電解飽和食鹽水及氫氯燃料電池的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

摘 要：在普通高中化學(xué)人教版教材選修四第四章第三節(jié)第80頁電解原理的應(yīng)用，以及高中化學(xué)人教版教材必修一第二章第二節(jié)第44頁氫氧燃料電池原理，推廣應(yīng)用中涉及燃料電池和電解池的實(shí)驗(yàn)大多為理論知識(shí)，較為抽象，為了在實(shí)驗(yàn)過程中能觀察到明顯現(xiàn)象，對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：電解池；燃料電池；電壓表；電流表

普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書人教版化學(xué)選修4第四章第三節(jié)電解池圖4-8電解CuCl2的實(shí)驗(yàn)裝置圖是高中化學(xué)電解的一個(gè)模板裝置圖，其裝置簡(jiǎn)單，存在著不足之處。首先，該裝置展示了電解飽和食鹽水的模板和思路，該實(shí)驗(yàn)中沒有明確直流電源的電壓值以及具體使用何種直流電源。其次，該裝置中產(chǎn)生H2、Cl2、NaOH沒有明確如何檢驗(yàn)各種產(chǎn)物的方法。再次，該實(shí)驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生有毒氣體Cl2，直接排放到空氣中污染空氣，產(chǎn)生NaOH具有強(qiáng)烈的腐蝕性，沒有明確處理方法等?；谏鲜銮闆r，對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，用于電解飽和食鹽水并對(duì)產(chǎn)生的產(chǎn)物進(jìn)行檢驗(yàn)、利用，改裝成一個(gè)綜合性多功能實(shí)驗(yàn)。其目的是在化學(xué)教學(xué)中，能將電解的過程清晰地展現(xiàn)在學(xué)生的視野中，將抽象的問題具體化。尤其是將產(chǎn)生的氣體自發(fā)進(jìn)行氧化-還原反應(yīng)形成燃料電池并產(chǎn)生的電流用于帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并可以通過電流表、伏特表將產(chǎn)生的電壓、電流具體數(shù)值讀出，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性以及對(duì)自然科學(xué)的深入認(rèn)知。

實(shí)驗(yàn)用品：木板、輸液管、變壓器（將交流電變壓經(jīng)硅整流器變?yōu)橹绷麟姡㈦婃I、發(fā)光二極管、電動(dòng)機(jī)、導(dǎo)線若干、碳棒、注射器、塑料容器、塑料管、塑料杯、具支試管、鑷子、礦泉水、食鹽、酚酞試液、淀粉碘化鉀試紙、火柴、肥皂水等。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置圖：

改進(jìn)一：對(duì)電壓的改進(jìn)，將變壓器固定在木板上，通過變壓器將220V的交流電變壓器變壓為9V交流電之后再通過硅整流二極管轉(zhuǎn)化為9V直流電源，用于電解電源，這樣制作的電源安全、可靠、使用方便。

改進(jìn)二：取用一個(gè)塑料瓶作為容器，在塑料蓋上插上一條塑料管用于平衡內(nèi)外氣壓，當(dāng)瓶?jī)?nèi)產(chǎn)生氣體時(shí)，壓強(qiáng)增大，液面上升到塑料管內(nèi)。電解完成，水柱對(duì)氣體產(chǎn)生壓強(qiáng)又使得H2與Cl2充分接觸，紅線與碳棒連接后再與電源正極（+）相連作陽極，將產(chǎn)生Cl2通過導(dǎo)氣管導(dǎo)出。在出口處用淀粉碘化鉀試紙檢驗(yàn)，并在產(chǎn)生Cl2導(dǎo)氣管口蓋上一個(gè)塑料蓋，防止產(chǎn)生的氯氣逸出污染空氣；在藍(lán)線與碳棒連接后再與電源負(fù)極（-）極相連作陰極產(chǎn)生H2通過導(dǎo)氣管導(dǎo)出，在出口處通過裝有肥皂水的具支試管將產(chǎn)生的氫氣聚集起來，用火柴點(diǎn)燃，觀察火焰顏色以及聽爆鳴聲，并用盛有酚酞試液的注射器從產(chǎn)生H2一端的導(dǎo)氣管中注入容器中，用于檢驗(yàn)NaOH。

