電流傳感器構(gòu)建原電池測(cè)定阿伏加德羅常數(shù)

郭孝培，周 浩，董雄輜，饒日川，李 娜

(合肥師范學(xué)院 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601)

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電流傳感器構(gòu)建原電池測(cè)定阿伏加德羅常數(shù)

郭孝培，周 浩，董雄輜，饒日川，李 娜

(合肥師范學(xué)院 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601)

阿伏伽德羅常數(shù)是一個(gè)重要的概念，為加深高一學(xué)生的理解從而在教學(xué)過程中引入測(cè)定阿伏伽德羅常數(shù)的實(shí)驗(yàn)。本文通過電流傳感器構(gòu)建原電池測(cè)定阿伏伽德羅常數(shù)，進(jìn)而得出一種新的近似測(cè)定阿伏伽德羅常數(shù)的方法。同時(shí)，幫助學(xué)生理解概念，并體會(huì)各學(xué)科之間的緊密聯(lián)系。

阿伏伽德羅常數(shù)；原電池；電流傳感器；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1 阿伏伽德羅常數(shù)的測(cè)定

阿伏加德羅常數(shù)在高中化學(xué)必修一第一章第二節(jié)《化學(xué)計(jì)量在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用》中首次出現(xiàn)，把1摩爾任何粒子的粒子數(shù)叫做阿伏伽德羅常數(shù)，符號(hào)為NA[1]，因意大利物理學(xué)家阿伏伽德羅而得名。對(duì)于本節(jié)知識(shí)點(diǎn)來說物質(zhì)的量、阿伏伽德羅常數(shù)都比較抽象，高一學(xué)生剛進(jìn)入高中階段學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)方法和模式還未轉(zhuǎn)變，因此對(duì)本節(jié)的學(xué)習(xí)存在困難，容易產(chǎn)生認(rèn)知障礙。為了學(xué)生更好地理解和學(xué)習(xí)阿伏伽德羅常數(shù)，筆者在本文引入測(cè)定阿伏伽德羅常數(shù)的演示實(shí)驗(yàn)，以便學(xué)生能夠通過學(xué)習(xí)阿伏伽德羅常數(shù)的測(cè)定方法更容易理解阿伏伽德羅的含義。通過查找相關(guān)文獻(xiàn)可知傳統(tǒng)的測(cè)定方法有很多，著名的有：?jiǎn)畏肿幽し?、電解水法、油滴法、電量分析法等[2,3]，其理論依據(jù)各不相同，但測(cè)得的數(shù)據(jù)基本吻合。由于測(cè)量條件的限制，以致單分子膜法、油滴法無法為學(xué)生在課堂上展示。電解水法雖然操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但是這種方法的數(shù)據(jù)處理對(duì)于高一學(xué)生來說有困難[4]。為解決實(shí)驗(yàn)條件苛刻而無法在課堂上呈現(xiàn)的弊端，目前大多采用電量分析法測(cè)定阿伏伽德羅常數(shù)。

1.1 電量分析法測(cè)定阿伏伽德羅常數(shù)存在的不足

電量分析法是將已知質(zhì)量的兩塊銅片分別作為陽(yáng)極和陰極，以硫酸銅溶液作為電解質(zhì)溶液進(jìn)行電解。陽(yáng)極上的銅失去電子，變成銅離子溶于溶液；而陰極上的銅離子得到電子，變?yōu)榻饘巽~沉積在銅片上[5]。反應(yīng)結(jié)果為陽(yáng)極上的銅片質(zhì)量減小而陰極上的銅片質(zhì)量增加，理論上陽(yáng)極上減少的銅片質(zhì)量等于陰極上增加的銅片質(zhì)量，但這對(duì)陽(yáng)極銅片的純度有著很大的要求，所以一般用陰極增加的質(zhì)量作為反應(yīng)結(jié)果往往較為準(zhǔn)確。

同時(shí)，根據(jù)法拉第第一定律：在電解過程中，陰極上還原物質(zhì)析出的量與所通過的電流強(qiáng)度和通電時(shí)間成正比[6]，用公式可表示為：

m=KQ=KIt

(1)

