氢氧燃料电池实验的家庭化改进

四川省自贡市蜀光中学(643000) 文吉槐

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转化为电能的装置,高能量转化率、无污染的特点使其成为极具发展前景的新型电源。《普通高中化学课程标准 (2017年版2020年修订)》将 “制作简易的燃料电池”列为学生必做实验[1],3个主流版本教材(人教版、鲁科版、苏教版)均有较为详细的介绍。但是教材实验现象单一、趣味性不强,针对上述问题进行的各种改进则是在专业化的仪器和药品基础上展开的,限制了学生课外进一步研究和探索,不利于学习的延伸。笔者在实验中偶然发现,利用2B铅笔芯电解市售各种饮料,甚至饮用纯净水制成的燃料电池也能带动生活中一些微型用电器工作,且效果良好。为此,笔者对该实验进行了家庭化方向的改进。

1 教材实验及研究现状

1.1 教材实验简述

3个版本教材实验设计的原理基本相同,即实验分为2大步骤:第1步是用直流电源电解水产生氢气和氧气;第2步是用生成的氢气和氧气反应,形成氢氧燃料电池,带动用电器工作。其不同之处在实验仪器、药品和用电器的选择。仪器方面,人教版用的是U型管;鲁科版是U型管和长颈漏斗;苏教版选用的是烧杯。药品方面,人教版和苏教版选用的电解液是Na2SO4溶液;鲁科版用的是稀硫酸。用电器方面,人教版和苏教版均用了发光二极管;鲁科版用的是电流表(如图1)。此外,苏教版还特意强调了对碳电极进行淬火处理,以增强实验效果。从实验操作及效果方面看,由于人教版和鲁科版使用了U形管,因此需要夹持或固定装置,增加了操作实验的不便性。人教版和苏教版无气体储存装置,电解产生的氢气和氧气直接扩散到空气中,导致燃料电池工作时间缩短,性能降低。

图1 3个版本高中化学教材“氢氧燃料电池”实验装置[2-4]

1.2 实验研究现状

在中国知网检索“氢氧燃料电池实验”相关文献,已有的研究主要是两个方面。一是对氢氧燃料电池的原理进行探究,如盛荣[5]通过对电极电势的计算,提出了简易氢氧燃料电池放电可能源于碳棒电极表面官能团的电化学反应,而非氢气与氧气的反应。陈斯林,吴文中[6]通过电解Na2SO4溶液分析电容器储电原理以及二极管发光原理,认为氢氧燃料电池的形成才是二极管发光的主要原因,在真实的电解过程时,电容器无法形成,对相关实验几无影响。二是氢氧燃料电池装置的改进,且以这个方面的研究居多。具体来看,研究者改进的方向主要集中在电极材料、电解质溶液、实验装置3个方面。如南云菲[7]用活性炭粉覆盖碳棒后再以密实布包裹的方式制得活性炭粉电极,发光二极管发光时间明显增长。肖芮,万莉[8]等用浸有Na2SO4溶液的海绵代替传统电解液,改进后的氢氧燃料电池电流、电压大而且稳定,二极管发光时间长。卞海燕[9]对氢氧燃料电池实验装置进行了微型化改进,使其更简单、方便。整体上看,这些改进使实验操作更加简便,现象更加明显,利于课堂演示。在氢氧燃料电池家庭化改进、学生自主探究方面则缺少相关研究。

2 家庭化实验改进

不论教材实验还是相关改进,均是围绕专业的实验仪器或标准化的实验药品进行,目的是优化课堂教学演示。实验受到时间和空间限制,学生参与度低,不利于科学探究与创新意识的养成,若将实验改进往家庭化方向思考,则可减少实验的条件限制,发挥学生创造性,增强实验趣味性。

2.1 实验用品

玻璃杯(或塑料瓶)、0.9 mm×1.8 mm×60 mm 2B铅笔芯、9 V干电池、带鳄鱼夹的导线、清洁用海绵、矿泉水、饮用纯净水、绿茶、可乐、发光二极管(红色)、音乐贺卡芯片、电子时钟。

2.2 改进原理

改进后的装置如图2所示。用玻璃杯(也可用裁剪后的塑料瓶)代替烧杯或U型管,用2B铅笔芯代替石墨电极,用海绵固定2B铅笔芯,海绵的多孔结构还起到了吸附氢气和氧气的作用。用饮料或饮用水代替Na2SO4等电解质溶液。关闭K1,断开K2,电解水生成氢气和氧气,相当于对氢氧燃料电池进行充电,电能转化为化学能。电解一段时间,断开K1后,用电器、导线、铅笔芯、附着在铅笔芯及海绵上的氢气和氧气、电解液便构成了一个微型的氢氧燃料电池。关闭K2,氢气和氧气反应生成水,化学能转化为电能,带动用电器工作。

