壹、摘要

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1 中 華 民 國 第 四 十 六 屆 中 小 學 科 學 展 覽 會 作 品 說 明 書 高 中 組 化 學 科 佳 作 挑 戰 電 中 性 原 理 ~ 帶 電 溶 液 的 研 究 學 校 名 稱 : 國 立 彰 化 高 級 中 學 作 者 : 高 二 范 剛 瑋 高 二 王 政 指 導 老 師 : 李 嘉 輝 黃 文 吟 高 二 謝 曜 謙 高 二 周 益 田 關 鍵 詞 : 水 合 電 子 靜 電 電 解 Van de Graff 起 電 器

2 壹 摘 要 利 用 范 氏 起 電 器 將 靜 電 導 入 蒸 餾 水 甘 油 苯 環 己 烷 乙 醇 正 丙 醇 正 戊 醇 HCl(aq) NaCl(aq) CuSO4(aq) 等 不 同 溶 液 中 我 們 發 現, 非 電 解 質 溶 液 可 以 藉 由 極 性 分 子 的 媒 合 作 用 貯 存 電 子, 而 其 中 H2O 效 果 最 好, 即 水 合 電 子 是 可 以 穩 定 存 在 的! 但 在 水 中 若 添 加 HCl NaCl 等 電 解 質 將 會 提 高 溶 液 導 電 性, 以 致 於 無 貯 存 電 子 的 效 果 我 們 也 發 現 苯 雖 不 是 極 性 分 子, 但 因 具 有 π 共 振 系 統, 也 能 有 效 貯 存 電 子 貳 研 究 動 機 我 們 從 化 學 課 堂 上 得 知, 凡 溶 液 皆 為 電 中 性 的, 但 我 們 對 其 提 出 了 質 疑, 想 要 挑 戰 溶 液 必 定 電 中 性 的 原 理, 製 造 一 種 帶 電 的 溶 液 在 參 考 多 本 實 驗 書 籍, 又 和 老 師 討 論 後, 著 手 帶 電 溶 液 的 製 備, 看 看 是 否 可 以 找 到 方 法 能 讓 靜 電 產 生 的 電 子 可 以 穩 定 存 在 溶 液 中 參 研 究 目 的 一 將 靜 電 導 入 不 同 溶 劑, 並 測 定 溶 液 的 帶 電 情 形 二 探 討 不 同 靜 電 的 導 入 方 式 對 不 互 溶 二 溶 劑 系 統 的 帶 電 影 響 三 利 用 靜 電 移 除 裝 置 測 量 靜 電 導 入 不 同 溶 劑 所 能 維 持 的 時 間 肆 研 究 設 備 及 器 材 器 材 藥 品 Van de Graff 起 電 器 1 台 苯 10ml 示 波 器 1 台 環 己 烷 20ml 除 濕 機 1 台 蒸 餾 水 25ml 吹 風 機 1 支 甘 油 20ml 燒 杯 3 個 異 丙 醇 15ml 定 量 滴 管 1 支 靜 電 移 除 裝 置 1 只 白 金 絲 1 條 導 線 5 條 實 驗 裝 置 示 意 圖 ( 位 於 通 風 櫥 內 ) 1

