關(guān)于碳、銅、硫酸原電池的深入研究オ

謝峰?オ?

一、問(wèn)題的提出

學(xué)習(xí)原電池的構(gòu)成條件時(shí)，在課外資料上有這樣的一種說(shuō)法“碳、銅、硫酸構(gòu)成的裝置不能供電，不能使電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)”，不少學(xué)生認(rèn)為這種說(shuō)法正確，其依據(jù)為：無(wú)論是銅還是碳，都不能和稀硫酸溶液發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，沒(méi)有發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，故外電路并沒(méi)有電子流過(guò)，因而該裝置不能對(duì)外供電，電流計(jì)指針自然也不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn).在原電池中，我們已多次遇到理論和實(shí)踐不一致的情況，那么這里是否也有意外情況發(fā)生呢？我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)一組實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行探究.

二、實(shí)驗(yàn)探究

1.搭建碳銅硫酸原電池，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究

（1）實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

將原電池新授課使用的鋅銅硫酸原電池中的鋅片換成碳棒，即可得到簡(jiǎn)易碳銅硫酸原電池，為提高實(shí)驗(yàn)的精確度，考慮將普通電流計(jì)改換成靈敏電流計(jì).組裝好裝置后，經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)有如下現(xiàn)象：裝置中液面很平靜，不管是碳棒表面還是銅片表面，均無(wú)氣泡產(chǎn)生，但靈敏電流計(jì)的指針卻發(fā)生了大幅度的偏轉(zhuǎn)，甚至換用普通電流計(jì)，指針也有一定角度的偏轉(zhuǎn).為避免偶然性的發(fā)生，將碳、銅兩電極逐次放入不同濃度的硫酸[JP3]溶液中，結(jié)果指針無(wú)一例外地均發(fā)生大幅偏轉(zhuǎn)，所得數(shù)據(jù)見表1.

（2）提出問(wèn)題

究竟是什么原因?qū)е码娏饔?jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)呢？引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系氫氧化亞鐵在空氣中的變質(zhì)，大膽猜測(cè)指針偏轉(zhuǎn)與空氣中氧氣有關(guān)，亦即猜測(cè)發(fā)生了吸氧腐蝕.為了驗(yàn)證猜想，進(jìn)一步進(jìn)行理論探究，小組討論后，大家一致認(rèn)為應(yīng)該設(shè)計(jì)一組有氧與無(wú)氧的對(duì)比實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證.

（3）進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究

為便于觀察比較，考慮設(shè)計(jì)四組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，具體方案如下.

第一組：將薄銅片電極和碳棒電極用導(dǎo)線相連接，插入10%稀硫酸溶液中，再將導(dǎo)線連接靈敏電流計(jì)，觀察到電極表面無(wú)明顯變化，電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，讀數(shù)約為300 μA.

第二組：將薄銅片電極和碳棒電極用導(dǎo)線相連接，插入10%稀硫酸溶液中，再滴加少量植物油液封液面以隔絕空氣中氧氣，然后再將導(dǎo)線連接靈敏電流計(jì)，穩(wěn)定后觀察到電極表面仍無(wú)明顯變化，電流計(jì)指針仍然發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但偏轉(zhuǎn)幅度變小，讀數(shù)約為100 μA.

第三組：將薄銅片電極和碳棒電極用導(dǎo)線相連接，插入用加熱煮沸過(guò)的10%稀硫酸中，再滴加少量植物油液封液面以隔絕空氣中氧氣，然后再將導(dǎo)線連接靈敏電流計(jì)，觀察發(fā)現(xiàn)電極表面無(wú)明顯變化，且電流計(jì)指針不再發(fā)生偏轉(zhuǎn)，讀數(shù)為0.

第四組 將薄銅片電極和碳棒電極用導(dǎo)線相連接，插入10%稀硫酸溶液中，再將導(dǎo)線連接后放置一段時(shí)間，觀察到銅片被腐蝕且在液面位置附近腐蝕最為嚴(yán)重，溶液顏色由無(wú)色逐漸變?yōu)樗{(lán)色.[HJ0.85mm]

（4）分析與結(jié)論

由以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)可得，碳銅硫酸原電池發(fā)生的是吸氧腐蝕，其中薄銅片作為負(fù)極失去電子轉(zhuǎn)化為銅離子，來(lái)源于空氣中的氧氣和溶液中的溶解氧在碳電極上得到電子，銅片在液面附近腐蝕最嚴(yán)重說(shuō)明參與反應(yīng)的氧主要是來(lái)源于空氣中的氧氣，而硫酸溶液并未直接參與電極反應(yīng)，主要起導(dǎo)電作用.那么變換硫酸溶液的濃度時(shí)，電流計(jì)測(cè)得的電流強(qiáng)度基本沒(méi)有變化，究竟是因?yàn)殡娏鲝?qiáng)度大小只與吸氧腐蝕發(fā)生的快慢相關(guān)？還是因?yàn)殡娏饔?jì)太過(guò)靈敏，而測(cè)得的電流強(qiáng)度又相對(duì)較大，從而使得電流計(jì)鈍化導(dǎo)致呢？為此，有必要繼續(xù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究.

