原電池中鹽橋的作用探究

北京市順義區(qū)楊鎮(zhèn)第一中學 李淑君

高中化學人教版必修4教材《化學反應原理》第71頁[實驗4-1]中設置了原電池實驗，目的是使學生明白原電池如何將化學能轉化為電能。原電池是將化學能轉變成電能的裝置。普通的干電池、燃料電池非蓄電池都可以稱為原電池。原電池的教學是高中化學比較重要的電化學內(nèi)容，在書中專門將電化學作為獨立的一章的內(nèi)容來講，其中原電池的教學是重點。而其中鹽橋的工作原理是學生比較難掌握的內(nèi)容。因為其原理較復雜，所以教材中講解的比較模糊，對于原電池中關鍵元件鹽橋的構造、作用、工作原理等問題也只是略提一二，根本沒有系統(tǒng)詳細地介紹。很多老師在講到這部分內(nèi)容的時候也是含糊其辭，說這是大學內(nèi)容，高中不要求掌握，只要知道它的兩個作用就可以了；網(wǎng)絡資料也是模棱兩可，只點其一，不點其二，關鍵的鹽橋內(nèi)部離子移動及移動后的結果只字未提。我們教師在講授化學理論課時，不管多難的知識，哪怕是超綱內(nèi)容，只要是教材中出現(xiàn)了，我們教師就應該把它弄懂，否則學生在提問時，我們教師就只能用含糊其辭來蒙混過關，其惡果不言而喻。

一、原電池是什么

原電池是利用兩個電極的電極電勢的不同，產(chǎn)生電勢差，從而使電子流動，產(chǎn)生電流。又稱非蓄電池，是電化學電池的一種。其電化學反應不能逆轉，即是只能將化學能轉換為電能。簡單說就即是不能重新儲存電力，與蓄電池不同。

二、鹽橋是什么

（一）鹽橋的構成

1.U行管

U型管是化學實驗中常用的一種儀器，在原電池中，U形管獨有的外形，可以將兩個燒杯中的電解液連接起來。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的K+離子和Cl-離子，它們在原電池中發(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.用實驗探究

一是實驗用品。主要是：燒杯兩個，鹽橋，電流表，鋅片，銅片，CuSO4溶液，ZnSO4溶液，導線若干。

二是實驗操作。使用如左圖所示實驗裝置，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，然后將鋅片和銅片用導線連接，并在中間串聯(lián)一個電流表，觀察現(xiàn)象。取出鹽橋，觀察現(xiàn)象。

三是實驗現(xiàn)象及結論。

從實驗觀察到，有鹽橋存在時，電流表指針發(fā)生偏轉，說明有電流通過電流表。從檢流計指針偏轉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極，因此，Zn極為負極，Cu極為正極。而電子流動的方向卻相反，從Zn極→Cu極。電子流出的一極為負極，發(fā)生氧化反應；電子流入的一極為原電池的正極，發(fā)生還原反應。取出鹽橋，檢流計指針歸零，重新放入鹽橋，指針又發(fā)生偏轉，說明鹽橋起到了使整個裝置構成通路的作用。

可見，在這個實驗中，鹽橋扮演了一個非常關鍵的角色。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+進入溶液中逐漸溶解，使ZnSO4溶液中Zn2過多，帶正電荷。Cu2+獲得電子沉積為Cu，溶液中Cu2+過少，SO42-過多，溶液帶負電荷，當溶液不能保持電中性，將阻止放電作用的繼續(xù)進行。這個時候，鹽橋的作用就顯現(xiàn)了，因為鹽橋中有Cl-、K+，其中Cl-向ZnSO4溶液遷移，K+向CuSO4溶液遷移，分別中和過剩的電荷，使溶液保持電中性，反應可以繼續(xù)進行。鹽橋中離子的定向遷移構成了電流通路，溝通了內(nèi)電路，因此電流表中有電流通過，指針發(fā)生偏轉?？梢婝}橋起到了使整個裝置構成通路、保持電中性的作用，又不使兩邊溶液混合。

三、制備鹽橋

（一）實驗用品

瓊脂3g，蒸餾水97ml，KCl30克，U形管，燒杯。

（二）實驗操作

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充分攪拌,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，靜置待瓊脂凝結后便可使用。

多余的瓊脂－飽和KCl用磨口塞塞好,使用時重新加熱。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4.2mol·dm-3,當鹽橋插入到濃度不大的兩電解質(zhì)溶液之間的界面時,產(chǎn)生了兩個接界面,鹽橋中K+和Cl-向外擴散就成為這兩個接界面上離子擴散的主流。由于K+和Cl-的擴散速率相近,使鹽橋與兩個溶液接觸產(chǎn)生的液接電勢均很小,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，但離子則可以在其中自由移動。

第二，鹽橋的兩個主要作用。

主要是兩個作用：一個是離子通道，要構成回路的話，溶液里一定要有離子遷移，鹽橋就是構成這樣的離子通道。第二種是保持溶液的電中性。過多的Zn2+會造成溶液正離子過剩，但溶液一刻也不能偏離電中性，就必須有負離子的補充，鹽橋就可以補充負離子。同樣的，銅離子變成銅單質(zhì)后，正離子少了，必然需要正離子來補充。所以鹽橋?qū)嶋H上起兩個作用，一個是離子通道，一個是離子庫，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？

一般說來，由兩種金屬所構成的原電池中，較活潑的金屬是負極，較不活潑的金屬是正極。其原理正是置換反應，負極金屬逐漸溶解為離子進入溶液。所以選兩種反應活動性有差別的物質(zhì)分別做兩極，即可構成原電池。如Cu-Mg原電池、 C-Zn原電池、Cu-Al原電池等?；顫姷囊环阶鲐摌O，不活潑的一方做正極。在Cu-Mg原電池中，Mg做負極，Cu做正極；C-Zn原電池中，Zn做負極，C做正極；Cu-Al原電池中，Al做負極，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、正負離子遷移速率接近相等,且不與電池中溶液發(fā)生化學反應。常采用KCl、NH4NO3和KNO3等的飽和溶液。