利用手持技術解決原電池教學中的認知難點

◇　北京　宋兆爽　指導教師　王　春

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利用手持技術解決原電池教學中的認知難點

◇北京宋兆爽1指導教師王春2

電化學是高中化學的核心知識之一,包括原電池和電解池兩大部分．人教版在必修和選修階段都涉及原電池的內容,而且原電池的教學是安排在電解池之前．所以對于原電池原理的認識是否到位,對于后續(xù)電解池的學習以及電化學模型的建立和應用起到了至關重要的作用．人教版教材采用最簡單的裝置模型幫助學生建立原電池的模型，這樣做降低了學生的理解難度,但也容易造成學生認識不全面、不透徹等問題,甚至會形成錯誤的概念，所以筆者在講“原電池”時嘗試利用手持技術幫助學生正確認識原電池的概念原理,解決原電池教學中的認知難點．

主要儀器:朗威?DISLab8.0數據采集器、電壓傳感器、電流傳感器、氧氣濃度傳感器、計算機及配套軟件．

1　利用手持技術解釋原電池中電流產生的驅動力

學生在《必修2》遇到Zn|H2SO4|Cu單液電池時,由于Zn和稀H2SO4直接接觸,所以學生對于該裝置內能發(fā)生氧化還原反應是能夠接受的．但在《選修4》遇到Zn|ZnSO4‖CuSO4|Cu雙液電池時,學生難以理解既然氧化劑和還原劑已經分隔開了,為什么還是能發(fā)生電子的得失而產生電流?氧化還原反應的驅動力在哪里呢?

人教版教材并未提及“電勢差”,但在教學中我們深切感受到,如果要將原電池的原理講解透徹,“電勢差”是無法回避的,關鍵是如何以學生容易接受的方式呈現(xiàn)．其實學生對于“電勢差”并不陌生,在初中物理課上學過“電勢差”就是“電壓”,所以可以利用電壓傳感器測量原電池兩電極之間的電壓．首先按照教材中Zn|ZnSO4‖CuSO4|Cu雙液電池的裝置圖連接裝置,在正、負極之間連接電壓傳感器,測得兩電極之間的電壓為1.01V,然后再將負極區(qū)更換為Mg和MgSO4溶液,測得兩電極之間的電壓為1.63V．可見,原電池的2個電極間確實存在電勢差,這就是電流產生的驅動力．那么電勢差是如何產生的呢?這就要從化學的角度去認識．人教版教材第72頁有這樣一句話:“原電池輸出電能的能力,取決于組成原電池的反應物的氧化還原能力．”這個氧化還原能力也就是電極反應物得失電子的能力．此處可參考魯科版的相關內容,并聯(lián)系學生剛剛在第3章學過的沉淀溶解平衡進行講解．對于Zn-Cu原電池來說,鋅片插入ZnSO4溶液中存在溶解與沉積的平衡:ZnZn2++2e-,銅片插入CuSO4溶液中存在溶解與沉積的平衡:CuCu2++2e-,由于鋅比銅容易失去電子,在鋅片表面積累的電子比銅片表面積累的電子多,其電極電勢比銅低,所以兩電極之間產生了電勢差，將兩極接通構成回路時,電子由鋅片流向銅片．同樣,Mg-Cu原電池的兩電極間也會產生電勢差,且由于鎂比鋅更容易失去電子,所以相同條件下,Mg-Cu原電池的電勢差大于Zn-Cu原電池的電勢差,這與電壓傳感器測得的結果是一致的．在必修階段講原電池時,筆者向學生介紹過世界上最早的電池——伏打電池．事實上意大利物理學家伏特在發(fā)明伏打電池時,就是采用不同的金屬材料在不同的電解質溶液中進行實驗,看哪種組合能夠產生較大的電壓．

講到這里時,有學生馬上想到,燃料電池2個電極的材料完全相同,它的電勢差又是哪來的呢?此時,教師不急于回答學生的疑問,而是將Zn-Cu原電池的正極銅片更換為碳棒,用電壓傳感器測得兩電極之間的電壓為1.51V．也就是說,雖然更換為惰性電極,但碳棒與CuSO4溶液接觸的界面上仍存在CuCu2++2e-,故兩電極間仍有電勢差．燃料電池的原理也是相似的．雖然燃料電池用的是鉑電極或石墨電極,但吸附在電極上的H2和O2得失電子的能力是不相同的,同樣能夠產生電勢差．這個例子的引出能夠幫助學生消除“負極必定要與電解質溶液發(fā)生反應”的錯誤概念,進一步完善了原電池模型．為鞏固學生對原電池模型的認識,教師可繼續(xù)提出學生任務:請根據反應2FeCl3+2KI=2FeCl2+2KCl+I2設計一款能提供穩(wěn)定電流的原電池．有了之前的認識鋪墊,大部分學生在做該任務時能夠正確選擇出電極材料．

2　利用手持技術比較單雙液電池的優(yōu)勢和劣勢

筆者在上《選修4》“原電池”這節(jié)課時將單液電池和雙液電池的裝置圖同時呈現(xiàn)給學生,提出問題:如果讓你自己設計電池,你更喜歡設計成單液還是雙液電池?結果不少同學選擇單液電池,原因是單液電池構造簡單,更加便攜．于是,筆者利用電流傳感器演示Zn|CuSO4|Cu單液電池和Zn|ZnSO4‖CuSO4|Cu雙液電池電流變化的對比實驗．

【實驗】 將單液原電池和雙液原電池裝置的正負極分別與電流傳感器的正負極相連,連接好數據采集器和計算機,點擊運行軟件,8min后學生觀察到如圖1、2所示的2條曲線.