3 伍 研 究 過 程 及 方 法 一 前 置 作 業 : 在 通 風 櫥 內 以 除 溼 機 運 轉 15 分 鐘, 將 實 驗 環 境 達 到 適 濕 狀 態, 使 Van de Graff 起 電 器 達 到 最 大 輸 出 效 能 二 主 題 實 驗 : ( 一 ) 將 靜 電 導 入 不 同 溶 劑, 並 測 定 溶 液 的 帶 電 情 形 1. 取 蒸 餾 水 15ml, 置 於 50ml 燒 杯 中 2. 從 Van de Graff 起 電 器 接 出 一 條 導 線, 以 白 金 絲 為 電 極 接 觸 液 面 並 固 定 於 滴 定 夾 上, 以 方 便 調 整 電 極 和 溶 液 的 接 觸 情 況 3. 開 啟 示 波 器, 將 銅 線 接 於 探 針 上 後 亦 固 定 於 另 一 滴 定 夾 上, 使 示 波 器 可 以 擷 取 液 面 上 電 壓 的 變 化 情 形 4. 將 探 針 移 至 液 面 上 方 及 下 方 5mm 處, 測 量 其 電 位 對 照 組 5. 開 啟 Van de Graff 起 電 器 並 觀 察 示 波 器 的 變 化 並 加 以 記 錄 實 驗 組 6. 取 甘 油 環 己 烷 苯 為 待 測 液, 重 複 步 驟 1~6, 並 記 錄 ( 二 ) 探 討 不 同 靜 電 的 導 入 方 式 對 不 互 溶 二 溶 劑 系 統 的 帶 電 影 響 1. 取 蒸 餾 水 15ml 置 入 燒 杯, 加 入 10ml 環 己 烷 2. 設 置 好 起 電 器 及 示 波 器, 並 分 別 將 探 針 及 電 極 做 下 列 擺 放 : 電 極 探 針 遠 離 液 面 上 環 己 烷 中 蒸 餾 水 中 遠 離 實 驗 1A 實 驗 2A 液 面 上 實 驗 6 實 驗 3A 實 驗 4A 環 己 烷 中 實 驗 1B 實 驗 3B 實 驗 7 實 驗 5A 蒸 餾 水 中 實 驗 2B 實 驗 4B 實 驗 5B 實 驗 8 3. 開 啟 Van de Graff 起 電 器 4. 同 時 觀 察 各 溶 液 現 象 以 及 示 波 器 訊 號, 並 記 錄 ( 三 ) 測 量 出 靜 電 導 入 不 同 溶 劑 在 靜 電 移 除 裝 置 下 所 能 維 持 的 時 間 1. 取 蒸 餾 水 40ml, 置 於 100ml 燒 杯 中 2. 從 Van de Graff 起 電 器 接 出 一 條 導 線, 以 白 金 絲 為 電 極 接 觸 液 面 並 固 定 於 滴 定 夾 上, 以 方 便 調 整 電 極 和 溶 液 的 接 觸 情 況 3. 分 別 將 靜 電 導 入 秒, 完 成 後 取 出 電 極, 使 用 靜 電 移 除 裝 置 測 量 其 靜 電 在 液 面 上 存 在 的 時 間 4. 取 甘 油 環 己 烷 苯 乙 醇 正 丙 醇 正 戊 醇 為 待 測 液, 重 複 步 驟 1~6, 並 記 錄 2

4 陸 研 究 結 果 一 將 靜 電 導 入 不 同 溶 劑, 並 測 定 溶 液 的 帶 電 情 形 ( 一 ) 實 驗 數 據 (1): 表 一 靜 電 導 入 後 不 同 溶 液 表 面 上 之 電 位 (V) 組 別 溶 液 對 照 組 * 實 驗 組 蒸 餾 水 甘 油 環 己 烷 苯 實 驗 數 據 (2): 表 二 靜 電 導 入 後 不 同 溶 液 表 面 下 之 電 位 (V) 組 別 溶 液 對 照 組 * 實 驗 組 蒸 餾 水 甘 油 環 己 烷 苯 * 對 照 組 : 不 經 靜 電 電 解 而 直 接 以 示 波 器 測 其 電 壓 之 組 別 ( 二 ) 數 據 分 析 (1): 以 極 性 的 有 無 作 區 別, 則 其 中 極 性 溶 液 之 電 位 較 大 而 其 中 水 之 電 位 尤 高 於 其 他 溶 液 數 據 分 析 (2): 以 極 性 的 有 無 作 區 別, 除 了 苯 溶 液 之 外, 大 體 上 而 言 極 性 溶 液 液 面 下 的 電 位 仍 然 比 非 極 性 溶 液 來 的 高, 這 其 中 又 以 水 為 最 高 二 探 討 不 同 靜 電 的 導 入 方 式 對 不 互 溶 二 溶 劑 系 統 的 帶 電 影 響 ( 一 ) 實 驗 現 象 : 1.< 實 驗 1A>: 電 極 遠 離 示 波 器 的 探 針 在 環 己 烷 中 皆 無 現 象 發 生 2.< 實 驗 1B>: 電 極 在 環 己 烷 中 探 針 遠 離 電 極 下 方 e - 的 環 己 烷 水 界 面 向 下 凹 實 驗 1A 實 驗 1B 3.< 實 驗 2A>: 電 極 遠 離 探 針 在 蒸 餾 水 中 註 : 無 現 象 發 生 1. 上 層 為 環 己 烷 4.< 實 驗 2B>: 電 極 在 蒸 餾 水 中 探 針 遠 離 2. 下 層 為 蒸 餾 水 無 現 象 發 生 3. 導 入 靜 電 電 極 置 於 溶 液 左 側 4. 示 波 器 探 針 置 於 溶 液 右 側 3

