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最古早的電池?一起來理解鍍金的原理——《PENNY 老師教你創意玩科學》

編按:美女 Penny 老師又來帶大家動手玩科學囉!這次要來看的是電解~新書《Penny 老師教你創意玩科學》中還會教大家如何用各種電化學手做 DIY 喔,例如這次就是用蝕刻在鐵杯寫字,很厲害吧~各位 maker 有沒有想到怎麼應用這個科學效應呢?

文/Penny 老師 陳乃綺

創意玩科學——電與磁

電是我們現今生活中不可缺少的能源之一,而國中理化中,電學也是非常重要的一個單元,且常常會隨著磁一起出現,尤其電化學的氧化還原與電磁的原理更是必考的內容。電化學是討論電在化學上的應用,包括電池、電鍍、電解、蝕刻等;而電與磁之間可謂密不可分,像早期映像管的電視就會利用帶電粒子在磁場中轉彎。

爸爸的手機有搭配觸控筆,可以直接在螢幕上寫字,小美很好奇,看起來跟普通的筆一樣,為什麼點一點螢幕就可以操作手機呢?

把水變電池?氧化還原造成的電轉移

電化學是化學中的一個分支,主要是在討論發生電轉移的化學反應,比如電鍍、電解、電池等,其原理為物質之間發生氧化還原反應,造成電的轉移。

  • 氧化是指物質失去電子,使物質的氧化數上升。
  • 還原是指物質得到電子,使物質的氧化數下降。
  • 氧化數是指化合物中,元素對電子吸引力不同,所假設的相對帶電量。

因為氧化還原是一起發生的,有物質失去電子就會有物質得到電子,發生氧化的物質當作還原劑,使另外一個物質得到電子而還原;反之, 發生還原的物質當作氧化劑,使另外一個物質失去電子而氧化。

當物質發生氧化還原反應時,我們可以物質氧化的傾向或還原的傾向來判斷,以金屬為例,我們會用金屬的活性來判斷什麼物質氧化、什麼物質還原。以銅和鐵為例,因為鐵比銅的氧化傾向更大, 因此當鐵釘泡在含有銅離子的硫酸銅溶液中,銅離子就會和鐵進行氧化還原,銅離子還原成銅,鐵則氧化成鐵離子。

你活性比較大,容易失去電子,快下來!我跟你換!

電轉移能用來做什麼?

● 電鍍

「電鍍」簡單來說就是將金屬鍍在其他物體表面的過程,鍍不同金屬的目的都不太一樣,比如在鐵的表面鍍銅,是為了避免鐵生鏽。

在生活中,電鍍還具有什麼功用呢?

  1. 為了防止金屬生鏽,會鍍活性低的銅,來保護金屬內部,如鑰匙。
  2. 鍍上金、銀或銅,使物體擁有金屬光澤、增加美觀,如項鍊。
  3. 提高物品的耐磨度。外層鍍上金屬,避免直接磨損裡面的金屬,如手機。
  4. 提升產品價值及質感。在鐵製的戒指上鍍上一層黃金,外觀就像金戒指一樣囉!

● 電解

電解是對電解質或熔融態的物質通電,在兩極會產生氧化還原反應,藉此得到化合物或元素。以電解水為例,電解水時,水會在兩極產生氧化還原反應,正極會產生氧氣,負極產生氫氣,再透過排水集氣法,就可以得到較純的氫和氧。

在工業上有許多元素都是利用電解來製作,例如:

  1. 電解熔融態的氯化鈉,可在陰極獲得金屬鈉,陽極獲得氯氣。
  2. 電解熔融態的氧化鋁,可在陰極獲得金屬鋁。
  3. 銅元素從銅礦中提煉出後,因為所含雜質較多,所以會再進行一次電解,來獲得純度較高的精銅。

接黑電線、接紅電線負極(—)正極(+)

● 電池

@Luigi Chiesa

電池的電是來自兩種物質發生氧化還原時,所轉移的電子,我們將電器接在電池的正負極,使整個迴路形成通路,電 子就會流經電器,使電器運作。隨著使用,電池內的物質完成氧化還原的愈多,電就會愈來愈少,直到反應完畢。

1. 最早的化學電池

最早的化學電池是科學家伏打發明的伏打電堆,他是利用 兩種不同活性的金屬,中間夾著一層沾滿鹽水的布,所堆疊起來。

2. 最早的儲電裝置

其實最早的儲電裝置是先前介紹過的萊頓靜電瓶,但萊頓靜電瓶只能一次性的放電,之後必須再充電,因此算是電容,而不是電池喔!

3. 充電電池

在生活中有許多電池是可以反覆使用的,比如汽機車電瓶、手機電池和一 般 3A 大小的充電電池,這些電池是將放電後的產物,再次通電電解,將反應後的產物電解回尚未產生反應前的狀態,就可以重複使用。


科學好好玩:蝕刻寫名字

棉花棒+鹽水+電池,在家也能做電鍍

通電蝕刻是用棉花棒沾濃鹽水後,利用鹽水和金屬發生氧化還原反應,金屬會氧化變成金屬離子,讓金屬被腐蝕,使表面產生凹陷,就可以得到自 己想要的圖案或文字囉。

 

實驗材料

1. 濃鹽水

2. 棉花棒

3. 9V 電池

4. 9V 電池底座

5. 湯匙

6. 電火布

實驗步驟

1. 取電池座正極一端電線,用電火布貼在湯匙柄的底部。

2. 另一端負極電線纏繞在棉花棒的一端。

3. 裝上 9V 電池。

4. 用棉花棒沾鹽水,在湯匙柄上用力寫下自己的名字。

生活小教室:蝕刻有兩種,乾式和溼式

蝕刻是指將金屬表面去除,顯現出獨特的紋路。方法有兩種,化學的溼式蝕刻及物理的乾式蝕刻。

溼式蝕刻是利用藥劑與物質進行氧化還原來達到蝕刻的效果,如果是利用通電的蝕刻方法,則金屬活性愈高,所需的電壓較小,如果活性不大,則通電所需的電壓就較大。

乾式蝕刻是利用惰性氣體離子,高速撞擊欲去除的部分,乾式蝕刻會在一個容器內,施以電壓,將惰性氣體離子化,而在陰極的靶材, 因為帶負電,所以會吸引帶正電的氣體離子加速衝擊,產生蝕刻的效果。

(本文轉摘自《Penny 老師教你玩創意科學》,Penny 老師 陳乃綺 著)

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vMaker編輯部

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