图2 氢氧燃料电池改进装置

2.3 实验过程

(1)电解水

根据玻璃杯口径,将清洁用海绵裁剪出合适大小,使海绵刚好能放入玻璃杯中。在海绵上打2个小孔,孔间距约3 cm。在2个小孔中插入2B铅笔芯,使铅笔芯固定在海绵上,连接导线。

在玻璃杯中注入矿泉水(或其他饮料),将固定有铅笔芯的海绵放入玻璃杯,使海绵刚好浸没。用带鳄鱼夹的的导线连接铅笔芯和电源,电解水,观察现象(如图3)。可以明显看到,与电源负极相连的电极(放大图3右侧)产生的气泡比与电源正极相连的电极(放大图3左侧)产生的气泡更多。

图3 电解水

(2)燃料电池工作

电解1～2 min后取下连接电池一端的鳄鱼夹,分别连接到发光二极管、电子时钟、音乐贺卡芯片上(注意正负极不要接反),观察现象(如图4)。该方法制作的氢氧燃料电池能使上述微型用电器正常工作,且现象明显。

(a)电子时钟 (b)发光二级管 (c)音乐贺卡芯片图4 燃料电池工作

2.4 实验数据分析

(1)不同电解液数据对比

在其他条件相同的情况下,分别用自来水、某品牌矿物质水、某品牌纯净水、某品牌可口可乐、某品牌绿茶饮料为电解液电解2 min,随后测试电压(如图5)。实验发现,不同电解液的初始电压差别不大,最大的是绿茶2.28 V,最小的是纯净水2.06 V。所有电解质均呈现出先快后慢的衰减速率,且不同电解质衰减的速率不同。120 s时,矿物质水的电压仅为1.08 V,衰减率为49.3%,而绿茶电压为1.50 V,衰减率为34.2%。绿茶饮料不仅初始电压最高,且衰减速率最慢,为最佳电解液。其原因可能是绿茶饮料除了含有较多的钠、钾、镁等无机电解质,还含有氨基酸、维生素等有机电解质,具有较好的导电性。

图5 不同电解液电压数据

(2)不同用电器工作时间

用绿茶饮料为电解液电解2 min,分别测试发光二极管、电子时钟、音乐贺卡的有效工作时间(见表1)。有效工作时间最短是发光二极管为41 s,有效工作时间最长的音乐贺卡达到了202 s。这与用电器的临界工作电压有关,用万用表测试3种微型用电器的临界工作电压,分别为1.8 V、1.3 V、1.1 V,因此用电器的临界工作电压越小,有效工作时间越长。由于自制氢氧燃料电池的电压较小且衰减较快,因此应尽量选用临界工作电压小的用电器。

表1 不同用电器工作时间

3 实验创新点

本实验改进的关键是海绵与2B铅笔芯的巧妙组合。海绵疏松多孔,可吸附电解产生的氢气和氧气,减少气体逸散,使电池工作更加持久,此外,海绵还起到了固定石墨电极(2B铅笔芯)的作用。玻璃杯不仅增大了电解质的容量,也缩短了电极间的距离,减小了电池内阻,利于离子的迁移。具体优点体现如下。

3.1 实验效果显著

以某绿茶饮料作电解质为例,电解约2 min,可以用于连续演示发光二极管、电子时钟、音乐盒等用电器工作,无需电解多次。

3.2 操作方便、安全

实验用品均取自生活中,不受实验室专业仪器和药品的限制。清洁海绵和玻璃杯的结合无需加持设备,操作方便,可单人在家里独立完成。实验电源使用的是9 V干电池,无需家用电转化设备,保证用电安全。电解质为日常生活用水或饮料,无毒、无腐蚀性。单次实验只需5 min左右,耗时短,可多次操作。

3.3 趣味性强

实验所需物品容易获得且与生活密切相关,可激发学生学习兴趣。实验融合了视觉和听觉现象,将电化学原理直观形象地展示出来,增强了实验的趣味性。实验摆脱了仪器药品的专业化限制,实验空间由实验室拓展到家庭,知识的生成过程由学校延伸到生活,有利于培养学生创新意识,提升其化学学科核心素养。