5 5.< 實 驗 3A>: 電 極 在 液 面 上 探 針 在 環 己 烷 中 電 極 下 方 的 環 己 烷 水 界 面 向 上 凸 探 針 下 方 的 環 己 烷 水 界 面 向 下 凹 6.< 實 驗 3B>: 電 極 在 環 己 烷 中 探 針 在 液 面 上 電 極 下 方 的 環 己 烷 水 界 面 向 下 凹 探 針 下 方 的 環 己 烷 水 界 面 向 上 凸 7.< 實 驗 4A>: 電 極 在 液 面 上 探 針 在 蒸 餾 水 中 電 極 下 方 的 環 己 烷 水 界 面 向 上 凸 探 針 處 無 現 象 8.< 實 驗 4B>: 電 極 在 蒸 餾 水 中 探 針 在 液 面 上 電 極 處 無 現 象 探 針 下 方 的 環 己 烷 水 界 面 向 上 凸 9.< 實 驗 5A>: 電 極 在 環 己 烷 中 探 針 在 蒸 餾 水 中 電 極 下 方 的 環 己 烷 水 界 面 向 下 凹 探 針 處 無 現 象 10.< 實 驗 5B>: 電 極 在 蒸 餾 水 中 探 針 在 環 己 烷 中 電 極 處 無 現 象 探 針 下 方 的 環 己 烷 水 界 面 向 下 凹 11.< 實 驗 6>: 電 極 在 液 面 上 探 針 在 液 面 上 皆 無 現 象 發 生 12.< 實 驗 7>: 電 極 在 環 己 烷 中 探 針 在 環 己 烷 中 電 極 下 方 的 環 己 烷 水 界 面 向 下 凹 探 針 下 方 的 環 己 烷 水 界 面 向 下 凹 13.< 實 驗 8>: 電 極 在 蒸 餾 水 中 探 針 在 蒸 餾 水 中 皆 無 現 象 發 生 e - e - 實 驗 3A 實 驗 3B e - e - 實 驗 4A 實 驗 4B e - e - 實 驗 5A 實 驗 5B e - e - 實 驗 6 e - 實 驗 7 ( 二 ) 實 驗 歸 納 1. 單 極 ( 探 針 或 電 極 ) 時 : (1) 探 針 不 管 置 於 何 處, 皆 不 會 有 現 象 發 生 (2) 電 極 置 於 環 己 烷 中, 下 方 的 環 己 烷 水 界 面 向 下 凹 置 於 液 面 上 或 蒸 餾 水 中 則 無 反 應 2. 雙 極 ( 探 針 和 電 極 ) 時 : 電 極 和 探 針 的 效 應 相 同 ( 與 " 身 份 " 無 關 ), 只 和 擺 放 位 置 有 關 (1) 若 置 於 液 面 上, 則 其 下 方 的 環 己 烷 水 界 面 向 上 凸 (2) 若 置 於 環 己 烷 中, 則 其 下 方 的 環 己 烷 水 界 面 向 下 凹 (3) 若 置 於 蒸 餾 水 中, 則 無 現 象 發 生 實 驗 8 4

6 三 測 量 出 靜 電 導 入 不 同 溶 劑 在 靜 電 移 除 裝 置 下 所 能 維 持 的 時 間 ( 一 ) 實 驗 數 據 (1): 表 三 蒸 餾 水 中 靜 電 導 入 時 間 及 留 存 時 間 關 係 導 入 時 間 (s) 留 存 時 間 (s) 平 均 實 驗 數 據 (2): 導 入 時 間 (s) 表 四 甘 油 中 靜 電 導 入 時 間 及 留 存 時 間 關 係 留 存 時 間 (s) 平 均 實 驗 數 據 (3): 導 入 時 間 (s) 表 五 苯 中 靜 電 導 入 時 間 及 留 存 時 間 關 係 留 存 時 間 (s) 平 均

7 實 驗 數 據 (4): 表 六 環 己 烷 中 靜 電 導 入 時 間 及 留 存 時 間 關 係 導 入 時 間 (s) 留 存 時 間 (s) 平 均 實 驗 數 據 (5): 表 七 乙 醇 中 靜 電 導 入 時 間 及 留 存 時 間 關 係 導 入 時 間 (s) 留 存 時 間 (s) 平 均 實 驗 數 據 (6): 表 八 正 丙 醇 中 靜 電 導 入 時 間 及 留 存 時 間 關 係 導 入 時 間 (s) 留 存 時 間 (s) 平 均

