郭孝培，周 浩，董雄輜，饒日川，李 娜

(合肥師范學院 化學與化學工程學院, 安徽 合肥 230601)

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電流傳感器構(gòu)建原電池測定阿伏加德羅常數(shù)

郭孝培，周 浩，董雄輜，饒日川，李 娜

(合肥師范學院 化學與化學工程學院, 安徽 合肥 230601)

阿伏伽德羅常數(shù)是一個重要的概念，為加深高一學生的理解從而在教學過程中引入測定阿伏伽德羅常數(shù)的實驗。本文通過電流傳感器構(gòu)建原電池測定阿伏伽德羅常數(shù)，進而得出一種新的近似測定阿伏伽德羅常數(shù)的方法。同時，幫助學生理解概念，并體會各學科之間的緊密聯(lián)系。

阿伏伽德羅常數(shù)；原電池；電流傳感器；實驗教學

1 阿伏伽德羅常數(shù)的測定

阿伏加德羅常數(shù)在高中化學必修一第一章第二節(jié)《化學計量在實驗中的應用》中首次出現(xiàn)，把1摩爾任何粒子的粒子數(shù)叫做阿伏伽德羅常數(shù)，符號為NA[1]，因意大利物理學家阿伏伽德羅而得名。對于本節(jié)知識點來說物質(zhì)的量、阿伏伽德羅常數(shù)都比較抽象，高一學生剛進入高中階段學習，學習方法和模式還未轉(zhuǎn)變，因此對本節(jié)的學習存在困難，容易產(chǎn)生認知障礙。為了學生更好地理解和學習阿伏伽德羅常數(shù)，筆者在本文引入測定阿伏伽德羅常數(shù)的演示實驗，以便學生能夠通過學習阿伏伽德羅常數(shù)的測定方法更容易理解阿伏伽德羅的含義。通過查找相關(guān)文獻可知傳統(tǒng)的測定方法有很多，著名的有：單分子膜法、電解水法、油滴法、電量分析法等[2,3]，其理論依據(jù)各不相同，但測得的數(shù)據(jù)基本吻合。由于測量條件的限制，以致單分子膜法、油滴法無法為學生在課堂上展示。電解水法雖然操作相對簡單，但是這種方法的數(shù)據(jù)處理對于高一學生來說有困難[4]。為解決實驗條件苛刻而無法在課堂上呈現(xiàn)的弊端，目前大多采用電量分析法測定阿伏伽德羅常數(shù)。

1.1 電量分析法測定阿伏伽德羅常數(shù)存在的不足

電量分析法是將已知質(zhì)量的兩塊銅片分別作為陽極和陰極，以硫酸銅溶液作為電解質(zhì)溶液進行電解。陽極上的銅失去電子，變成銅離子溶于溶液；而陰極上的銅離子得到電子，變?yōu)榻饘巽~沉積在銅片上[5]。反應結(jié)果為陽極上的銅片質(zhì)量減小而陰極上的銅片質(zhì)量增加，理論上陽極上減少的銅片質(zhì)量等于陰極上增加的銅片質(zhì)量，但這對陽極銅片的純度有著很大的要求，所以一般用陰極增加的質(zhì)量作為反應結(jié)果往往較為準確。

同時，根據(jù)法拉第第一定律：在電解過程中，陰極上還原物質(zhì)析出的量與所通過的電流強度和通電時間成正比[6]，用公式可表示為：

m=KQ=KIt

(1)

式中m表示析出金屬的質(zhì)量；K是比例常數(shù)即電化當量；Q表示為通過的電量；I表示為電流強度；t表示為通電時間。

法拉第第二定律：物質(zhì)的電化當量K跟它的化學當量成正比，所謂電化當量是指該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量M跟它的化合價的比值[7]。用數(shù)學公式可表示為：

(2)

式中n表示的是化合價；F為法拉第常數(shù)，數(shù)值為F=9.65×10000 C/mol。

由(1)(2)得：

(3)

經(jīng)轉(zhuǎn)換，得(4)

(4)

又因為，法拉第常數(shù)F=NA×e，所以

(5)

其中e表示為單個電子的帶電量。在中學實驗測量中用電流I乘以時間t得出Q, 得出

(6)

在電量分析法中，往往使用電流表進行測量電流I，然后乘以時間t得出Q,但在實驗過程中電流I的值往往會上下小幅度的波動，導致根本無法準確的測得It的具體數(shù)值；而學生電源本身可以視為一個電阻，在電解的過程中會發(fā)現(xiàn)學生電源溫度上升，這時電能在轉(zhuǎn)化為化學能的同時也部分轉(zhuǎn)化為熱能，導致實驗誤差。有文獻提出利用電流傳感器解決這一問題[8]。但是高一學生還未接觸到法拉第第一定律和第二定律，更未接觸到電化當量等名詞，在講述理論知識時就容易混淆部分概念，使其難以理解上述公式的推導，大大的增加了學習的難度。即使得出了結(jié)果也很難理解整個實驗過程，達不到實驗的目的。基于以上分析，筆者對實驗方案進行了改進與優(yōu)化。

