化學教室活動：利用粉筆進行電解實驗（Electrolysis using Chalk）〔I〕

化學教室活動：利用粉筆進行電解實驗（Electrolysis using Chalk）〔I〕
國立彰化女子高級中學化學科陳琬菁老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

學生講義之一（Student Handout I）

實驗介紹

粉筆在日常生活中可輕易獲得，看似平凡無奇的粉筆，其實可以巧妙地應用在化學實驗上。本實驗以粉筆當作電解裝置，以電池代替電源供應器，進行簡易的電解實驗，如圖一所示。此電解實驗除了可觀察到預測的結果之外，最大的優點是節省藥品及攜帶方便。

圖一 以粉筆（中下方）當作電解裝置

粉筆是日常生活中廣為使用的工具，一般用於書寫在黑板上。古代的粉筆通常用天然的白堊製成，但現今多用其他的物質取代。粉筆的成分是硫酸鈣（calcium sulfate, CaSO₄）。現在很多粉筆也用碳酸鈣（calcium carbonate, CaCO₃）取代傳統的硫酸鈣。本實驗所用的粉筆為傳統的硫酸鈣，乃因此種粉筆的孔隙較大，容易吸附電解液。

電解（Electrolysis）是直流電流（direct current, DC）通過電解質溶液或熔融態物質去驅動一個非自發性的反應，而在陰極（cathode）和陽極（anode）上引起氧化還原反應的過程。電解是商業上一個非常重要的過程，在從天然存在的物質分離出元素，如使用電解電池（electrolytic cell）從礦石分離出元素。

以下是本實驗電解三種溶液的半反應、全反應及其電位。

電解硫酸銅水溶液（以銅為電極）：
正極（陽極）：Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e^－    E_ox = –0.34 V
負極（陰極）：Cu²⁺(aq)+ 2e^－ → Cu(s)    E_red = 0.34 V
全反應：Cu(s) → Cu(s)    E_reaction = 0 V

電解碘化鉀水溶液：
正極（陽極）：2I^－(aq) → I₂(s) + 2e^－    E_ox = –0.54 V
負極（陰極）：2H₂O(l) + 2e^－ → H₂(g) + 2OH^－(aq)    E_red = –0.83 V
全反應：2I^－(aq) + 2H₂O(l) → I₂(s) + H₂(g) + 2OH^－(aq)    E_reaction = –1.37 V

電解硫酸鈉水溶液：
正極（陽極）：2H₂O(l) → 4H⁺(aq) + O₂(aq) + 4e^－    E_ox = –1.23 V
負極（陰極）：2H₂O(l) + 2e^－ → H₂(g) + 2OH^－(aq)    E_red = –0.83 V
全反應：2H₂O(l) → O₂(aq) + 2H₂(g)    E_reaction = –2.06 V

上述的電解鹽類水溶液的產物，有氣體和酸鹼物質產生，也有銅金屬和氧化銅以及碘分子產生。這些物質可以用直接觀察方式或各種檢驗方法，來判定反應是否發生或產物是否生成。

藥品和器材

1. 白色粉筆（粗粉筆，含calcium sulfate, CaSO₄）  2支/組
2. 美工刀（小支）  1支/組
3. 粗電線（當作銅電極，長5 cm）  1個/組
4. 鐵鉗  2-3支/班
5. 一字形螺絲起子（小型）  2-3支/班
6. 電池（9 V，含電池帽）  1個/組
7. 鱷魚夾導線（紅色和黑色）  2條/組
8. 飽和硫酸銅水溶液（Saturated cupric sulfate, CuSO₄, solution，）  20 mL/組
9. 接近飽和碘化鉀水溶液（Saturated potassium iodide, KI, solution,）  20 mL/組
10. 飽和硫酸鈉水溶液（Saturated sodium sulfate, Na₂CO₃, solution,）  20 mL/組
11. 酚酞指示劑（Phenolphthain indicator）  100 mL/班
12. 廣用指示劑（Universal indicator）  100 mL/班
13. 澱粉指示液（Starch indicator）  100 mL/班
14. 試管  3支/組
15. PE滴管  2支/組

實驗步驟

A. 電解硫酸銅水溶液

1. 先使用一支美工刀切斷一根白色粉筆成為等長的粉筆，再使用一支合適大小的一字形螺絲起子在粉筆的兩端鑽孔，深度約0.5 cm，如圖二所示。

圖二 粉筆的兩端鑽孔

2. 浸泡已鑽孔的粉筆在一杯約20 mL的飽和硫酸銅水溶液中，如圖三所示，待兩支粉筆潤濕後取出。註：兩組共用，一組一支即可。

圖三 浸泡粉筆在硫酸銅水溶液中

3. 剪兩段約5 cm的粗電線，每一段用鐵鉗剪掉兩端約1.5-2.0 cm的塑膠被覆，而裸露出細銅線，旋轉細銅線成棒狀。然後兩端的銅線都對折，當作銅電極，如圖四所示。

圖四 利用粗電線製作銅電極

圖五 電解硫酸銅的整套裝置

 5. 大約10分鐘後，解開鱷魚夾導線和銅電極。使用小支美工刀切開粉筆，觀察粉筆內部的變化情形並說明之。註：電解的時間隨電池的電力強弱而異。

B. 電解碘化鉀水溶液

1. 先使用一支美工刀切斷一根白色粉筆成為等長的粉筆，再使用一支合適大小的一字形螺絲起子在粉筆的兩端鑽孔，深度約0.5cm。然後在兩端約0.5 cm處各鑽一個氣孔，深度約0.3 cm。

2. 在一杯約20 mL的接近飽和碘化鉀水溶液中，加入約1 mL酚酞指示劑。浸泡已鑽孔的粉筆在此水溶液中，待整支粉筆潤濕後取出，如圖六所示。註：兩組共用，一組一支即可。

圖六 浸泡粉筆在碘化鉀水溶液和酚酞指示劑中

3. 取三支乾淨的試管，在第一支試管中裝約1/3滿的接近飽和碘化鉀水溶液，在第二支試管中裝約1/3滿的藥用酒精，在第三支試管中裝約1/3滿的蒸餾水。

4. 在已浸濕的粉筆兩端，先插入鉛筆的筆芯當作電極，再接上鱷魚夾導線和一個9V電池（含電池帽）進行電解，整組裝置如圖七所示。注意：紅色鱷魚夾導線與電池（正極）的紅色電線相接；黑色鱷魚夾導線與電池（負極）的黑色電線相接。

圖七 碘化鉀溶液的電解裝置

5. 在電解的過程中，觀察粉筆氣孔及兩端顏色的變化情形並說明之。

6. 大約10分鐘後，解開鱷魚夾導線和鉛筆的筆芯筆芯。使用小支美工刀剖開粉筆成為兩半，觀察兩極是否有產物生成並說明之。註：電解的時間隨電池的電力強弱而異。

7. 分別取少許的產物加到上述三支試管中，搖晃試管促使其溶解，觀察顏色變化並說明之。然後，然後分別加入1 mL或更多的澱粉指示液，觀察顏色變化並說明之。

請按此連結，參閱「學生講義之二」