視頻簡介：
視頻標簽：第8屆全國中小學實驗
所屬欄目：高中化學說課視頻
視頻課題：【視頻實錄+課件+說課稿】《燃料電池的實驗探究》第8屆全國中小學實驗教學說課活動 南京
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【視頻實錄+課件+說課稿】《燃料電池的實驗探究》2020年第8屆全國中小學實驗教學說課活動
燃料電池的實驗探究（說課稿）
——燃料電池的原理循證和創意應用
南京外國語學校 陳靜
一、使用教材
人教版高中《化學 選修4》第四章第二節化學電源
[1]。
二、實驗器材
1、氫氧燃料電池改進實驗
儀器：高中學生電源、活性炭顆粒、石墨電極（直徑5mm，長度10cm）、250mL三頸燒瓶、漏斗、紗布、導線、小風扇。用活性炭顆粒包埋碳棒電極后，以紗布包裹,制作活性炭顆粒包埋的碳棒電極。
藥品：0.5mol/L Na
2SO
4溶液（1mol/L、2mol/L）、0.5mol/L H
2SO
4溶液、0.5mol/L KOH溶液。
2、鎂半燃料電池創新實驗
儀器：鎂條、2B鉛筆芯、石墨電極（直徑5mm，長度10cm）、砂紙、導線（帶鱷魚夾）、細銅線、環形磁鐵、培養皿（直徑9cm）、果凍杯、音樂賀卡電路、圓形白紙。
藥品：瓊脂、飽和食鹽水、30% H
2O
2溶液、4mol/L H
2SO
4溶液、酚酞溶液。利用瓊脂制作含有飽和食鹽水的凝膠狀電解液模擬海水。
三、實驗改進/創新要點
1、氫氧燃料電池實驗的改進要點
新電極、新裝置、新電器。
小改進帶來大變化，這三個方面的小改進大大地提高了實驗的成功率。
2、
鎂半燃料電池實驗的創新要點
（1）模擬兩種鎂半燃料電池：
取材生活化、裝置微型化、現象趣味化。
（2）外顯離子的移動方向：
跨學科整合、微觀變宏觀、簡便且易行。
創新帶來挑戰，激勵學生勇敢地思考、探索和實踐。
四、實驗設計思路
1、氫氧燃料電池改進實驗
氫氧燃料電池是一種具有廣闊發展前途的化學電源。氫氧燃料電池中，H
2和O
2均為氣體。高等教育出版社《無機化學》指出：對于涉及氣體的半反應，氣體必須吸附在電極上才能參加反應
[2]。蘇教版《化學2》中使用了經多次淬火得到的多孔碳棒電極來提高吸附氣體的能力
[3]，但在實際的實驗中發現該裝置產生的電流、電壓小，依然不易成功。分析原因有如下幾點：①多次淬火得到的多孔碳棒電極吸附氣體效果比碳棒電極好，但效果依然不佳，而且操作麻煩；②電解產生的氣體混合在燒杯內，不利于氣體吸附在電極上，且不易觀察到燃料電池工作時氣體的消耗；③氫氧燃料電池產生的電壓不易達到發光二極管的工作電壓。
本實驗中嘗試做如下的改進：
（1）利用活性炭顆粒包埋的碳棒電極代替多孔碳棒電極
使用具有強吸附性的活性炭顆粒來儲存產生的H
2和O
2。有三個優點：①活性炭顆粒不易流失，易于回收重復使用；②不需多次淬火，減少了準備時間；③電解產生的H
2和O
2儲存在活性炭的小孔中，這會增大電極周圍H
2和O
2的濃度，電壓也會相對穩定，從而使電壓維持更長的時間。
（2）利用三頸燒瓶和長玻璃管的組合代替燒杯
有兩個優點：①將兩極產生的氣體分隔開，便于氣體吸附在相應的電極上，且易于觀察到氣體的生成和消耗；②兩個瓶口塞上橡皮塞，便于固定電極。
（3）利用工作電壓較小的小風扇來代替發光二極管，易于被氫氧燃料電池驅動。
（4）優化實驗條件
在12V電壓下，選用中性電解質溶液（2mol/L Na
2SO
4溶液），電解30s，燃料電池的工作時間最長，長達16多分鐘。在實際教學中，選用電解0.5mol/L Na
2SO
4溶液，燃料電池的工作時間達到4分鐘左右，足夠滿足需求。
2、鎂半燃料電池創新實驗
（1）模擬兩種鎂半燃料電池
①確定燃料和氧化劑
除了氫氣，還有其他的物質也可以作為燃料電池的燃料。例如，以金屬鎂為燃料, 以海水中溶解的O
2或H
2O
2均可為氧化劑，這樣的金屬半燃料電池是近年來開發的一種新型水下化學電源。
②模擬電解質溶液（海水）
利用瓊脂制作含有飽和食鹽水的凝膠狀電解液模擬海水作電解質溶液。這樣制作的凝膠狀電解液不易流失，還可用于固定電極。
③設計裝置
2B鉛筆芯、細銅絲、果凍杯等均可來源于生活中的廢舊物品，實驗器材簡便易得。如果在果凍杯內凝膠狀電解液上方覆膜，撕開即可用，便于攜帶；電極和電解液均可替換，可開發為系列化的金屬半燃料電池。
④選擇音樂賀卡電路
兩種鎂半燃料電池的工作電壓不同，因此接入音樂賀卡電路，產生的實驗現象有顯著差別（一個使音樂賀卡發出斷斷續續、較小的聲音，另一個使音樂賀卡發出連續、響亮的聲音，小燈珠也發出了紅光），生動有趣，激發學生學習興趣，深入探究鎂半燃料電池的工作原理和應用。
（2）外顯離子的移動方向
①將微觀粒子移動轉化為宏觀現象
鎂-海水溶解氧半燃料電池的工作原理為：負極: Mg−2e
- = Mg
2+ 正極: O
2+2H
2O+4e
- = 4OH
-
該電池工作時，如何外顯電解質溶液中Mg
2+和OH