1.2 測定阿伏加德羅常數(shù)的具體優(yōu)化與改進方案

實驗通過引入電流傳感器簡單、直觀、準確地測量實驗過程中電流的數(shù)值。實驗把電解池改為原電池，正極為已知質(zhì)量的銅片，用硫酸銅溶液作為電解質(zhì)溶液，負極為鋅片，用硫酸鋅溶液作為電解質(zhì)溶液，分別裝于兩個燒杯中，中間搭上鹽橋，兩電極與電流傳感器相連接(銅連正極，鋅連負極)。正極發(fā)生還原反應，電解質(zhì)中的銅離子得到電子沉積在銅片上。負極發(fā)生氧化反應，鋅片上的鋅失去電子變成鋅離子溶于電解質(zhì)溶液。

此時，負極的鋅片逐漸溶于電解質(zhì)溶液，失去的電子沿外電路到達正極，正極的銅離子得到電子變成金屬銅沉積在銅電極上，這時外電路通過電子的物質(zhì)的量與正極增加銅的物質(zhì)的量成正比，比值為2∶1。

圖1 改進實驗裝置圖

根據(jù)初中物理學過的知識Q=It以及前文所列公式便可推論出阿伏伽德羅常數(shù)的計算公式，即：

(7)

又因為

(8)

其中，n表示銅物質(zhì)的量，m表示正極銅增加的量，M表示銅的摩爾質(zhì)量。

聯(lián)合(7)(8)可得出：

(6)

推論的公式與利用電解池進行實驗所得公式一致，在處理數(shù)據(jù)時一鍵積分可以迅速獲得It的數(shù)值，再使用分析天平稱量銅片質(zhì)量的變化，帶入公式，計算出阿伏伽德羅常數(shù)的值，由此得出此方案可行。

2 構(gòu)建原電池測定阿伏加德羅常數(shù)在教學實驗中的應用

教學需要用到的實驗儀器有：vernier電流傳感器，vernier數(shù)據(jù)采集器，電腦(已安裝Logger Pro軟件)，導線若干，分析天平，鱷魚夾若干，50mL燒杯兩個，鹽橋；實驗藥品有：銅片，鋅片，硫酸銅溶液，硫酸鋅溶液。

在教學過程中，請兩位學生小助手協(xié)助共同實驗以此提高學生的積極性。首先，打磨銅片和鋅片，使用分析天平稱取銅片質(zhì)量并記錄。然后，搭建原電池，正極為已知質(zhì)量的銅片，用硫酸銅溶液作為電解質(zhì)溶液，負極為鋅片，用硫酸鋅溶液作為電解質(zhì)溶液，分別裝于兩個燒杯中，中間暫時不搭鹽橋(控制反應開始)，兩電極與電流傳感器相連接(銅電極連正極，鋅電極連負極)。打開軟件，將數(shù)據(jù)采集器與電腦相連接，電流傳感器與數(shù)據(jù)采集器相連接，同時在電腦界面設置采集時間為5分鐘，點擊開始采集，搭上鹽橋，反應開始。最后，反應結(jié)束后取出銅片，干燥，然后使用分析天平稱重并記錄；根據(jù)所得曲線圖形一鍵積分，得出It的數(shù)值，帶入公式，得出阿伏伽德羅常數(shù)的值。

根據(jù)以上所得數(shù)據(jù)，代入公式(6)計算出NA。通過電流傳感器構(gòu)建原電池測定阿伏加德羅常數(shù)不僅讓同學們更好的理解阿伏伽德羅常數(shù)的概念和本質(zhì)，而且增強了對化學實驗的探究欲，總體達到了良好的教學效果。

3 結(jié)束語

阿伏伽德羅常數(shù)屬于難懂的概念，學生容易產(chǎn)生認知障礙，學習感到困難，以致影響后續(xù)的學習。利用數(shù)字化實驗，可以簡化科學實驗的本來面目。本實驗使用電化學知識測量必修一中的阿伏伽德羅常數(shù)的數(shù)值，不僅促進了學生對原電池構(gòu)成原理的思考，為必修二學習電化學打下基礎(chǔ)，而且也加深了學生對阿伏伽德羅常數(shù)這一理論數(shù)值的理解，同時可以體會到化學的知識模塊不是完全獨立存在的。本實驗中出現(xiàn)的物理學知識，讓學生體會學科與學科之間存在著緊密的聯(lián)系。通過使用電流傳感器構(gòu)建原電池測定阿伏伽德羅常數(shù)，增進學生對化學概念的理解，感受高科技時代帶來的氣息，提高對科學探究的興趣和欲望。

[1] 龍琪. 關(guān)于“阿伏伽德羅常數(shù)”的歷史考量[J]. 化學教育, 2015, 36(17):75-81.

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The Galvanic Cell Constructed by Current Sensor Determine Avogadero Constant

GUO Xiaopei, ZHOU Hao, DONG Xiongzi, RAO Richuan, LI Na

(SchoolofChemistryandChemicalEngineering,HefeiNormalUniversity,Hefei230601,China)

Avogadro constant is an important concept, in order to help students in Grade 10 understand the experiment of measuring the Avogadro constant,this paper concludes that the Avogadro constant is determined by the current sensor, and come up with a new method for the determination of the constant of the Avogadro constant. At the sametime, it helps students understand the conceptand the close link among various disciplines.

Avogadro constant; primary battery; current sensor; experiment teaching

2016-12-10

合肥師范學院研究生創(chuàng)新基金(立項編號：2017YJS24)

郭孝培(1992-)，女，安徽六安人，碩士研究生，主要研究方向為學科教學化學。

G632

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1674-2273(2017)03-0029-03