电解饱和食盐水及氢氯燃料电池的创新设计

摘 要：在普通高中化学人教版教材选修四第四章第三节第80页电解原理的应用，以及高中化学人教版教材必修一第二章第二节第44页氢氧燃料电池原理，推广应用中涉及燃料电池和电解池的实验大多为理论知识，较为抽象，为了在实验过程中能观察到明显现象，对该实验进行了改进创新。

关键词：电解池；燃料电池；电压表；电流表

普通高中课程标准实验教科书人教版化学选修4第四章第三节电解池图4-8电解CuCl2的实验装置图是高中化学电解的一个模板装置图，其装置简单，存在着不足之处。首先，该装置展示了电解饱和食盐水的模板和思路，该实验中没有明确直流电源的电压值以及具体使用何种直流电源。其次，该装置中產生H2、Cl2、NaOH没有明确如何检验各种产物的方法。再次，该实验中会产生有毒气体Cl2，直接排放到空气中污染空气，产生NaOH具有强烈的腐蚀性，没有明确处理方法等。基于上述情况，对该实验装置进行改进，用于电解饱和食盐水并对产生的产物进行检验、利用，改装成一个综合性多功能实验。其目的是在化学教学中，能将电解的过程清晰地展现在学生的视野中，将抽象的问题具体化。尤其是将产生的气体自发进行氧化-还原反应形成燃料电池并产生的电流用于带动电动机，并可以通过电流表、伏特表将产生的电压、电流具体数值读出，能激发学生学习的积极性以及对自然科学的深入认知。

实验用品：木板、输液管、变压器（将交流电变压经硅整流器变为直流电）、电键、发光二极管、电动机、导线若干、碳棒、注射器、塑料容器、塑料管、塑料杯、具支试管、镊子、矿泉水、食盐、酚酞试液、淀粉碘化钾试纸、火柴、肥皂水等。

创新实验装置图：

改进一：对电压的改进，将变压器固定在木板上，通过变压器将220V的交流电变压器变压为9V交流电之后再通过硅整流二极管转化为9V直流电源，用于电解电源，这样制作的电源安全、可靠、使用方便。

改进二：取用一个塑料瓶作为容器，在塑料盖上插上一条塑料管用于平衡内外气压，当瓶内产生气体时，压强增大，液面上升到塑料管内。电解完成，水柱对气体产生压强又使得H2与Cl2充分接触，红线与碳棒连接后再与电源正极（+）相连作阳极，将产生Cl2通过导气管导出。在出口处用淀粉碘化钾试纸检验，并在产生Cl2导气管口盖上一个塑料盖，防止产生的氯气逸出污染空气；在蓝线与碳棒连接后再与电源负极（-）极相连作阴极产生H2通过导气管导出，在出口处通过装有肥皂水的具支试管将产生的氢气聚集起来，用火柴点燃，观察火焰颜色以及听爆鸣声，并用盛有酚酞试液的注射器从产生H2一端的导气管中注入容器中，用于检验NaOH。

改进三：在塑料容器中盛放一小塑料杯，杯中加入饱和食盐水，目的是节约药品，并用塑料盖盖上使整个操作在密闭容器中进行。

改进四：单刀双掷开关一端闭合，此时为电解饱和食盐水，红线是电源的正极（+）产生Cl2、蓝线是电源的负极（-）产生H2，断开电键时电解过程完成；闭合另一端为燃料电池，发光二极管以及电动机用于显示有无电流产生。

改进五：并联电压表、串联电流表、电动机用于观察H2、Cl2形成燃料电池后的电压值、电流值，通过电动机的转动说明化学能转化为电能、电能又转化为机械能。

实验过程：

1. 连接好装置后，将配制好的NaCl饱和溶液放入小塑料杯中，在大小塑料容器中加满水，盖上塑料盖，接好导线。闭合电键，电解开始，一段时间后，打开与阳极相连的导气管出口，用润湿的淀粉KI试纸检验阳极产生的气体，试纸变蓝，说明产生了Cl2；阴极产生的气体在具支试管中，通过肥皂水聚集后点燃，产生爆鸣声，说明产生了H2；再用装有酚酞试液的注射器从阴极导气管出口处注入，观察阴极区溶液颜色的变化，溶液变成红色，说明产生了NaOH。

总反应：2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑

阴极：2H++2e-H2↑（点燃）

阳极：2Cl-+2e-Cl2↑（用润湿的淀粉碘化钾试纸）

NaOH （用酚酞试液）

燃料电池：

H2+Cl22HCl（发光二极管、电动机带风扇、电压表、电流表）

2. 关闭电源，将电键断开后，此时，电解完成；连接另一端，产生的H2、Cl2与发光二极管和电动机形成一个串联的闭合回路，在碳棒的催化作用下，自发产生了氧化——还原反应，观察发光二极管发光、电动机转动起来，此时还可以观察到电压、电流的具体数值，便知H2、Cl2形成了燃料电池，H2、Cl2产生的HCl溶于水形成的盐酸中和了电解过程中产生的NaOH。整个实验从电解池到原电池都在密闭系统中进行，且产物又相互中和，达到了实验的目的。

综上，该实验的优点是，操作简单、现象明显、取材方便、安全可靠、可以重复使用、节约药品、环保，适用于中学化学中所有电解实验以及氢氧燃料电池、甲烷燃料电池、氢氯燃料电池等实验。

参考文献：

[1]普通高中化学人教版教材必修一.

[2]陈达.《化学教学》电解饱和食盐水实验的新改进.

[3]普通高中化学人教版教材选修四《化学反应原理》.

[4]苏小云，陈灏.《无机化学》下册[M].北京：中央广播电视大学出版社，1993.

作者简介：刘怀敏，贵州省黔南布依族苗族自治州，贵州省瓮安第二中学。