8 實 驗 數 據 (7): 表 九 正 戊 醇 中 靜 電 導 入 時 間 及 留 存 時 間 關 係 導 入 時 間 (s) 留 存 時 間 (s) 平 均 照 片 一 實 驗 4A 實 景 照 片 二 實 驗 7A 實 景 照 片 三 實 驗 5A 實 景 照 片 四 靜 電 移 除 裝 置 近 照 7

9 柒 討 論 一 將 靜 電 導 入 不 同 溶 劑, 並 測 定 溶 液 的 帶 電 情 形 ( 一 ) 對 於 本 實 驗 選 用 的 溶 液, 有 下 列 特 性 1. 蒸 餾 水 : 極 性, 分 子 較 小 2. 甘 油 : 極 性, 分 子 較 蒸 餾 水 大, 具 黏 稠 性 3. 環 己 烷 : 非 極 性, 分 子 較 大 4. 苯 : 非 極 性, 分 子 較 大, 擁 有 共 振 之 π 電 子 系 統 ( 二 ) 溶 液 上 及 溶 液 下 之 電 位 平 均 值 我 們 使 用 示 波 器 測 定 溶 液 電 位, 在 實 驗 中, 我 們 發 現 最 高 電 位 的 蒸 餾 水 中, 電 荷 分 布 在 液 面, 因 此 我 們 將 示 波 器 探 針 固 定 在 一 面 上 下 各 5mm 並 取 其 平 均 值 為 測 定 電 壓 表 十 靜 電 導 入 後 不 同 溶 液 表 面 上 之 電 位 (V) 組 別 對 照 組 實 驗 組 溶 液 蒸 餾 水 甘 油 環 己 烷 苯 ( 三 ) 以 極 性 的 有 無 作 區 分, 則 有 極 性 的 溶 液 測 得 的 電 位 較 高, 而 無 極 性 的 溶 液 電 位 較 低 導 入 水 合 電 子 " 的 模 型 做 下 列 解 釋 : 圖 一 圖 二 註 : 圖 一 為 Y. R. Shen 博 士 Water and Ice 之 理 論 1. 裸 露 的 電 子 藉 著 自 身 形 成 的 電 場 吸 引 週 遭 的 極 性 分 子 以 成 為 團 簇 分 子, 藉 此 較 穩 定 的 存 於 極 性 溶 液 中 故 極 性 溶 液 之 電 位 較 非 極 性 溶 液 之 電 位 高 2. 而 極 性 溶 液 之 中, 水 分 子 較 甘 油 分 子 小 且 質 輕, 較 容 易 受 到 裸 露 電 子 的 吸 引 而 形 成 穩 定 狀 態, 故 水 分 子 之 電 位 較 甘 油 高 8

