電化學(xué)中的濾紙實(shí)驗(yàn)

邢泰宇

（湖北省應(yīng)城市第一高級(jí)中學(xué) 湖北 應(yīng)城 432400）

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，學(xué)習(xí)化學(xué)離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)。中學(xué)生喜歡化學(xué)，其大部分原因是對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)感興趣。在電化學(xué)教學(xué)過(guò)程中，適當(dāng)引入一些與教學(xué)內(nèi)容、實(shí)際生活相關(guān)的趣味性實(shí)驗(yàn)、濾紙實(shí)驗(yàn)，必將會(huì)激起學(xué)生的好奇心和求知欲，調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)的積極性。

一、為音樂(lè)賀卡供電

1.實(shí)驗(yàn)用品

鋅片、銅片、ZnSO4溶液、CuSO4溶液、飽和 KCl溶液；玻璃板、濾紙、市售帶燈的音樂(lè)賀卡。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

圖1 簡(jiǎn)單鋅銅單液原電池

圖2 簡(jiǎn)單鋅銅雙液原電池

實(shí)驗(yàn)一：①將鋅片、銅片用雙面膠平行粘貼固定在玻璃板上，兩金屬片相隔一段距離。②用導(dǎo)線連接兩金屬片上部以及市售的帶燈的音樂(lè)賀卡導(dǎo)線。③將用CuSO4溶液浸濕的濾紙覆蓋在兩金屬片下部，使整個(gè)裝置構(gòu)成回路，如上圖1。

現(xiàn)象：鋅片表面變黑，音樂(lè)賀卡的音樂(lè)響起來(lái)，指示燈亮起來(lái)，很快音樂(lè)聲變小、指示燈亮度變暗。

解釋：鋅片、銅片、濾紙上的CuSO4溶液構(gòu)成了原電池裝置，為音樂(lè)賀卡提供了電能，使其工作。但由于鋅片與CuSO4溶液接觸直接反應(yīng)，鋅原子把電子直接給了接觸的 Cu2＋，得不到電流［1］，部分化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽?］損失了，使該原電池供電能力有限，電流衰減快，故音樂(lè)聲變小、指示燈亮度變暗。

3.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)二：①準(zhǔn)備工作同實(shí)驗(yàn)一中的第①、②步。②將用ZnSO4溶液浸濕的濾紙覆蓋在鋅片下部，用CuSO4溶液浸濕的濾紙覆蓋在銅片下部，兩片濾紙?jiān)儆媒酗柡蚄Cl溶液的濾紙覆蓋，使整個(gè)裝置構(gòu)成回路，如上圖2。

現(xiàn)象：音樂(lè)賀卡的音樂(lè)響起來(lái)，指示燈亮起來(lái)，且能持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。

解釋：鋅片、濾紙上的ZnSO4溶液構(gòu)成氧化反應(yīng)的半電池，銅片、濾紙上的CuSO液構(gòu)成還原反應(yīng)的半電池，浸有飽和KCl溶液的濾紙作為鹽橋，溝通電路，構(gòu)成了雙液［3］原電池裝置，為音樂(lè)賀卡提供了電能。另外，鹽橋的設(shè)計(jì)，使氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在不同的區(qū)域進(jìn)行［4］，避免了鋅片與CuSO4溶液接觸直接反應(yīng)，提高了裝置的能量轉(zhuǎn)換效率，故音樂(lè)賀卡能持續(xù)工作較長(zhǎng)時(shí)間。

4.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)意圖

第一，濾紙的使用使得溶液的用量減少，避免了燒杯實(shí)驗(yàn)中的浪費(fèi)和污染。 第二，帶燈的音樂(lè)賀卡在實(shí)驗(yàn)一中的衰減與實(shí)驗(yàn)二中的較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定現(xiàn)象，能夠直觀地說(shuō)明原電池裝置設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)于能量轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要［1］。第三，帶燈的音樂(lè)賀卡可加深學(xué)生對(duì)原電池工作原理的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)又增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性。

二、寫(xiě)彩色字的黑色鉛筆

1.實(shí)驗(yàn)用品

Na2SO4溶液、石蕊溶液；直流電源、玻璃板、濾紙、鉛筆兩只。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

①將兩只鉛筆兩端削尖，漏出里面的石墨；再將兩只鉛筆的一端用導(dǎo)線分別連在直流電源的正、負(fù)極上，如上圖3。②將浸有Na2SO4溶液的半干的濾紙（紙上無(wú)明顯液體）鋪在玻璃板上，再滴加一、兩滴石蕊溶液，使之均勻分散開(kāi)。③打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，用兩只鉛筆的另外一端在濾紙上寫(xiě)字或劃線等。

圖3 寫(xiě)彩色字的黑色鉛筆

現(xiàn)象：連接電源正極的鉛筆寫(xiě)的字是紅色的，連接電源負(fù)極的鉛筆寫(xiě)的字是藍(lán)色的。

解釋：鉛筆中的石墨、直流電源、濾紙上的Na2SO4溶液構(gòu)成了電解池裝置。連接電源正極的鉛筆作陽(yáng)極，筆尖處發(fā)生 2H2O－4e－＝O2↑＋4H＋反應(yīng)，破壞了水的電離平衡，生成的H＋使石蕊溶液變紅色；連接電源負(fù)極的鉛筆作陰極，筆尖處發(fā)生 4H2O＋4e－＝2H2↑＋4OH－反應(yīng)，破壞了水的電離平衡，生成的OH－使石蕊溶液變藍(lán)色。

3.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)意圖

濾紙做反應(yīng)場(chǎng)所、鉛筆做電極，簡(jiǎn)便易行，用鉛筆寫(xiě)出紅或藍(lán)色的字，實(shí)驗(yàn)有趣，學(xué)生參與積極性更高，寓教于樂(lè)。學(xué)生在輕松理解電解池工作原理同時(shí)，對(duì)電極反應(yīng)也有了正確的認(rèn)知。

［1］ 宋心琦等.化學(xué)選修 4［M］.北京：人民教育出版社，2007：70－72

［2］ 曹錫章等.無(wú)機(jī)化學(xué) （上）［M］.北京：高等教育出版社，1994：422

［3］ 孫旭.新課程高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)全解［M］.武漢：湖北教育出版社，2014：153，154

［4］ 宋心琦等.化學(xué) 2［M］.北京：人民教育出版社，2007：40