化學示範實驗：濾紙電池(The Paper Battery)

化學示範實驗：濾紙電池(The Paper Battery)
桃園縣私立復旦高級中學化學科陳淑媛老師/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

鋅銅電池反應，是課程上到氧化還原反應中電化學部份最基礎的反應，為了加深同學對鋅銅電池原理的印象和理解，最好的方法就是把器材搬出來做一次給學生看一遍。但對老師來說，課堂上的示範實驗需要準備搬動玻璃器材以及實驗溶液，也只能由老師示範給學生看，對師生雙方來說各有不足之處。因此，我們利用簡便的濾紙電池，以鋅片及銅片為電極，硫酸鋅溶液及硫酸銅溶液為反應溶液，硝酸鉀溶液為電解液，最重要的是將溶液的聯結簡化成吸滿反應溶液與電解液的濾紙相疊，方便於示範實驗的設置，且可同時讓學生跟著在課堂上操作。濾紙電池讓老師還可以用簡便的方法示範電池的串聯和並聯，順便複習電池的正極、負極，如果將電池連接到鬧鐘上，真的可以讓鬧鐘響喔！

一、實驗目的：
1. 了解氧化還原反應原理。
2. 了解電池原理及製作的方法。
3. 了解丹尼爾電池（鋅銅電池）的構造。

二、實驗原理：
在浸泡硫酸銅溶液的濾紙及浸泡硫酸鋅溶液的濾紙之間，夾一張飽含硝酸鉀的濾紙。將鋅片及銅片相對分別貼近濾紙層的外側，作為電池的二極。用該電池的來驅動馬達或點亮小燈泡，也可以理解丹尼爾電池的原理。

伏特電池(Voltaic pile)的改良版──「丹尼爾電池(Daniel cell)」
伏特電池的最大缺點為：銅片表面附著氫氣泡沫時，氫離子接受電子能力就會逐漸下降，嚴重影響電流的流動（此現象又稱「分極」）。義大利科學家「丹尼爾」將鋅、銅分別放入不同電解液中，成功地研發出「丹尼爾電池」，彌補了伏特電池的缺點。

鋅銅電池（丹尼爾電池）的裝置與反應
鋅銅電池通常包含兩個燒杯、鋅片、銅片、鹽橋和導線（圖一）。

鋅片放出電子，氧化成鋅離子進入溶液中。電子經由外電路到達銅片。銅片的作用只是傳遞電子給水溶液中的銅離子，銅離子接受電子後還原成銅元素沈澱在銅片上。其正負極發生的化學反應如下：
負極：Zn → Zn²⁺+ 2e^–    鋅釋放兩個電子成為鋅離子
正極：Cu²⁺ → Cu + 2e^–   銅離子接受兩個電子成為銅
總反應：Zn + Cu²⁺ →Zn²⁺ + Cu

鹽橋的作用是平衡電荷，讓水溶液保持電中性。負極反應中，鋅離子會進入左邊的燒杯，讓正離子變多，此時鹽橋中的負離子(NO₃^2-)就會進入左邊的燒杯平衡電荷。同時正極反應中，銅離子變少了，鹽橋中的正離子(K⁺)就會進入右邊的燒杯平衡電荷。如此正負極燒杯和鹽橋就都能保持電中性，讓反應能持續進行。
   
一個鋅銅電池的電壓大約1.1V，而鬧鐘約需要1.5伏特的電壓，故我們需要串連兩個電池，讓學生復習電池的串並聯。

三、實驗儀器及藥品：

四、實驗步驟：
1. 用砂紙仔細磨光做電極的銅片及鋅片。
2. 配製1 M的硫酸銅溶液、1 M的硫酸鋅溶液、及5%硝酸鉀溶液。
3. 將濾紙剪成與銅片及鋅片相同大小
4. 每一個濾紙電池需要：浸透硫酸銅水溶液的濾紙3張、浸透硫酸鋅水溶液的濾紙3張、浸透硝酸鉀水溶液的濾紙1張。
5. 鋅片上依次放置浸透硫酸鋅水溶液的濾紙3張、浸透硝酸鉀水溶液的濾紙1張、浸透硫酸銅水溶液的濾紙3張，最上面鋪銅片。
6. 用橡皮筋將電極兩端捆緊。銅片的一端橡皮筋上纏繞5~8圈頂部已用砂紙磨掉的絕緣層的漆包線，用以傳遞流入負極的電流。鋅片的一端橡皮筋上纏繞5~8圈頭部已用砂紙磨掉的絕緣層的漆包線，用以傳遞流入正極的電流。
7. 整個電池用塑膠袋包裝，以免滲透在濾紙內的溶液滲出，這樣濾紙電池可完成。

實驗照片：
1. 裁剪濾紙

2. 以溶液濾紙浸泡

3. 浸泡完成的濾紙

4. 將組裝好的電池接至鬧鐘測試看看是否可實用

參考資料：
1. 左卷健男編著，蕭衍繁、黃瑞金 譯，《愛上化學實驗課（下）》，第16頁至第17頁，世茂出版社，2005.07.14。
2.〈電池的歷史 –電器製品與電池之進化〉，蘋果數位網，2007。
   http://www.fuji.com.tw/shownews.asp?RecordNo=1361
3. 鄭志鵬老師 編製，〈電化學–電池與電解：鋅銅電池、乾電池、鉛蓄電池、電解與電鍍〉，2007.03.10。
   http://home.lsjh.tp.edu.tw/jjpong/podcast/elec_chem.pdf