原電池中關(guān)于“鹽橋”的探究與啟示

摘 要：新課標(biāo)高中化學(xué)選修四教材中，鹽橋這一概念的引入，對(duì)教師的教和學(xué)生的學(xué)都造成一定的困擾。選取了幾個(gè)教學(xué)實(shí)踐過程中學(xué)生困惑最大的問題進(jìn)行了探討，為中學(xué)化學(xué)這一內(nèi)容的教材處理與教學(xué)實(shí)踐提供一些啟示。

關(guān)鍵詞：原電池；鹽橋；探究；啟示

在高中化學(xué)選修四中第四章第一節(jié)《原電池》的內(nèi)容中，有一個(gè)知識(shí)點(diǎn)：鹽橋，這一知識(shí)點(diǎn)是新課標(biāo)教材新增內(nèi)容。對(duì)于鹽橋，大多數(shù)學(xué)生無法理解，難免提出一些疑問，下面就學(xué)生提出的幾個(gè)有關(guān)鹽橋的問題進(jìn)行探討。

一、原電池中為什么要使用鹽橋

如圖1，有鹽橋時(shí)，用銅、鋅片和硫酸銅溶液組成原電池，電流表指針偏轉(zhuǎn)，有電流通過。

若取出鹽橋，由于Zn原子失電子產(chǎn)生鋅離子使鋅片周圍溶液帶正電，而銅離子在銅片（正極）上得電子析出，導(dǎo)致銅片附近硫酸根增多而帶負(fù)電。因此負(fù)極的正電荷增多而導(dǎo)致電子（負(fù)電荷）難以流出，正極負(fù)電荷增多也會(huì)導(dǎo)致電子流入困難，從而電池不能產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的電流。

加了鹽橋后（設(shè)為KCl，圖1），隨著反應(yīng)的進(jìn)行，鹽橋中帶負(fù)電離子（Cl-）會(huì)流到鋅片處，帶正電離子（K+）流到銅片，中和兩極上的電荷，從而保持兩邊溶液電中性而保證電流的持續(xù)穩(wěn)定。

總之，原電池鹽橋的作用是保持兩極溶液的電中性和溝通回路。

如果教師按照教材這樣的描述給學(xué)生講解，很多學(xué)生往往意猶未盡、如鯁在喉，仍然不能正確理解此處鹽橋引入的意義。在此，如果引入液接電勢的概念（當(dāng)組成或活度不同的兩種電解質(zhì)接觸時(shí)，在溶液接界處由于正負(fù)離子擴(kuò)散通過界面的離子遷移速度不同造成正負(fù)電荷分離而形成雙電層，這樣產(chǎn)生的電位差稱為液體接界擴(kuò)散電位，簡稱液接電位），才能講清鹽橋的作用，即液接電位減至最小以致接近消除，以使電池產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的電流。

二、鹽橋中的K+、Cl-向兩極溶液中擴(kuò)散，兩極溶液中的離子是否也向鹽橋中擴(kuò)散

下面以電池Zn（s）│ZnSO4‖KCl飽和溶液‖CuSO4│Cu（s）為例，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。其電池裝置如圖2所示

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：一段時(shí)間后，鹽橋右端下部溶液變成藍(lán)色。

原因：在原電池開始工作的一段時(shí)間內(nèi)，由于鹽橋中電解質(zhì)溶液濃度高，K+、Cl-幾乎擔(dān)負(fù)了通過液相接界的全部電流的遷移。在電池工作一段時(shí)間后，電極溶液中的離子也開始顯著地相互擴(kuò)散，即兩極溶液中的離子也向鹽橋擴(kuò)散，為防止兩極溶液中離子因通過鹽橋擴(kuò)散而混合對(duì)獲得穩(wěn)定電流產(chǎn)生影響，需適時(shí)更換鹽橋。

