基于濾紙的多電極原電池實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

劉玲 丁偉

摘要：金屬片電極與浸漬相應(yīng)金屬鹽溶液的濾紙可以組成原電池。如用銅片、鋅片、鉛片和錫片4種電極組成的兩個原電池整合在一個裝置內(nèi)，便于對比分析各電極反應(yīng)，同時又能節(jié)約實(shí)驗(yàn)藥品。該原電池具有整合度高、裝置簡易等特點(diǎn)，既有利于教師進(jìn)行課堂演示，又方便學(xué)生自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：濾紙；多電極；原電池；電極電勢；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文章編號：1005–6629（2016）9–0049–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 研究背景

原電池是電化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其涉及氧化還原反應(yīng)、電解質(zhì)溶液和物理學(xué)中相關(guān)的電學(xué)知識，知識的認(rèn)知難度較大[1]，且內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)，因此，純理論的教授方式往往達(dá)不到理想的教學(xué)效果。如果通過對原電池實(shí)驗(yàn)的探究，將有效地提高這部分知識的教學(xué)成效，加深學(xué)生對原電池的感性認(rèn)知，促進(jìn)其對知識的有意義的建構(gòu)，故原電池實(shí)驗(yàn)對于相關(guān)知識的教學(xué)意義重大。

人教版選修《化學(xué)反應(yīng)原理》教材[2]中關(guān)于原電池的實(shí)驗(yàn)是將銅片和鋅片分別插入硫酸銅和硫酸鋅溶液中，使用鹽橋連接兩種溶液，外接電流計(jì)測量產(chǎn)生的電流。但實(shí)驗(yàn)演示效果并不理想，且存在銅鋅原電池裝置所用到的鹽橋制作繁瑣、使用時間間隔不能過長[3]、實(shí)驗(yàn)消耗藥品的量很大等不足，因此，有必要作進(jìn)一步的深入研究。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

以往研究有針對鹽橋制作較復(fù)雜的情況進(jìn)行改進(jìn)：用橡皮管將兩側(cè)均帶有支管的U形管與具支試管連接起來，橡皮管中充入瓊脂（或果凍），U形管中注入飽和的氯化鉀溶液，用作鹽橋[4]；有針對原電池電壓較小且不穩(wěn)定而對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行的改進(jìn)：使用具有雙槽的容器，兩槽內(nèi)均具有一對電極而使兩個原電池串聯(lián)起來以增大電壓[5]；有為了克服演示實(shí)驗(yàn)過程中觀賞性差、浪費(fèi)大且有污染等不足的微型化改進(jìn)：將玻璃管燒制成微型U形管用作電解槽，利用金屬絲做電極[6]；還有為引起學(xué)生興趣而進(jìn)行的趣味化改進(jìn)：于永民[7]將市場上會吸水的玩具海洋寶寶球浸入稀硫酸中，將金屬絲插入其中觀察電流表數(shù)字變化等改進(jìn)。綜合這些研究發(fā)現(xiàn)，這些改進(jìn)都很有創(chuàng)意，但主要針對銅鋅原電池的電解質(zhì)溶液、鹽橋和裝置結(jié)構(gòu)等某一方面進(jìn)行改進(jìn)，大多數(shù)改進(jìn)裝置中只有一對電極，而關(guān)于電極的改進(jìn)則很少?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一個具有多對電極的原電池。考慮選用何種金屬作電極，首先，排除一些特別活潑的金屬，如鈉、鎂等；其次，鐵雖易得但Fe2+極不穩(wěn)定易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，故不選用；因銀比較昂貴所以也不選用；相比之下錫和鉛雖然在中學(xué)化學(xué)中不太常見，但在漁具店或市場上均易購買。最后選定用銅、鋅、錫、鉛四種金屬片做電極。為便于制作，體現(xiàn)微型化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，所以選用濾紙作為載體。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器、藥品及材料

1 mol/L的鹽溶液[CuSO4、ZnSO4、Pb（NO3）2、KNO3以及SnCl2溶液]、金屬片（銅片、鋅片、鉛片和錫片）、定性濾紙（11cm）、蠟燭、酒精燈（或電熱板）、墊板、模板、刻刀、鉛筆、砂紙、萬用表（勝利儀器數(shù)字多用表，VC890D）和一次性手套

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.3.1 制作模板

選取一個硬紙板，利用刻刀制作有四個分區(qū)的模板。用鉛筆按照模板將濾紙劃分為四個分區(qū)，再用火柴梗蘸取蠟油，沿著鉛筆印跡涂抹。全部畫好后，將濾紙放在小蠟燭火焰上方（或電熱板）加熱一分鐘左右。使濾紙上的蠟融化并滲透到濾紙中，形成一個蠟的屏障以減小實(shí)驗(yàn)過程中各分區(qū)溶液間的相互滲透。運(yùn)用蠟油涂抹鉛筆印跡和濾紙烘烤時要仔細(xì)，要確保涂抹無遺漏。在烘烤濾紙時也要小心謹(jǐn)慎，既要確保蠟油滲透進(jìn)濾紙，也要防止將濾紙引著，所以如果條件允許盡量使用電熱板。

2.3.2 制作電極

裁剪金屬片，將金屬片剪成1cm×2cm的薄片。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更精確，用砂紙仔細(xì)打磨金屬片，除去其表面的氧化層。