- 向正極還是向負極移動呢？首先想到的是該電池工作時向溶液中滴入酚酞，石墨電極（+）附近溶液變為紅色以及紅色范圍擴大來展現OH
- 的生成。但該現象并不能輕易地得到OH
- 的運動方向，因為紅色范圍擴大的現象也可能是由于擴散，也就是分子的無序運動導致。
②發展跨學科整合的思維方式
物理學科中學習過運動電荷在磁場中會受到洛倫茲力這一物理規律
[4]。借助判斷洛倫茲力方向的左手定則，伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，且都與手掌在同一個平面內；讓磁感線從掌心進入，拇指指向運動電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向，這時四指指向即為電流的方向。從而判斷出陰陽離子的運動方向。
③設計精巧實驗裝置，易于操作。
在培養皿中間固定一根石墨電極，沿邊緣內壁放一個圓形鎂電極。把培養皿放置在一塊磁鐵上，N極向上。培養皿下方墊一張白紙以便于觀察實驗現象。向培養皿中加入飽和食鹽水，并滴入幾滴酚酞溶液，連接導線。會觀察到石墨電極（+）附近溶液變紅，顏色逐漸加深，紅色溶液向外作逆時針旋轉。
通過觀察鎂-海水溶解氧半燃料電池中正負極附近溶液顏色的變化及溶液的旋轉，把肉眼不可見的微觀粒子的移動直觀地體現出來。
五、實驗教學目標
1、認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要應用。
2、了解燃料電池的工作原理，能用“宏觀一微觀一符號”三重表征燃料電池的反應。
3、通過實驗探究燃料電池原理，學習基于證據來分析推理得出結論的方法。
六、實驗教學內容
本節課是《選修4》第四章第二節化學電源第三部分燃料電池教學內容的實驗探究。目前，燃料電池已在生產、生活、國防、科技等領域發揮重要應用。本節課首先選擇教材中重要的氫氧燃料電池，通過改進的氫氧燃料電池實驗來探究其工作原理和應用。接下來利用生活中的物品設計創新實驗來模擬兩種鎂半燃料電池，拓展探究了鎂半燃料電池的工作原理和應用。接著設計構思巧妙的創新實驗外顯鎂-海水溶解氧半燃料電池工作時溶液中離子的移動方向，有利于理解電化學的反應原理。
七、實驗教學過程
環節1 創設情境引入新課：
氫氧燃料電池在我國航空航天領域中的應用
環節2 探究氫氧燃料電池：
首先，演示改進的氫氧燃料電池實驗，模擬航天器中能量存儲系統的轉換過程。
進而，設置層層遞進的問題鏈，引導學生從宏觀現象到微觀本質，探究氫氧燃料電池的工作原理和應用。在分析問題、解決問題的過程中，逐步形成選擇合適的實驗方法來驗證科學假設的科學方法。
問題1：小風扇為什么會轉動起來？
問題2：電池工作時，是否就是H
2和O
2在放電？如何設計實驗方案來證明？
環節3 探究鎂半燃料電池：
首先，模擬兩種鎂半燃料電池，演示其分別連入音樂賀卡電路，由二者現象的不同分析探究鎂半燃料電池的原理和應用。
接著，引導學生運用跨學科整合的思維方式來設計實驗方案，直觀展現鎂-海水溶解氧半燃料電池工作時溶液中離子的移動方向，將微觀粒子移動轉化為宏觀現象，深化理解電化學反應原理。
問題1：分別利用這兩種半燃料電池給音樂賀卡供電，為何現象不同？
問題2：鎂半燃料電池中微觀粒子的運動方向是怎樣的呢？
環節4 學以致用拓展認識：
探索燃料電池在不同領域的應用，感悟反思本節課的收獲與體會。
八、實驗效果評價
1、實驗器材易得、操作簡單、節時高效。
2、實驗現象生動有趣，兼具科學性和趣味性。
3、宏微結合，利于理解電化學反應原理。
4、融合多學科知識，提高學生的科學素養。
結束語：我國著名化學家傅鷹曾說過“提出一個機理來解釋一種現象并不困難，困難的是如何以實驗證明這是正確的，而且是唯一正確的機理。在未達到這種地步之時，我們對于任何理論都應當持保留態度。只有如此，才是實事求是的科學精神。”
在教學過程中，我不斷嘗試開展“素養為本”的實驗教學，運用化學實驗等方法進行實驗探究，激發學生學習化學的興趣，促進學生學習方式的轉變，培養學生的創新精神和實踐能力。以發展學生的科學素養為主旨，幫助學生形成實事求是的科學精神、嚴謹求實的科學態度，學會用科學的方法觀察事物和認識事物。
參考文獻：
[1] 普通高中課程標準實驗教科書．化學選修4 化學反應原理．第3版[M]．北京：人民教育出版社，2018：74-78．
[2] 北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學．無機化學（下冊）．第4版[M]．北京：高等教育出版社，2010：358．
[3] 普通高中課程標準實驗教科書．化學2 必修．第4版[M]．南京：江蘇教育出版社，2010：42．
[4] 普通高中課程標準實驗教科書．物理選修3-1．第3版[M]．北京：人民教育出版社，2011：91-96．
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