10 ( 四 ) 對 於 非 極 性 溶 液 中 之 環 己 烷 和 苯 電 位 之 差 距, 則 可 推 論 為 苯 相 較 於 環 己 烷, 擁 有 π 電 子 的 共 振 系 統 可 容 納 靜 電 導 入 電 子, 以 致 其 電 位 高 於 環 己 烷 圖 三 π 電 子 的 共 振 系 統 示 意 圖 二 探 討 不 同 靜 電 的 導 入 方 式 對 不 互 溶 二 溶 劑 系 統 的 帶 電 影 響 ( 一 )1. 由 實 驗 ㄧ 中 電 位 數 據 顯 示, 相 對 於 環 己 烷, 電 荷 極 傾 向 於 存 在 於 蒸 餾 水 之 中, 而 環 己 烷 可 以 看 成 一 層 很 滑 溜 的 溶 劑, 沒 有 任 何 保 存 電 荷 的 效 能, 將 靜 電 導 入 後, 電 子 會 很 快 的 從 環 己 烷 中 滑 走, 並 沒 有 留 存 在 其 中 2. 由 上 頁 水 分 子 的 微 觀 分 布 圖 看 來, 氫 原 子 是 朝 向 液 面 的, 由 於 氧 原 子 的 電 負 度 較 大, 使 氫 原 子 那 端 相 較 之 下 偏 向 帶 正 電 的 情 形, 也 就 是 說, 水 的 表 面 是 偏 正 電 性 的 3. 我 們 也 測 量 出 示 波 器 的 探 針 那 端, 是 帶 有 靜 電 的 ( 後 來 根 據 實 驗 結 果 我 們 推 斷 是 帶 有 正 電 荷 的 感 應 場 ), 也 就 是 探 針 也 有 他 自 己 的 靜 電 場 存 在, 並 不 是 被 動 的 電 中 性 狀 態 據 此 討 論 下 列 情 形 ( 二 )1.< 實 驗 1A> 中, 因 為 沒 有 電 極 將 起 電 器 產 生 的 電 荷 導 入, 故 探 針 周 圍 沒 有 任 何 的 反 應 2.< 實 驗 1B> 中, 電 子 由 電 極 導 入 到 環 己 烷 中, 而 因 為 電 子 在 環 己 烷 中 快 速 的 溜 走 到 水 裡, 使 蒸 餾 水 中 充 滿 了 負 電 荷, 而 和 帶 有 負 電 的 電 極 有 相 斥 作 用, 與 水 表 面 相 斥 而 下 凹 3.(1) 電 極 一 端 : < 實 驗 3A> 中, 電 極 沒 碰 到 任 何 溶 劑, 但 仍 存 在 著 他 的 負 電 場, 和 蒸 餾 水 偏 帶 正 電 的 液 面 有 相 互 吸 引 的 作 用, 造 成 液 面 上 凸 (2) 探 針 一 端 : 由 於 示 波 器 探 針 帶 有 正 的 電 場, 因 此 和 蒸 餾 水 偏 帶 正 電 的 液 面 會 有 相 斥 的 現 象 發 生, 蒸 餾 水 液 面 下 凹 9

11 4.(1) 電 極 一 端 : < 實 驗 3B> 中, 電 子 由 電 極 導 入 到 環 己 烷 中, 而 因 為 電 子 在 環 己 烷 中 快 速 的 溜 走 到 水 裡, 使 蒸 餾 水 中 充 滿 了 負 電 荷, 而 和 帶 有 負 電 的 電 極 有 相 斥 作 用, 與 水 表 面 相 斥 而 下 凹 (2) 探 針 一 端 : 電 極 所 放 出 的 電 子 大 量 又 快 速 的 從 環 己 烷 中 滑 進 水 裡 後, 水 中 平 均 充 滿 了 負 電 荷, 因 此 和 帶 有 正 電 場 的 探 針 相 吸 引, 以 至 於 蒸 餾 水 的 液 面 上 凸 5.(1) 電 極 一 端 : < 實 驗 4A> 中, 電 極 沒 碰 到 任 何 溶 劑, 但 仍 存 在 著 他 的 負 電 場, 和 蒸 餾 水 偏 帶 正 電 的 液 面 有 相 互 吸 引 的 作 用, 造 成 液 面 上 凸 (2) 探 針 一 端 : 此 時 蒸 餾 水 中 沒 有 外 來 的 電 荷 存 在, 仍 保 持 電 中 性 的 狀 態, 也 因 此 整 根 探 針 插 入 其 中 也 不 會 有 什 麼 現 象 產 生 6.(1) 電 極 一 端 : < 實 驗 4B> 中, 左 邊 的 電 極 因 為 直 接 插 入 水 中, 故 起 電 器 產 生 的 電 荷 直 接 被 送 入 水 中 傳 導, 沒 有 吸 引 相 斥 的 現 象 產 生 (2) 探 針 一 端 : 電 極 所 放 出 的 電 子 大 量 又 快 速 的 從 環 己 烷 中 滑 進 水 裡 後, 水 中 平 均 充 滿 了 負 電 荷, 因 此 和 帶 有 正 電 場 的 探 針 相 吸 引, 以 至 於 蒸 餾 水 的 液 面 上 凸 7.(1) 電 極 一 端 : < 實 驗 5A> 中, 電 子 由 電 極 導 入 到 環 己 烷 中, 而 因 為 電 子 在 環 己 烷 中 快 速 的 溜 走 到 水 裡, 使 蒸 餾 水 中 充 滿 了 負 電 荷, 而 和 帶 有 負 電 的 電 極 有 相 斥 作 用, 與 水 表 面 相 斥 而 下 凹 (2) 探 針 一 端 : 此 時 蒸 餾 水 中 沒 有 外 來 的 電 荷 存 在, 仍 保 持 電 中 性 的 狀 態, 也 因 此 整 根 探 針 插 入 其 中 也 不 會 有 什 麼 現 象 產 生 8.(1) 電 極 一 端 : < 實 驗 5B> 中, 左 邊 的 電 極 因 為 直 接 插 入 水 中, 故 起 電 器 產 生 的 電 荷 直 接 被 送 入 水 中 傳 導, 沒 有 吸 引 相 斥 的 現 象 產 生 (2) 探 針 一 端 : 電 極 那 邊 導 了 很 多 負 電 荷 到 水 中, 使 蒸 餾 水 中 充 滿 了 負 電, 但 是 因 為 電 子 在 經 過 環 己 烷 的 時 候 就 已 經 會 部 份 跑 出 在 環 己 烷 中 滑 動, 而 滑 到 探 針 那 一 端 去, 遂 使 探 針 亦 帶 起 了 負 電 荷, 而 和 帶 負 電 的 蒸 餾 水 液 面 產 生 相 斥, 液 面 於 是 下 凹 9.< 實 驗 6> 中, 接 起 電 器 的 左 側 電 極 沒 有 觸 碰 到 溶 液, 而 右 邊 的 探 針 也 沒 有 觸 碰 到 溶 液, 通 路 難 以 形 成, 感 應 電 荷 的 現 象 於 是 不 太 明 顯, 故 兩 極 皆 沒 有 反 應 產 生, 但 若 將 兩 電 極 靠 近, 則 兩 極 會 直 接 在 空 氣 中 發 生 放 電 現 象 10

