簡易氫氧燃料電池制作實驗的小改進

在新課程化學(xué)教材蘇教版《化學(xué)2》的專題2中，第三單元“化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化” 關(guān)于化學(xué)電源的“活動與探究”中，引入了用常見材料“制作簡易燃料電池”的探究實驗，其實驗裝置圖見圖1。在新課程改革中，浙江省把該實驗列入了高一化學(xué)學(xué)生必做實驗?zāi)夸洝９P者在進行學(xué)生分組實驗時對這個實驗做了一點小的改進，收到了較好的效果。下面是具體的方法和體會，請專家和同行予以指教。

教材中燃料電池制作的實驗，選用了發(fā)光二極管作為燃料電池存在電勢差和放電的指示燈，起著反映電池制作實驗成功與否的直觀指示作用。為了便于實驗，筆者用敷銅板專門為該實驗制作了25 mm×50 mm的印刷電路板當(dāng)作“指示燈座”，將發(fā)光二極管焊接到電路板上，并標(biāo)出正、負極，再在線路板上焊上導(dǎo)線，由該導(dǎo)線進行連接，這樣既可以使發(fā)光二極管相對固定，便于觀察發(fā)光情況，又可以有效避免發(fā)光二極管在實驗中管腳折斷或連接中短路等情況的發(fā)生。筆者有意識選擇了發(fā)光電壓為1.7 V、電流0.6 mA 的“白發(fā)紅”和“白發(fā)綠”兩種發(fā)光二極管，即塑封殼是無色透明的，而起輝時可看到其內(nèi)部發(fā)出紅光或綠光的二極管。選擇 “Φ5”（即塑封殼直徑為5 mm）規(guī)格的發(fā)光二極管，可使發(fā)光看得更清楚。由于發(fā)光二極管外殼是無色透明的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)從外表就可以看到，便于學(xué)生觀察到發(fā)光二極管內(nèi)部的大致結(jié)構(gòu)，有利于幫助學(xué)生了解和掌握發(fā)光二極管極性的判斷和連接方法。實驗中由學(xué)生自己動手來制作氫氧燃料電池，當(dāng)學(xué)生看到自己制作的電池使得發(fā)光二極管發(fā)出不同顏色的光，會感到非常好奇和興奮，可以很好地激發(fā)他們對相關(guān)知識進行探究和學(xué)習(xí)的自覺性。

在進行實驗時，筆者采用獨股銅芯（銅芯直徑1 mm）的膠皮電線擰成“麻花”狀將碳棒電極固定于其中，然后架在小燒杯口上（見圖2）；用焊有導(dǎo)線的鱷魚夾直接夾住碳棒上端，正極的都用紅色導(dǎo)線連接，負極的都用黑色導(dǎo)線連接。進行電路連接時，筆者將原教材中的S1、S2兩個開關(guān)改用一個雙刀雙擲開關(guān)，如圖3所示，當(dāng)開關(guān)鍘刀合向A側(cè)時是電解裝置，制得實驗所需的“燃料”氫氣和氧氣，當(dāng)開關(guān)鍘刀合向B側(cè)時就是制得燃料電池的工作電路。這樣就使電路連接簡化，也使得實驗操作更為方便和簡捷。告訴學(xué)生1、3兩個接線柱分別接電源和發(fā)光二極管的正極，另一邊4、6兩個接線柱分別對應(yīng)接電源和發(fā)光二極管的負極，“雙刀”分別連接燃料電池的兩個碳棒電極：與電源正極和發(fā)光二極管的正極在同一路上對應(yīng)的鍘刀所連的碳棒電極就是燃料電池的正極，電源負極與發(fā)光二極管的負極對應(yīng)的同一路的鍘刀所連接的碳棒電極就是燃料電池的負極。

