劉玲 丁偉

摘要：金屬片電極與浸漬相應(yīng)金屬鹽溶液的濾紙可以組成原電池。如用銅片、鋅片、鉛片和錫片4種電極組成的兩個原電池整合在一個裝置內(nèi)，便于對比分析各電極反應(yīng)，同時又能節(jié)約實驗藥品。該原電池具有整合度高、裝置簡易等特點，既有利于教師進行課堂演示，又方便學(xué)生自主進行實驗。

關(guān)鍵詞：濾紙；多電極；原電池；電極電勢；實驗設(shè)計

文章編號：1005–6629（2016）9–0049–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 研究背景

原電池是電化學(xué)教學(xué)的重點和難點，其涉及氧化還原反應(yīng)、電解質(zhì)溶液和物理學(xué)中相關(guān)的電學(xué)知識，知識的認知難度較大[1]，且內(nèi)容抽象、理論性強，因此，純理論的教授方式往往達不到理想的教學(xué)效果。如果通過對原電池實驗的探究，將有效地提高這部分知識的教學(xué)成效，加深學(xué)生對原電池的感性認知，促進其對知識的有意義的建構(gòu)，故原電池實驗對于相關(guān)知識的教學(xué)意義重大。

人教版選修《化學(xué)反應(yīng)原理》教材[2]中關(guān)于原電池的實驗是將銅片和鋅片分別插入硫酸銅和硫酸鋅溶液中，使用鹽橋連接兩種溶液，外接電流計測量產(chǎn)生的電流。但實驗演示效果并不理想，且存在銅鋅原電池裝置所用到的鹽橋制作繁瑣、使用時間間隔不能過長[3]、實驗消耗藥品的量很大等不足，因此，有必要作進一步的深入研究。

2 實驗方案

2.1 實驗設(shè)計思路

以往研究有針對鹽橋制作較復(fù)雜的情況進行改進：用橡皮管將兩側(cè)均帶有支管的U形管與具支試管連接起來，橡皮管中充入瓊脂（或果凍），U形管中注入飽和的氯化鉀溶液，用作鹽橋[4]；有針對原電池電壓較小且不穩(wěn)定而對實驗裝置進行的改進：使用具有雙槽的容器，兩槽內(nèi)均具有一對電極而使兩個原電池串聯(lián)起來以增大電壓[5]；有為了克服演示實驗過程中觀賞性差、浪費大且有污染等不足的微型化改進：將玻璃管燒制成微型U形管用作電解槽，利用金屬絲做電極[6]；還有為引起學(xué)生興趣而進行的趣味化改進：于永民[7]將市場上會吸水的玩具海洋寶寶球浸入稀硫酸中，將金屬絲插入其中觀察電流表數(shù)字變化等改進。綜合這些研究發(fā)現(xiàn)，這些改進都很有創(chuàng)意，但主要針對銅鋅原電池的電解質(zhì)溶液、鹽橋和裝置結(jié)構(gòu)等某一方面進行改進，大多數(shù)改進裝置中只有一對電極，而關(guān)于電極的改進則很少?；诖?，本文設(shè)計了一個具有多對電極的原電池?？紤]選用何種金屬作電極，首先，排除一些特別活潑的金屬，如鈉、鎂等；其次，鐵雖易得但Fe2+極不穩(wěn)定易導(dǎo)致實驗失敗，故不選用；因銀比較昂貴所以也不選用；相比之下錫和鉛雖然在中學(xué)化學(xué)中不太常見，但在漁具店或市場上均易購買。最后選定用銅、鋅、錫、鉛四種金屬片做電極。為便于制作，體現(xiàn)微型化實驗設(shè)計，所以選用濾紙作為載體。

2.2 實驗儀器、藥品及材料

1 mol/L的鹽溶液[CuSO4、ZnSO4、Pb（NO3）2、KNO3以及SnCl2溶液]、金屬片（銅片、鋅片、鉛片和錫片）、定性濾紙（11cm）、蠟燭、酒精燈（或電熱板）、墊板、模板、刻刀、鉛筆、砂紙、萬用表（勝利儀器數(shù)字多用表，VC890D）和一次性手套

2.3 實驗內(nèi)容

2.3.1 制作模板

選取一個硬紙板，利用刻刀制作有四個分區(qū)的模板。用鉛筆按照模板將濾紙劃分為四個分區(qū)，再用火柴梗蘸取蠟油，沿著鉛筆印跡涂抹。全部畫好后，將濾紙放在小蠟燭火焰上方（或電熱板）加熱一分鐘左右。使濾紙上的蠟融化并滲透到濾紙中，形成一個蠟的屏障以減小實驗過程中各分區(qū)溶液間的相互滲透。運用蠟油涂抹鉛筆印跡和濾紙烘烤時要仔細，要確保涂抹無遺漏。在烘烤濾紙時也要小心謹慎，既要確保蠟油滲透進濾紙，也要防止將濾紙引著，所以如果條件允許盡量使用電熱板。

2.3.2 制作電極

裁剪金屬片，將金屬片剪成1cm×2cm的薄片。為使實驗結(jié)果更精確，用砂紙仔細打磨金屬片，除去其表面的氧化層。

2.3.3 制電解液

配制1 mol/L與金屬片相應(yīng)的鹽溶液和KNO3溶液，裝入滴瓶中待用。SnCl2溶液要現(xiàn)用現(xiàn)配，因為SnCl2易水解氧化，在配制時需要先用濃度至少為3 mol/L的鹽酸在通風(fēng)櫥中溶解后再加水稀釋至所需濃度，在其溶解過程中盡量不要攪拌，并在溶液中放些許錫粒。在配制Pb（NO3）2溶液時，先在蒸餾水中加入兩滴稀HNO3，然后再放入稱量好的Pb（NO3）2固體進行溶解。目的是防止鉛離子水解生成不溶性的Pb（OH）2。

