氫氧燃料電池實驗的家庭化改進

四川省自貢市蜀光中學(643000) 文吉槐

氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學能直接轉化為電能的裝置,高能量轉化率、無污染的特點使其成為極具發展前景的新型電源。《普通高中化學課程標準 (2017年版2020年修訂)》將 “制作簡易的燃料電池”列為學生必做實驗[1],3個主流版本教材(人教版、魯科版、蘇教版)均有較為詳細的介紹。但是教材實驗現象單一、趣味性不強,針對上述問題進行的各種改進則是在專業化的儀器和藥品基礎上展開的,限制了學生課外進一步研究和探索,不利于學習的延伸。筆者在實驗中偶然發現,利用2B鉛筆芯電解市售各種飲料,甚至飲用純凈水制成的燃料電池也能帶動生活中一些微型用電器工作,且效果良好。為此,筆者對該實驗進行了家庭化方向的改進。

1 教材實驗及研究現狀

1.1 教材實驗簡述

3個版本教材實驗設計的原理基本相同,即實驗分為2大步驟:第1步是用直流電源電解水產生氫氣和氧氣;第2步是用生成的氫氣和氧氣反應,形成氫氧燃料電池,帶動用電器工作。其不同之處在實驗儀器、藥品和用電器的選擇。儀器方面,人教版用的是U型管;魯科版是U型管和長頸漏斗;蘇教版選用的是燒杯。藥品方面,人教版和蘇教版選用的電解液是Na2SO4溶液;魯科版用的是稀硫酸。用電器方面,人教版和蘇教版均用了發光二極管;魯科版用的是電流表(如圖1)。此外,蘇教版還特意強調了對碳電極進行淬火處理,以增強實驗效果。從實驗操作及效果方面看,由于人教版和魯科版使用了U形管,因此需要夾持或固定裝置,增加了操作實驗的不便性。人教版和蘇教版無氣體儲存裝置,電解產生的氫氣和氧氣直接擴散到空氣中,導致燃料電池工作時間縮短,性能降低。

圖1 3個版本高中化學教材“氫氧燃料電池”實驗裝置[2-4]

1.2 實驗研究現狀

在中國知網檢索“氫氧燃料電池實驗”相關文獻,已有的研究主要是兩個方面。一是對氫氧燃料電池的原理進行探究,如盛榮[5]通過對電極電勢的計算,提出了簡易氫氧燃料電池放電可能源于碳棒電極表面官能團的電化學反應,而非氫氣與氧氣的反應。陳斯林,吳文中[6]通過電解Na2SO4溶液分析電容器儲電原理以及二極管發光原理,認為氫氧燃料電池的形成才是二極管發光的主要原因,在真實的電解過程時,電容器無法形成,對相關實驗幾無影響。二是氫氧燃料電池裝置的改進,且以這個方面的研究居多。具體來看,研究者改進的方向主要集中在電極材料、電解質溶液、實驗裝置3個方面。如南云菲[7]用活性炭粉覆蓋碳棒后再以密實布包裹的方式制得活性炭粉電極,發光二極管發光時間明顯增長。肖芮,萬莉[8]等用浸有Na2SO4溶液的海綿代替傳統電解液,改進后的氫氧燃料電池電流、電壓大而且穩定,二極管發光時間長。卞海燕[9]對氫氧燃料電池實驗裝置進行了微型化改進,使其更簡單、方便。整體上看,這些改進使實驗操作更加簡便,現象更加明顯,利于課堂演示。在氫氧燃料電池家庭化改進、學生自主探究方面則缺少相關研究。

2 家庭化實驗改進

不論教材實驗還是相關改進,均是圍繞專業的實驗儀器或標準化的實驗藥品進行,目的是優化課堂教學演示。實驗受到時間和空間限制,學生參與度低,不利于科學探究與創新意識的養成,若將實驗改進往家庭化方向思考,則可減少實驗的條件限制,發揮學生創造性,增強實驗趣味性。

2.1 實驗用品

玻璃杯(或塑料瓶)、0.9 mm×1.8 mm×60 mm 2B鉛筆芯、9 V干電池、帶鱷魚夾的導線、清潔用海綿、礦泉水、飲用純凈水、綠茶、可樂、發光二極管(紅色)、音樂賀卡芯片、電子時鐘。

2.2 改進原理

改進后的裝置如圖2所示。用玻璃杯(也可用裁剪后的塑料瓶)代替燒杯或U型管,用2B鉛筆芯代替石墨電極,用海綿固定2B鉛筆芯,海綿的多孔結構還起到了吸附氫氣和氧氣的作用。用飲料或飲用水代替Na2SO4等電解質溶液。關閉K1,斷開K2,電解水生成氫氣和氧氣,相當于對氫氧燃料電池進行充電,電能轉化為化學能。電解一段時間,斷開K1后,用電器、導線、鉛筆芯、附著在鉛筆芯及海綿上的氫氣和氧氣、電解液便構成了一個微型的氫氧燃料電池。關閉K2,氫氣和氧氣反應生成水,化學能轉化為電能,帶動用電器工作。

