在化學(xué)原電池教學(xué)中引入雙液原電池的探討

韋善于

【摘 要】本文在分析化學(xué)原電池教學(xué)引入雙液原電池的必要性的基礎(chǔ)上，詳細探討單液原電池和雙液原電池在結(jié)構(gòu)、工作原理等方面的共同點和不同點，為教學(xué)提供參考。

【關(guān)鍵詞】高中化學(xué) 雙液原電池 單液原電池

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）01B-0148-02

近年來，隨著素質(zhì)教育的推行，化學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀有了明顯改善，教學(xué)水平也有了顯著提高，學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)也得到了極大增強。在化學(xué)教學(xué)中，化學(xué)原理的教學(xué)是基礎(chǔ)也是根本，只有學(xué)生掌握了相關(guān)的化學(xué)原理，對一些應(yīng)用型問題和實驗等才能夠更好地理解，解決起問題來也才會更加順暢。需要注意的是，在化學(xué)的學(xué)習(xí)過程中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)同樣的概念、結(jié)論和裝置等，在不同時間段、不同教材中的描述、呈現(xiàn)方式以及功能會存在一定的區(qū)別。比如，同樣是原電池的內(nèi)容，在這一必修教材中是單液原電池，而在另一選修教材中則是雙液原電池，這種種情況往往會困擾

學(xué)生和教師，因此本文針對雙液原電池進行探究。

一、化學(xué)原電池教學(xué)引入雙液原電池的必要性

將雙液原電池引入化學(xué)原電池原理教學(xué)中，對雙液原電池原理進行詳細講解，能夠在一定程度上提升原電池原理的教學(xué)有效性，為學(xué)生之后的學(xué)習(xí)奠定堅實的基礎(chǔ)。但是很多學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)的過程中，會產(chǎn)生一定的疑問：為什么單液原電池和雙液原電池出現(xiàn)在不同的教材中？

其實，引入雙液原電池，目的是為了讓學(xué)生更好地理解和掌握原電池的原理。對雙液原電池的化學(xué)原理進行分析時，離不開與單液原電池化學(xué)原理的對比，二者在教學(xué)中是一種相輔相成的關(guān)系。能夠通過與單液原電池的對比，可產(chǎn)生良好的教學(xué)效果，加深學(xué)生的印象。

二、在化學(xué)原電池教學(xué)中引入雙液原電池的思考

化學(xué)原電池教學(xué)是理解相關(guān)化學(xué)反應(yīng)不可缺少的一部分教學(xué)內(nèi)容，它對之后學(xué)生對問題的理解和解決會產(chǎn)生很大的作用。考慮到在雙液原電池的化學(xué)原理教學(xué)中，存在著一定的不合理之處，筆者從三個方面進行分析，即分析單雙液原電池兩套裝置在結(jié)構(gòu)上和工作原理上的異同點、兩種原電池電源的最大不同點——鹽橋、將單液原電池改造成雙液原電池的目的。

（一）單雙液原電池實驗裝置在結(jié)構(gòu)、原理上的異同點

首先，兩種實驗裝置的相同點。在相同點方面的分析上，主要可以從正極和負極、電極反應(yīng)、總反應(yīng)式、現(xiàn)象以及能量轉(zhuǎn)化幾個方面進行分析。

正、負極方面：兩種裝置正極均為 Cu，負極均為 Zn。

電極反應(yīng)式方面：兩種裝置的正極均為 Cu2++2e-=Cu，負極均為 Zn-2e- Zn2+。

總反應(yīng)式方面：兩種裝置均為 Zn+Cu2+ Zn2++Cu。

實驗現(xiàn)象方面：現(xiàn)象均相同，Zn 片出現(xiàn)腐蝕并發(fā)生溶解，Cu 片的重量增加，電流計的指針出現(xiàn)一定程度的偏轉(zhuǎn)。

能量轉(zhuǎn)化方面：兩種裝置的實驗中的能量轉(zhuǎn)化均為化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。