三、鹽橋換成金屬導(dǎo)線還能產(chǎn)生電流嗎

課堂教學(xué)的過程中，學(xué)生并不滿足于對(duì)鹽橋作用的理解，有的學(xué)生進(jìn)一步質(zhì)疑，將鹽橋換成能導(dǎo)電的金屬導(dǎo)線能否產(chǎn)生電流呢？為此，我進(jìn)行了如圖2實(shí)驗(yàn)，將鹽橋換成銅導(dǎo)絲。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電子方向是從鋅片流出（a→b），銅導(dǎo)線中電子流向是c→d，此實(shí)驗(yàn)證明了銅導(dǎo)線中確實(shí)有電流通過。

該實(shí)驗(yàn)條件下，沒有自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，為什么還產(chǎn)生電流呢？

猜想與假設(shè)：是不是與金屬的吸氧腐蝕有關(guān)呢？于是進(jìn)行圖3實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。將銅導(dǎo)線換成鎂片，為了防止鎂片跟ZnSO4溶液反應(yīng)，將ZnSO4溶液換成MgSO4溶液。裝置如圖3：

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：電子方向跟圖2的方向相反，即電子從鎂片流出（d→c）。并且觀察到鎂片快速溶解，很快有白色沉淀生成。取少量沉淀于試管中，并加少量蒸餾水，滴加酚酞，溶液變紅，說明白色沉淀是Mg（OH）2。并且右邊燒杯中與鎂片相連的銅導(dǎo)線上有銅析出，與鋅片相連的銅片溶解。

上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)表明：圖2、3實(shí)驗(yàn)中，左邊燒杯是一個(gè)原電池。圖2中，鋅比銅活潑，所以鋅做負(fù)極，電子方向是從鋅片流出（a→b）；圖3中，鎂比鋅活潑，所以鎂作負(fù)極，電子從鎂流出（d→c），與圖2中電子方向相反。右邊燒杯是一個(gè)電解池，圖3中與鎂片是相連的銅導(dǎo)線作為電解池的陰極有銅析出，與鋅片相連的銅片作為陽極銅片溶解。證明了左邊就是一個(gè)原電池右邊是一個(gè)含有CuSO4溶液的電解池。即將鹽橋換上導(dǎo)線能產(chǎn)生電流，此時(shí)的原電池和金屬的吸氧腐蝕有關(guān)，且和電解池串聯(lián)在一起，以此類推，講鹽橋換成金屬導(dǎo)線，甚至彎曲的石墨棒，均有電流產(chǎn)生。

四、對(duì)教學(xué)實(shí)踐啟示

本文中的三個(gè)問題，前兩個(gè)并不是高中化學(xué)需要深究的內(nèi)容，但是對(duì)于激發(fā)學(xué)生對(duì)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，勇于探索的科學(xué)精神具有重要的意義；后一個(gè)問題的探究講電化學(xué)知識(shí)原電池、電解池、金屬的電化學(xué)腐蝕有機(jī)地整合起來，有利于學(xué)生對(duì)電化學(xué)知識(shí)的整體把握。解決這種與生活、社會(huì)密切相關(guān)的問題，不僅能幫助學(xué)生解決學(xué)科問題，體驗(yàn)成功的喜悅，還能加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力的培養(yǎng)。這正是普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)提出的，發(fā)展學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣、樂于探究物質(zhì)變化的奧秘，體驗(yàn)科學(xué)探究的艱辛和喜悅，感受化學(xué)世界的奇妙與和諧有參與化學(xué)科技活動(dòng)的熱情，有將化學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)、生活實(shí)踐的意識(shí)，能夠?qū)εc化學(xué)有關(guān)的社會(huì)和生活問題做出合理的判斷。我們教育工作者應(yīng)密切關(guān)注學(xué)生、了解學(xué)生心理需求，激發(fā)和保持學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)將情感、態(tài)度教育目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)滲透到學(xué)科教學(xué)的方方面面中去。

（作者單位 江西省南昌市第十中學(xué)）