全国第十届化学实验仪器创新成果展示表-《全国第十届化学实

*联系人Email：[e-mail]《全国第十届化学实验仪器创新成果展示表》一、实验名称：氢氧燃料电池演示仪的制作与使用戴乐*姜兵（淮安市北京路中学，江苏淮安，223300）二、实验目的：燃料电池（尤其是氢氧燃料电池）以其能量转换效率高、污染小、高度可靠性，必将成为未来电池的主角。由于燃料电池在电极制作和燃料的储存、携带方面技术要求很高，目前尚未得到普及。中学化学教科书的大部分版本中关于燃料电池的介绍仅限于文字和示意图，这使得学生对燃料电池的构造和原理缺乏感性认识，从而产生一种神秘感。通过实验引导学生认识和理解氢氧燃料电池的构造和原理（如右图1），这是（苏教版）普通高中课程标准实验教科书—化学（必修2，第二版，P39）的一大特色与创新。但是我们在教学实践中发现该装置现象不明显，分组实验时，不少小组做不出现象；而且学生针对这套装置提出两点疑问：（1）燃料电池要求从外界通入燃料，而该装置先充电，后放电，从能量转化的角度来讲能叫做燃料电池吗？（2）燃料电池放电时要消耗燃料气体，而该装置中无法看不到气体的消耗，如何来理解燃料电池呢？我们带着上述学生的疑问，查阅了大量文献资料，从由P.W.阿特金斯、M.J.克吕斯顿著庄宏鑫、王和春译的《物理化学原理》（化学工业出版社，1990年）书中的一幅插图引起了我们的兴趣。（如右图2）在这个燃料电池装置图中只有通入氢气的那个电极是碳极＋铂催化剂，而通入氧气的那个电极却没有催化剂。书中还配了一段文字“实际上，燃料电池的操作就像一个电化学电池，在一个电极上放出电子，通过外电路到达另一电极，引起另一电极的还原作用。唯一不同的是反应的燃料由外部储存的气体供给。工业上，人们用Pt作催化剂和吸附剂（如右图2）。氢气．．被吸附在催化剂的表面，离解为氢原子，氢原子放出电子，通．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．过外电路，引起氧气的还原反应，构成燃料电池。整个操作的．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．关键在于如何引发氢气在电极上放出电子．．．．．．．．．．．．．．．．．．。”在中学化学试验室里，我们虽然无法实现工业上的操作，但是我们却可以通过图1图2燃料电池装置图2解水时阴极发生2H++2e-→H2的反应，使多孔碳电极吸附大量还原性强，易失去电子的活性氢而得到活化的氢电极。氧气可以由外界直接通入。同时，我们又想能不能在氢氧燃料电池工作时看到气体的消耗——如气体体积的减少？由外界通入氧气和氢气形成的电极与由电解产生的氢气和氧气形成的电极在放电效果上有什么差异？基于上述疑问与思考，我们设计并制作了一个氢氧燃料电池演示仪来解决上述问题。三、实验仪器及试剂自制氢氧燃料电池演示仪，四根碳棒电极，音乐贺卡，灵敏电流计、直流电源，导线，烧杯，玻璃棒，硫酸钾稀溶液。四、实验仪器装置图（无论用手或电脑画都必须清晰）及仪器的组装说明五、实验操作部分1．电极的制作：①从一号电池中拆取两根碳棒，用水洗净，用坩埚钳夹住碳棒置于酒精喷灯的火焰上灼烧至红后迅速投入冷水中，反复多次，使碳棒表面变得粗糙多孔。②将制好的电极塞入单孔塞。2．电池的组装：在自制氢氧燃料演示仪（如上图）中注满硫酸钠稀溶液，将制作好的电极插入（要注意装置的气密性，涂抹凡士林可以解决）。3．将电极1、2接在直流电源上，在电压8－12V下电解，收集一定量的氧气和氢气后，停止电解。