12 10.(1) 電 極 一 端 : < 實 驗 7> 中, 電 子 由 電 極 導 入 到 環 己 烷 中, 而 因 為 電 子 在 環 己 烷 中 快 速 的 溜 走 到 水 裡, 使 蒸 餾 水 中 充 滿 了 負 電 荷, 而 和 帶 有 負 電 的 電 極 有 相 斥 作 用, 與 水 表 面 相 斥 而 下 凹 (2) 探 針 一 端 : 因 為 電 子 在 經 過 環 己 烷 的 時 候 就 已 經 會 部 份 跑 出 在 環 己 烷 中 滑 動, 而 滑 到 探 針 那 一 端 去, 遂 使 探 針 亦 帶 起 了 負 電 荷, 而 和 帶 負 電 的 蒸 餾 水 液 面 產 生 相 斥, 液 面 於 是 下 凹 11.< 實 驗 8> 中, 左 邊 的 電 極 和 右 邊 的 探 針 都 深 入 水 中, 電 子 直 接 在 水 中 傳 遞 著, 界 面 沒 有 明 顯 的 變 化 照 片 五 實 驗 裝 置 實 景 圖 11

13 三 測 量 出 靜 電 導 入 不 同 溶 劑 在 靜 電 移 除 裝 置 下 所 能 維 持 的 時 間 表 十 一 各 溶 液 中 靜 電 導 入 時 間 及 留 存 時 間 關 係 時 間 樣 本 蒸 餾 水 甘 油 苯 環 己 烷 乙 醇 正 丙 醇 正 戊 醇 留 存 時 間 (s) 水 丙 三 醇 苯 乙 醇 100% 環 己 烷 正 丙 醇 正 戊 醇 導 入 時 間 (s) 圖 四 各 溶 液 中 靜 電 導 入 時 間 及 留 存 時 間 關 係 ( 一 ) 綜 觀 所 有 樣 本 液, 靜 電 導 入 的 時 間 並 不 會 和 留 存 時 間 成 正 比, 而 呈 現 一 種 雙 峰 值 圖 形 " 其 中 峰 值 位 置 集 中 於 秒 處, 而 60 秒 處 則 有 下 降 現 象, 採 取 下 列 推 測 : 1. 每 種 溶 液 所 蓄 積 的 靜 電 荷 有 一 最 大 值, 故 圖 形 不 為 正 比 時 的 斜 直 線 2. 令 靜 電 荷 導 入 速 率 為 R in, 與 周 圍 環 境 放 電 的 靜 電 荷 消 耗 速 率 為 R out 而 R in隨 導 入 電 荷 的 增 加 而 漸 減, 反 之 R out則 漸 增 當 溶 液 之 電 荷 量 達 到 最 大 值 時 Rin = R out, 一 但 超 越 最 大 值, 則 R in < Rout 固 電 荷 量 會 下 降, 導 致 留 存 時 間 下 降 (60 秒 處 ) 60 秒 後 R in 逐 漸 大 於 R out 所 以 電 荷 量 又 持 續 上 升, 如 此 週 而 復 始 持 續 下 去 ( 二 ) 如 同 實 驗 一 的 結 果, 極 性 溶 液 所 能 保 存 電 荷 的 時 間 較 長, 而 非 極 性 如 環 己 烷 則 無 蓄 電 能 力 然 而 苯 則 是 一 例 外, 實 驗 一 中 其 帶 電 壓 不 及 於 水, 而 本 實 驗 中 蓄 電 能 力 卻 勝 於 水, 推 測 π 電 子 系 統 具 有 強 蓄 電 能 力 12

