“氫氧燃料電池”實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

盛 榮

（江都區(qū)育才中學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 225200）

電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化是高中化學(xué)教學(xué)中一項(xiàng)重要內(nèi)容，蘇教版化學(xué)（必修2）教科書中設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易氫氧燃料電池裝置（圖 1）［1］，以便學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)其構(gòu)造，為更好地揭示其反應(yīng)原理，不少研究者對(duì)此實(shí)驗(yàn)做了改進(jìn)，筆者嘗試做進(jìn)一步優(yōu)化以更便于在教學(xué)中實(shí)施。

圖1

一、電極的改進(jìn)

1.實(shí)驗(yàn)原理

該實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵在于電極的制備，要實(shí)現(xiàn)較高電壓、較大電流的放電就需要使氫氣失電子、氧氣得電子的過(guò)程較快進(jìn)行，工業(yè)上是使用鉑、鎳等金屬或其化合物作為催化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。高中實(shí)驗(yàn)室一般無(wú)此條件，而將氫氣或氧氣直接通到石墨電極表面無(wú)法達(dá)成可觀測(cè)的放電，故先電解水在石墨電極表面分別吸附較多的活性氫和活性氧（可能是剛生成尚未從電極表面脫附的原子及分子），再以此進(jìn)行反應(yīng)從而點(diǎn)亮發(fā)光二級(jí)管。

2.不足之處

為獲得較顯著的放電效果，就需要在電極表面吸附盡可能多的活性物質(zhì)，也就需要增大電極表面積。教材中是將炭棒以酒精噴燈灼燒至紅熱后迅速投入冷水中，通過(guò)熱脹冷縮使表面崩裂從而使之變得粗糙多孔。但炭棒灼燒需幾分鐘（實(shí)際上很難燒至紅熱），為保證效果可能還需重復(fù)幾次，如作為分組實(shí)驗(yàn)則需較長(zhǎng)準(zhǔn)備時(shí)間，且電極制備質(zhì)量難以統(tǒng)一，發(fā)光二級(jí)管點(diǎn)亮?xí)r間較短，現(xiàn)象明顯程度不一，重現(xiàn)性不高。

3.制備方法

既然需要增大電極表面積，那么能否直接以具有較大表面積的活性炭粉作為電極材料而獲同樣效果？為此筆者試制了活性炭粉電極——用活性炭粉包埋炭棒后以細(xì)布包裹，布孔應(yīng)盡可能的細(xì)密，否則炭粉滲出而使溶液渾濁不易觀察；包裹時(shí)一定要緊實(shí)以使炭棒和炭粉緊密接觸，否則導(dǎo)電不良而無(wú)預(yù)期效果。圖2是筆者采用的效果較好的一種包裹方法。

圖2 活性炭粉電極制作方法

4.效果驗(yàn)證

用不同電極進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證效果：電解質(zhì)溶液為0.5 mol／L硫酸鈉溶液，6V直流電源電解至有較多氣泡冒出（碳棒電極電解約半分鐘），放電時(shí)連接電子賀卡以檢驗(yàn)效果。不同處理的炭棒電極放電效果見(jiàn)表1。

表1 炭棒電極放電效果

換以上述活性炭粉電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電解至有較多氣泡冒出需相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間（約15分鐘，可適當(dāng)加大電壓以節(jié)省時(shí)間），但其放電時(shí)發(fā)光二級(jí)管點(diǎn)亮?xí)r間可超過(guò)1小時(shí)（最大點(diǎn)亮?xí)r間可達(dá)2小時(shí)），同時(shí)喇叭發(fā)聲；并且電解后放置4小時(shí)再接入電路還能繼續(xù)點(diǎn)亮發(fā)光二級(jí)管；此外將兩組電池裝置并聯(lián)則可點(diǎn)亮3.5V小燈泡2分鐘以上。

5．改進(jìn)價(jià)值

雖然由于炭棒和炭粉間的接觸隨制作不同而有差異，放電時(shí)間仍有所波動(dòng)，但因具有了較大的表面積而使放電時(shí)間大幅延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯、更有說(shuō)服力；由于裝置有一定的儲(chǔ)存活性氫、氧的能力，可于課前電解而在課堂上直接實(shí)驗(yàn)，便于更加靈活安排教學(xué)流程；此外制備時(shí)不需灼燒，減少了準(zhǔn)備時(shí)間，也可由學(xué)生自制以增加實(shí)驗(yàn)的參與性和趣味性。

二、裝置的改進(jìn)

1．思路由來(lái)

氫氧燃料電池放電時(shí)要消耗氣體，而教科書裝置中無(wú)法看到氣體的消耗，給學(xué)生理解帶來(lái)疑問(wèn)。有研究者設(shè)計(jì)了通過(guò)毛細(xì)管液面升降顯示氣體消耗的演示儀［2－3］，但此儀器不易獲得或仿制，受其啟發(fā)，筆者試用常見(jiàn)儀器改裝實(shí)現(xiàn)類似效果。

2．裝置制作

電解水演示儀是實(shí)驗(yàn)室常備裝置，筆者選用其中較舊的分體式型號(hào)（電解管之間以乳膠管、三通管連接）進(jìn)行了改制（圖3）。其中電極1、2為活性炭粉電極，電極3、4為炭棒電極 （讓導(dǎo)線通過(guò)原來(lái)的玻璃尖管并密封即可），加注電解質(zhì)溶液后將加液漏斗換為毛細(xì)管。

實(shí)驗(yàn)時(shí)以電極1、2進(jìn)行電解，待電解管上部集得少量氣體后斷開電源，放電時(shí)分別將電極兩兩配對(duì)（電極 1、2； 電極 1、4；電極 2、3；電極 3、4）接入電路，通過(guò)對(duì)比二極管發(fā)光時(shí)間、液面下降程度等現(xiàn)象可直觀說(shuō)明氣體的消耗、反應(yīng)物的活性等反應(yīng)原理。改制中未對(duì)裝置造成損壞，實(shí)驗(yàn)后可將其還原而無(wú)需額外儀器。

圖3 改制裝置

三、研究展望

以上改進(jìn)均以提高實(shí)驗(yàn)的明顯性、適用性為目標(biāo)，不過(guò)中學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的氫氧燃料電池裝置還是與實(shí)際應(yīng)用的氫氧燃料相去甚遠(yuǎn)，無(wú)法直接消耗氫氣、氧氣而產(chǎn)生電能，如能尋找到中學(xué)實(shí)驗(yàn)室中易得的催化材料做電極，可使該實(shí)驗(yàn)更具實(shí)用價(jià)值，雖然這在中學(xué)很難進(jìn)行研究，但應(yīng)該是進(jìn)一步努力的方向。

［1］ 王祖浩．普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)2（必修）［M］．南京：江蘇教育出版社，2007：42

［2］ 戴樂(lè)．氫氧燃料電池演示儀的開發(fā)與使用［J］．化學(xué)教學(xué)，2010，（11）：7－8

［3］ 鄒定兵．綠色化多功能電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的制作及應(yīng)用［J］．中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2012，（7）：49－50