4.1.3氢氧燃料电池的实验创新实验方案 教学设计 2023-2024学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

氢氧燃料电池的实验创新 1.功能与价值 燃料电池是高中化学教学的重要内容，《普通高中化学课程标准(2017 年版) 明确将制作简单的燃料电池列为选择性必修课程的学生必做实验。以氢气为燃料 的氢氧燃料电池是一种高效清洁的新型化学电源，能量转换率高、低排放、无污 染。目前,燃料电池已在生产、生活、国防、科技等领域大显身手。如何在课堂 教学中演示氢氧燃料电池实验,帮助学生真实感受燃料电池的发电过程，认识燃 料电池的工作原理呢?经过一系列的探索改进了氢氧燃料电池实验，优化了实验 条件，实验原理清晰明了，操作简单易行、实验效果显著，适合课堂演示实验，帮助学生建构电池的认知模型。发展了学生科学探究与创新意识、宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等核心素养。同时也让学生初步学会从宏观现象到化学符号再到微观探析的“三重表征”思维方式，由感性认识上升到理性思维。 2.原理与拓展 氢氧燃料电池的化学反应原理： 2H2 + O2 = 2H2O 氢氧燃料电池分为两种类型：一种为：人教版选择性必修 1 中的氢氧燃料电 池：氢气和氧气连续的有外部供给，在 Pt 电极上进行反应。第二种：苏教版必 修 2 中电解水式的燃料电池，先电解水产生氢气与氧气，然后断开电源，接通用 电器。人教版教材提供的实验操作复杂，仪器不易得；苏教版中给出的方案：使用多次淬火制得多孔碳棒电解水并吸附氢气与氧气，效果不理想，电极附近的氢气与氧气的浓度较低，产生的电压较小，实验成功率较低。不易帮助学生建构原电池的认知模型。 3.实验改进方案综述 电解水式的氢氧燃料电池,先电解水产生氢气和氧气。对于涉及气体的半反应,气体必须吸附在电极上才能参加反应。因此,实验成功的关键是寻找合适的电极材料来提高吸附气体的能力,增大电池的电压,延长放电时间。本实验利用活性炭颗粒具有较强的吸附作用,采用活性炭颗粒包埋的碳棒电极作为工作电极,提高对氢气和氧气的吸附能力,增大电极附近氢气和氧气的浓度(如图所示)。同时,采用三颈烧瓶和长玻璃管组合作为实验装置,显示气体的产生与量的多少，同时将 两极产生的气体分隔开;采用工作电压较小的音乐卡作为用电器，容易被氢氧燃料电池驱动。 灵敏电流计对氢氧燃料电池的识别度低，数字化传感技术与燃料电池电池有效结合，通过实验连续过程、曲线图像表征，促进学生由定性到定量、由碎片到模型的思维转变。 试剂仪器:0.5mol/L、1mol/LNa2SO4 溶液、活性炭颗粒、纱布、棉线、学生电源、三颈 烧瓶、 石墨棒、导线、电流传感器、音乐卡 实验步骤：组装燃料电池装置:（1）取一药匙活性炭颗粒，以纱布包裹、棉线缠 绕,制得活性炭包埋的碳棒电极 （2）向三颈烧瓶中加入 0.5mol/LNa 2SO4 电解质 溶液,（因为电解 Na 2SO4,溶液时，负极的氢气端处于碱性环境,正极的氧气端处于酸性环境，电池负极的电位更负,电池正极的电位更正,从而增大电池电动势。） 直至三颈烧瓶颈部，向三颈烧瓶的中间颈部管口插入带有长玻璃管的橡胶塞，另 外两端颈部管口塞入带有工作电极的橡胶塞。（3）以学生工作电源为电源，电 解水储存 H₂和 O₂: 接通学生工作电源,在选定的电压下，电解溶液 20s （4）断 开学生工作电源,以音乐卡为用电器接入活性炭棒电极的电路。（5）用电流传感 器测其电流的变化 实验现象：电解时，电极表面均产生气泡，负极与正极产生的气体体积比约为 2:1, 长玻璃管内的液面明显上升;氢氧燃料电池工作时,音乐卡响起长达 4 分钟左右长,玻璃管内液面逐渐下降。 微型化改进： 实验装置的微型化是现在实验教学非常热门的主题。微型化除了能大大减少药品 的使用量及实验所产生的废物外，一般情况下还能简化实验步骤。可以说微型化 实验非常适合作为学生实验，采用 V 型管作为实验装置(如图)。这种 V 型管实验时，往其中加入电解质溶液至满。通电后，产生的气体会将部分液体压出 V 型管, 待气体达到一定量后接上小用电器当燃料电池使用即可。 现象：电极俩段有气泡产生，接通电流传感器，测得开始电流 1.9mA，由于没 有密封电流衰减较快。 实验评价：从四个方面改进氢氧燃料电池实验，原理清晰明了、操作简单易行、实验效果显著，节时高效,极大地提高了实验的成功率,适合课堂演示实验。 (1)使用活性炭颗粒包埋的碳棒电极作为工作电极。电解产生的气体被储存 在活性炭的小孔中，增大了电极周围 H2 或 O2 的浓度,从而能产生足够的电压来 驱动用电器工作，且能维持较长时间。活性炭颗粒不易流失，易于回收、重复使用。制作电极过程简便，不需多次淬火,减少了准备实验的时间。 (2) 使用三颈烧瓶和长玻璃管组合的实验装置。将两极产生的气体分隔开,便于气体吸附在相应的电极上。明显观察到负极与正极产生的气体体积比约为 2:1。整个实验过