改進(jìn)三：在塑料容器中盛放一小塑料杯，杯中加入飽和食鹽水，目的是節(jié)約藥品，并用塑料蓋蓋上使整個(gè)操作在密閉容器中進(jìn)行。

改進(jìn)四：?jiǎn)蔚峨p擲開關(guān)一端閉合，此時(shí)為電解飽和食鹽水，紅線是電源的正極（+）產(chǎn)生Cl2、藍(lán)線是電源的負(fù)極（-）產(chǎn)生H2，斷開電鍵時(shí)電解過程完成；閉合另一端為燃料電池，發(fā)光二極管以及電動(dòng)機(jī)用于顯示有無電流產(chǎn)生。

改進(jìn)五：并聯(lián)電壓表、串聯(lián)電流表、電動(dòng)機(jī)用于觀察H2、Cl2形成燃料電池后的電壓值、電流值，通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)說明化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能、電能又轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

實(shí)驗(yàn)過程：

1. 連接好裝置后，將配制好的NaCl飽和溶液放入小塑料杯中，在大小塑料容器中加滿水，蓋上塑料蓋，接好導(dǎo)線。閉合電鍵，電解開始，一段時(shí)間后，打開與陽極相連的導(dǎo)氣管出口，用潤(rùn)濕的淀粉KI試紙檢驗(yàn)陽極產(chǎn)生的氣體，試紙變藍(lán)，說明產(chǎn)生了Cl2；陰極產(chǎn)生的氣體在具支試管中，通過肥皂水聚集后點(diǎn)燃，產(chǎn)生爆鳴聲，說明產(chǎn)生了H2；再用裝有酚酞試液的注射器從陰極導(dǎo)氣管出口處注入，觀察陰極區(qū)溶液顏色的變化，溶液變成紅色，說明產(chǎn)生了NaOH。

總反應(yīng)：2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑

陰極：2H++2e-H2↑（點(diǎn)燃）

陽極：2Cl-+2e-Cl2↑（用潤(rùn)濕的淀粉碘化鉀試紙）

NaOH （用酚酞試液）

燃料電池：

H2+Cl22HCl（發(fā)光二極管、電動(dòng)機(jī)帶風(fēng)扇、電壓表、電流表）

2. 關(guān)閉電源，將電鍵斷開后，此時(shí)，電解完成；連接另一端，產(chǎn)生的H2、Cl2與發(fā)光二極管和電動(dòng)機(jī)形成一個(gè)串聯(lián)的閉合回路，在碳棒的催化作用下，自發(fā)產(chǎn)生了氧化——還原反應(yīng)，觀察發(fā)光二極管發(fā)光、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，此時(shí)還可以觀察到電壓、電流的具體數(shù)值，便知H2、Cl2形成了燃料電池，H2、Cl2產(chǎn)生的HCl溶于水形成的鹽酸中和了電解過程中產(chǎn)生的NaOH。整個(gè)實(shí)驗(yàn)從電解池到原電池都在密閉系統(tǒng)中進(jìn)行，且產(chǎn)物又相互中和，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的目的。

綜上，該實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是，操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、取材方便、安全可靠、可以重復(fù)使用、節(jié)約藥品、環(huán)保，適用于中學(xué)化學(xué)中所有電解實(shí)驗(yàn)以及氫氧燃料電池、甲烷燃料電池、氫氯燃料電池等實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陳達(dá).《化學(xué)教學(xué)》電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)的新改進(jìn).

[3]普通高中化學(xué)人教版教材選修四《化學(xué)反應(yīng)原理》.

[4]蘇小云，陳灝.《無機(jī)化學(xué)》下冊(cè)[M].北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1993.

作者簡(jiǎn)介：劉懷敏，貴州省黔南布依族苗族自治州，貴州省甕安第二中學(xué)。