其次，兩種實驗裝置的不同點。在不同點方面的分析上，主要可以從電池、電解質(zhì)、鹽橋和現(xiàn)象四個方面進行分析。

第一，電池方面的不同點。單液原電池的電池數(shù)量為 1 個，雙液原電池的電池數(shù)量為 2.5 個。

第二，電解質(zhì)方面的不同點。單液原電池的電解質(zhì)為 CuSO4，雙液原電池的電解質(zhì)除了 CuSO4，還有 ZnSO4 等。

第三，鹽橋方面的不同點。單液原電池無鹽橋，雙液原電池有鹽橋。

第四，在反應(yīng)現(xiàn)象方面的不同點。單液原電池 Zn 片的表面有一定數(shù)量的紅色物體覆蓋，雙液原電池 Zn 片的表面則沒有紅色物體覆蓋。

通過對上述相同點和不同點的對比分析，對單液原電池和雙液原電池的結(jié)構(gòu)和工作原理有了更加正確的認識。在此基礎(chǔ)上，就可更加合理、準確地分析和解決問題。為了更好地了解單液原電池和雙液原電池，筆者以例子對單液原電池和雙液原電池的實踐應(yīng)用進行分析。

根據(jù)圖 3 所示，對下列各選項的敘述進行判斷，正確的是（ ）

A.圖 3 中正極附近溶液的 pH 降低

B.圖 3 中電子由 Zn 向 Cu 流動，鹽橋中的 C1- 向 CuSO4 溶液流動

C.圖 3 中的正極反應(yīng)是 O2+2H2O+4e- 4OH-

D.圖 3 中加入少量的 K3[Fe（CN）6]溶液，將會發(fā)現(xiàn)有少量的藍色沉淀生成

對于圖 3 左邊圖 Zn 為負極，反應(yīng)為 Zn-2e-=Zn2+，Cu為正極，反應(yīng)為 Cu2++2e-=Cu，鹽橋中 K+ 向 CuSO4 中移動，Cl- 向 ZnSO4 移動；右邊圖中 Fe 為負極，反應(yīng)式為 Fe-2e-=Fe2+，Cu 為正極，反應(yīng)式為 2H++2e-=H2。對于答案 A，左邊圖 Cu2+ 濃度減少，Cu2+ 水解少了，pH 升高，右邊圖 H+ 生成 H2，pH 也升高，A 對；B 答案中電子流動向 Cu 是對的，但 K+、C1- 移動方向反了；對于 C 答案正極反應(yīng)都不是這個；對于 D 答案左邊圖無 Fe2+，只有右邊有藍色沉淀生成。故 A 對。

（二）單雙液原電池兩種實驗裝置最大不同之處——鹽橋

從單液原電池和雙液原電池實驗裝置的比較分析中可以看得出來，一種沒有鹽橋，一種有鹽橋，而這也是二者最大的不同之處。相比于無鹽橋的單液原電池，雙液原電池的鹽橋的作用又是如何呢？綜合概括起來，原電池中鹽橋的作用可以進行這樣簡單的分析：雙液原電池使用鹽橋的目的是為了消除液間接電勢，鹽橋中的陽離子和陰離子通過定向移動進入到陽極池和陰極池中，使得雙液原電池形成閉合回路。

何謂液接電位？所謂液接電位指的是組成或活動不同的兩種電解質(zhì)相互發(fā)生接觸時，在溶液接觸界處于由正負離子擴散通過界面的離子遷移速度不同造成正負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散電位，簡稱液接電位。在這樣的實驗中，經(jīng)常會產(chǎn)生不同程度的誤差，這種誤差產(chǎn)生的原因眾多，有客觀環(huán)境因素，也有主觀操作因素，其中液接電位便是造成電位誤差的因素之一。將鹽橋插入至兩種溶液之間，能夠避免原先的兩種溶液直接接觸，從而實現(xiàn)穩(wěn)定液接電位的目的。

需要注意的是，使用鹽橋的溶液必須要滿足三個條件：①陰陽離子的遷移速度差距不是特別大，非常相近；②鹽橋溶液的溶度要夠大；③鹽橋溶液與實驗裝置中的溶液不能發(fā)生反應(yīng)，或者不會對測定產(chǎn)生干擾。鹽橋作用的基本原理是：由于鹽橋中電解質(zhì)的濃度很高，兩個新界面上的擴散作用主要來自鹽橋，故兩個新界面上產(chǎn)生的液接電位穩(wěn)定。由于鹽橋中正負離子的遷移速度差不多相等，故兩個新界面上產(chǎn)生的液接電位方向相反、數(shù)值幾乎相等，從而使液接電位減至最小以至接近消除。從當前的實際情況來看，鹽橋溶液的種類比較多，但有些并不常見，常用的鹽橋溶液，如飽和氯化鉀溶液 4.2 mol/L KCl 溶液，0.1 mol/LiAc 溶液以及 0.1 mol/L KNO3 溶液等。

