簡介

國中小的電解實驗大多是在水溶液的環境中進行，若在無水的環境下，可以進行電解嗎？答案是肯定，距今近兩百多年前，英國的科學家漢弗里．戴維（Humphry Davy）就利用自行設計的電解裝置，提煉出活性大的鉀、鈉、鈣等元素，是發現最多元素的化學家[1]。

與電解水溶液不同，一般的離子化合物需要在高溫環境下才能呈現熔融的液態，實驗時多是以本生燈為熱源，加熱坩鍋中的鹽類至熔融態再利用石墨棒進行電解[2]。本實驗設計透過新開發的微型電解裝置，以固態酒精凍為熱源，加熱Pyrex耐熱玻璃管中無水氯化鋅（熔點約290 ℃）至熔融態，再利用的9V乾電池進行電解。電解結束後，檢驗、鑑定正、負極產物的身分，藉此探討電解槽中陰、陽離子的移動與變化。

 器材與藥品

1.功率80W的雷射切割機。

2.工業顯微鏡1台（分組實驗可使用手機顯微鏡或USB顯微鏡）

3.螺絲攻牙器1組（含5.0 mm、6.0 mm的螺絲攻鑽頭）

4.鑽孔機1台（含4.2 mm、5.0 mm、8.0 mm鑽頭）

5.M5不鏽鋼內六角螺絲（長25 mm、10 mm，各兩個）【可購自五金材料行】

6.熔融鹽微型電解器模組1組，包含：可調整角度的支撐鋁架（尺寸=長×寬×高=13×13×150 mm）、壓克力底座、彎折120。Pyrex耐熱玻璃管作為電解槽（外徑Φ＝8.0mm，壁厚1.5mm，長120 mm）、藍光LED燈1個、0.5kΩ的電組1個。

7.紅、黑雙頭鱷魚夾導線各兩條

8.兩種電極包括：鎳鈦合金棒（ϕ=1.5 mm，長10 cm）1根、銅線（ϕ=1.0 mm，長10 cm）1根。

9.固態酒精燈（自製）：包括小型果醬罐、酒精燈棉芯約15公分長、環保黏土隨意貼。

10.95%藥用酒精20 毫升、飽和醋酸鈣（calcium acetate, Ca(CH3COO)2）溶液4毫升、無水氯化鋅（zinc chloride, ZnCl2）固體0.5克、碘化鉀澱粉試液5毫升（0.5 M的KI溶液4毫升與2%澱粉以1毫升混合）、1.0 M的鹽酸（hydrogen chloride, HCl）溶液5毫升，及棉花棒1根。

 實驗步驟熔融鹽微型電解器模組的製作

1.發想：在微型、可攜式的原則下進行，製作前的設計思考有三個方向：

(1)容器改善，以折彎的玻璃管代替坩鍋，減少加熱面積，節省能源。

(2)熱源改善，以自製的固態酒精凍取代本生燈，提高安全性。

(3)支撐架改善，以可調角度的傾斜式支架取代實驗室的鐵架、鐵夾，方便將實驗移動至其他空間進行。

2.外觀繪圖：利用PowerPoint簡易繪圖功能繪出草圖，標示底座、可調式支撐柱、耐熱玻璃管固定位置。圖1為熔融鹽電解模組設計外觀圖。

圖1.微型熔融鹽電解裝置外觀圖

3.底板雷切：打開雷切機暖機後，取一塊厚度為5 mm的透壓克力板，進行切割，切出長160mm，寬90mm的長方形壓克力底座。底座上須預先導好M5螺絲孔，供兩片L型角鐵固定用，孔徑預定為4.2mm。以M5的螺絲攻在壓克力底板上攻出螺孔，並以M5內六角螺絲將兩個L型角鐵緊固在底板；若不熟練螺絲攻，亦可直接雷切機導出M5圓孔，直接以M5螺絲穿孔，再於壓克力板背面以螺母緊定亦可。圖2為雷切設計圖及完成圖。

圖2.底板設計(左)和加工完成圖(右)