圖2 氫氧燃料電池改進裝置

2.3 實驗過程

(1)電解水

根據玻璃杯口徑,將清潔用海綿裁剪出合適大小,使海綿剛好能放入玻璃杯中。在海綿上打2個小孔,孔間距約3 cm。在2個小孔中插入2B鉛筆芯,使鉛筆芯固定在海綿上,連接導線。

在玻璃杯中注入礦泉水(或其他飲料),將固定有鉛筆芯的海綿放入玻璃杯,使海綿剛好浸沒。用帶鱷魚夾的的導線連接鉛筆芯和電源,電解水,觀察現象(如圖3)。可以明顯看到,與電源負極相連的電極(放大圖3右側)產生的氣泡比與電源正極相連的電極(放大圖3左側)產生的氣泡更多。

圖3 電解水

(2)燃料電池工作

電解1～2 min后取下連接電池一端的鱷魚夾,分別連接到發光二極管、電子時鐘、音樂賀卡芯片上(注意正負極不要接反),觀察現象(如圖4)。該方法制作的氫氧燃料電池能使上述微型用電器正常工作,且現象明顯。

(a)電子時鐘 (b)發光二級管 (c)音樂賀卡芯片圖4 燃料電池工作

2.4 實驗數據分析

(1)不同電解液數據對比

在其他條件相同的情況下,分別用自來水、某品牌礦物質水、某品牌純凈水、某品牌可口可樂、某品牌綠茶飲料為電解液電解2 min,隨后測試電壓(如圖5)。實驗發現,不同電解液的初始電壓差別不大,最大的是綠茶2.28 V,最小的是純凈水2.06 V。所有電解質均呈現出先快后慢的衰減速率,且不同電解質衰減的速率不同。120 s時,礦物質水的電壓僅為1.08 V,衰減率為49.3%,而綠茶電壓為1.50 V,衰減率為34.2%。綠茶飲料不僅初始電壓最高,且衰減速率最慢,為最佳電解液。其原因可能是綠茶飲料除了含有較多的鈉、鉀、鎂等無機電解質,還含有氨基酸、維生素等有機電解質,具有較好的導電性。

圖5 不同電解液電壓數據

(2)不同用電器工作時間

用綠茶飲料為電解液電解2 min,分別測試發光二極管、電子時鐘、音樂賀卡的有效工作時間(見表1)。有效工作時間最短是發光二極管為41 s,有效工作時間最長的音樂賀卡達到了202 s。這與用電器的臨界工作電壓有關,用萬用表測試3種微型用電器的臨界工作電壓,分別為1.8 V、1.3 V、1.1 V,因此用電器的臨界工作電壓越小,有效工作時間越長。由于自制氫氧燃料電池的電壓較小且衰減較快,因此應盡量選用臨界工作電壓小的用電器。

表1 不同用電器工作時間

3 實驗創新點

本實驗改進的關鍵是海綿與2B鉛筆芯的巧妙組合。海綿疏松多孔,可吸附電解產生的氫氣和氧氣,減少氣體逸散,使電池工作更加持久,此外,海綿還起到了固定石墨電極(2B鉛筆芯)的作用。玻璃杯不僅增大了電解質的容量,也縮短了電極間的距離,減小了電池內阻,利于離子的遷移。具體優點體現如下。

3.1 實驗效果顯著

以某綠茶飲料作電解質為例,電解約2 min,可以用于連續演示發光二極管、電子時鐘、音樂盒等用電器工作,無需電解多次。

3.2 操作方便、安全

實驗用品均取自生活中,不受實驗室專業儀器和藥品的限制。清潔海綿和玻璃杯的結合無需加持設備,操作方便,可單人在家里獨立完成。實驗電源使用的是9 V干電池,無需家用電轉化設備,保證用電安全。電解質為日常生活用水或飲料,無毒、無腐蝕性。單次實驗只需5 min左右,耗時短,可多次操作。

3.3 趣味性強

實驗所需物品容易獲得且與生活密切相關,可激發學生學習興趣。實驗融合了視覺和聽覺現象,將電化學原理直觀形象地展示出來,增強了實驗的趣味性。實驗擺脫了儀器藥品的專業化限制,實驗空間由實驗室拓展到家庭,知識的生成過程由學校延伸到生活,有利于培養學生創新意識,提升其化學學科核心素養。