在化學(xué)原電池教學(xué)中引入雙液原電池的探討

1、    在化學(xué)原電池教學(xué)中引入雙液原電池的探討    韋善于【摘 要】本文在分析化學(xué)原電池教學(xué)引入雙液原電池的必要性的基礎(chǔ)上，詳細(xì)探討單液原電池和雙液原電池在結(jié)構(gòu)、工作原理等方面的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，為教學(xué)提供參考?！娟P(guān)鍵詞】高中化學(xué) 雙液原電池 單液原電池g a0450-9889（2018）01b-0148-02近年來，隨著素質(zhì)教育的推行，化學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀有了明顯改善，教學(xué)水平也有了顯著提高，學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)也得到了極大增強(qiáng)。在化學(xué)教學(xué)中，化學(xué)原理的教學(xué)是基礎(chǔ)也是根本，只有學(xué)生掌握了相關(guān)的化學(xué)原理，對一些應(yīng)用型問題和實(shí)驗(yàn)等才能夠更好地理解，解決起問題來也才會更

2、加順暢。需要注意的是，在化學(xué)的學(xué)習(xí)過程中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)同樣的概念、結(jié)論和裝置等，在不同時間段、不同教材中的描述、呈現(xiàn)方式以及功能會存在一定的區(qū)別。比如，同樣是原電池的內(nèi)容，在這一必修教材中是單液原電池，而在另一選修教材中則是雙液原電池，這種種情況往往會困擾學(xué)生和教師，因此本文針對雙液原電池進(jìn)行探究。一、化學(xué)原電池教學(xué)引入雙液原電池的必要性將雙液原電池引入化學(xué)原電池原理教學(xué)中，對雙液原電池原理進(jìn)行詳細(xì)講解，能夠在一定程度上提升原電池原理的教學(xué)有效性，為學(xué)生之后的學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是很多學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)的過程中，會產(chǎn)生一定的疑問：為什么單液原電池和雙液原電池出現(xiàn)在不同的教材中？其實(shí)，引入雙液原電池

3、，目的是為了讓學(xué)生更好地理解和掌握原電池的原理。對雙液原電池的化學(xué)原理進(jìn)行分析時，離不開與單液原電池化學(xué)原理的對比，二者在教學(xué)中是一種相輔相成的關(guān)系。能夠通過與單液原電池的對比，可產(chǎn)生良好的教學(xué)效果，加深學(xué)生的印象。二、在化學(xué)原電池教學(xué)中引入雙液原電池的思考化學(xué)原電池教學(xué)是理解相關(guān)化學(xué)反應(yīng)不可缺少的一部分教學(xué)內(nèi)容，它對之后學(xué)生對問題的理解和解決會產(chǎn)生很大的作用?？紤]到在雙液原電池的化學(xué)原理教學(xué)中，存在著一定的不合理之處，筆者從三個方面進(jìn)行分析，即分析單雙液原電池兩套裝置在結(jié)構(gòu)上和工作原理上的異同點(diǎn)、兩種原電池電源的最大不同點(diǎn)鹽橋、將單液原電池改造成雙液原電池的目的。（一）單雙液原電池實(shí)驗(yàn)裝置在

4、結(jié)構(gòu)、原理上的異同點(diǎn)首先，兩種實(shí)驗(yàn)裝置的相同點(diǎn)。在相同點(diǎn)方面的分析上，主要可以從正極和負(fù)極、電極反應(yīng)、總反應(yīng)式、現(xiàn)象以及能量轉(zhuǎn)化幾個方面進(jìn)行分析。正、負(fù)極方面：兩種裝置正極均為 cu，負(fù)極均為 zn。電極反應(yīng)式方面：兩種裝置的正極均為 cu2+2e-=cu，負(fù)極均為 zn-2e- zn2+?？偡磻?yīng)式方面：兩種裝置均為 zn+cu2+ zn2+cu。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象方面：現(xiàn)象均相同，zn 片出現(xiàn)腐蝕并發(fā)生溶解，cu 片的重量增加，電流計(jì)的指針出現(xiàn)一定程度的偏轉(zhuǎn)。能量轉(zhuǎn)化方面：兩種裝置的實(shí)驗(yàn)中的能量轉(zhuǎn)化均為化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。其次，兩種實(shí)驗(yàn)裝置的不同點(diǎn)。在不同點(diǎn)方面的分析上，主要可以從電池、電解質(zhì)、鹽橋和現(xiàn)