4.鋁棒加工：鋁棒尺寸為截面12.7 mm×12.7 mm，長15公分，其加工分成三個部分：

(1)於距鋁棒一端10mm處，以電鑽鑽出一個M5的圓孔；取一根長25 mm的M5柱頭螺絲做為轉軸，穿越L型角鐵與圓孔，再取一個蝶型螺母，將鋁棒緊夾持在兩片L型角鐵之間，完成後鋁棒即為可自由調整角度的支架。圖3為加工完成圖。

圖3.可調整角度的支架完成圖

(2)鬆開蝶型螺母，於距鋁棒另一端約15mm處，轉軸孔的90度的垂直面上，以電鑽鑽出一個M8的圓洞，做為耐熱玻璃管的夾持固定孔；隨後再於方形鋁棒的立面上攻出一個M6的螺孔，以一顆M6圓柱頭內六角螺絲的進退來控制耐熱玻璃管的鬆緊。

5.玻璃的加工：玻璃彎管可向實驗材料商直接購買折彎的現成品。本實驗採自製，需取一支外徑8mm，壁厚1.5mm，長約12公分的Pyrex耐熱玻璃管（硼玻璃），置於本生燈火焰的上部1/3處加熱，手指握住玻璃管需要不斷來回旋轉，直到管身軟化。將玻璃管移置火焰上方約10公分，緩慢彎折管身至所需的彎度，待冷卻後備用。可事先在A4紙上畫上草圖置於桌面上，做為彎折時參考。

6.組裝：將鋁棒的一端固定在轉軸上，確定鋁棒傾斜角度後，旋緊蝶型螺母；隨後將彎型玻璃管的一端穿入鋁棒另一端上的M8圓洞，接著旋入圓柱頭內六角螺絲，穩固夾持玻璃管，完成模組組裝。圖4為完成的玻璃管固定機構。

圖4.鋁棒立面上的M6螺孔(左)和電解槽玻璃管的夾持固定機構(右)

7.固態酒精罐的製作：取一個高度約3.5cm的小型果醬罐，為提高火源燃燒時的穩定度，需添加一根輔助穩定燃燒的棉芯。首先在薄馬口鐵蓋上鑽出一個略大於棉芯外徑的圓洞，接著將一條15公分長棉芯置入罐內，棉芯以藥用酒精先行濕潤，並以鑷子夾持棉芯的一端，保持筆直；隨後倒入4毫升的飽和醋酸鈣溶液，接著快速倒入20毫升的藥用酒精，當混合物形成白霧狀時，酒精凍的製備隨即完成。接著將棉芯穿出馬口鐵蓋的圓洞，旋緊螺蓋備用。圖5為完成的酒精罐測試過程。

圖5.固態酒精罐試燃狀況。

 教學應用：氯化鋅的電解

1.秤取0.5克的無水氯化鋅固體，倒入耐熱玻璃管中，讓白色固體集中在彎折處，輕敲玻璃管，減少粉末縫隙，然後將玻璃管的一端穿過方形鋁棒一端的圓孔，並旋緊固定。

2.實驗前，請預測正負極發生的變化與產物。正極的產物為________，正極的半反應為________________________________________；負極的產物為________，負極的半反應為________________________________________

3.將耐腐蝕的鎳鈦合金棒[3]與銅棒分別插入玻璃管的兩端，並沒入白色粉末中，做為正、負極；接著將製備完成的固態酒精罐，置於玻璃管彎折處的下方（為避免滑動危險，可先取兩小方塊的環保貼土，黏貼於果醬罐底部與壓克力板上）。隨後取9V電池，以雙頭鱷魚夾導線串連一個LED燈座與1個500歐姆，並連接正、負極。觀察LED燈是否點亮？圖6為熔融鹽電解準備圖


圖6.熔融鹽電解模組組裝圖

4.接著以打火機點燃酒精燈，開始加熱。1分鐘後，觀察白色粉末發生了甚麼變化？此時LED是否點亮？ 圖7為電解的過程變化


圖7.電解過程的變化圖

5.隨後以棉花棒沾取碘化鉀澱粉試液，靠近正極管口，觀察棉花棒是否有變化發生？嘗試根據顏色的變化推測產物的身分，並與預測做比較。圖8為測試結果。


圖8.正極產物的測試

6.持續加熱5~7分鐘，觀察熔融鹽的狀態；關閉火源，趁熔融鹽凝固前取出金屬電極，冷卻後，將電極浸入於盛有蒸餾水的燒杯中，沖洗電極上的鹽類後，再取出放置於衛生紙上陰乾，備用。