式中m表示析出金屬的質(zhì)量；K是比例常數(shù)即電化當(dāng)量；Q表示為通過的電量；I表示為電流強(qiáng)度；t表示為通電時(shí)間。

法拉第第二定律：物質(zhì)的電化當(dāng)量K跟它的化學(xué)當(dāng)量成正比，所謂電化當(dāng)量是指該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量M跟它的化合價(jià)的比值[7]。用數(shù)學(xué)公式可表示為：

(2)

式中n表示的是化合價(jià)；F為法拉第常數(shù)，數(shù)值為F=9.65×10000 C/mol。

由(1)(2)得：

(3)

經(jīng)轉(zhuǎn)換，得(4)

(4)

又因?yàn)?，法拉第常?shù)F=NA×e，所以

(5)

其中e表示為單個(gè)電子的帶電量。在中學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)量中用電流I乘以時(shí)間t得出Q, 得出

(6)

在電量分析法中，往往使用電流表進(jìn)行測(cè)量電流I，然后乘以時(shí)間t得出Q,但在實(shí)驗(yàn)過程中電流I的值往往會(huì)上下小幅度的波動(dòng)，導(dǎo)致根本無法準(zhǔn)確的測(cè)得It的具體數(shù)值；而學(xué)生電源本身可以視為一個(gè)電阻，在電解的過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)生電源溫度上升，這時(shí)電能在轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的同時(shí)也部分轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差。有文獻(xiàn)提出利用電流傳感器解決這一問題[8]。但是高一學(xué)生還未接觸到法拉第第一定律和第二定律，更未接觸到電化當(dāng)量等名詞，在講述理論知識(shí)時(shí)就容易混淆部分概念，使其難以理解上述公式的推導(dǎo)，大大的增加了學(xué)習(xí)的難度。即使得出了結(jié)果也很難理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)的目的?；谝陨戏治觯P者對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化。

1.2 測(cè)定阿伏加德羅常數(shù)的具體優(yōu)化與改進(jìn)方案

實(shí)驗(yàn)通過引入電流傳感器簡(jiǎn)單、直觀、準(zhǔn)確地測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中電流的數(shù)值。實(shí)驗(yàn)把電解池改為原電池，正極為已知質(zhì)量的銅片，用硫酸銅溶液作為電解質(zhì)溶液，負(fù)極為鋅片，用硫酸鋅溶液作為電解質(zhì)溶液，分別裝于兩個(gè)燒杯中，中間搭上鹽橋，兩電極與電流傳感器相連接(銅連正極，鋅連負(fù)極)。正極發(fā)生還原反應(yīng)，電解質(zhì)中的銅離子得到電子沉積在銅片上。負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，鋅片上的鋅失去電子變成鋅離子溶于電解質(zhì)溶液。

此時(shí)，負(fù)極的鋅片逐漸溶于電解質(zhì)溶液，失去的電子沿外電路到達(dá)正極，正極的銅離子得到電子變成金屬銅沉積在銅電極上，這時(shí)外電路通過電子的物質(zhì)的量與正極增加銅的物質(zhì)的量成正比，比值為2∶1。

圖1 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置圖

根據(jù)初中物理學(xué)過的知識(shí)Q=It以及前文所列公式便可推論出阿伏伽德羅常數(shù)的計(jì)算公式，即：

(7)

又因?yàn)?/p>

(8)

其中，n表示銅物質(zhì)的量，m表示正極銅增加的量，M表示銅的摩爾質(zhì)量。

聯(lián)合(7)(8)可得出：

(6)

推論的公式與利用電解池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得公式一致，在處理數(shù)據(jù)時(shí)一鍵積分可以迅速獲得It的數(shù)值，再使用分析天平稱量銅片質(zhì)量的變化，帶入公式，計(jì)算出阿伏伽德羅常數(shù)的值，由此得出此方案可行。

2 構(gòu)建原電池測(cè)定阿伏加德羅常數(shù)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