5、象四個方面進(jìn)行分析。第一，電池方面的不同點(diǎn)。單液原電池的電池?cái)?shù)量為 1 個，雙液原電池的電池?cái)?shù)量為 2.5 個。第二，電解質(zhì)方面的不同點(diǎn)。單液原電池的電解質(zhì)為 cuso4，雙液原電池的電解質(zhì)除了 cuso4，還有 znso4 等。第三，鹽橋方面的不同點(diǎn)。單液原電池?zé)o鹽橋，雙液原電池有鹽橋。第四，在反應(yīng)現(xiàn)象方面的不同點(diǎn)。單液原電池 zn 片的表面有一定數(shù)量的紅色物體覆蓋，雙液原電池 zn 片的表面則沒有紅色物體覆蓋。通過對上述相同點(diǎn)和不同點(diǎn)的對比分析，對單液原電池和雙液原電池的結(jié)構(gòu)和工作原理有了更加正確的認(rèn)識。在此基礎(chǔ)上，就可更加合理、準(zhǔn)確地分析和解決問題。為了更好地了解單液原電池和雙液原電池，

6、筆者以例子對單液原電池和雙液原電池的實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行分析。根據(jù)圖 3 所示，對下列各選項(xiàng)的敘述進(jìn)行判斷，正確的是（ ）a.圖 3 中正極附近溶液的 ph 降低b.圖 3 中電子由 zn 向 cu 流動，鹽橋中的 c1- 向 cuso4 溶液流動c.圖 3 中的正極反應(yīng)是 o2+2h2o+4e- 4oh-d.圖 3 中加入少量的 k3fe（cn）6溶液，將會發(fā)現(xiàn)有少量的藍(lán)色沉淀生成對于圖 3 左邊圖 zn 為負(fù)極，反應(yīng)為 zn-2e-=zn2+，cu為正極，反應(yīng)為 cu2+2e-=cu，鹽橋中 k+ 向 cuso4 中移動，cl- 向 znso4 移動；右邊圖中 fe 為負(fù)極，反應(yīng)式為 fe-2e-

7、=fe2+，cu 為正極，反應(yīng)式為 2h+2e-=h2。對于答案 a，左邊圖 cu2+ 濃度減少，cu2+ 水解少了，ph 升高，右邊圖 h+ 生成 h2，ph 也升高，a 對；b 答案中電子流動向 cu 是對的，但 k+、c1- 移動方向反了；對于 c 答案正極反應(yīng)都不是這個；對于 d 答案左邊圖無 fe2+，只有右邊有藍(lán)色沉淀生成。故 a 對。（二）單雙液原電池兩種實(shí)驗(yàn)裝置最大不同之處鹽橋從單液原電池和雙液原電池實(shí)驗(yàn)裝置的比較分析中可以看得出來，一種沒有鹽橋，一種有鹽橋，而這也是二者最大的不同之處。相比于無鹽橋的單液原電池，雙液原電池的鹽橋的作用又是如何呢？綜合概括起來，原電池中鹽橋的作用

8、可以進(jìn)行這樣簡單的分析：雙液原電池使用鹽橋的目的是為了消除液間接電勢，鹽橋中的陽離子和陰離子通過定向移動進(jìn)入到陽極池和陰極池中，使得雙液原電池形成閉合回路。何謂液接電位？所謂液接電位指的是組成或活動不同的兩種電解質(zhì)相互發(fā)生接觸時，在溶液接觸界處于由正負(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)生的電位差稱為液體接界擴(kuò)散電位，簡稱液接電位。在這樣的實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常會產(chǎn)生不同程度的誤差，這種誤差產(chǎn)生的原因眾多，有客觀環(huán)境因素，也有主觀操作因素，其中液接電位便是造成電位誤差的因素之一。將鹽橋插入至兩種溶液之間，能夠避免原先的兩種溶液直接接觸，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定液接電位的目的。需要注

