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化学示範实验:滤纸电池(The Paper Battery)


2020-06-19


锌铜电池反应,是课程上到氧化还原反应中电化学部份最基础的反应,为了加深同学对锌铜电池原理的印象和理解,最好的方法就是把器材搬出来做一次给学生看一遍。但对老师来说,课堂上的示範实验需要準备搬动玻璃器材以及实验溶液,也只能由老师示範给学生看,对师生双方来说各有不足之处。因此,我们利用简便的滤纸电池,以锌片及铜片为电极,硫酸锌溶液及硫酸铜溶液为反应溶液,硝酸钾溶液为电解液,最重要的是将溶液的联结简化成吸满反应溶液与电解液的滤纸相叠,方便于示範实验的设置,且可同时让学生跟着在课堂上操作。滤纸电池让老师还可以用简便的方法示範电池的串联和并联,顺便複习电池的正极、负极,如果将电池连接到闹钟上,真的可以让闹钟响喔!

一、实验目的:
1. 了解氧化还原反应原理。
2. 了解电池原理及製作的方法。
3. 了解丹尼尔电池(锌铜电池)的构造。

二、实验原理:
在浸泡硫酸铜溶液的滤纸及浸泡硫酸锌溶液的滤纸之间,夹一张饱含硝酸钾的滤纸。将锌片及铜片相对分别贴近滤纸层的外侧,作为电池的二极。用该电池的来驱动马达或点亮小灯泡,也可以理解丹尼尔电池的原理。

伏特电池(Voltaic pile)的改良版──「丹尼尔电池(Daniel cell)」
伏特电池的最大缺点为:铜片表面附着氢气泡沫时,氢离子接受电子能力就会逐渐下降,严重影响电流的流动(此现象又称「分极」)。义大利科学家「丹尼尔」将锌、铜分别放入不同电解液中,成功地研发出「丹尼尔电池」,弥补了伏特电池的缺点。

锌铜电池(丹尼尔电池)的装置与反应
锌铜电池通常包含两个烧杯、锌片、铜片、盐桥和导线(图一)。

化学示範实验:滤纸电池(The Paper Battery)

锌片放出电子,氧化成锌离子进入溶液中。电子经由外电路到达铜片。铜片的作用只是传递电子给水溶液中的铜离子,铜离子接受电子后还原成铜元素沈澱在铜片上。其正负极发生的化学反应如下:
负极:ZnZn2++ 2e–    锌释放两个电子成为锌离子
正极:Cu2+ → Cu + 2e–   铜离子接受两个电子成为铜
总反应:Zn + Cu2+ →Zn2+ + Cu

盐桥的作用是平衡电荷,让水溶液保持电中性。负极反应中,锌离子会进入左边的烧杯,让正离子变多,此时盐桥中的负离子(NO32-)就会进入左边的烧杯平衡电荷。同时正极反应中,铜离子变少了,盐桥中的正离子(K+)就会进入右边的烧杯平衡电荷。如此正负极烧杯和盐桥就都能保持电中性,让反应能持续进行。
   
一个锌铜电池的电压大约1.1V,而闹钟约需要1.5伏特的电压,故我们需要串连两个电池,让学生复习电池的串并联。

三、实验仪器及药品:

化学示範实验:滤纸电池(The Paper Battery)
四、实验步骤:
1. 用砂纸仔细磨光做电极的铜片及锌片。
2. 配製1 M的硫酸铜溶液、1 M的硫酸锌溶液、及5%硝酸钾溶液。
3. 将滤纸剪成与铜片及锌片相同大小
4. 每一个滤纸电池需要:浸透硫酸铜水溶液的滤纸3张、浸透硫酸锌水溶液的滤纸3张、浸透硝酸钾水溶液的滤纸1张。
5. 锌片上依次放置浸透硫酸锌水溶液的滤纸3张、浸透硝酸钾水溶液的滤纸1张、浸透硫酸铜水溶液的滤纸3张,最上面铺铜片。
6. 用橡皮筋将电极两端捆紧。铜片的一端橡皮筋上缠绕5~8圈顶部已用砂纸磨掉的绝缘层的漆包线,用以传递流入负极的电流。锌片的一端橡皮筋上缠绕5~8圈头部已用砂纸磨掉的绝缘层的漆包线,用以传递流入正极的电流。
7. 整个电池用塑胶袋包装,以免渗透在滤纸内的溶液渗出,这样滤纸电池可完成。

实验照片:
1. 裁剪滤纸

化学示範实验:滤纸电池(The Paper Battery)

2. 以溶液滤纸浸泡

化学示範实验:滤纸电池(The Paper Battery)

3. 浸泡完成的滤纸

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4. 将组装好的电池接至闹钟测试看看是否可实用
化学示範实验:滤纸电池(The Paper Battery)

参考资料:
1. 左卷健男编着,萧衍繁、黄瑞金 译,《爱上化学实验课(下)》,第16页至第17页,世茂出版社,2005.07.14。
2.〈电池的历史 –电器製品与电池之进化〉,苹果数位网,2007。
   http://www.fuji.com.tw/shownews.asp?RecordNo=1361
3. 郑志鹏老师 编製,〈电化学–电池与电解:锌铜电池、乾电池、铅蓄电池、电解与电镀〉,2007.03.10。
   http://home.lsjh.tp.edu.tw/jjpong/podcast/elec_chem.pdf



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