基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)改進(jìn)原電池演示實驗

崔潔

一、教材中的實驗

1.實驗操作［1］

【實驗1】把一塊鋅片和一塊銅片分別插入盛有稀硫酸的燒杯里，觀察實驗現(xiàn)象。

【實驗2】把一塊鋅片和一塊銅片同時插入盛有稀硫酸的燒杯里，觀察實驗現(xiàn)象。

【實驗3】用導(dǎo)線把實驗2中的鋅片和銅片連接起來，觀察實驗現(xiàn)象。

【實驗4】在實驗3的導(dǎo)線中間連接一個靈敏電流計，觀察實驗現(xiàn)象。

2.實驗現(xiàn)象以及結(jié)論

實驗1現(xiàn)象：鋅片表面產(chǎn)生氣泡，銅片無現(xiàn)象。由此得出結(jié)論：Zn+2H+=Zn2++H2↑，Cu不與稀H2SO4反應(yīng)。實驗2現(xiàn)象結(jié)論同實驗1。實驗3現(xiàn)象：銅片表面產(chǎn)生氣泡。實驗4現(xiàn)象：在實驗3的現(xiàn)象基礎(chǔ)上，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明該裝置產(chǎn)生了電流。

3.實驗存在問題 根據(jù)現(xiàn)階段學(xué)生的學(xué)情，實驗1和實驗2是學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識點，可以得出產(chǎn)生該實驗現(xiàn)象的結(jié)論。而實驗3和實驗4是與學(xué)生已學(xué)知識相"矛盾"的現(xiàn)象，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生探究產(chǎn)生"異常"現(xiàn)象的原因。但是在實際實驗過程中，實驗3鋅片表面產(chǎn)生了大量的氣泡，銅片表面產(chǎn)生氣泡很少，甚至有時不產(chǎn)生氣泡。實驗4電流計發(fā)生偏轉(zhuǎn)不久歸0。這樣的現(xiàn)象會干擾學(xué)生建立正確的原電池模型，往往需要教師的講授來解釋這樣的現(xiàn)象，缺少學(xué)生的自主探究，不利于學(xué)生對知識的理解和靈活運用。

二、實驗改進(jìn)思路

1.引入鹽橋使用雙液電池 改進(jìn)實驗的出發(fā)點主要是解決鋅片表面大量產(chǎn)生氣泡的問題，由此想到的實驗改進(jìn)思路是引入鹽橋。查找資料后，為使鋅片與稀硫酸無法直接接觸，多形成雙液電池。用兩個燒杯分別做反應(yīng)室，分別加入0.5mol/LH2SO4和1mol/L的ZnSO4溶液，并插入Cu片和Zn片，采用U型管制作鹽橋，倒扣于兩個燒杯中，連接反應(yīng)室，用導(dǎo)線連接Cu片和Zn片。

在使用該裝置進(jìn)行實驗操作時遇到以下兩個問題：①由于引入雙液電池，需要使用倒置的U型管作為鹽橋，使裝置搭建變得較為繁瑣，對于課堂演示實驗，時間有限，不利于實驗的開展；②鹽橋引入使原電池的電阻增大，銅片產(chǎn)生氣泡不明顯，產(chǎn)生電流明顯減小。針對以上問題，繼續(xù)改進(jìn)實驗裝置，如圖1。

去掉正負(fù)兩級反應(yīng)使用的燒杯，直接使用U型管做反應(yīng)容器。在U型管底部用一小段鹽橋?qū)型管分為左右兩個反應(yīng)室，在U型管一側(cè)加入1mol/L的ZnSO4溶液，并插入一塊Zn片。另一側(cè)加入0.5mol/LH2SO4溶液，并插入一塊Cu片。用導(dǎo)線連接Zn片和Cu片，導(dǎo)線中間接入電壓表。

在使用上述裝置進(jìn)行實驗時，由于鹽橋的引入，使鋅無法與稀硫酸直接接觸，鋅片表面無氣泡，銅片表面產(chǎn)生持續(xù)氣泡。而裝置中只有U型管底部有一小段鹽橋，降低了因鹽橋加入所帶來的電阻，使電壓表發(fā)生穩(wěn)定偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生0.8V電壓。

2.電解質(zhì)溶液中的離子運動方向 實驗改進(jìn)到這里解決了書本現(xiàn)有實驗存在的問題，但在學(xué)生學(xué)習(xí)原電池的過程中仍然存在一個難點：在裝置中電子和離子是如何運動的？能否通過實驗改進(jìn)讓學(xué)生更加直觀的觀察到微粒的運動，同時增加課堂演示實驗的趣味性。

結(jié)合上述實驗改進(jìn)思路，采用在鹽橋中加入KMnO4的方法，通過觀察有色的運動方向來確定電解質(zhì)溶液中離子的運動方向。為增加實驗趣味性以及操作性，經(jīng)過實驗，用如下配比可制備實驗用的含有KMnO4的鹽橋。①先配制100mL飽和KCl溶液，向其中加入0.5gKMnO4固體。②向混合溶液中加入用冷水泡軟的明膠（明膠為家用制作果凍的原料，使用時用冷水泡幾分鐘），攪拌均勻后倒入U型管中，至U型管底部被填滿，如圖1所示，冷卻后凝固。

為了讓學(xué)生更直觀感受化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程，將電壓表換成教室的鐘表，將兩個原電池串聯(lián)后與接入鐘表，觀察實驗現(xiàn)象。

3.改進(jìn)實驗的實驗現(xiàn)象 Zn片上無氣泡產(chǎn)生，反應(yīng)一段時間后（約1分鐘左右），Cu片上產(chǎn)生氣泡，電壓表產(chǎn)生0.8V電壓。兩個原電池串聯(lián)后，產(chǎn)生足夠的電壓使鐘表指針持續(xù)走動，有色離子向鋅極運動。

三、小結(jié)

在《原電池》教學(xué)中，可設(shè)計探究式學(xué)習(xí)法，通過宏觀的實驗現(xiàn)象觀察，結(jié)合理論推導(dǎo)由學(xué)生自主得出實驗結(jié)論，建立微觀的原電池模型。原電池一節(jié)內(nèi)容從各個角度體現(xiàn)了新課程下對于學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，改進(jìn)后的鋅銅原電池實驗，操作簡單，現(xiàn)象明顯，能避免鋅極產(chǎn)生氣泡干擾學(xué)生的思考。隨著課堂的進(jìn)行，實驗現(xiàn)象層層出現(xiàn)，不斷引導(dǎo)學(xué)生思考。這樣能培養(yǎng)學(xué)生從實驗中提出問題，建立假設(shè)，從而解決問題的能力，更符合培養(yǎng)核心素養(yǎng)的要求。