2.3.4 制原電池

將四個金屬片放入濾紙的四個分區(qū)內(nèi)（也可以用膠帶固定），并在每個金屬片的相應(yīng)分區(qū)滴上相應(yīng)的金屬鹽溶液，每個金屬區(qū)域就是一個電極，中間區(qū)域滴兩滴1 mol/L的KNO3溶液。該區(qū)域起到鹽橋的作用，為加強實驗效果起著至關(guān)重要的作用。然后將“濾紙電池”放到墊板上。

2.3.5 測量電壓

打開萬用表，將量程調(diào)至為0～2V，用萬用表分別測量四個金屬片兩兩做電極的原電池電動勢并記錄（銅鋅原電池電動勢的測定情況如圖1所示）。

2.4 實驗結(jié)果及分析

為檢驗改進裝置的有效性，將計算的標準電動勢與實測電動勢進行比較，標準電動勢的計算方法如下：

當溫度為298K，參與電極反應(yīng)的所有離子濃度均為1 mol/L，所有氣體的壓強為100kPa時，該電極的電極電勢是標準電極電勢。將正負兩極的標準電極電勢相減即得到原電池的標準電動勢：Eθ=φθ+-φθ-。以銅鋅原電池為例，計算電池Zn（s）|Zn2+||Cu2+|Cu（s）的標準電動勢Eθ。查表[8]可知正極φθ（Cu2+/Cu）=+0.3419V，負極φθ（Zn2+/Zn）=-0.7618V，電池的標準電動勢Eθ=φθ（Cu2+/Cu）-φθ（Zn2+/Zn）=（+0.3419V）-（-0.7618V）=1.104V（為方便與實測值比較保留三位小數(shù)）。依次求出ZnPb、Zn-Sn、Sn-Cu、Sn-Pb和Pb-Cu原電池的標準電動勢，分別為0.636V、0.626V、0.478V、0.010V和0.468V。因該實驗中所配制的鹽溶液濃度為1 mol/L，室內(nèi)溫度也約為298K，反應(yīng)中無氣體產(chǎn)生，因此可將實測電動勢與標準電動勢進行比較。各原電池的標準電動勢與實測電動勢如表1所示。

通過上表中數(shù)據(jù)可以看到，最小誤差只有0.001V，最大誤差也僅為0.095V。相對誤差較小，說明該改進實驗是有效的?？偟膩碚f該改進實驗的創(chuàng)新點在于：

（1）整合性。在教材知識的基礎(chǔ)上，另添加兩個電極并整合進一個裝置，可直觀地觀察到多對電化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象。同時該實驗可作為拓展興趣實驗，利用該實驗既可以加深學(xué)生對電化學(xué)的理解，又可以拓寬學(xué)生的知識面，有利于發(fā)散性思維的發(fā)展。

（2）簡易性。改進裝置簡單、制作容易、操作便捷、取材方便；實驗現(xiàn)象明顯，且容易保存。

（3）靈活性。該裝置在使用時可靈活運用，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中能運用歸納或演繹思維：學(xué)生可以通過觀察電極反應(yīng)現(xiàn)象，判斷電池的正負極，加深對金屬活動性順序的認知；也可以基于初中階段有關(guān)金屬活動性順序的知識，先判斷電池的正負極，再通過觀察實驗現(xiàn)象進行驗證。

（4）輔助性。在原電池實驗中可以使用鹽橋加強實驗效果來輔助實驗。但鹽橋的制作和存儲非常不便。本實驗起鹽橋作用的硝酸鉀溶液在實驗室中比較常見，可就地取材。對于輔助實驗起到很重要的作用。

此外，可以通過增大電池的電壓（如增大電極的面積或電解液的濃度），或者串聯(lián)兩到三個電極使電壓能夠令二極管發(fā)光（小燈泡）或使小功率的音樂卡片或喇叭發(fā)聲，使實驗現(xiàn)象更加直觀，更加能夠吸引學(xué)生的注意力，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

3 結(jié)論

改進后的實驗裝置精簡、經(jīng)濟。既利于教師進行演示，又可以提升學(xué)生的科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力。同時節(jié)約藥品也體現(xiàn)了綠色化學(xué)的理念，符合時代的要求。

參考文獻：

[1]洪燕芬.追溯歷史拓展實驗凸顯探究——“原電池”教學(xué)設(shè)計與反思[J].化學(xué)教學(xué)，2014，（6）：41-43.

[2]人民教育出版社化學(xué)室.全日制普通高級中學(xué)教科書·化學(xué)[M].北京：人民教育出版社，2001.

[3]張艷.銅鋅原電池演示實驗裝置改進[J].化學(xué)教育，2013，（8）：63.

[4]劉影，張勇，馬雙.原電池實驗改進[J].教學(xué)儀器與實驗，2012，4（28）：14～15.

[5]莊如平.原電池實驗器的改進[J].教學(xué)儀器與實驗，2002，3（18）：29.

[6]張新平.原電池原理微型實驗的研究[J].化學(xué)教育，2008，（8）：63.

[7]于永民.若干電化學(xué)微型實驗的設(shè)計[J].化學(xué)教學(xué)，2013，（7）：44～47.

[8]朱元保，沈子琛.電化學(xué)數(shù)據(jù)手冊[M].長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1984.