14 留 存 時 間 (s) 導 入 時 間 (S) 乙 醇 正 丙 醇 丙 三 醇 正 戊 醇 圖 五 各 醇 類 中 靜 電 導 入 時 間 及 留 存 時 間 關 係 ( 三 ) 首 先 比 較 醇 類 碳 氫 尾 端 長 短 ( 分 子 大 小 ) 及 蓄 電 能 力 之 關 係 其 中 碳 氫 尾 端 長 度 : 正 戊 醇 > 正 丙 醇 > 乙 醇, 然 而 蓄 電 能 力 卻 為 : 乙 醇 > 正 丙 醇 > 正 戊 醇 推 究 其 因, 可 解 釋 為 碳 氫 尾 端 越 長 ( 分 子 越 大 ), 與 電 子 的 媒 合 能 力 越 差, 故 其 蓄 電 能 力 下 降 ( 四 ) 再 來 比 較 OH 基 團 數 量 和 蓄 電 能 力 的 關 係 其 中 丙 三 醇 之 OH 基 團 數 量 大 於 正 丙 醇, 捌 結 論 產 生 較 多 的 氫 鍵, 使 得 丙 三 醇 分 子 與 分 子 間 的 作 用 力 較 大, 因 此 媒 合 電 子 的 能 力 自 然 會 降 低 一 在 測 量 蒸 餾 水 甘 油 環 己 烷 苯 等 溶 液 液 面 上 下 電 位 的 實 驗 中, 能 夠 發 現 極 性 溶 液 的 電 位 較 非 極 性 溶 液 的 電 位 大, 特 別 的 是, 以 蒸 餾 水 電 位 最 高, 符 合 水 合 電 子 的 模 型 然 而 目 前 還 只 能 測 量 一 定 距 離 的 電 位, 將 更 進 一 步 求 出 距 液 面 上 下 之 距 離 電 位 關 係 圖 二 我 們 用 環 己 烷 和 水 不 互 溶 的 特 性 為 控 制 變 因, 而 改 變 探 針 和 電 極 的 相 對 位 置 以 分 析 電 荷 傳 導 的 一 些 現 象, 試 推 究 其 中 的 原 因, 大 概 可 歸 類 為 以 下 結 論 : 環 己 烷 是 一 種 非 極 性 溶 液, 無 法 媒 合 導 入 的 電 子, 可 看 成 一 層 很 滑 溜 的 溶 劑, 沒 有 任 何 保 存 電 荷 的 效 能, 將 靜 電 導 入 後, 電 子 會 很 快 從 環 己 烷 中 滑 走 而 由 水 分 子 的 微 觀 分 布 圖 看 來, 氫 原 子 是 朝 向 液 面 的, 由 於 氧 原 子 的 電 負 度 較 大, 使 氫 原 子 那 端 相 較 之 下 偏 向 帶 正 電 的 情 形, 因 此 造 成 當 帶 負 電 的 電 極 靠 近 時, 水 的 液 面 受 到 吸 引 而 產 生 上 凸 現 象 三 在 電 荷 留 存 的 實 驗 之 中, 極 性 溶 液 蓄 電 效 果 顯 著 較 好, 其 中 又 因 為 與 電 子 媒 合 的 能 力 而 有 差 別 分 子 較 小 極 性 較 強 的 蒸 餾 水 乙 醇 的 媒 合 能 力 較 佳, 故 蓄 電 能 力 較 強 ; 而 分 子 較 大 極 性 相 對 較 弱 的 正 戊 醇 蓄 電 能 力 較 差, 非 極 性 環 己 烷 無 蓄 電 能 力 然 而 苯 卻 獨 天 得 厚 的 擁 有 π 電 子 的 共 振 系 統, 使 其 蓄 電 能 力 甚 至 高 於 水 四 由 於 在 水 中 若 添 加 HCl NaCl 等 電 解 質 將 會 提 高 溶 液 導 電 性, 以 致 於 無 貯 存 電 子 的 效 果 但 是 CuSO4(aq) 相 較 於 其 他 種 電 解 質 卻 明 顯 有 良 好 的 貯 存 靜 電 效 能, 因 此 我 們 依 此 推 測 CuSO4(aq) 可 能 是 它 帶 的 電 荷 價 數 高,Cu SO4 有 較 多 的 水 分 子 附 著 在 其 周 圍, 離 子 移 動 速 率 慢, 以 致 於 較 易 保 存 靜 電 而 不 像 其 他 電 解 質, 電 荷 在 其 中 的 移 動 速 率 較 快, 造 成 靜 電 和 空 氣 常 常 接 觸 電 性 中 和 而 散 失 掉 13

