八年磨一器，凝练终非常——氢氧燃料电池演示仪的研制历程与反思，本文主要内容关键词为：凝练论文,演示论文,燃料电池论文,历程论文,八年磨一器论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在提倡“低碳生活”的今天，燃料电池（尤其是氢氧燃料电池）作为一种高效、清洁的能源备受世人关注。目前中学教材中对氢氧燃料电池的工作原理作了较为详细的介绍。如何在中学化学实验中使这种高科技得以体现，许多人在这方面做了研究。氢氧燃料电池演示实验设计的重点是通过实验让学生直观地认识燃料电池及其工作原理。笔者从2004年开始对该演示实验进行了持续8年的研究与改进，期间历经酸甜苦辣，最终研制成氢氧燃料电池演示仪，能够在中学现有条件下比较好地让学生直观地认识氢氧燃料电池。
一、第一次设计
高中新课程化学教材（苏教版）设计了如图1所示的实验[1]，通过氢气与氧气（均由电解产生）间不接触、无燃烧的化学反应，实现化学能向电能的转化，模拟再现氢氧燃料电池工作过程。虽然该设计取材简单、操作简便，但存在气体散逸和发光二极管不工作或工作时间极短等缺点，课堂演示的效果不尽如人意。而且演示时必须先电解产生氢气和氧气（电能→化学能）后才能实现电池放电（化学能→电能）。这样就使得学生不能直观地理解氢氧燃料电池的结构和工作过程。实际的燃料电池有着怎样的结构？它又是如何持续地产生电能的呢？
在《物理化学原理》[2]一书中看到：工业上，人们用铂作催化剂和吸附剂（如图2所示）。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。整个氢氧燃料电池操作的关键在于如何引发氢气在电极上放出电子。原来，燃料电池持续的电能来自于外部持续地供给气体，其中的催化剂铂又起着决定性的作用。
基于以上的认识，我们对电极进行了改造，采用将短玻管和胶塞套住石墨的方法制作成电极（克服原来装置中气体的散逸问题）。按图3所示的实验装置和电路图进行电解，利用电解产生氢气分别与电解产生氧气、外界通入氧气构成电池的2组实验，相关数据和现象见表1。
在改进后的实验中，由于气体的大量聚集，提高了装置的化学能贮存，2组电池都能使音乐贺卡“歌唱”半小时以上。
在教学演示时，我们首先向学生展示由电解产生氢气与外界通入氧气构成的电池——音乐贺卡响，但发光二极管不亮，证明了上述燃料电池的工作原理；然后再利用由电解产生氢气与电解产生氧气构成的电池——音乐贺卡响，发光二极管亮，作为对比实验，说明电解产生氧气的活性比外界制备的氧气活性强，因而导致电池放电的电压、电流均增大。
然而，整个实验是在烧杯中完成的，虽具有明显的“声、光”效果，但却很难观察到反应过程中气体消耗的现象，再加上外接氧气的充入、电极组合的切换等操作在课堂上演示时不利于学生观察，所以这次改进虽说在原理上有所突破，但不适宜用作课堂演示实验，更适合作为学生分组实验或课外实验使用。这就促使我们对燃料电池实验进行了第二次改进。
二、第二次设计
从物理学科的连通器原理和毛细管中得到启发，经过较长时间的尝试和摸索，设计制作了如图4所示的实验装置。由电解产生的氢气和氧气在U型管内形成气室，提高了电极周围的气体浓度，同时电解质溶液被压入储液球泡和其上方的毛细管中。电解8min，产生约20mL氢气，相关实验数据与现象见表2。实验过程中观察到毛细管内的液面缓缓地下降，说明氢气被氧气缓慢氧化而减少，同时将化学能转化为电能。
这次改进很好地解决了氢氧燃料电池工作时，气体消耗的可视化问题。学生可以通过毛细管中液面的下降间接地观察到氢氧燃料电池工作时气体的消耗。这次改进的不足也是显而易见的，没能够把第一次改进的优点保留下来。笔者自己此时也进入研究的困难时期，前两次改进均无法相互保留对方的优点，究竟应该怎么解决这个难题——融合前两次改进的优点，克服其缺点？
三、第三次设计
经过一段时间的思索，借鉴前两次改进的思路，设计并制作了如图5所示的氢氧燃料电池演示仪。