連接好檢查無誤后再打開直流電源開關(guān)，調(diào)整輸出電壓為4 V（或由教師從實驗主控臺給學(xué)生供給4 V直流電）。先讓學(xué)生將雙刀雙擲開關(guān)的鍘刀合向B端，看看這時發(fā)光二極管有沒有發(fā)光，然后再將開關(guān)鍘刀先合向A端進行電解，幾秒鐘后就可看到在碳棒表面上產(chǎn)生了氣泡，約半分鐘后，迅速將開關(guān)的鍘刀由A端再合向連接發(fā)光二極管的B端，斷開直流電源，“燃料電池”與發(fā)光二極管接通，這時就會看到發(fā)光二極管可起輝發(fā)光了。這就可以說明在兩電極間產(chǎn)生了電勢差并且在電路中有電流通過，最簡單的燃料電池制作宣告成功。在整個過程中，發(fā)生了電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能—化學(xué)能又轉(zhuǎn)變成電能—電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿纫幌盗械淖兓６渲杏苫瘜W(xué)能又轉(zhuǎn)變成電能的過程正是制作的簡易燃料電池的實現(xiàn)。要注意的是，由于學(xué)生的好奇和探究心理，個別學(xué)生可能會把用于電解的直流電源直接接到發(fā)光二極管上看看如何，因此要告訴學(xué)生不要這樣做，否則會因其電壓較高而可能燒壞發(fā)光二極管。如果學(xué)生想試試看，應(yīng)將電壓調(diào)至2 V再試。

通過這個實驗，師生的體會是：從原理、方法、內(nèi)容等方面來看，該實驗介于化學(xué)實驗和物理實驗間，雖實驗不難，而講清原理很重要；實驗成功的關(guān)鍵是選擇好起輝電壓適宜的發(fā)光二極管和發(fā)光二極管的正確連接。據(jù)筆者了解，尚有一些化學(xué)教師對發(fā)光二極管不太熟悉，因為蘇教版《化學(xué)2》中僅繪制了發(fā)光二極管的實物外形圖。因此，作為化學(xué)教師，簡單了解發(fā)光二極管及極性的判斷和正確的連接方法對指導(dǎo)學(xué)生順利進行該實驗很有必要。

發(fā)光二極管簡稱“LED”，是Light-emitting Diode的縮寫，圖形符號、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳引線極性標(biāo)志示意圖如圖4所示。由于發(fā)光二極管可發(fā)出紅、黃、藍、綠等多種顏色的光，體積小重量輕，而且耗電量很小，有不同的發(fā)光電壓范圍，被廣泛地用作電子儀器的指示燈，也被用來制作彩屏。生產(chǎn)中除將發(fā)光二極管的外殼制作成紅色、綠色、黃色等之外，也有無色透明的塑封殼的。其實發(fā)光二極管中的發(fā)光材料就是化學(xué)物質(zhì)，砷化鎵LED發(fā)紅外光，磷化鎵LED發(fā)綠光，磷砷化鎵LED發(fā)紅光，碳化硅LED發(fā)黃光。由于本實驗中制得的燃料電池電壓高于2 V，只要選用起輝電壓不高于2 V的發(fā)光二極管就可以。通常發(fā)光二極管的管腳一根長一根短，長的是正極，短的是負極，在塑殼上也會為管腳負極作缺口標(biāo)記（見圖4乙）。如果遇標(biāo)記不清無法判斷管腳的正、負極及發(fā)光二極管好壞時，最簡單的辦法是用一枚3 V的紐扣電池，以發(fā)光二極管的兩管腳快速同時接觸紐扣電池的正、負極進行觀察，再對調(diào)管腳試之。當(dāng)二極管可以發(fā)光時，與電池正極相連的就是發(fā)光二極管的正極；如果對調(diào)均不能發(fā)光，則可能該LED有問題（紐扣電池正常的前提下）。正規(guī)的方法應(yīng)借助萬用表和電池，以R×100或R×1 000檔測量正反向電阻來判斷其好壞。

筆者認為，蘇教版《化學(xué)2》中，該實驗的裝置圖及“活動與探究”欄目的文字中均沒有指出制得的燃料電池的正、負極，這是一個小小的不足，如果指明燃料電池的正、負極就比較完整了。