15 五 未 來 展 望 : ( 一 ) 以 目 前 的 實 驗 成 果, 我 們 仍 想 繼 續 量 測 出 界 面 之 累 積 電 荷 量, 並 做 出 液 面 上 下 距 離 和 電 位 的 關 係 圖, 以 為 此 實 驗 添 增 更 多 理 論 的 根 據 還 有 電 荷 在 液 體 中 移 動 速 率 大 小 也 是 我 們 所 想 測 出 的, 或 許 可 以 藉 此 深 入 了 解 不 同 液 體 對 儲 存 靜 電 能 力 的 特 性 ( 二 ) 我 們 想 了 一 個 實 驗 裝 置 圖, 如 下 圖 ( 六 ) 在 把 閃 電 經 由 避 雷 針 導 入 分 子 蓄 電 瓶 後, 先 由 蓄 電 能 力 強 的 苯, 將 大 量 電 子 儲 存 起 來, 然 後 再 經 由 導 線 將 苯 液 體 內 的 電 子 導 入 各 種 液 體 中 : 1. 水 : 2H2O+2e - 2OH - +H2(g) 電 子 導 入 水 中 後, 會 進 行 上 式 反 應, 而 產 生 了 氫 氣 和 氫 氧 根, 氫 氣 是 可 利 用 的 一 種 能 源, 而 剩 下 的 氫 氧 根 可 以 加 入 海 水, 和 海 水 中 的 鎂 離 子 沉 澱 進 而 收 集 到 鎂 元 素 2. 硝 酸 銀 : Ag + +e - Ag(s) 電 子 導 入 含 銀 離 子 的 溶 液, 會 進 行 上 式 反 應, 而 產 生 了 銀 金 屬 的 結 晶 實 驗 室 常 有 硝 酸 銀 的 廢 液, 可 藉 此 回 收 廢 液 中 的 銀 這 種 貴 金 屬 避 雷 針 H 2 O 苯 AgNO 3(aq) 圖 六 水 合 電 子 應 用 構 想 圖 玖 參 考 資 料 及 其 他 一 賴 耿 陽, 靜 電 對 策 實 務, 復 文 書 局 二 曾 國 輝, 化 學, 藝 軒 出 版 社 三 Merck & Co.,Inc.,The Merck Index,11th 14

16 評 語 挑 戰 電 中 性 原 理 ~ 帶 電 溶 液 的 研 究 本 作 品 確 如 作 者 所 云, 是 一 挑 戰 性 的 物 理 化 學, 想 要 克 服 熱 力 平 衡 性, 不 易 做 實 驗 的 charge seperation 之 基 礎 問 題 利 用 vande graff 起 電 器 充 電 : 由 極 性 高 的 水 溶 液 到 非 極 性 的 苯 量 測 液 面 間 之 V( 電 位 ), 很 可 惜 由 水 (35.0V) 突 然 的 可 charge( 苯,6.0) (trans- 環 己 烷 1.5), 如 果 能 找 到 適 當 的 研 究 對 象 物 化, 因 此, 亦 看 不 出 水 合 電 子 到 苯 合 電 子 之 間, 結 構 和 電 位 及 結 構 間 的 定 量 關 係!( 甚 至 所 引 用 圖 一 二 之 關 系 )! 但 好 奇 心 與 尋 求 跨 領 域 精 神 可 佳