水的电解及氢氧燃料电池一体化实验创新设计

黄清辉 潘祥泰 林文兴

山东省泰宁县第一中学(354400) 福建省三明教育学院(353000)

1 创新设计背景

氢氧燃料电池是一种新型电池,现行多个版本的高中必修或选修教材中都涉及到氢氧燃料电池实验教学[1-4],旨在引导学生充分认识到氢氧燃料电池作为一种清洁能源可以将化学能转化成电能,同时掌握原电池的工作原理和原电池构成的核心要素,帮助学生建立原电池的认知模型,培养学生“证据推理和模型认知”的化学学科核心素养[5]。但是,在实际的教学过程中,笔者发现教材装置存在以下几个方面的不足:①双孔塞比单孔塞更难操作,同时更容易造成漏气,导致电压不大;②装置中电流表指针有偏转,虽然可以说明有电流通过,但是未能直观体现氢氧燃料供电的效果,知识价值体现不够,且难以激发学生的学习兴趣;③未做对比实验,两极在无氢气和氧气的情况下是否会产生电流;④学生电源相对比较笨重,使用起来不是很方便;⑤从水的电解到氢氧燃料电池两个过程切换比较麻烦;⑥未处理过的石墨电极,吸附气体能力弱,产生电流小;⑦按照教材装置进行实验难以成功,而且电解与放电两个过程无法一体化,同时燃料电池的教学价值与社会价值无法充分体现。

2 文献研究

利用中国知网查阅相关文献,发现有一些关于氢氧燃料电池的实验创新设计,特别是将电解与放电融为一体的创新设计[6-8]。

通过认真阅读文献资料,发现这些改进的实验具有以下几个优点:①石墨电极都有经过处理;②反应较快,现象明显;③装置原料源自于生活较为常见物质。但是同样也存在以下几个缺点:①石墨电极处理比较麻烦,效果不佳;②氢氧燃料电池的供电效果体现不佳;③电解与放电切换比较麻烦。针对教材装置中存在的问题并结合文献中优缺点,笔者经过长期教学研究,对教材中的实验做如下改进。

3 创新设计方案

3.1 改进要点

(1)操作简单、现象明显、节时高效。

(2)取材生活化、装置微型化、现象趣味化。

3.2 实验改进环节

(1)将2个9 V锂电池(高考用的金属探测仪电池)串联起来代替学生电源。

(2)用连通的双U型管(两端高、中间低)替代U型管,便于观察实验。

(3)用小风扇、小车等具体实物来代替电流表,以帮助学生建立直观感受。

(4)用空心的石墨电极替代实心的石墨电极,便于与胶塞的石墨棒(干电池的石墨棒)相连,同时也增大电极与溶液的接触面积。

(5)用单刀双掷开关巧妙将水的电解与氢氧燃料电池两个过程进行自由切换。

(6)用不同浓度硫酸钠溶液代替稀硫酸溶液,体现探究思维。

(7)将石墨电极放在液化灶上加至红热,迅速将其放在冷水中,使其表面变得疏松多孔。

3.3 实验用品

小风扇、小车、连通的双U型管(中间低、两边高)、9 V锂电池2个、石墨电极、导线、酒精喷灯、铁架台、单刀双掷开关、坩埚钳。

3.4 实验装置

水的电解及氧氢燃料电池一体化实验装置如图1所示。

图1 水的电解及氢氧燃料电池一体化实验装置

3.5 实验原理

按照图1连接好装置,检查装置气密性后装好药品。先把单刀双掷开关压到左侧,未电解前,两极未产生氢气和氧气,小车无法行走;紧接着将单刀双掷开关压到右侧,电解0.5 mol/L硫酸钠溶液1 min后,两极分别产生氢气与氧气,体积比大约为2∶1;然后把单刀双掷开关压到左侧,此时,氢气、氧气、硫酸钠溶液形成一个闭合回路,氢气在电极上失电子,氧气在电极上得电子,形成电势差,进而产生电流,促使小车行驶。

3.6 实验操作过程与说明

(1)石墨电极预处理是实验成功的核心要素,笔者采取3种方式进行处理:①将空心石墨电极放在盛有浓硝酸的试管中加热;②将空心石墨电极放在酒精喷灯上加热,然后将其放在冷水中;③将空心石墨电极放在液化灶上加至红热,迅速将其投入冷水中,重复5～6次。经过实验比对分析,我们发现第3种处理方式最好,不仅耗时短、节约能源,同时效果最佳,石墨表面呈现疏松多孔状(见图2)。

图2 疏松多孔状的石墨电极

(2)将两个橡胶塞上石墨电极分别与两根空心石墨电极紧紧相连(见图3)。

图3 单孔塞上的石墨与空心石墨电极相连

(3)配制0.5 mol/L硫酸钠溶液,自制连通的双U型管(见图4),连接好实验装置,并检查装置的气密性。

图4 连通双U型管

(4)向连通的双U型管中注入0.5 mol/L硫酸钠溶液直至与短口相平,并将带有空心石墨电极的橡胶塞塞紧(见图5)。

图5 单孔塞与U型管连接

(5)将单刀双掷开关压到左侧,两极未产生氢气和氧气时,观察到小车未行走。

(6)将单刀双掷开关压到右侧,用2节串联的9 V锂电池进行通电1 min,观察到两极产生气体,而体积比大约为2∶1。

(7)将单刀双掷开关压到左侧,两极上的气体明显减少,同时观察到小车行驶一段距离。

(8)若将0.5 mol/L硫酸钠溶液替换成1 mol/L硫酸钠溶液或将电解时间延长至2 min,其他操作不变,则观察到小车行驶的距离更远。

4 反思与评价

(1)选择身边的器材和物品做实验,做到物尽其用,让学生感受到生活即化学,真正领略到化学学科的独特魅力。

(2)虽然电解时间较短,但是小车仍然行驶了一段距离,这体现出了燃料电池学科教学的实际意义与燃料电池的社会价值。

(3)实验教学中植入创新元素,体现在仪器选择、装置改进及石墨电极淬火处理方法的创新等,极大地培养了学生的创新思维。

(4)本实验装置除了做水的电解与氢氧燃料电池的一体化实验,还可以做氯化钠溶液的电解与氢氯燃料电池的一体化实验,体现装置的多种功能。

(5)本实验除了用于教师演示实验外,还可以用于学生探究实验,教师带领学生开展氢氧燃料电池相关的社团活动和研究性学习活动,充分调动学生学习化学的积极性,培养学生的学科核心素养。

(6)实验中氢气、氧气在两个电极未能完全消耗,同时电极持续吸附气体能力较弱,所以寻找优良催化剂是提高持续放电的关键所在。