教學(xué)需要用到的實(shí)驗(yàn)儀器有：vernier電流傳感器，vernier數(shù)據(jù)采集器，電腦(已安裝Logger Pro軟件)，導(dǎo)線若干，分析天平，鱷魚夾若干，50mL燒杯兩個(gè)，鹽橋；實(shí)驗(yàn)藥品有：銅片，鋅片，硫酸銅溶液，硫酸鋅溶液。

在教學(xué)過程中，請(qǐng)兩位學(xué)生小助手協(xié)助共同實(shí)驗(yàn)以此提高學(xué)生的積極性。首先，打磨銅片和鋅片，使用分析天平稱取銅片質(zhì)量并記錄。然后，搭建原電池，正極為已知質(zhì)量的銅片，用硫酸銅溶液作為電解質(zhì)溶液，負(fù)極為鋅片，用硫酸鋅溶液作為電解質(zhì)溶液，分別裝于兩個(gè)燒杯中，中間暫時(shí)不搭鹽橋(控制反應(yīng)開始)，兩電極與電流傳感器相連接(銅電極連正極，鋅電極連負(fù)極)。打開軟件，將數(shù)據(jù)采集器與電腦相連接，電流傳感器與數(shù)據(jù)采集器相連接，同時(shí)在電腦界面設(shè)置采集時(shí)間為5分鐘，點(diǎn)擊開始采集，搭上鹽橋，反應(yīng)開始。最后，反應(yīng)結(jié)束后取出銅片，干燥，然后使用分析天平稱重并記錄；根據(jù)所得曲線圖形一鍵積分，得出It的數(shù)值，帶入公式，得出阿伏伽德羅常數(shù)的值。

根據(jù)以上所得數(shù)據(jù)，代入公式(6)計(jì)算出NA。通過電流傳感器構(gòu)建原電池測(cè)定阿伏加德羅常數(shù)不僅讓同學(xué)們更好的理解阿伏伽德羅常數(shù)的概念和本質(zhì)，而且增強(qiáng)了對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究欲，總體達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

阿伏伽德羅常數(shù)屬于難懂的概念，學(xué)生容易產(chǎn)生認(rèn)知障礙，學(xué)習(xí)感到困難，以致影響后續(xù)的學(xué)習(xí)。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，可以簡(jiǎn)化科學(xué)實(shí)驗(yàn)的本來面目。本實(shí)驗(yàn)使用電化學(xué)知識(shí)測(cè)量必修一中的阿伏伽德羅常數(shù)的數(shù)值，不僅促進(jìn)了學(xué)生對(duì)原電池構(gòu)成原理的思考，為必修二學(xué)習(xí)電化學(xué)打下基礎(chǔ)，而且也加深了學(xué)生對(duì)阿伏伽德羅常數(shù)這一理論數(shù)值的理解，同時(shí)可以體會(huì)到化學(xué)的知識(shí)模塊不是完全獨(dú)立存在的。本實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的物理學(xué)知識(shí)，讓學(xué)生體會(huì)學(xué)科與學(xué)科之間存在著緊密的聯(lián)系。通過使用電流傳感器構(gòu)建原電池測(cè)定阿伏伽德羅常數(shù)，增進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)概念的理解，感受高科技時(shí)代帶來的氣息，提高對(duì)科學(xué)探究的興趣和欲望。

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The Galvanic Cell Constructed by Current Sensor Determine Avogadero Constant

GUO Xiaopei, ZHOU Hao, DONG Xiongzi, RAO Richuan, LI Na

(SchoolofChemistryandChemicalEngineering,HefeiNormalUniversity,Hefei230601,China)

Avogadro constant is an important concept, in order to help students in Grade 10 understand the experiment of measuring the Avogadro constant,this paper concludes that the Avogadro constant is determined by the current sensor, and come up with a new method for the determination of the constant of the Avogadro constant. At the sametime, it helps students understand the conceptand the close link among various disciplines.

Avogadro constant; primary battery; current sensor; experiment teaching

2016-12-10

合肥師范學(xué)院研究生創(chuàng)新基金(立項(xiàng)編號(hào)：2017YJS24)

郭孝培(1992-)，女，安徽六安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閷W(xué)科教學(xué)化學(xué)。

G632

A

1674-2273(2017)03-0029-03