注射器用于电解水与氢氧燃料电池的巧妙设计

图1

图2

电解水是初三化学教学的一个重要实验，通过这一实验的演示我们能够知道水是由氢、氧两种元素组成，同时还认识到一定条件下电能可以转化为化学能。燃料电池是燃料在电池中直接氧化而产生电能的装置，是化学能转化为电能的一个重要途径，有能量转化率高、对环境友好、可连续供电等优点。然而燃料电池作为一种新型能源，课本对其工业模型只有寥寥数语的介绍，而没有相关实验装置。我们对理解这一装置及原理存在着不小的困难，甚至由于没有见过实物，对一个仅用氢气、氧气与碳棒做电极的装置能否对外供电产生了怀疑。

在本次实验中使用自制简易实验仪器利用电解水产生的氢气和氧气，再构成燃料电池。其制作材料容易获取，装置小巧，操作简单，现象明显且环保无污染，很适合家庭小实验。

（一）装置的制作

1.仪器用品：直流电源、电流表、电压表、碳棒、50mL注射器、250mL烧杯、发光二极管、导线等。

2.试剂：30%硫酸钠溶液、酚酞溶液。

3.电极制作：将碳棒从废旧电池中取出，在酒精喷灯上灼烧以除去其中的杂质，并淬火（烧至红热迅速放入水中）2～3次，形成多孔疏松结构。

（二）实验过程

1.电解水（电解30%硫酸钠溶液）

阳极：2H2O+-4e-=O2↑+4H+

阴极：4H2O+4e-=2H2↑+4OH-

用连接电源的多孔碳棒做电解池阴、阳极，30%的硫酸钠溶液作电解质溶液(滴入几滴酚酞试液)，按照图1连接好电解水的装置。通电后连接电源的正极的碳棒作为阳极产生氧气，连接电源的负极的碳棒作为阴极产生氢气，同时注射器内的溶液变为红色，电解一段时间后产生的气体将收集于注射器针筒中保存。电能转化为了化学能。

2.氢氧燃料电池：

负极:2H2+4e-=4H+

正极:O2+2H2O+4e-=4OH-

总反应:2H2+O2=2H2O

电解结束后，断开电源，连接发光二极管。储气管中多孔碳棒作燃料电池的正、负极，30%的硫酸钠溶液作电解质溶液，按照图2连接好氢氧燃料电池装置。氢氧燃料电池工作时，负极上的氢气失去电子，发生氧化反应；正极上的氧气得到电子，发生还原反应，电子定向移动产生电流点亮发光二极管，化学能转化为了电能。

用该简易装置演示燃料电池操作简单，现象明显。上述过程交替进行，可以形象地表现先充电、后放电的二次电池或充电电池。使大家深刻地认识到电能和化学能可以相互转化，原电池中的氧化还原反应是可以自发进行的，而电解池中的氧化还原反应是不能自发进行的。