備
5.AA乾電池/2
6.電池座/1
7.鱷魚夾/2
8.20ml針筒/2
9.軟管(三通軟管)/1
10.牛奶瓶蓋/1
11.白鐵鐵絲/2
12.氫氧化鈉/5g
總計 / 每人次(或每組)/$60