7.將負極的銅棒的前端置於工業顯微鏡下（若分組教學可改用手機顯微鏡或USB顯微鏡），觀察電解後銅線的外觀；隨後彎折負極的銅棒的前端置入於自製的微孔盤中，接著於孔中加入2滴的1.0M的HCl(aq)，觀察銅線的變化。嘗試根據螢幕中銅線外觀上的變化，推測產物的身分，並與預測相比較。圖9為顯微鏡下的銅線的變化。


圖9.銅線前端的變化(左)和銅線前端在鹽酸中的變化(右)

 原理與概念

熔融鹽的電解，過去僅出現在中小的課本的圖片中，因高溫環境引發的安全顧慮致使師生難有機會去體驗真實又單純的電解反應。筆者2018年至雪梨參加國際化學教育研討會時，參加了英國學者Bob Worley的實驗演示，其中介紹了溴化鉛的電解[4]，當時電解的環境就在玻璃管中進行。今(2020)年初獲周金城教授邀請，要設計一個中小學可以入班的電化學實驗，於是動了實驗改良的念頭，也嘗試完成個人電化學模組最後一塊拼圖的心願。

將中小學實驗室較陌生的溴化鉛，取代成無水氯化鋅；拿掉大鐵架，設計可調式電解支撐架；不使用液態酒精燈，更換成更安全的固態酒精罐；以棉花棒沾碘化鉀澱粉試液，安全地檢測正極產物氯氣的存在；以顯微鏡觀測到銅電極前端銀白鍍鋅層的存在、金黃色的鋅銅合金與紅棕色的銅金屬三者顏色的差別。

無水氯化鋅為無色或白色固體，熔點約290℃，在空氣中極易吸濕，甚至潮解變成4結晶水的水合物ZnCl2．4H2O[5]，所以氯化鋅藥品用過須密封，保存在乾燥的環境，否則結晶水的存在會干擾電解結果。直流電解氯化鋅的反應如下式表示：


當正極產物氯氣與碘化鉀澱粉試液反應時，氯氣將碘離子氧化成碘分子，澱粉與碘化合成藍黑色的錯合物。當銅電極前端的鋅鍍層遇到鹽酸時產生氣泡，此泡泡推測為氫氣，不過氣體產量極低，需要仔細觀察。

 教學建議與注意事項

1.教學建議：教學過程可進行提問，並讓學生上網搜尋資料，進行實驗後的問題討論，以下提供三個簡單提供學生討論：

(1)如果將氯化鋅改成溴化鉛的話，預期電解的實驗結果，與如何檢測產物的方法。

(2)依你判斷製備那一類的金屬，會較適合使用到熔融鹽的電解？

(3)為什麼中國古代歷史上有使用到金、銀、銅、鐵、錫製成錢幣或工具，卻沒有使用鎂、鋁、鈉金屬的記載？

2.注意事項：安全注意事項有五點，如下所述：

(1)鹽類的選取，以低熔點（低於500℃）、不含結晶水為原則（結晶水有可能影響產物），一般都為鋅、鉛、錫的鹵化物。本實驗因考慮藥品的安全性與普遍性等因素，因此選用無水氯化鋅。

(2)一般市售酒精燈，多為玻璃瓶身，體積較大，攜帶不便，安全性堪慮；市面上有高約4~5公分的鋁合金罐身，便攜性高，缺點是不易觀察瓶內剩餘液體量。

(3)自製的固態酒精罐燃燒的溫度經測試約500多度，溫度足以融化氯化鋅，不過建議一定要有棉芯，否則火焰會亂飄，無法穩定提供熱源；實驗完畢後酒精凍會漸漸瓦解成液狀，醋酸鈣非毒化物，依規定回收即可。

(4)明火實驗，有一定的風險，安全考量極為重要，為避免電解壓克力底座滑動，如同固態酒精罐的處理一樣，另取四小塊環保貼土，黏貼於壓克力底部的四個角落，降低酒精罐翻覆，引發火災的風險。

(5)本實驗雖為微型實驗，亦存在一定的高風險，強烈建議本實驗在實驗室中進行，教師必須規定學生穿著實驗衣，配戴護目鏡，維護自身的安全。