原電池中鹽橋知多少

陳偉

原電池屬于電化學(xué)的知識范疇，是中學(xué)化學(xué)理論體系中不可缺少的一部分，同時(shí)原電池與物理學(xué)科中的電學(xué)、能量的轉(zhuǎn)換有密切聯(lián)系，是氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)等知識的綜合運(yùn)用。原電池安排在氧化還原反應(yīng)、離子方程式和電解知識后教學(xué)，符合化學(xué)學(xué)科知識的邏輯體系和學(xué)生認(rèn)知規(guī)律。通過化學(xué)能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化，能夠使學(xué)生對氧化還原反應(yīng)的認(rèn)識及化學(xué)反應(yīng)中能量變化的認(rèn)識更加深刻。教學(xué)中在高二化學(xué)《原電池》這一節(jié)中出現(xiàn)了鹽橋這一裝置。鹽橋在原電池中的作用，鹽橋的使用技巧等等，作為新生事物，給學(xué)生造成的困惑不少。要想對鹽橋形成全面的認(rèn)識，筆者以為就要從引入鹽橋的目的進(jìn)行探討。

鹽橋是瓊脂和Kcl飽和溶液搞成的。鹽橋里的物質(zhì)一般是強(qiáng)電解質(zhì)而且不與電池中電解質(zhì)反應(yīng)，教材中常使用裝有飽和Kcl瓊脂溶膠的U型管，離子可以在其中自由移動，這樣溶液是不致流出來的。

對沒有鹽橋的以硫酸銅為電解質(zhì)的銅—鋅原電池為例。接通電路后可觀察到的主要現(xiàn)象是：鋅片溶解，銅片上有紅色物質(zhì)生成，導(dǎo)線中有電流通過。但細(xì)心的同學(xué)還會觀察到，原電池工作一段時(shí)間后，鋅電極也開始產(chǎn)生紅色物質(zhì)，導(dǎo)線中的電流越來越小，用純度很高的鋅做電極依然如此，那鋅電極為什么會有銅生成呢？從理論上看，銅應(yīng)該只在銅電極生成，但由于鋅電極浸泡在硫酸銅溶液中，不可避免會有少量銅離子直接在鋅片上獲得電子，這樣這部分鋅失去的電子就沒有通過導(dǎo)線，使一部分化學(xué)能沒有轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，，且生成的銅覆蓋在鋅表面，直接與鋅構(gòu)成許多微小的原電池，這將加快鋅的溶解，而溶解的鋅失去的電子沒有通過導(dǎo)線，直接被銅離子獲得，使鋅上析出更多的銅，這種循環(huán)會促使電路中電流不斷減小，電池效率進(jìn)一步降低，因此這樣的電池工作時(shí)間短，不能持續(xù)供電，不具有使用價(jià)值。要解決這個(gè)問題，關(guān)鍵是不能讓負(fù)極金屬與參與反應(yīng)的電解質(zhì)接觸，既電池反應(yīng)的還原劑與氧化劑不能接觸。因此有人提出如圖b的方案，很顯然電池沒有構(gòu)成閉合回路，它是不能工作的。在此基礎(chǔ)上，如果使用鹽橋，設(shè)計(jì)成圖c的裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電路中有持續(xù)電流，且鋅電極不再有銅生成，有效的克服了前述電池效率低，不能持續(xù)工作的問題。

那么鹽橋是怎樣構(gòu)成的？在這里又起了什么作用呢？教材中使用的鹽橋是裝有飽和KCl瓊脂溶膠的U形管，由于KCl溶液包含在凝膠中，離子可以在其中自由移動，但不致使溶液流出來。鹽橋在圖c中既實(shí)現(xiàn)鋅電極與硫酸銅中銅離子的隔離，又建立了內(nèi)電路的離子通道，使電路閉合。其電池工作原理如下，鋅失去電子成為Zn2+進(jìn)入溶液中，使ZnSO4溶液中Zn2+過多，使溶液帶正電，從而阻止鋅繼續(xù)失去電子進(jìn)入溶液，但有鹽橋后，鹽橋中氯離子會向ZnSO4溶液中移動，中和過多的Zn2+所帶的正電荷，保證鋅可不斷失去電子成為Zn2+進(jìn)入溶液。同理硫酸銅溶液因銅離子不斷減少而帶負(fù)電，鹽橋中鉀離子移向硫酸銅溶液也可中和過多的負(fù)電荷。因此，鹽橋在電池中另一個(gè)作用是保持溶液的電中性，使電池能持續(xù)工作。

鹽橋作用如此之多，那么其使用有哪些需要注意的地方呢？用作鹽橋的溶液應(yīng)符合以下條件：①陰陽離子的遷移速度相近；②鹽橋溶液的濃度要大，鹽橋溶液不與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)或不干擾原電池反應(yīng)。從鹽橋的工作原理看，它能不能無限使用下去呢？從上面鹽橋分析知，其鉀離子氯離子不但移向電解質(zhì)溶液，使KCl濃度減小，工作一段時(shí)間后，要對鹽橋修復(fù)。對KCl鹽橋的修復(fù)，就是把它放在飽和KCl溶液中浸泡即可。

對含鹽橋的原電池探討中，有同學(xué)可能還有以下疑問。問題：電解質(zhì)溶液的陽離子通常要與電極材料的陽離子相同？如Zn極對應(yīng)的是硫酸鋅，能不能是氯化鋅或者氯化鈉呢？從上面分析知，只要鋅半電池中的電解質(zhì)不與鋅直接反應(yīng)，鋅能以Zn2+進(jìn)入溶液，其失去的電子通過導(dǎo)線到達(dá)正極即可，因此用氯化鋅或者氯化鈉做電解質(zhì)也可以，但用氯化銅，硝酸銀等可與鋅直接反應(yīng)的電解質(zhì)就不行。問題2、為使電路閉合，能用銅導(dǎo)線代替鹽橋嗎？我們知道，鹽橋的作用不僅使整個(gè)裝置構(gòu)成通路，還能保持溶液的電中性。若用金屬代替鹽橋，要使溶液保持電中性，那就不是一個(gè)簡單的原電池問題，此裝置原理復(fù)雜，了解此點(diǎn)即可，這里不予深究。

我們通過實(shí)驗(yàn)又一次認(rèn)識了原電池，進(jìn)一步學(xué)習(xí)了原電池的工作原理，認(rèn)識了一種新的裝置——鹽橋，以及它在原電池裝置中的作用，在原有基礎(chǔ)上改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置，通過鹽橋的使用使我們能夠得到持續(xù)穩(wěn)定的電流，在原電池中設(shè)置鹽橋不是一個(gè)普通的技術(shù)改進(jìn)，而是對舊的思維模式的一個(gè)質(zhì)的突破。過去認(rèn)為氧化劑、還原劑只有在直接接觸、相互作用才能發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，而現(xiàn)在，是使氧化劑和還原劑近乎完全隔離，并在不同區(qū)域之間通過特定的裝置（鹽橋）實(shí)現(xiàn)了電子的定向轉(zhuǎn)移，為原電池持續(xù)、穩(wěn)定地產(chǎn)生電流創(chuàng)造了必要的條件，也為原電池原理的實(shí)用性開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。同時(shí)我們應(yīng)該清楚的認(rèn)識到電池給我們生活帶來了很大的方便，但是如果我們對報(bào)廢的電池使用后隨便丟棄，又會對我們的地球家園引起嚴(yán)重的污染，我希望大家對電池逐步的學(xué)習(xí)認(rèn)識過程中，樹立一種環(huán)保意識，珍愛我們的環(huán)境，愛護(hù)我們共同的家園。