耿亞萍（溧陽(yáng)市第三中學(xué)　江蘇溧陽(yáng)　213300）

化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

耿亞萍
（溧陽(yáng)市第三中學(xué)江蘇溧陽(yáng)213300）

摘要：針對(duì)化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)實(shí)際教學(xué)過(guò)程中存在的不足，利用生活中常見(jiàn)的一些物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)便、現(xiàn)象明顯、試劑用量少、綠色環(huán)保、選材易得、效果好。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)稍作改動(dòng)還可用于能量變化的光－電－化學(xué)轉(zhuǎn)化的演示。

關(guān)鍵詞：原電池；電解池；氫氧燃料電池；微型化；改進(jìn)

中圖分類號(hào)：

文章編號(hào)：1008-0546（2015）04-0092-02G633．8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)，是化學(xué)知識(shí)的源泉，是化學(xué)教育的基礎(chǔ)和必由之路。許多化學(xué)概念、理論都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)、總結(jié)、驗(yàn)證的?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)有著極其重要的作用。筆者在教學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)教材提供的電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的相關(guān)實(shí)驗(yàn)存在儀器繁雜、試劑量大且污染嚴(yán)重、現(xiàn)象不明顯等弊端，教師在這部分教學(xué)時(shí)以演示實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)變得寥寥無(wú)幾。這樣的教學(xué)使得學(xué)生缺乏“真實(shí)的、有效的”實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。為了克服以上不足，筆者在教學(xué)過(guò)程中，對(duì)原電池、電解池和氫氧燃料電池實(shí)驗(yàn)進(jìn)行如下改進(jìn)，改進(jìn)后的裝置簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，特別適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

一、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1．相連雙孔點(diǎn)滴板制作

找一塊約2 cm厚的泡沫塑料板，用刀截成約12cm×8 cm的長(zhǎng)方形，然后將大試管底部在酒精燈火焰上燒熱，在泡沫塑料板上燙出2個(gè)相切的圓形孔，類似數(shù)字8的形狀或葫蘆的形狀，保證兩孔相連，可燙出多排相連的雙孔，類似點(diǎn)滴板（圖1）。

圖1　

2．石墨電極的制作

取考試用2B鉛筆，用小刀削去木頭部分，取出筆芯（Φ2mm直徑），切成30mm、90mm長(zhǎng)度作為石墨電極。

二、微型原電池

1．實(shí)驗(yàn)用品

相連雙孔點(diǎn)滴板、導(dǎo)線2根、靈敏電流表、H2SO4溶液、鋅片、銅片。

2．實(shí)驗(yàn)步驟

在點(diǎn)滴板的2個(gè)孔穴中加入H2SO4溶液，兩邊孔穴中分別插入鋅片、銅片、構(gòu)成電極，用導(dǎo)線連結(jié)起來(lái)，可觀察到鋅片上無(wú)氣泡、銅片上有氣泡（圖2），連接靈敏電流計(jì)，電流計(jì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

圖2　

說(shuō)明：為了便于觀察銅片上的氣泡，鋅片和銅片最好取剛從鋅皮和銅片上剪下的。

三、微型電解池

1．實(shí)驗(yàn)用品

相連雙孔點(diǎn)滴板、鉛筆芯電極（Φ2×30mm）、6V電池組、導(dǎo)線2根、0．5mol／LNa2SO4溶液、飽和NaCl溶液、飽和CuCl2溶液、紫色石蕊試液、酚酞試液、淀粉碘化鉀試紙。

2．實(shí)驗(yàn)步驟

在點(diǎn)滴板的2個(gè)孔穴中滴入Na2SO4溶液，并滴入紫色石蕊試液，插入鉛筆芯電極進(jìn)行電解，立即觀察到石墨棒上均有氣泡，陰極氣泡多，陽(yáng)極氣泡少，1min后陰極孔穴中溶液變藍(lán)，陽(yáng)極孔穴中溶液變紅。電解結(jié)束后混合孔穴中溶液，顏色變?yōu)樽仙▓D3）。

圖3　

換成飽和食鹽水并在兩極滴入酚酞，兩極均有氣泡，陰極孔穴中酚酞變紅；陽(yáng)極氣泡能使?jié)駶?rùn)的淀粉碘化鉀試紙變藍(lán)。

換成CuCl2溶液，陽(yáng)極有氣泡，能使?jié)駶?rùn)的淀粉碘化鉀試紙變藍(lán)；陰極鉛筆芯上有一層紅色的銅析出。

說(shuō)明：電解水實(shí)驗(yàn)中，指示劑的加入和雙孔的隔離作用使陰極孔穴中石蕊變藍(lán)說(shuō)明溶液中的水電離產(chǎn)生H＋變成氫氣的氣泡逸出，剩下OH－使石蕊變藍(lán)，指示劑

