北京市順義區(qū)楊鎮(zhèn)第一中學(xué) 李淑君

高中化學(xué)人教版必修4教材《化學(xué)反應(yīng)原理》第71頁(yè)[實(shí)驗(yàn)4-1]中設(shè)置了原電池實(shí)驗(yàn)，目的是使學(xué)生明白原電池如何將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。普通的干電池、燃料電池非蓄電池都可以稱為原電池。原電池的教學(xué)是高中化學(xué)比較重要的電化學(xué)內(nèi)容，在書(shū)中專門將電化學(xué)作為獨(dú)立的一章的內(nèi)容來(lái)講，其中原電池的教學(xué)是重點(diǎn)。而其中鹽橋的工作原理是學(xué)生比較難掌握的內(nèi)容。因?yàn)槠湓磔^復(fù)雜，所以教材中講解的比較模糊，對(duì)于原電池中關(guān)鍵元件鹽橋的構(gòu)造、作用、工作原理等問(wèn)題也只是略提一二，根本沒(méi)有系統(tǒng)詳細(xì)地介紹。很多老師在講到這部分內(nèi)容的時(shí)候也是含糊其辭，說(shuō)這是大學(xué)內(nèi)容，高中不要求掌握，只要知道它的兩個(gè)作用就可以了；網(wǎng)絡(luò)資料也是模棱兩可，只點(diǎn)其一，不點(diǎn)其二，關(guān)鍵的鹽橋內(nèi)部離子移動(dòng)及移動(dòng)后的結(jié)果只字未提。我們教師在講授化學(xué)理論課時(shí)，不管多難的知識(shí)，哪怕是超綱內(nèi)容，只要是教材中出現(xiàn)了，我們教師就應(yīng)該把它弄懂，否則學(xué)生在提問(wèn)時(shí)，我們教師就只能用含糊其辭來(lái)蒙混過(guò)關(guān)，其惡果不言而喻。

一、原電池是什么

原電池是利用兩個(gè)電極的電極電勢(shì)的不同，產(chǎn)生電勢(shì)差，從而使電子流動(dòng)，產(chǎn)生電流。又稱非蓄電池，是電化學(xué)電池的一種。其電化學(xué)反應(yīng)不能逆轉(zhuǎn)，即是只能將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。簡(jiǎn)單說(shuō)就即是不能重新儲(chǔ)存電力，與蓄電池不同。

二、鹽橋是什么

（一）鹽橋的構(gòu)成

1.U行管

U型管是化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的一種儀器，在原電池中，U形管獨(dú)有的外形，可以將兩個(gè)燒杯中的電解液連接起來(lái)。在本文的Cu- Zn原電池中，U形管中盛放的是瓊脂——氯化鉀飽和溶液。

2.瓊脂——氯化鉀飽和溶液

氯化鉀飽和溶液中含有較多流動(dòng)的K+離子和Cl-離子，它們?cè)谠姵刂邪l(fā)揮重要作用；瓊脂具有凝固性，使氯化鉀飽和溶液呈果凍狀。

（二）為什么要用鹽橋

1.用實(shí)驗(yàn)探究

一是實(shí)驗(yàn)用品。主要是：燒杯兩個(gè)，鹽橋，電流表，鋅片，銅片，CuSO4溶液，ZnSO4溶液，導(dǎo)線若干。

二是實(shí)驗(yàn)操作。使用如左圖所示實(shí)驗(yàn)裝置，用鹽橋?qū)⒅糜袖\片的ZnSO4溶液和置有銅片的CuSO4溶液連接起來(lái)，然后將鋅片和銅片用導(dǎo)線連接，并在中間串聯(lián)一個(gè)電流表，觀察現(xiàn)象。取出鹽橋，觀察現(xiàn)象。

三是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論。

從實(shí)驗(yàn)觀察到，有鹽橋存在時(shí)，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明有電流通過(guò)電流表。從檢流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)的方向可以知道電流的方向是Cu極→Zn極。根據(jù)電流是從正極流向負(fù)極，因此，Zn極為負(fù)極，Cu極為正極。而電子流動(dòng)的方向卻相反，從Zn極→Cu極。電子流出的一極為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)；電子流入的一極為原電池的正極，發(fā)生還原反應(yīng)。取出鹽橋，檢流計(jì)指針歸零，重新放入鹽橋，指針又發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明鹽橋起到了使整個(gè)裝置構(gòu)成通路的作用。

可見(jiàn)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，鹽橋扮演了一個(gè)非常關(guān)鍵的角色。那么鹽橋究竟是怎么工作的呢？