圖1　單液電池電流變化曲線

圖2　雙液電池電流變化曲線

之后筆者分別取出2個原電池裝置中的負極鋅片,可以看到單液電池的鋅片表面覆蓋了紅色疏松的銅,而雙液電池的鋅片表面依然光亮如新．

在做單液電池實驗時,有一部分學生會觀察到一段時間后電流表指針的偏轉幅度會減小．但當筆者利用電流傳感器呈現(xiàn)出明顯的曲線變化差異時,給學生們帶來的視覺沖擊力是完全不同的．此時無需教師多言,學生們自然能體會到單液電池雖然裝置簡單,但電流會在短時間內衰減,而雙液電池可以為原電池提供更加持續(xù)、穩(wěn)定的電流,電池利用效率更高．在課后調查中,大部分學生表示這一環(huán)節(jié)給他們留下了深刻的印象,這也體現(xiàn)了手持技術的優(yōu)勢．

筆者在做這個對比實驗時希望學生關注的是電流變化趨勢,然而課堂上仍有細心的同學發(fā)現(xiàn),雙液電池雖然電流穩(wěn)定性非常好,但縱坐標顯示的電流數值只有幾毫安,遠遠小于單液電池的幾十毫安,立刻提出質疑．筆者并未回避這個問題,而是引導學生查找原因．學生們很快想到這是由于鹽橋內的瓊膠內阻太大導致的．那么如何來改進這個問題呢?大家踴躍發(fā)言,提出對原電池裝置的各種改進方案．其中一位學生提出可以用浸滿飽和KCl溶液的面巾紙代替鹽橋,筆者請該生到講臺前做演示實驗．果然,當該生把KCl-瓊膠鹽橋換成浸滿飽和KCl溶液的面巾紙時,電流傳感器中檢測到的電流數值明顯增大．此時,筆者順勢向學生展示了一個拆開的鋰離子手機電池,內部有非常薄的多孔隔膜,這就是真實電池中的鹽橋．

實際上,這個拆開的鋰離子電池是筆者課前準備好的,目的是想在這節(jié)課的尾聲由理論原電池模型過渡到真實的電池應用．而學生在課堂上的意外發(fā)現(xiàn)和討論卻使得隔膜的作用被非常自然地引出．這種意外生成的教學環(huán)節(jié)正是課堂精彩之所在．另外,影響原電池電流強度的因素是多樣的,在高二下學期的選修課上,筆者組織感興趣的學生利用手持技術繼續(xù)分析研究,進一步加深了對原電池原理的認識．

3　利用手持技術再認識金屬的電化學腐蝕

人教版教材第84頁提到:“不純的金屬與電解質溶液接觸時,會發(fā)生電化學反應,這種腐蝕叫做電化學腐蝕．鋼鐵在潮濕空氣中生銹,就是電化學腐蝕最典型的例子．”之后在教材的實驗4-3中將用食鹽水浸泡過的鐵釘放入具支試管中,一段時間后觀察到右側導管中水柱上升,證明鐵釘發(fā)生了吸氧腐蝕．學生在初中時學過鐵釘生銹的條件,對鋼鐵在潮濕空氣中容易生銹并不陌生,但對于該現(xiàn)象是吸氧腐蝕、其中發(fā)生了電化學反應卻心存疑惑．學生認為,實驗4-3中導管內水柱上升只能說明試管內氣體減少,并未證明就是O2參加反應,而鐵失電子后是Fe2+還是Fe3+也無法從實驗中觀察到．為了解決學生的疑惑,筆者嘗試利用手持技術改進實驗．

圖3

【實驗1】 向大試管中放入用飽和食鹽水潤濕的濾紙,將2g鐵粉和1g碳粉混合均勻后用紙槽裝入大試管中,與濾紙均勻接觸．將大試管與氧氣濃度傳感器相連,塞緊塞子,連接數據采集器和計算機,點擊運行軟件,10min后學生觀察到如圖3所示曲線,體系內氧氣含量逐漸減小,說明氧氣確實參與了反應．

【實驗2】 將U形管固定在鐵架臺上,加入飽和食鹽水,一端塞好插有碳棒的膠塞,另一端滴幾滴鐵氰化鉀溶液后塞好插有鐵棒的膠塞．將電流傳感器的正極連接碳棒,負極連接鐵棒,點擊運行軟件,觀察實驗現(xiàn)象．與此同時,在一個大試管中加入飽和食鹽水,放入鐵棒,讓鐵棒的一部分暴露于空氣中,滴幾滴鐵氰化鉀溶液,觀察現(xiàn)象．

點擊運行軟件后電腦屏幕上立刻有電流示數顯示,數值由小到大,最后穩(wěn)定在36.2mA,鐵棒周圍的溶液也很快出現(xiàn)藍色,表示有Fe2+生成．相同時間內大試管內的鐵棒周圍未看到明顯的藍色,較長時間后溶液中緩慢出現(xiàn)藍色．該實驗說明鐵和碳可構成原電池,負極鐵發(fā)生了電化學腐蝕:Fe-2e-=Fe2+,而電化學腐蝕的速度要比化學腐蝕快得多．

上述幾個手持技術實驗在幫助學生認識原電池原理的過程中取得了很好的教學效果．然而,先進的技術手段是把雙刃劍,用得好能夠為教學錦上添花,用不好可能是畫蛇添足,喧賓奪主．作為一線教師,我們首先要有清醒的判斷,技術手段是為教學內容服務的,在傳統(tǒng)實驗難以呈現(xiàn)和解決的內容上,大膽嘗試新的實驗手段,利用手持技術定量、動態(tài)、數形結合的特點,使學生對于一些微觀的抽象的問題能夠有更加直觀、準確的認識．