2.3.3 制電解液

配制1 mol/L與金屬片相應(yīng)的鹽溶液和KNO3溶液，裝入滴瓶中待用。SnCl2溶液要現(xiàn)用現(xiàn)配，因?yàn)镾nCl2易水解氧化，在配制時需要先用濃度至少為3 mol/L的鹽酸在通風(fēng)櫥中溶解后再加水稀釋至所需濃度，在其溶解過程中盡量不要攪拌，并在溶液中放些許錫粒。在配制Pb（NO3）2溶液時，先在蒸餾水中加入兩滴稀HNO3，然后再放入稱量好的Pb（NO3）2固體進(jìn)行溶解。目的是防止鉛離子水解生成不溶性的Pb（OH）2。

2.3.4 制原電池

將四個金屬片放入濾紙的四個分區(qū)內(nèi)（也可以用膠帶固定），并在每個金屬片的相應(yīng)分區(qū)滴上相應(yīng)的金屬鹽溶液，每個金屬區(qū)域就是一個電極，中間區(qū)域滴兩滴1 mol/L的KNO3溶液。該區(qū)域起到鹽橋的作用，為加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果起著至關(guān)重要的作用。然后將“濾紙電池”放到墊板上。

2.3.5 測量電壓

打開萬用表，將量程調(diào)至為0～2V，用萬用表分別測量四個金屬片兩兩做電極的原電池電動勢并記錄（銅鋅原電池電動勢的測定情況如圖1所示）。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為檢驗(yàn)改進(jìn)裝置的有效性，將計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)電動勢與實(shí)測電動勢進(jìn)行比較，標(biāo)準(zhǔn)電動勢的計(jì)算方法如下：

當(dāng)溫度為298K，參與電極反應(yīng)的所有離子濃度均為1 mol/L，所有氣體的壓強(qiáng)為100kPa時，該電極的電極電勢是標(biāo)準(zhǔn)電極電勢。將正負(fù)兩極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢相減即得到原電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢：Eθ=φθ+-φθ-。以銅鋅原電池為例，計(jì)算電池Zn（s）|Zn2+||Cu2+|Cu（s）的標(biāo)準(zhǔn)電動勢Eθ。查表[8]可知正極φθ（Cu2+/Cu）=+0.3419V，負(fù)極φθ（Zn2+/Zn）=-0.7618V，電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢Eθ=φθ（Cu2+/Cu）-φθ（Zn2+/Zn）=（+0.3419V）-（-0.7618V）=1.104V（為方便與實(shí)測值比較保留三位小數(shù)）。依次求出ZnPb、Zn-Sn、Sn-Cu、Sn-Pb和Pb-Cu原電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢，分別為0.636V、0.626V、0.478V、0.010V和0.468V。因該實(shí)驗(yàn)中所配制的鹽溶液濃度為1 mol/L，室內(nèi)溫度也約為298K，反應(yīng)中無氣體產(chǎn)生，因此可將實(shí)測電動勢與標(biāo)準(zhǔn)電動勢進(jìn)行比較。各原電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢與實(shí)測電動勢如表1所示。

通過上表中數(shù)據(jù)可以看到，最小誤差只有0.001V，最大誤差也僅為0.095V。相對誤差較小，說明該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)是有效的?？偟膩碚f該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：

（1）整合性。在教材知識的基礎(chǔ)上，另添加兩個電極并整合進(jìn)一個裝置，可直觀地觀察到多對電化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象。同時該實(shí)驗(yàn)可作為拓展興趣實(shí)驗(yàn)，利用該實(shí)驗(yàn)既可以加深學(xué)生對電化學(xué)的理解，又可以拓寬學(xué)生的知識面，有利于發(fā)散性思維的發(fā)展。

（2）簡易性。改進(jìn)裝置簡單、制作容易、操作便捷、取材方便；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，且容易保存。

（3）靈活性。該裝置在使用時可靈活運(yùn)用，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中能運(yùn)用歸納或演繹思維：學(xué)生可以通過觀察電極反應(yīng)現(xiàn)象，判斷電池的正負(fù)極，加深對金屬活動性順序的認(rèn)知；也可以基于初中階段有關(guān)金屬活動性順序的知識，先判斷電池的正負(fù)極，再通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行驗(yàn)證。

（4）輔助性。在原電池實(shí)驗(yàn)中可以使用鹽橋加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果來輔助實(shí)驗(yàn)。但鹽橋的制作和存儲非常不便。本實(shí)驗(yàn)起鹽橋作用的硝酸鉀溶液在實(shí)驗(yàn)室中比較常見，可就地取材。對于輔助實(shí)驗(yàn)起到很重要的作用。

此外，可以通過增大電池的電壓（如增大電極的面積或電解液的濃度），或者串聯(lián)兩到三個電極使電壓能夠令二極管發(fā)光（小燈泡）或使小功率的音樂卡片或喇叭發(fā)聲，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀，更加能夠吸引學(xué)生的注意力，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

3 結(jié)論

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置精簡、經(jīng)濟(jì)。既利于教師進(jìn)行演示，又可以提升學(xué)生的科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力。同時節(jié)約藥品也體現(xiàn)了綠色化學(xué)的理念，符合時代的要求。

參考文獻(xiàn)：

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