的加入便于通過(guò)宏觀現(xiàn)象理解微觀本質(zhì)。

若用浸有氯化銅溶液的果凍條電解，3min后可看到陰極石墨棒上有紅色的銅覆蓋上面，陽(yáng)極石墨棒有氣泡，濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙放在電極附近變藍(lán)，由于果凍條的包裹作用，氯氣不易逸出，減少對(duì)健康的危害。電解結(jié)束取出電極可觀察到陰極石墨棒周圍形成深藍(lán)色的圈，顏色內(nèi)層深外層淺，說(shuō)明Cu2＋向陰極聚集（圖4）。

圖4　

四、氫氧燃料電池實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1．實(shí)驗(yàn)用品

6V電池組、鉛筆芯電極（Φ2×90mm）、導(dǎo)線2根、紗布（7×9cm）、細(xì)繩、硬紙板，100mL燒杯、發(fā)光二極管（可從小孩子的舊玩具拆下）、生日蠟燭音樂(lè)芯片、小電扇、0．5mol／L Na2SO4溶液。

2．實(shí)驗(yàn)步驟

（1）另取2B鉛筆芯削成粉末，平鋪在紗布上，然后將紗布裹住鉛筆芯電極，用細(xì)繩系牢，這樣就制成了“多孔碳棒”。筆芯上端留點(diǎn)2cm左右長(zhǎng)度用于連接導(dǎo)線（圖5）。

圖5　

（2）搭好裝置，向燒杯中注入0．5mol／L的Na2SO4溶液，將改制后的電極插入其中，接上6V電源電解，約2min可觀察到紗布周圍紗布上布滿了小氣泡，則斷開(kāi)S1合上S2，小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，同時(shí)可觀察到紗布周圍小氣泡在減少（圖6）。將小風(fēng)扇換成發(fā)光二極管、生日蠟燭音樂(lè)芯片、電流表、耳機(jī)、小鬧鐘等都有非常明顯的現(xiàn)象。

圖6　氫氧燃料電池裝置圖

表1　用電器工作時(shí)間對(duì)照表

說(shuō)明：要注意二極管、電風(fēng)扇及音樂(lè)芯片連接時(shí)正負(fù)極方向，否則燃料電池不工作。

學(xué)生在教師改進(jìn)的基礎(chǔ)上，將6V電池組換成太陽(yáng)能電池板，完成了化學(xué)反應(yīng)與能量變化中的光、電、化學(xué)轉(zhuǎn)化演示儀器制作（圖7）。

圖7　光－電－化學(xué)轉(zhuǎn)化儀器

五、說(shuō)明

1．實(shí)驗(yàn)綠色化

試劑量少，實(shí)驗(yàn)速度快，非常適合學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)。放在相連雙孔點(diǎn)滴板中的實(shí)驗(yàn)，消耗的藥品要少很多，產(chǎn)生的污染少，但實(shí)驗(yàn)效果不打任何折扣。

2．實(shí)驗(yàn)便捷化

裝置靈巧，攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯。電源是6V電池組，從物理實(shí)驗(yàn)室借用，不必使用笨重的學(xué)生電源及重新購(gòu)買9V電池，節(jié)約成本；二極管和音樂(lè)蠟燭芯片是從舊玩具和點(diǎn)完的生日蠟燭處理得到的；

3．效果明顯化

雙孔穴的隔離作用有利于兩極實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和產(chǎn)物的檢驗(yàn)；指示劑、果凍條的使用將實(shí)驗(yàn)的微觀過(guò)程展現(xiàn)出來(lái)，直觀地看到微粒的移動(dòng)過(guò)程，方便分析各電極產(chǎn)物是由哪些微粒產(chǎn)生的，促使學(xué)生更好地理解反應(yīng)原理；用紗布、鉛筆芯粉末包裹鉛筆芯制作的多孔碳棒比教材的制作方法要更容易成功，形成的燃料電池供電時(shí)間也更長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)

［1］趙會(huì)科．對(duì)氫氧燃料電池實(shí)驗(yàn)的研究與改進(jìn)［J］．化學(xué)教育，2009，（6）：50

［2］沈明祥．化學(xué)能與電能轉(zhuǎn)化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］．中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2010，（10）：47

doi：10.3969／j．issn．1008－0546．2015．04．037