（三）將單液原電池改造成雙液原電池的主要目的

學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，可能會產(chǎn)生疑問：為什么要將單液原電池改造成雙液原電池呢？改造之前的單液原電池和改造之后的雙液原電池產(chǎn)生的電流效率是不是一樣呢？為了能夠解決這些疑問，幫助學(xué)生更好地進行學(xué)習(xí)，設(shè)計相應(yīng)的實驗以解決學(xué)生的疑問。實驗結(jié)果顯示，如果實驗條件一樣，那么雙液原電池的電流強度要遠大于單液原電池。

上圖 1 為單液原電池實驗設(shè)計裝置，其中的 Zn 在 CuSO4 溶液中與 Cu2+ 發(fā)生直接接觸，隨之發(fā)生直接反應(yīng)。在反應(yīng)的過程中，出現(xiàn)了兩種能量轉(zhuǎn)化，一種是化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，另一種是化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能，因而該實驗裝置的溫度會不斷上升。上圖 2 為雙液原電池實驗設(shè)計裝置，Zn 和 CuSO4 溶液不在一起，因此 Zn 不會與 Cu2+ 發(fā)生直接反應(yīng)，這其中的能量轉(zhuǎn)化就只有一個種，即化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，不存在化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能的現(xiàn)象，這樣就能夠保證電流的穩(wěn)定性，并且持續(xù)相當長的一段時間。鹽橋原電池中，還原劑與氧化產(chǎn)物在負極和正極各自會構(gòu)成一個半電池，而單液原電池的還原劑和氧化產(chǎn)物在同一個電池中，因而只能構(gòu)成一個半電池，這也就解釋了為什么雙液原電池的電流強度要大于單液原電池的原因。因此，在實際的操作過程中，雙液原電池的選擇和使用相對更多。

總而言之，化學(xué)是中學(xué)階段的學(xué)科之一，該學(xué)科教學(xué)質(zhì)量的高低，不僅會影響學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，而且會對學(xué)生綜合素質(zhì)的提升產(chǎn)生影響?；瘜W(xué)原電池教學(xué)是化學(xué)教學(xué)的有機組成部分，教師在教學(xué)的過程中應(yīng)當對化學(xué)原電池教學(xué)保持高度重視，采取各種有效措施去解決化學(xué)原電池教學(xué)中的問題，特別是在將雙液原電池引入到化學(xué)原電池教學(xué)過程中，教師更加應(yīng)當重視。在實際的教學(xué)過程中，不能夠放過任何產(chǎn)生問題的機會，通過問題的提出來培養(yǎng)學(xué)生的思考意識和探究意識，讓學(xué)生能夠在回答和探討問題的過程中進一步打開自己的思維，更好地理解雙液原電池的化學(xué)原理。

【參考文獻】

[1]盛曉婧，林建芬，錢揚義，等.利用數(shù)字化手持技術(shù)探究原電池電流和溫度的變化[J].化學(xué)教育，2016（5）

[2]陳達明.關(guān)于化學(xué)原理的教學(xué)中引入雙液原電池的思考[J].讀書文摘，2016（32）

[3]陳詠梅.體驗雙液原電池的設(shè)計 深入理解電化學(xué)核心概念[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2013（5）

[4]周彩琴.“思考題”引領(lǐng)化學(xué)課的教學(xué)設(shè)計的嘗試和思考——“原電池原理和化學(xué)電源”一輪復(fù)習(xí)教學(xué)設(shè)計[J].中學(xué)化學(xué)，2015（4）

[5]王 春.運用手持技術(shù)探究單雙液原電池的能量轉(zhuǎn)化效率[J].教育與裝備研究，2017（10）

（責編 盧建龍）