銅鋅原電池中氯離子遷移實(shí)驗(yàn)

張　婷　楊　飛（南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院　江蘇　南京　0097；浙江省寧海正學(xué)中學(xué)　浙江寧?！?5600）

銅鋅原電池中氯離子遷移實(shí)驗(yàn)

張婷1楊飛2
（1南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院江蘇南京210097；2浙江省寧海正學(xué)中學(xué)浙江寧海315600）

摘要：文章將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，利用氯離子傳感器直接測(cè)量了原電池電解質(zhì)溶液中Cl－的濃度，通過(guò)兩電極Cl－濃度的變化，成功演示出了銅鋅原電池中氯離子移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；氯離子傳感器；氯離子遷移

中圖分類(lèi)號(hào)：

文章編號(hào)：1008-0546（2015）04-0096-02G633．8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

一、問(wèn)題來(lái)源

原電池中的陰陽(yáng)離子遷移問(wèn)題一直是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，課堂上教師一般會(huì)從得失電子角度來(lái)解釋離子移動(dòng)：陰離子帶負(fù)電，移向負(fù)極，在其表面失去電子被氧化；陽(yáng)離子帶正電，移向正極，在其表面得到電子被還原。但對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，原電池中的正負(fù)極判斷、電池反應(yīng)、電子移動(dòng)方向、電流方向等一系列問(wèn)題綜合在一起時(shí)，純粹記憶和抽象理解都不利于學(xué)生真正掌握原電池知識(shí)?！奥?tīng)到的不如看到的，看到的不如做到的”，因此最好的方案是讓學(xué)生親自體驗(yàn)到“陽(yáng)離子移向正極、陰離子移向負(fù)極”。

筆者認(rèn)為，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)最大的特點(diǎn)就是直觀(guān)，能夠?qū)ⅰ拔⒂^(guān)的粒子”表征為“宏觀(guān)的現(xiàn)象”。本研究應(yīng)用氯離子傳感器檢測(cè)原電池電解液中的氯離子濃度，通過(guò)對(duì)比兩電極的氯離子濃度變化趨勢(shì)，判斷出氯離子移動(dòng)的方向，得出離子移動(dòng)的規(guī)律，并結(jié)合理論分析，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論的正確性。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1．實(shí)驗(yàn)原理及目的

在銅鋅原電池裝置的基礎(chǔ)上，運(yùn)用氯離子傳感器，分別測(cè)定鋅電極、銅電極附近的氯離子濃度，以此判定原電池中氯離子移動(dòng)的方向，讓學(xué)生“看到”離子移動(dòng)這一微觀(guān)過(guò)程，幫助學(xué)生更直觀(guān)地理解原電池中陰陽(yáng)離子的移動(dòng)方向。

2．實(shí)驗(yàn)用品

銅片、鋅片、導(dǎo)線(xiàn)、塑料槽（中間帶有一定高度的塑料隔板），Vernier氯離子傳感器和數(shù)據(jù)采集器，0．1mol／L HCl溶液，蒸餾水。

3．實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）電極的處理

①銅片：用砂紙打磨后，用蒸餾水沖洗掉雜質(zhì)，晾干；

②鋅片：用砂紙打磨后，用蒸餾水沖洗掉雜質(zhì)，再用0．1mol／L HCl溶液清洗，將2／3長(zhǎng)度的鋅片浸入0．1mol／L HgCl2溶液中約20分鐘，取出后用HCl溶液洗凈表面不溶物，發(fā)現(xiàn)鋅片表面附有一層光亮的鋅汞齊（注：此時(shí)電極可以直接使用，不可用紙巾去擦拭表面的水珠，會(huì)破壞汞齊）。

（2）離子傳感器的校正

將氯離子傳感器與數(shù)據(jù)采集器、電腦連接，按照離子傳感器的使用說(shuō)明，用NaCl標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行標(biāo)定。

（3）實(shí)驗(yàn)裝置搭建

在塑料槽中倒入0．1mol／L HCl溶液，使溶液高出塑料隔板1厘米左右。將銅片和鋅片分別放入塑料隔板的兩端，兩電極相距約5cm，插入液面中的電極長(zhǎng)度約2cm，氯離子傳感器測(cè)量時(shí)底端距離液面2cm，距離電極約2－2．5cm。用氯離子傳感器分別測(cè)量反應(yīng)前銅電極、鋅電極附近的氯離子濃度，記錄下數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)采集

用導(dǎo)線(xiàn)連接銅片和鋅片，發(fā)現(xiàn)銅片表面產(chǎn)生小氣泡。用氯離子傳感器分別記錄不同時(shí)間下銅電極、鋅電極附近的氯離濃度，記錄下數(shù)據(jù)。

（5）結(jié)束實(shí)驗(yàn)

采集數(shù)據(jù)約20分鐘后，停止采集，將氯離子傳感器用蒸餾水洗凈后擦干放回保護(hù)瓶中，清洗電極和反應(yīng)裝置。

圖1　原電池裝置　圖2氯離子傳感器準(zhǔn)備測(cè)量時(shí)裝置

4．實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）鋅片由于含有雜質(zhì)且表面較為粗糙，為了防止鋅片與雜質(zhì)（如碳）自成原電池，所以對(duì)其進(jìn)行處理使其生成鋅汞齊，防止其表面產(chǎn)生氫氣。

