自動鉛筆筆芯也能當電極!? 用「氯化銅的電解」追蹤化學變化（微量實驗更環保！）

我是科普講師桑子研。每天都是一場實驗！

各位，提到科學實驗，你們會想到什麼呢？可能腦中會浮現一排排的燒杯、錐形瓶，還有很多看起來很複雜的化學藥品吧？不過，其實有更簡單、更環保的方式，一樣能深入了解科學的核心奧秘喔！這次，我們就來介紹一個在中學理化課很常見的實驗：「氯化銅電解」，但會用一種超級小的實驗器材（ #微孔盤 ）來進行，也就是「 #微型化實驗 」（Microscale Experiment）。這個實驗可不是只有通電而已，原本漂亮的藍色溶液會變成透明，然後會跑出你沒看過的**「金屬」**！這種像變魔術一樣的化學變化，你可以在眼前親眼見證喔！

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小型實驗室「微型化」的迷人魅力這次我們做的「 #微型化實驗 」，是我以前任教的學校就有在推廣的方法。因為它把化學藥品和水的使用量降到最低，所以實驗後產生的「廢液」可以大幅減少。它的最大優點就是，既環保，準備和收拾工作又簡單，而且實驗起來更安全有趣！因為實驗的規模很小，所以變化常常發生得很快，非常適合觀察！想更了解微型化實驗的朋友，請務必點開這篇論文來看看。裡面很詳細地整理了實驗的細節，還有氯化銅溶液的配製方法。

想深入了解微型化實驗，可以參考這篇論文

底下就是實際實驗的樣子！先來看段影片吧！

 

實驗準備與「原來如此！」的巧妙設計實驗要用的「氯化銅溶液」是藍色的液體。在理化實驗中，我們會精確計算藥品的濃度來準備。

【10% 二水合氯化銅（Ⅱ）水溶液的配製方法】

二水合氯化銅（Ⅱ）CuCl2​⋅2H2​O 式量 = 170.48

要配製 10% 的水溶液時，需量取扣除結晶水後是 10g 的量。由於 CuCl2​=63.5+35×2=133.5 ； 2H2​O=2×18=36 ，所以：

因此，將 13g 的二水合氯化銅（Ⅱ）晶體加水至 100g 即可。

這裡出現了一點專業的計算，這是因為在配製水溶液時，如果晶體中含有「結晶水」就需要做這個調整。不過，有個好消息是，這次實驗的氯化銅濃度不用太高也沒關係（3% 也可以喔）！論文裡建議在一個槽孔（實驗的洞）裡放 4cm3 ，但我為了比較，也準備了 1cm3 的量。順帶一提，假設一間學校有 40 人的班級（分成 10 組，每組 4 人）要進行實驗，所需的總量也只是 $4cm^3 \times 10 = 40cm^3$ 。就算全校有 4 個班級一起做，總共也只需要 $160cm^3$ （大約是一個牛奶盒的六分之一）！是不是超級環保！

（這次因為想做比較實驗，所以多做了一些）實驗步驟與安全小撇步實驗方法很簡單：

1. 將二水合氯化銅（Ⅱ）水溶液倒入槽孔中。
2. 插入碳棒電極，並施加 5V 的直流電壓。
3. 觀察陽極（＋極）和陰極（－極）發生的變化。
4. 檢驗陽極和陰極產生的物質。

這裡有個很有趣的小撇步！我們可以用「2mm 的粗自動鉛筆筆芯」來取代實驗用的碳棒電極！

2mm 的自動鉛筆筆芯

按壓式鉛筆替芯 2B 2mm 12支入 Takumi 7787 價格：442日圓（含稅，運費另計) (2022/10/16資料) 在樂天購買

自動鉛筆的筆芯跟鉛筆芯一樣是**「碳」**做的，所以很會導電！不過，這裡有個超重要的點，就是要**「防止短路」。如果正極（＋極）和負極（－極）在溶液裡碰到一起，電流就會直接從電極之間流過去（短路），而不是流過溶液進行電解，這樣實驗就會失敗，而且非常危險！所以我們用小塊的保麗龍來製作固定電極的底座**。就算沒有保麗龍，也要非常小心地將電極**「八字形」**張開，絕對不能讓它們碰在一起！

電路我們是用一個電源裝置分接出來，讓兩個實驗可以同時進行。電壓設定在 5V。

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開始實驗！藍色溶液大變身裝好電極，開始電解！仔細觀察溶液…變化馬上就出現了！在陰極（－極）那邊，可以看到有些茶色的物質開始附著上去。而在陽極（＋極）那邊，則開始冒出細小的泡泡。再持續通電大約 10 分鐘…原本鮮豔的藍色溶液竟然完全消失，變成透明的了！（※如果想加速，可以用 9V 左右的電壓，但要更小心短路喔！）

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解謎時間：「消失的藍色」和「出現的泡泡」是什麼？來揭開這些奇妙變化的真面目吧！首先，溶液的**「藍色」，其實是「銅離子」（$Cu^{2+}$）**這個粒子造成的。當氯化銅（$CuCl_2$）溶於水時，它會分成銅離子（$Cu^{2+}$）和氯離子（$Cl^-$）。【陰極（－極）發生的變化】陰極（－極）會吸引帶有正電的**「銅離子」（$Cu^{2+}$）。它們接著從電源接收到電子（$e^-$），變成電中性的「銅」（$Cu$）原子。附著在電極上的茶色物質，就是銅**！因為溶液中的藍色「銅離子」不斷變成「銅」附著上去，所以溶液的顏色就消失，變透明了。【陽極（＋極）發生的變化】陽極（＋極）會吸引帶有負電的**「氯離子」（Cl−）。它們把電子（e−）交出去後，變成「氯」（Cl2​）這種氣體（Gas）。那些不斷冒出來的泡泡，就是大家在游泳池消毒水味很熟悉的「氯氣」**！氯氣具有**「脫色作用」**，也就是讓顏色消失（漂白）的能力。我們讓學生自由發揮，想辦法驗證氯氣。有的組別是在濾紙上滴水性墨水（紅色），然後放在陽極附近確認脫色反應；有的把濾紙浸入溶液；也有的把水和墨水放到隔壁的槽孔，引導泡泡過去等等，方法五花八門。 除了水性墨水，我們還發現用綠色螢光筆來做脫色反應，顏色的變化會特別明顯！這也是一個很有趣的發現。

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拓展科學的連結實驗到這裡還沒結束喔！附著在陰極（－極）上的**「銅」，我們把它取出來放在濾紙上，再用湯匙等工具磨擦，就可以看到它發出閃閃發光的金屬光澤**！此外，還有組別是用瓦斯噴槍來燃燒溶液和附著的銅，確認**「焰色反應」**。銅在火焰中會發出青綠色的火焰，這就是用於煙火發色的原理。透過各種方法來確認自己取出的物質確實是「銅」…這正是科學最迷人的地方！比起只死背「電解」這個詞，親身體驗物質在眼前發生變化、顏色消失、新物質誕生的瞬間，會讓化學的樂趣大增。這真的是一個充滿各種發現的超棒實驗！關於微型化實驗，我也買了這本書來研究。

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