9、意的是，使用鹽橋的溶液必須要滿足三個條件：陰陽離子的遷移速度差距不是特別大，非常相近；鹽橋溶液的溶度要夠大；鹽橋溶液與實(shí)驗(yàn)裝置中的溶液不能發(fā)生反應(yīng)，或者不會對測定產(chǎn)生干擾。鹽橋作用的基本原理是：由于鹽橋中電解質(zhì)的濃度很高，兩個新界面上的擴(kuò)散作用主要來自鹽橋，故兩個新界面上產(chǎn)生的液接電位穩(wěn)定。由于鹽橋中正負(fù)離子的遷移速度差不多相等，故兩個新界面上產(chǎn)生的液接電位方向相反、數(shù)值幾乎相等，從而使液接電位減至最小以至接近消除。從當(dāng)前的實(shí)際情況來看，鹽橋溶液的種類比較多，但有些并不常見，常用的鹽橋溶液，如飽和氯化鉀溶液 4.2 mol/l kcl 溶液，0.1 mol/liac 溶液以及 0.1 mol/

10、l kno3 溶液等。（三）將單液原電池改造成雙液原電池的主要目的學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，可能會產(chǎn)生疑問：為什么要將單液原電池改造成雙液原電池呢？改造之前的單液原電池和改造之后的雙液原電池產(chǎn)生的電流效率是不是一樣呢？為了能夠解決這些疑問，幫助學(xué)生更好地進(jìn)行學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)以解決學(xué)生的疑問。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，如果實(shí)驗(yàn)條件一樣，那么雙液原電池的電流強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于單液原電池。上圖 1 為單液原電池實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)裝置，其中的 zn 在 cuso4 溶液中與 cu2+ 發(fā)生直接接觸，隨之發(fā)生直接反應(yīng)。在反應(yīng)的過程中，出現(xiàn)了兩種能量轉(zhuǎn)化，一種是化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，另一種是化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能，因而該實(shí)驗(yàn)裝置的溫度會不斷上升

11、。上圖 2 為雙液原電池實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)裝置，zn 和 cuso4 溶液不在一起，因此 zn 不會與 cu2+ 發(fā)生直接反應(yīng)，這其中的能量轉(zhuǎn)化就只有一個種，即化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，不存在化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能的現(xiàn)象，這樣就能夠保證電流的穩(wěn)定性，并且持續(xù)相當(dāng)長的一段時間。鹽橋原電池中，還原劑與氧化產(chǎn)物在負(fù)極和正極各自會構(gòu)成一個半電池，而單液原電池的還原劑和氧化產(chǎn)物在同一個電池中，因而只能構(gòu)成一個半電池，這也就解釋了為什么雙液原電池的電流強(qiáng)度要大于單液原電池的原因。因此，在實(shí)際的操作過程中，雙液原電池的選擇和使用相對更多?？偠灾瘜W(xué)是中學(xué)階段的學(xué)科之一，該學(xué)科教學(xué)質(zhì)量的高低，不僅會影響學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，而且會對學(xué)生綜合素質(zhì)的提升產(chǎn)生影響。化學(xué)原電池教學(xué)是化學(xué)教學(xué)的有機(jī)組成部分，教師在教學(xué)的過程中應(yīng)當(dāng)對化學(xué)原電池教學(xué)保持高度重視，采取各種有效措施去解決化學(xué)原電池教學(xué)中的問題，特別是在將雙液原電池引入到化學(xué)原電池教學(xué)過程中，教師更加應(yīng)當(dāng)重視。在實(shí)際的教學(xué)過程中，不能夠放過任何產(chǎn)生問題的機(jī)會，通過問題的提出來培養(yǎng)學(xué)生的思考意識和探究意識，讓學(xué)生能夠在回答和探討問題的過程中進(jìn)一步打開自己的思維，更好地理解雙液原電池的化學(xué)原理?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1盛曉婧，林建芬，錢揚(yáng)義，等.利用數(shù)字化手持技術(shù)探究原電池電流和溫度的變化j.化學(xué)教育，2016（5）2陳達(dá)明.關(guān)于化學(xué)原理的教學(xué)中引入雙液原電