数显式一体化电化学综合实验器制作与应用

厦门实验中学(361116) 邹 标

厦门市教育科学研究院(361000) 王 锋

福建省普通教育教学研究室(350003) 黄丹青

1 问题的提出

电化学是高中化学教学的重点与难点，学校标准配备中电化学实验仪器功能单一，只能进行原电池、电解等常规实验。对于影响原电池反应的因素探究、各种燃料电池的反应现象及机理等热点性问题缺乏相应的实验支持，教师只能从理论上进行阐述，学生通过机械性记忆和习题加以巩固，在一定程度上影响了电化学教学的效果，也有悖于学生核心素养的养成。

笔者设计制作了集约化的数显式一体化电化学综合实验装置，此装置获国家实用新型发明专利。2017年笔者利用此装置参加实验教学说课比赛获福建省一等奖和全国二等奖，并批量生产。此装置是集指针仪表盘、数字显示器、蜂鸣器和发光二极管为一体的综合实验器，操作简便、趣味直观、现象明显、数字显现。借助此装置开展实验探究，既可以教师演示，也可以学生实验，还可以进行课外探究实验。能激发学习兴趣，体验化学实验本原，能很好地突破电化学的教学疑难点，帮助学生更好理解原理，提高教学质量，培养学生的化学核心素养，提升学生的化学关键能力。

2 数显式一体化电化学综合实验器介绍

2.1 装置电路示意图

装置电路示意图如图1所示，由电压表、电流表、发光二极管、蜂鸣器、U型管、导线组成。

2.2 装置实物图

本装置主要是由检测单元和反应单元2个部分组成，如图2所示。左侧U型管部分为反应单元，内装电极。右侧装置为检测单元，检测单元包括电流表、电压表、蜂鸣器、发光二极管等4部分。从左到右分别是指针式电流表、输入电压显示器和输出电压显示器。

2.3 实验创新点

(1)趣味。蜂鸣器和发光二极管显示声音与亮度，增加实验的趣味性。

(2)简约。整个实验装置集约化为一体，操作简捷、实验时间短。

(3)直观。电流表指针显示电流、电压表直接显示电压读数，直观明了。

(4)通用。利用此装置可以完成课本所有电解、原电池、电镀等相关实验，还可以探究与电化学相关的众多课外实验，如反应条件、燃料电池等。

3 数显式一体化电化学综合实验器的应用研究

3.1 原电池探究

利用此装置，能显示电压和电流，很方便探究原电池的影响因素，如电解质溶液种类、电极材料等。表1为原电池条件探究实验数据。①镁、铝作为电极探究在稀酸和稀碱中所构成的原电池情况:同样的镁条和铝片作为电极，电解质分别为10%的稀硫酸和10%的氢氧化钠溶液，电流计的指针方向刚好相反;②铜、铁作为电极分别在浓、稀硝酸中所构成原电池情况:电流计的指针方向刚好相反，稀硝酸的电流与电压反而更大；③铜、铁作为电极在浓、稀硫酸中所构成原电池情况：硫酸浓度在80%以上观察不到有电流和电压。上述探究操作方便，现象明显，可以帮助学生深入理解原电池的工作原理。

表1 原电池条件探究实验数据

3.2 燃料电池探究

3.2.1 电极的制作

利用石墨作为电极。为了增强电极吸附气体的能力，需要将电极处理为多孔状和螺旋槽状。多孔状是将石墨电极在酒精喷灯上灼烧成多孔状；螺旋槽状是用电子刻刀将电极刻为螺旋槽状。经过对比实验，螺旋槽法处理的电极效果更好。如果没有条件，可以采取灼烧法制作电极。

3.2.2 氢氧燃料电池

如图3所示，在U型管内中装入电解质溶液，液面距侧管口1 cm左右，电解质溶液可以用饱和Na2SO4或K2SO4溶液、20%的稀硫酸、40%的NaOH溶液等。调节输入电压为16 V，接通电源，电解3 min左右，断开电源，将电线插头连接到右端原电池插口，记录发光二极管和蜂鸣器的工作时间。若用饱和Na2SO4或K2SO4溶液，实验时在电解液中滴入几滴酚酞试液，在充电过程中还可以观察到阴极区颜色逐渐变红，阳极区颜色不变。反应完后，撤离电极，将U型管电解液倒入烧杯中混合，发现溶液又变为无色。明确电解的本质是电解水，电解质只是起导电作用，更进一步明确电极反应原理。

一体化电化学综合实验器能直观感知燃料电池，运用一体化电化学综合实验器，学生对电解反应产物有比较直观、深入的理解。可以对比不同的介质形成的原电池电压、电流等的大小，比较介质对燃料电池效率的影响，还可以探究温度、溶液浓度等各种因素对原电池效率的影响。电解质溶液不同对燃料电池的影响不大，相同质量分数的酸、碱、盐制成的氢氧燃料电池的电压、电流、灯亮时间等差距不明显，相对而言，使用强碱作为电解质溶液，燃料电池的效率高一些，具体探究内容见表2。

表2 氢氧燃料电池

3.2.3 氢氯燃料电池

操作同氢氧燃料电池，只是将电解质溶液换为饱和NaCl或饱和KCl溶液。可以探究电解相同浓度NaCl溶液和KCl溶液制作成的燃料电池的电池效率，也可以探究电解不同浓度的NaCl溶液制作的燃料电池的蓄电能力，具体探究内容见表3。

表3 氢氯燃料电池

3.2.4 乙醇(或甲醇)燃料电池

如图4所示，U型管中的电解液是饱和KOH溶液和乙醇(或甲醇)的混合液，利用双氧水和二氧化锰反应产生的氧气，通过橡皮管通入U型管中石墨电极附近，电线连通原电池插孔，观察现象，小灯泡亮起来，蜂鸣器响起来，电压读数逐渐下降，到一定读数，灯泡熄灭，音乐停止。学生真切感知有机燃料电池就在身边。

3.2.5 镁-双氧水燃料电池

如图5所示，镁-双氧水隔膜燃料电池，中间是离子隔膜，双氧水试液浓度为1%，连接好装置，能观察到小灯泡亮起来，音乐盒响起来，形成了固体燃料电池。

3.2.6 建构燃料电池模型

设计螺旋上升阶梯式的系列燃料实验，从气体物质的氢氧燃料电池，拓展到液体物质甲醇或乙醇燃料电池，再延伸到固体物质镁-双氧水隔膜燃料电池，对燃料电池有比较全面深入地了解，对涉及到的电极反应有比较深入的认识，帮助学生建立燃料电池模型，对燃料电池这个难点就不会感到害怕了，解答相关问题就能举一反三，难题就能迎难而解，再辅助几道拓展性习题巩固，就能突破难点，提升教学效率。

3.3 水果电池探究

水果电池不容易成功，那么有哪些因素影响水果电池的效果呢？如何通过实验检验？通过此装置，可以测不同情况下的水果电池的电压和电流，快速找到影响水果电池成败的关键因素，成功制作水果电池。

水果电池的效果与电极材料、电极间距离、水果的种类等有关。其中，电极材料的种类是主要影响因素，两者电极电位差距越大，电压和电流也越大。西红柿水果电池的探究内容见表4。

表4 西红柿水果电池

对不同的水果制作的水果电池进行研究，电极选择石墨和镁作电极的效果比较好，具体探究内容见表5。

表5 影响水果电池的条件

4 结语

电化学是高中化学教学的重点与难点，教师在平时教学过程中，如果利用常规的实验仪器与装置开展实验，费时、效率低、效果差。如果利用笔者自制的数显式一体化电化学综合实验器试验就能弥补上述缺陷。