水的電解及氫氧燃料電池一體化實驗創新設計

黃清輝 潘祥泰 林文興

山東省泰寧縣第一中學(354400) 福建省三明教育學院(353000)

1 創新設計背景

氫氧燃料電池是一種新型電池,現行多個版本的高中必修或選修教材中都涉及到氫氧燃料電池實驗教學[1-4],旨在引導學生充分認識到氫氧燃料電池作為一種清潔能源可以將化學能轉化成電能,同時掌握原電池的工作原理和原電池構成的核心要素,幫助學生建立原電池的認知模型,培養學生“證據推理和模型認知”的化學學科核心素養[5]。但是,在實際的教學過程中,筆者發現教材裝置存在以下幾個方面的不足:①雙孔塞比單孔塞更難操作,同時更容易造成漏氣,導致電壓不大;②裝置中電流表指針有偏轉,雖然可以說明有電流通過,但是未能直觀體現氫氧燃料供電的效果,知識價值體現不夠,且難以激發學生的學習興趣;③未做對比實驗,兩極在無氫氣和氧氣的情況下是否會產生電流;④學生電源相對比較笨重,使用起來不是很方便;⑤從水的電解到氫氧燃料電池兩個過程切換比較麻煩;⑥未處理過的石墨電極,吸附氣體能力弱,產生電流小;⑦按照教材裝置進行實驗難以成功,而且電解與放電兩個過程無法一體化,同時燃料電池的教學價值與社會價值無法充分體現。

2 文獻研究

利用中國知網查閱相關文獻,發現有一些關于氫氧燃料電池的實驗創新設計,特別是將電解與放電融為一體的創新設計[6-8]。

通過認真閱讀文獻資料,發現這些改進的實驗具有以下幾個優點:①石墨電極都有經過處理;②反應較快,現象明顯;③裝置原料源自于生活較為常見物質。但是同樣也存在以下幾個缺點:①石墨電極處理比較麻煩,效果不佳;②氫氧燃料電池的供電效果體現不佳;③電解與放電切換比較麻煩。針對教材裝置中存在的問題并結合文獻中優缺點,筆者經過長期教學研究,對教材中的實驗做如下改進。

3 創新設計方案

3.1 改進要點

(1)操作簡單、現象明顯、節時高效。

(2)取材生活化、裝置微型化、現象趣味化。

3.2 實驗改進環節

(1)將2個9 V鋰電池(高考用的金屬探測儀電池)串聯起來代替學生電源。

(2)用連通的雙U型管(兩端高、中間低)替代U型管,便于觀察實驗。

(3)用小風扇、小車等具體實物來代替電流表,以幫助學生建立直觀感受。

(4)用空心的石墨電極替代實心的石墨電極,便于與膠塞的石墨棒(干電池的石墨棒)相連,同時也增大電極與溶液的接觸面積。

(5)用單刀雙擲開關巧妙將水的電解與氫氧燃料電池兩個過程進行自由切換。

(6)用不同濃度硫酸鈉溶液代替稀硫酸溶液,體現探究思維。

(7)將石墨電極放在液化灶上加至紅熱,迅速將其放在冷水中,使其表面變得疏松多孔。

3.3 實驗用品

小風扇、小車、連通的雙U型管(中間低、兩邊高)、9 V鋰電池2個、石墨電極、導線、酒精噴燈、鐵架臺、單刀雙擲開關、坩堝鉗。

3.4 實驗裝置

水的電解及氧氫燃料電池一體化實驗裝置如圖1所示。

圖1 水的電解及氫氧燃料電池一體化實驗裝置

3.5 實驗原理

按照圖1連接好裝置,檢查裝置氣密性后裝好藥品。先把單刀雙擲開關壓到左側,未電解前,兩極未產生氫氣和氧氣,小車無法行走;緊接著將單刀雙擲開關壓到右側,電解0.5 mol/L硫酸鈉溶液1 min后,兩極分別產生氫氣與氧氣,體積比大約為2∶1;然后把單刀雙擲開關壓到左側,此時,氫氣、氧氣、硫酸鈉溶液形成一個閉合回路,氫氣在電極上失電子,氧氣在電極上得電子,形成電勢差,進而產生電流,促使小車行駛。

3.6 實驗操作過程與說明

(1)石墨電極預處理是實驗成功的核心要素,筆者采取3種方式進行處理:①將空心石墨電極放在盛有濃硝酸的試管中加熱;②將空心石墨電極放在酒精噴燈上加熱,然后將其放在冷水中;③將空心石墨電極放在液化灶上加至紅熱,迅速將其投入冷水中,重復5～6次。經過實驗比對分析,我們發現第3種處理方式最好,不僅耗時短、節約能源,同時效果最佳,石墨表面呈現疏松多孔狀(見圖2)。

圖2 疏松多孔狀的石墨電極

(2)將兩個橡膠塞上石墨電極分別與兩根空心石墨電極緊緊相連(見圖3)。

圖3 單孔塞上的石墨與空心石墨電極相連

(3)配制0.5 mol/L硫酸鈉溶液,自制連通的雙U型管(見圖4),連接好實驗裝置,并檢查裝置的氣密性。

圖4 連通雙U型管

(4)向連通的雙U型管中注入0.5 mol/L硫酸鈉溶液直至與短口相平,并將帶有空心石墨電極的橡膠塞塞緊(見圖5)。

圖5 單孔塞與U型管連接

(5)將單刀雙擲開關壓到左側,兩極未產生氫氣和氧氣時,觀察到小車未行走。

(6)將單刀雙擲開關壓到右側,用2節串聯的9 V鋰電池進行通電1 min,觀察到兩極產生氣體,而體積比大約為2∶1。

(7)將單刀雙擲開關壓到左側,兩極上的氣體明顯減少,同時觀察到小車行駛一段距離。

(8)若將0.5 mol/L硫酸鈉溶液替換成1 mol/L硫酸鈉溶液或將電解時間延長至2 min,其他操作不變,則觀察到小車行駛的距離更遠。

4 反思與評價

(1)選擇身邊的器材和物品做實驗,做到物盡其用,讓學生感受到生活即化學,真正領略到化學學科的獨特魅力。

(2)雖然電解時間較短,但是小車仍然行駛了一段距離,這體現出了燃料電池學科教學的實際意義與燃料電池的社會價值。

(3)實驗教學中植入創新元素,體現在儀器選擇、裝置改進及石墨電極淬火處理方法的創新等,極大地培養了學生的創新思維。

(4)本實驗裝置除了做水的電解與氫氧燃料電池的一體化實驗,還可以做氯化鈉溶液的電解與氫氯燃料電池的一體化實驗,體現裝置的多種功能。

(5)本實驗除了用于教師演示實驗外,還可以用于學生探究實驗,教師帶領學生開展氫氧燃料電池相關的社團活動和研究性學習活動,充分調動學生學習化學的積極性,培養學生的學科核心素養。

(6)實驗中氫氣、氧氣在兩個電極未能完全消耗,同時電極持續吸附氣體能力較弱,所以尋找優良催化劑是提高持續放電的關鍵所在。