（5）再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究

為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)如下：

第一組：將薄銅片電極和碳棒電極用導(dǎo)線相連接，插入10%氯化鈉溶液中，再將導(dǎo)線連接靈敏電流計(jì)，觀察到電極表面無(wú)明顯變化，電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，讀數(shù)也約為300 μA.放置一周時(shí)間后，繼續(xù)觀察到溶液顏色略有變藍(lán)，且在溶液底部有黑色沉淀物產(chǎn)生.將黑色沉淀物濾出并向其中滴加少量10%稀硫酸溶液，發(fā)現(xiàn)黑色沉淀物慢慢溶解，溶液顏色也慢慢變?yōu)榈{(lán)色，此時(shí)并無(wú)氣泡產(chǎn)生.

第二組：將薄銅片電極和碳棒電極用導(dǎo)線相連接，插入醫(yī)用酒精（濃度約70%）中，再將導(dǎo)線連接靈敏電流計(jì)，觀察到電極表面無(wú)明顯變化，電流計(jì)指針發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，讀數(shù)約為100 μA左右.

第三組：將薄銅片電極和碳棒電極用導(dǎo)線相連接，插入無(wú)水乙醇（濃度≥99.7%）中，再將導(dǎo)線連接靈敏電流計(jì)，觀察到電極表面無(wú)明顯變化，電流計(jì)指針幾乎沒(méi)有偏轉(zhuǎn)，讀數(shù)約為0.

（6）分析與結(jié)論

將碳銅硫酸原電池?fù)Q中電解質(zhì)溶液替換成差不多同濃度的氯化鈉溶液后，薄銅片依然發(fā)生了吸氧腐蝕，在中性條件下，慢慢生成氫氧化銅沉淀，后又轉(zhuǎn)化為能溶于稀硫酸的黑色沉淀物.將稀硫酸用無(wú)水乙醇替換后，因?yàn)闊o(wú)水乙醇屬于非電解質(zhì)，并不能導(dǎo)電，所以薄銅片不再發(fā)生吸氧腐蝕，因而電流計(jì)指針不再發(fā)生偏轉(zhuǎn).至于醫(yī)用酒精中電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，主要是因?yàn)獒t(yī)用酒精中存在少量弱電解質(zhì)水，水的存在使得吸氧腐蝕又得以發(fā)生.

三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果說(shuō)明電流強(qiáng)度的大小與電解質(zhì)溶液的種類、濃度均關(guān)系不大，而主要與吸氧腐蝕的快慢程度相關(guān).在不同濃度同種類的溶液和同濃度不同種類溶液中，吸氧腐蝕的快慢程度相當(dāng)，所以電流強(qiáng)度的大小相當(dāng).在醫(yī)用酒精溶液中，由于水屬于極弱電解質(zhì)，雖能導(dǎo)電但導(dǎo)電能力極弱，使得吸氧腐蝕速率減慢，從而使得電流計(jì)電流強(qiáng)度讀數(shù)減小.

三、啟發(fā)與反思

經(jīng)過(guò)上述探究過(guò)程，貌似不可能實(shí)現(xiàn)的碳銅硫酸原電池變成了可能，而且學(xué)生還不僅知其能更知其所以能.其實(shí)這樣的例子在原電池中還有很多，例如鋅銅硫酸原電池中不僅在銅電極有氫氣產(chǎn)生，而且在鋅電極也有氫氣產(chǎn)生，甚至產(chǎn)生的更多更快.這樣的情況不是僅存在于原電池實(shí)驗(yàn)中，而是在許多化學(xué)反應(yīng)中普遍存在的現(xiàn)象，總之一個(gè)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象會(huì)受較多外界因素的影響，這些因素有的可以預(yù)知并可控，有的既不可預(yù)知也不可控.教師在分析相關(guān)問(wèn)題時(shí)，視而不見，僅僅圍繞理想情況下的結(jié)論展開分析推理，可能會(huì)出現(xiàn)一些科學(xué)性失誤.作為為人師表的教育工作者，廣大教師在平時(shí)的教學(xué)與研究過(guò)程中不能僅從理論上想當(dāng)然，務(wù)必要重視實(shí)踐，將理論與實(shí)踐緊密融合.