2.鹽橋作用探究

在ZnSO4溶液中，鋅片失去電子成為Zn2+進(jìn)入溶液中逐漸溶解，使ZnSO4溶液中Zn2過(guò)多，帶正電荷。Cu2+獲得電子沉積為Cu，溶液中Cu2+過(guò)少，SO42-過(guò)多，溶液帶負(fù)電荷，當(dāng)溶液不能保持電中性，將阻止放電作用的繼續(xù)進(jìn)行。這個(gè)時(shí)候，鹽橋的作用就顯現(xiàn)了，因?yàn)辂}橋中有Cl-、K+，其中Cl-向ZnSO4溶液遷移，K+向CuSO4溶液遷移，分別中和過(guò)剩的電荷，使溶液保持電中性，反應(yīng)可以繼續(xù)進(jìn)行。鹽橋中離子的定向遷移構(gòu)成了電流通路，溝通了內(nèi)電路，因此電流表中有電流通過(guò)，指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)?？梢?jiàn)鹽橋起到了使整個(gè)裝置構(gòu)成通路、保持電中性的作用，又不使兩邊溶液混合。

三、制備鹽橋

（一）實(shí)驗(yàn)用品

瓊脂3g，蒸餾水97ml，KCl30克，U形管，燒杯。

（二）實(shí)驗(yàn)操作

燒杯中加入瓊脂和蒸餾水,使用水浴加熱法將瓊脂加熱至完全溶解。然后加入KCl充分?jǐn)嚢?KCl完全溶解后趁熱用滴管或虹吸將此溶液加入已事先彎好的U形管中,U形管做好事先在熱水中浸泡，靜置待瓊脂凝結(jié)后便可使用。

多余的瓊脂－飽和KCl用磨口塞塞好,使用時(shí)重新加熱。瓊脂－飽和KCl鹽橋不能用于含Ag+、Hg2+等與Cl－作用的例子或含有ClO4－等與K+作用的物質(zhì)的溶液。

瓊脂溶膠冷了就凝固了,正好形成阻止溶液直接交換的鹽橋。

四、問(wèn)題和討論

第一，為什么要用瓊脂飽和KCl溶液？

1.飽和KCl溶液作用

飽和K C l溶液的濃度高達(dá)4.2mol·dm-3,當(dāng)鹽橋插入到濃度不大的兩電解質(zhì)溶液之間的界面時(shí),產(chǎn)生了兩個(gè)接界面,鹽橋中K+和Cl-向外擴(kuò)散就成為這兩個(gè)接界面上離子擴(kuò)散的主流。由于K+和Cl-的擴(kuò)散速率相近,使鹽橋與兩個(gè)溶液接觸產(chǎn)生的液接電勢(shì)均很小,且兩者方向相反,故相互抵消后降至1~2mV。

2.瓊脂作用

瓊脂有凝固性，可使溶液不致流出來(lái)，但離子則可以在其中自由移動(dòng)。

第二，鹽橋的兩個(gè)主要作用。

主要是兩個(gè)作用：一個(gè)是離子通道，要構(gòu)成回路的話，溶液里一定要有離子遷移，鹽橋就是構(gòu)成這樣的離子通道。第二種是保持溶液的電中性。過(guò)多的Zn2+會(huì)造成溶液正離子過(guò)剩，但溶液一刻也不能偏離電中性，就必須有負(fù)離子的補(bǔ)充，鹽橋就可以補(bǔ)充負(fù)離子。同樣的，銅離子變成銅單質(zhì)后，正離子少了，必然需要正離子來(lái)補(bǔ)充。所以鹽橋?qū)嶋H上起兩個(gè)作用，一個(gè)是離子通道，一個(gè)是離子庫(kù)，可以源源不斷地供給需要的離子。

第三，除了Zn片和Cu片可以組成原電池，還有什么金屬可以組成原電池？

一般說(shuō)來(lái)，由兩種金屬所構(gòu)成的原電池中，較活潑的金屬是負(fù)極，較不活潑的金屬是正極。其原理正是置換反應(yīng)，負(fù)極金屬逐漸溶解為離子進(jìn)入溶液。所以選兩種反應(yīng)活動(dòng)性有差別的物質(zhì)分別做兩極，即可構(gòu)成原電池。如Cu-Mg原電池、 C-Zn原電池、Cu-Al原電池等?；顫姷囊环阶鲐?fù)極，不活潑的一方做正極。在Cu-Mg原電池中，Mg做負(fù)極，Cu做正極；C-Zn原電池中，Zn做負(fù)極，C做正極；Cu-Al原電池中，Al做負(fù)極，Cu做正極。

第四，除了用KCl做鹽橋，還有什么物質(zhì)可以做鹽橋？

選擇鹽橋中的電解質(zhì)的原則是高濃度、正負(fù)離子遷移速率接近相等,且不與電池中溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。常采用KCl、NH4NO3和KNO3等的飽和溶液。