注射器用于電解水與氫氧燃料電池的巧妙設(shè)計

圖1

圖2

電解水是初三化學教學的一個重要實驗，通過這一實驗的演示我們能夠知道水是由氫、氧兩種元素組成，同時還認識到一定條件下電能可以轉(zhuǎn)化為化學能。燃料電池是燃料在電池中直接氧化而產(chǎn)生電能的裝置，是化學能轉(zhuǎn)化為電能的一個重要途徑，有能量轉(zhuǎn)化率高、對環(huán)境友好、可連續(xù)供電等優(yōu)點。然而燃料電池作為一種新型能源，課本對其工業(yè)模型只有寥寥數(shù)語的介紹，而沒有相關(guān)實驗裝置。我們對理解這一裝置及原理存在著不小的困難，甚至由于沒有見過實物，對一個僅用氫氣、氧氣與碳棒做電極的裝置能否對外供電產(chǎn)生了懷疑。

在本次實驗中使用自制簡易實驗儀器利用電解水產(chǎn)生的氫氣和氧氣，再構(gòu)成燃料電池。其制作材料容易獲取，裝置小巧，操作簡單，現(xiàn)象明顯且環(huán)保無污染，很適合家庭小實驗。

（一）裝置的制作

1.儀器用品：直流電源、電流表、電壓表、碳棒、50mL注射器、250mL燒杯、發(fā)光二極管、導(dǎo)線等。

2.試劑：30%硫酸鈉溶液、酚酞溶液。

3.電極制作：將碳棒從廢舊電池中取出，在酒精噴燈上灼燒以除去其中的雜質(zhì)，并淬火（燒至紅熱迅速放入水中）2～3次，形成多孔疏松結(jié)構(gòu)。

（二）實驗過程

1.電解水（電解30%硫酸鈉溶液）

陽極：2H2O+-4e-=O2↑+4H+

陰極：4H2O+4e-=2H2↑+4OH-

用連接電源的多孔碳棒做電解池陰、陽極，30%的硫酸鈉溶液作電解質(zhì)溶液(滴入幾滴酚酞試液)，按照圖1連接好電解水的裝置。通電后連接電源的正極的碳棒作為陽極產(chǎn)生氧氣，連接電源的負極的碳棒作為陰極產(chǎn)生氫氣，同時注射器內(nèi)的溶液變?yōu)榧t色，電解一段時間后產(chǎn)生的氣體將收集于注射器針筒中保存。電能轉(zhuǎn)化為了化學能。

2.氫氧燃料電池：

負極:2H2+4e-=4H+

正極:O2+2H2O+4e-=4OH-

總反應(yīng):2H2+O2=2H2O

電解結(jié)束后，斷開電源，連接發(fā)光二極管。儲氣管中多孔碳棒作燃料電池的正、負極，30%的硫酸鈉溶液作電解質(zhì)溶液，按照圖2連接好氫氧燃料電池裝置。氫氧燃料電池工作時，負極上的氫氣失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)；正極上的氧氣得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，電子定向移動產(chǎn)生電流點亮發(fā)光二極管，化學能轉(zhuǎn)化為了電能。

用該簡易裝置演示燃料電池操作簡單，現(xiàn)象明顯。上述過程交替進行，可以形象地表現(xiàn)先充電、后放電的二次電池或充電電池。使大家深刻地認識到電能和化學能可以相互轉(zhuǎn)化，原電池中的氧化還原反應(yīng)是可以自發(fā)進行的，而電解池中的氧化還原反應(yīng)是不能自發(fā)進行的。