“氢氧燃料电池”实验装置的改进

2013-09-06盛荣

化学教与学 2013年8期

盛荣

（江都区育才中学江苏扬州 225200）

电能和化学能的相互转化是高中化学教学中一项重要内容，苏教版化学（必修2）教科书中设计了简易氢氧燃料电池装置（图 1）［1］，以便学生直观地认识其构造，为更好地揭示其反应原理，不少研究者对此实验做了改进，笔者尝试做进一步优化以更便于在教学中实施。

图1

一、电极的改进

1.实验原理

该实验成功的关键在于电极的制备，要实现较高电压、较大电流的放电就需要使氢气失电子、氧气得电子的过程较快进行，工业上是使用铂、镍等金属或其化合物作为催化剂来实现的。高中实验室一般无此条件，而将氢气或氧气直接通到石墨电极表面无法达成可观测的放电，故先电解水在石墨电极表面分别吸附较多的活性氢和活性氧（可能是刚生成尚未从电极表面脱附的原子及分子），再以此进行反应从而点亮发光二级管。

2.不足之处

为获得较显著的放电效果，就需要在电极表面吸附尽可能多的活性物质，也就需要增大电极表面积。教材中是将炭棒以酒精喷灯灼烧至红热后迅速投入冷水中，通过热胀冷缩使表面崩裂从而使之变得粗糙多孔。但炭棒灼烧需几分钟（实际上很难烧至红热），为保证效果可能还需重复几次，如作为分组实验则需较长准备时间，且电极制备质量难以统一，发光二级管点亮时间较短，现象明显程度不一，重现性不高。

3.制备方法

既然需要增大电极表面积，那么能否直接以具有较大表面积的活性炭粉作为电极材料而获同样效果？为此笔者试制了活性炭粉电极——用活性炭粉包埋炭棒后以细布包裹，布孔应尽可能的细密，否则炭粉渗出而使溶液浑浊不易观察；包裹时一定要紧实以使炭棒和炭粉紧密接触，否则导电不良而无预期效果。图2是笔者采用的效果较好的一种包裹方法。

图2 活性炭粉电极制作方法

4.效果验证

用不同电极进行对比实验以验证效果：电解质溶液为0.5 mol／L硫酸钠溶液，6V直流电源电解至有较多气泡冒出（碳棒电极电解约半分钟），放电时连接电子贺卡以检验效果。不同处理的炭棒电极放电效果见表1。

表1 炭棒电极放电效果

换以上述活性炭粉电极进行实验，电解至有较多气泡冒出需相对长的时间（约15分钟，可适当加大电压以节省时间），但其放电时发光二级管点亮时间可超过1小时（最大点亮时间可达2小时），同时喇叭发声；并且电解后放置4小时再接入电路还能继续点亮发光二级管；此外将两组电池装置并联则可点亮3.5V小灯泡2分钟以上。

5．改进价值

虽然由于炭棒和炭粉间的接触随制作不同而有差异，放电时间仍有所波动，但因具有了较大的表面积而使放电时间大幅延长，实验现象更加明显、更有说服力；由于装置有一定的储存活性氢、氧的能力，可于课前电解而在课堂上直接实验，便于更加灵活安排教学流程；此外制备时不需灼烧，减少了准备时间，也可由学生自制以增加实验的参与性和趣味性。

二、装置的改进

1．思路由来

氢氧燃料电池放电时要消耗气体，而教科书装置中无法看到气体的消耗，给学生理解带来疑问。有研究者设计了通过毛细管液面升降显示气体消耗的演示仪［2－3］，但此仪器不易获得或仿制，受其启发，笔者试用常见仪器改装实现类似效果。

2．装置制作

电解水演示仪是实验室常备装置，笔者选用其中较旧的分体式型号（电解管之间以乳胶管、三通管连接）进行了改制（图3）。其中电极1、2为活性炭粉电极，电极3、4为炭棒电极（让导线通过原来的玻璃尖管并密封即可），加注电解质溶液后将加液漏斗换为毛细管。

实验时以电极1、2进行电解，待电解管上部集得少量气体后断开电源，放电时分别将电极两两配对（电极 1、2；电极 1、4；电极 2、3；电极 3、4）接入电路，通过对比二极管发光时间、液面下降程度等现象可直观说明气体的消耗、反应物的活性等反应原理。改制中未对装置造成损坏，实验后可将其还原而无需额外仪器。