（2）在原電池中，距離電極不同位置及不同深度的Cl－濃度均有差異，氯離子傳感器較為敏感，為使所數(shù)據(jù)更為科學(xué)，要盡量保證傳感器在每次測(cè)量時(shí)都位于同一個(gè)位置（距離電極的遠(yuǎn)近及在液面的深度）。

（3）由于離子時(shí)刻在運(yùn)動(dòng)，所以氯離子傳感器讀數(shù)不會(huì)穩(wěn)定在某一數(shù)值，所以要保證讀取的數(shù)據(jù)與反應(yīng)時(shí)間一致。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

1．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量出的電極附近氯離子濃度的數(shù)據(jù)記錄如下表所示：

鋅電極　銅電極時(shí)間/min　濃度/mg·L-1　時(shí)間/min　濃度/mg·L-10 2463.8　0　2436.2 3 3505.5　5　1377.7 6 3775.6　8　1001.6 10　3911.2　11　872.1 13　4118.2　15　666.5 17　4342.7　18　458.0 21　4514.6　20　330.3

2．實(shí)驗(yàn)圖像

用Excel軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到以下圖像：

圖3　鋅電極（作負(fù)極）附近氯離子濃度隨時(shí)間變化圖

圖4　銅電極（作正極）附近氯離子濃度隨時(shí)間變化圖

3．?dāng)?shù)據(jù)分析

從圖像3和圖像4中，我們可以看出鋅電極（作負(fù)極）附近氯離子濃度隨時(shí)間逐漸上升，而銅電極（作正極）附近氯離子濃度隨時(shí)間逐漸降低，由此可以得出結(jié)論，在該原電池的電解質(zhì)溶液中，氯離子向負(fù)極（即鋅極）發(fā)生了移動(dòng)。通過(guò)銅極表面產(chǎn)生的氣泡（即氫氣），我們可以推斷出氫離子移向了正極（即銅極）。

四、理論分析

原電池中陰、陽(yáng)離子定向移動(dòng)的原因，主要是離子受到了電場(chǎng)力和擴(kuò)散力的共同作用［1］。

從電場(chǎng)力方面來(lái)看，鋅原子失電子能力強(qiáng)，相比較銅電極附近溶液中的Zn2＋，鋅電極附近溶液富集的Zn2＋更多，所以在電解質(zhì)溶液的內(nèi)部，鋅電極附近的電勢(shì)高于銅電極附近的電勢(shì)，由于氯離子帶負(fù)電荷，所以就會(huì)受到指向鋅電極的電場(chǎng)力而向負(fù)極（鋅電極）移動(dòng)。離子處于不斷地運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，按照熵增加原理：體系有自發(fā)傾向于向混亂度增加（即熵增）的趨勢(shì)［2］，電解質(zhì)溶液中的離子會(huì)自發(fā)地從高濃度向低濃度區(qū)域擴(kuò)散，從而使整個(gè)體系中的各離子濃度分布均勻，通常把這種由于濃度差而使離子定向移動(dòng)的作用力叫做擴(kuò)散力［1］。隨著電極反應(yīng)的進(jìn)行，而銅電極附近不斷消耗H＋，使得銅電極附近的H＋濃度低于溶液主體中的H＋濃度，因此H＋向銅電極（正極）移動(dòng)。由此來(lái)看，“陽(yáng)離子移向正極、陰離子移向負(fù)極”這一規(guī)律在理論上是有支撐的。但是要注意的是，當(dāng)酸性電解質(zhì)溶液中含有NO3－、MnO4－等具有氧化性的陰離子時(shí)，就要考慮這些離子會(huì)移向正極發(fā)生還原反應(yīng)，與其受到的電場(chǎng)力方向相反。

五、結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，利用氯離子傳感器直接測(cè)量了原電池電解質(zhì)溶液中Cl－的濃度，通過(guò)兩電極Cl－濃度的變化，成功演示出了銅鋅原電池中氯離子移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論“Cl－移向負(fù)極、H＋移向正極”，從而推斷出原電池中離子遷移的普遍規(guī)律為“陰離子移向負(fù)極、陽(yáng)離子移向正極”（NO3－、MnO4－等氧化性的陰離子除外）。

通常我們演示離子移動(dòng)實(shí)驗(yàn)，主要利用一些有色離子，如Cu2＋、MnO4－等，讓學(xué)生觀(guān)察電極兩端溶液顏色的深淺變化來(lái)判斷離子的移動(dòng)［1，3］，這種間接測(cè)量有時(shí)會(huì)由于顏色不明顯或者不穩(wěn)定而影響實(shí)驗(yàn)觀(guān)察，并且對(duì)于一些無(wú)色離子也是無(wú)法進(jìn)行演示的。該實(shí)驗(yàn)中所用的裝置簡(jiǎn)單，測(cè)量手段便攜，有利于教師的課堂演示，相比較傳統(tǒng)的講授法，也減輕了學(xué)生的學(xué)習(xí)

難度，有利于同時(shí)提升教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。本實(shí)驗(yàn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)者的動(dòng)手操作能力要求較高，氯離子傳感器在使用過(guò)程中的讀數(shù)不穩(wěn)定也是影響實(shí)驗(yàn)成功的重要因素，但這并不影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，相反，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的跳躍式變化中，我們也可以體會(huì)到離子遷移并非我們想象的“直線(xiàn)式移動(dòng)”那么簡(jiǎn)單，或許那一杯無(wú)色溶液中還隱含著其他的科學(xué)奧秘。

參考文獻(xiàn)

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doi：10.3969／j．issn．1008－0546．2015．04．039