同时在电极3、4处导入收集好的氧气和氢气，直至双球泡中的液体进入毛细管一段高度。4．将电极1、2接上音乐贺卡，可以看到发光二极管亮（电池电压超过其启辉电压1.7V），前视图右侧视图后视图电极1电极2电极3电极4电极2电极3内径1mm毛细管管内径18～20mm通入氧气通入氢气电解氢气电解氧气气3扬声器传出动听的音乐。将电极2、3接上音乐贺卡，发现发光二极管不亮（此时电池的电压低于1.7V），扬声器传出动听的音乐。将电极3、4接上灵敏电流计，指针不发生偏转（说明无电流产生）。将电极4、1接上灵敏电流计，指针不发生偏转（说明无电流产生）。同时我们还能看见毛细管中的液面缓缓下降。六、装置改进的意义1．将电极放入装置中，通过排液法收集一定量的氢气和氧气，增加了电极周围气体的浓度，提高了电压，延长了放电时间，使得实验效果更加明显，且成功率100%。2．利用电解产生氢气、氧气与外界制备好的氢气、氧气的不同组合说明氢氧燃料电池的关键是活性氢电极（即电解产生的氢气中有活性氢）。同时双球泡上的毛细管中液面缓缓下降，说明氢气、氧气在被消耗。3．对实验探究教学的启示（1）在实施新课程的过程中，很多教师意识到新课程的实施需要课程资源的支持，应积极开发并利用校内外的各种课程资源，但是我们又普遍感到课程资源匮乏。究其原因是我们对课堂教学中蕴涵的丰富的学生资源缺乏认识，忽视对学生资源的捕捉、利用和开发，致使大量学生资源流失。我们应该努力营造出“教师—学生”以及“学生—学生”间自由、平等的氛围。英国哲学家约翰·密尔曾说过：天才只能在自由的空气里自由自在的呼吸。同时，学生年龄尚小，经历甚少，有时提出的设想与现实有一定的反差，这就要求教师要对学生所犯的错误一定要有高度的容忍精神。其实错误也是一笔重要的教学资源。这次实验创新设计正是抓住了课堂教学中自发生成的学生资源而且探究中一些关键信息的检索和改进措施的提出均得益于学生的自由发挥。（2）《普通高中化学课程标准》（实验稿）强调：“要按照课程内容的要求，发现学习和生产、生活中有意义的化学问题，并进行实验探究；能根据具体情况设计解决化学问题的实验方案，并给以评价和优化。”本次探究正是紧密结合化学教学内容而进行的符合化学课程电极1：电解产生氧气电极2：电解产生氢气电极3：外界通入氧气电极4：外界通入氢气发光二极管亮扬声器传出动听的音乐发光二极管不亮扬声器传出动听的音乐灵敏电流计指示无电流灵敏电流计指示无电流4标准的一次活动，学生亲身经历了类似科学家的研究过程：提出问题→设想→设计方案→实验验证→分析反思→结论；体验、感受了探究的酸甜苦辣；也锻炼和培养了他们的意志和毅力，开拓了思维，增强了自信，提升了创造力。同时在本次探究中，我们也意识到探究性学习不仅局限于实验探究。收集信息、思考、求证，再思考，再求证，也是一种探究性学习模式，而且会随着学生的成长，变为人们从事探究性活动时经常采用的主要模式。这次实验创新设计的突破完全有赖于文献检索、思考、求证。（3）这次实验创新设计活动，对教师也是一次超越式的促进和提高。教师和学生一起融入探究过程中，一同查找资料，设计方案，分析原因，不断反思优化实验方案，一同感受和体验科学研究过程。在探究过程中，学生感受到教师的欣赏和信任，形成健康的心理状态，有足够的自尊和自信，从而以积极的态度学习。师生之间建立起融洽的理解型的师生关系，保证今后教育教学工作的顺利开展。同时，教师也提高了自身的教育科研能力，只要积极思考，主动探究，及时总结，就一定会有所发现，有所创新，就能使自己尽快成长为一名研究型、创新型教师。