该装置是由4支带刻度的玻璃管（如图5（1）中电极1、2、3、4）组合成底部相通的连通器，在连通器中部接入一根玻璃管，上置储液球泡，球泡上接毛细管；其中两只玻璃管（电极3、4）上接两个导气管，导气管管口略高于玻璃管；电极仍是采用上述套在胶塞中的多孔碳棒。
课堂演示时，通过电极3、4的导气管向其中通入外界制备好的约10mL氧气（电极3）、约20mL氢气（电极4）；再将电极1、2分别接上直流电源正负极，进行电解，约10 min后，能够产生约10mL氧气（电极1）、20mL氢气（电极2）。然后，将4个电极两两相连，逐一向学生展示氢氧燃料电池的工作原理。同时，毛细管中的液面会在电池工作时，缓慢地下降，说明气体在被消耗。
四、问题与讨论
该燃料电池演示仪适用于课堂教学演示的优点是相当突出的，主要体现如下几方面。
1.由于固定了电极位置，所以电解产生气体、由外界充入气体、演示时电极组合的切换过程均可以清晰展示在学生面前，课堂演示效果好。
2.4个电极的组合切换将原本一个验证性实验，转变成一个具有探究性的实验，让学生在不断的思维冲突中深刻理解燃料电池的工作原理，体验化学变化的条件性。
3.通过毛细管中液面的变化，让学生间接看到了燃料电池工作时气体的消耗，同时也让学生体验到在问题解决过程中知识迁移的魅力。
4.稳定性好。只要定期更换多孔碳棒电极，实验现象的重现率为100%。
当然，该燃料电池演示仪也绝非完美无缺，课堂教学实践中笔者也发现了一些问题。4个电极理论上讲可有6种组合方式，上述只涉及4种，其余两种组合建议放在课后探究为宜。因为当电极1、3组合或电极2、4组合时，能否构成电池已经超出了中学课堂讨论的范围，所以不宜在课堂上展开。实际上把两个电极浸入到电解质溶液中便构成了一个电池，与此同时，在两极上便可产生电动势[4]。电极1、3组合在电解刚结束时，接上毫安表，可以测得50mA～100 mA的电流，若接上音乐贺卡甚至可以从贺卡小喇叭中有沙沙的电流声，从而证明电解产生的氧气与外界制备的氧气之间存在电势差。而电极2、4组合接上毫安表，可以测得更大的微电流，这是否能够说明电解产生的氢气与外界制备好的氢气存在着电势差且更大呢？不能。虽然从上述电池电极组合4、3与3、2的现象中，我们可以间接地看到电解产生的氢气与电解产生的氧气在活泼性上存在差异，说明电解产生的氢气与外界充入的氢气之间存在电势差。但由于在电极4中充入的氢气中难免会混入空气或电解质溶液中会溶解有O2，甚至电极4的碳棒本身会吸附少量空气，所以直接连接电极2、4组合成的电池获得的较大的微电流不能说明电解产生的氢气与外界制备的氢气之间的电势差比电解产生的氧气与外界制备的氧气之间的电势差大。
五、总结和反思
1.从“教教材”中学会“用教材”。燃料电池素材反映了化学科学技术新成就、新进展。在教学过程中，适时地介绍其发展历程，多手法地展示其变化过程，将化学知识由描述更多地转变为应用，为实现由具体知识到观念方法的转变提供帮助，逐步培养学生用化学的眼光和思维审视我们赖以生存的世界的能力。
2.化学实验是化学科学最重要的实证研究方法。“实证”意味着“求证”，要证实或证伪；也意味着“真实”“实际”，要与客观世界相一致。如何知道是否与客观世界相一致呢？那就要寻找可靠的证据！什么样的证据最可靠？那就是通过实验获得的实验事实，这是最有力的证据。从而笔者认识到实验探究教学中除了要教会学生使用必要的逻辑思维方法和手段以外，其核心目标应该是让学生懂得什么是证据，怎样获得可靠的证据去解释世界，培养学生的实证精神。
3.教育者应与新课程共成长。新课程强调合作学习、自主学习、研究性学习，这就要求广大教师具有复杂层次的知识结构和复杂活动的组织能力。面对新颖生动的教学场景、现象不明显的实验、无法解释的实验现象、不甚明白的实验设计，如果能够检索资料，进行有目的的探索尝试，搞清问题的来龙去脉，充分挖掘知识的隐性价值，或许就能成为一名研究型的教师。
4.坚持实验研究，拓展教师专业发展道路。笔者认为，以化学原理为指导，注重知识与问题、运用相结合，开展多角度、长时期、深层次地尝试和探索，才有可能真正认识变化的本质，也符合教师的专业发展特征。教师的研究热情不仅需要完善评价促进，更需要教师发自内心的、无怨无悔地对科学的追求。