劉洪
摘要:在電化學(xué)教學(xué)中常常有學(xué)生對一些問題感到困惑,例如,有鹽橋的原電池中負(fù)極發(fā)生的氧化反應(yīng)和正極發(fā)生的還原反應(yīng)的動力來自哪里;鹽橋作用是什么;有鹽橋的原電池的電極材料選擇上有什么具體要求;正極和負(fù)極的電解質(zhì)選擇上必須滿足什么條件等等。對于這些學(xué)生容易產(chǎn)生困惑的幾個(gè)問題,在此作出簡要的解釋說明。
關(guān)鍵詞:原電池;陰極;陽極;鹽橋;電極
在選修4的電化學(xué)教學(xué)中學(xué)生往往容易在以下幾個(gè)問題上產(chǎn)生困惑,為了讓學(xué)生的科學(xué)視野得到適當(dāng)?shù)臄U(kuò)寬和必要的補(bǔ)充,可以對以下問題做些必要的解釋。
一、有鹽橋的原電池中正極或者負(fù)極兩個(gè)半反應(yīng)的動力來自哪里?
這個(gè)問題其實(shí)涉及大學(xué)電化學(xué)中電極電勢(符號:)的問題。在有鹽橋的原電池中,每個(gè)半池中發(fā)生的半反應(yīng)的動力來自于各個(gè)半池中反應(yīng)物和生成物之間微弱的電勢差(電極電位)這種微弱的電勢差推動電極反應(yīng)的發(fā)生。例如以2Fe3++Cu=Cu2++2Fe2+為原理設(shè)計(jì)的原電池,負(fù)極發(fā)生反應(yīng)是Cu-2e-=Cu2+其推動力是來源于單質(zhì)銅和銅離子之間的微弱的電勢差,這種微弱的電勢差促使單質(zhì)銅不斷的失去電子,變成銅離子。同樣正極發(fā)生還原反應(yīng)的動力是來自于Fe3+和Fe2+之間的微弱的電勢差。整個(gè)原電池發(fā)生反應(yīng)的動力又取決于兩個(gè)半池中電勢差的相對大小。如果兩個(gè)半池中的電勢差相差值越大,也就是說該原電池的電動勢越大,那么此原電池的反應(yīng)越容易發(fā)生,反之越難發(fā)生。由此我們可以得出,原電池的反應(yīng)的最終動力來源是,金屬單質(zhì)(對金屬電池而言)與其對應(yīng)的的離子之間的電勢差。原電池的電動勢的大小就決定于這兩極的電勢差的相對大小。
例:Zn(s) = Zn2+(aq) + 2 e-?→ 金屬“溶解”占優(yōu)勢
Cu(s) = Cu2+(aq) + 2 e-?← Cu2+(aq)沉積占優(yōu)勢
由于 ( Zn2+/Zn) <?( Cu2+/Cu) (表示電極電勢)。當(dāng)以鹽橋連接這兩個(gè)溶液且外電路接通(構(gòu)成回路)時(shí),就有電子從Zn電極流出,經(jīng)外電路流入Cu電極,產(chǎn)生電流。
二、鹽橋在原電池反應(yīng)中起到什么作用?
在教學(xué)中常常有學(xué)生問,原電池中鹽橋到底起到什么樣的作用。對于此問題,很多老師怕增加學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān),往往就簡單的告訴學(xué)生,鹽橋是起到導(dǎo)電作用;鹽橋中的陰離子向負(fù)極移動,陽離子向正極移動。這樣回答的話,學(xué)生往往產(chǎn)生另外一個(gè)問題:溶液中的陰陽離子可以定向移動而導(dǎo)電,為什么偏偏要把兩個(gè)半反應(yīng)分開在不同區(qū)域進(jìn)行,中間加上鹽橋呢?其實(shí)鹽橋除了上面所說的導(dǎo)電作用外,還有個(gè)很重要的作用是,避免負(fù)極材料直接與正極的電解質(zhì)溶液反應(yīng),這樣原電池能持續(xù)穩(wěn)定的放電,從而使原電池具有實(shí)用價(jià)值。另外鹽橋的存在可以平衡兩個(gè)反應(yīng)容器內(nèi)的電荷,使得反應(yīng)能持續(xù)進(jìn)行。再者,在兩種溶液之間插入鹽橋以代替原來兩種溶液直接接觸,減免和穩(wěn)定液接電位。(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)生的電位差稱擴(kuò)散電位,即液接電位)其實(shí)上述三者的作用又不是孤立存在,而是相互依賴,相互影響的。
三、有鹽橋的原電池在電極選擇上有什么具體要求
對于有鹽橋的原電池,負(fù)極材料幾乎是確定的(根據(jù)反應(yīng)總方程式快速確定),例如2Fe3++ Fe=3Fe2+,其負(fù)極材料是鐵,然而正極材料的選擇就多了。按照一般原理,只要正極材料比鐵活潑性低就行但實(shí)際上并非如此。我們不妨以2Fe3++ Fe=3Fe2+為原理設(shè)計(jì)出兩個(gè)有鹽橋的原電池。①負(fù)極材料是鐵,電解質(zhì)是氯化亞鐵溶液;正極是銅,電解質(zhì)是氯化鐵溶液。②負(fù)極材料是鐵,電解質(zhì)是氯化亞鐵溶液;正極是石墨,電解質(zhì)是氯化鐵溶液。用電流表持續(xù)測定這兩個(gè)原電池的電流發(fā)現(xiàn):第一個(gè)原電池電流持續(xù)時(shí)間短,并且電流強(qiáng)度很快減小;而第二個(gè)原電池能比較長時(shí)間的提供比較穩(wěn)定的電流。通過此實(shí)驗(yàn)說明,有鹽橋的原電池的電極材料的選擇是有講究的。通過對上面兩個(gè)原電池的分析不難發(fā)現(xiàn),第一個(gè)原電池的正極材料能與電解質(zhì)溶液反應(yīng)即2Fe3++Cu=Cu2++2Fe2+,而第二個(gè)原電池的正極材料不會與電解溶液反應(yīng)。因此得出,有鹽橋的原電池的正極材料不僅僅是要求活潑性比負(fù)極材料低,還要求正極材料不能與電解質(zhì)溶液發(fā)生反應(yīng),否則會大大降低原電池的效率。
對于學(xué)生在學(xué)習(xí)原電池時(shí)提出的諸多問題,往往涉及大學(xué)里更深層次內(nèi)容的學(xué)習(xí)。因此不適在課堂上進(jìn)行詳細(xì)的講解,應(yīng)該在課后針對部分學(xué)生的具體情況進(jìn)行解釋。
參考文獻(xiàn):
[1]李志剛.如何提高高中化學(xué)中電化學(xué)的課堂教學(xué)效果[J] 中國校外教育,2019,13.