用淀粉制作鹽橋的實(shí)驗(yàn)探究*

燕 翔 王都留 張少飛 裴 平 楊 鵬 蒲鋒國 魏玉強(qiáng)

(隴南師范高等?？茖W(xué)校, 甘肅 成縣 742500)

0 問題的提出

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為了提高電池的放電效率，原電池的設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用鹽橋來消除或減弱液接電勢(shì)[1].傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)常用瓊脂鹽橋[2]，但瓊脂鹽橋存在制備效果較差、離子遷移性較差、實(shí)驗(yàn)成本較高、無法長期保存、用量大、浪費(fèi)多、清洗不便等缺點(diǎn).

多年來，化學(xué)教學(xué)工作者不斷探求改進(jìn)鹽橋的制備及其效果，李森蘭等制作了瓷片鹽橋[3]；鄭志強(qiáng)用電極膏代替瓊脂鹽橋[4]；秦旅用塑料管充瓊脂制成鹽橋[5]；王文用金屬代替鹽橋構(gòu)成雙聯(lián)電池[6]；朱賢妃制作了氯化鉀飽和溶液液態(tài)鹽橋和用淀粉替代瓊脂制作固態(tài)鹽橋[7]；楊延光等對(duì)瓊脂氯化鉀鹽橋作了微型化改進(jìn)和創(chuàng)新[8]；司大均等研制了新型的鹽通式原電池[9]；鄭曉紅改進(jìn)傳統(tǒng)瓊脂氯化鉀鹽橋?yàn)楫愋苇傊跛徕淃}橋[10]；王繼璋等用蒸熟的土豆或香蕉等與 KCl 混合制作的鹽橋[11]；章建鋒制成了“瓊脂塞”鹽橋、“水底”鹽橋和餐巾紙鹽橋[12]；孫丹等用海洋寶寶代替瓊脂設(shè)計(jì)制作了微型原電池實(shí)驗(yàn)裝置[13].這些改進(jìn)對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)效果、降低實(shí)驗(yàn)成本、簡化制作與操作方法等都有一定的實(shí)用性.但這些改進(jìn)仍然存在不同的問題，并沒有從材料成本、制作步驟等方面做出根本性的突破，仍然存在諸多不便.

瓊脂之所以被用來制作鹽橋是因?yàn)榄傊哂泻芎玫哪z凝性和凝膠穩(wěn)定性，黏度較低，可以使氯化鉀溶液分散凝膠中，為離子提供了一個(gè)緩慢擴(kuò)散的介質(zhì).瓊脂是由紅海藻類植物提取的親水性膠體，由瓊脂糖和瓊脂果膠兩部分組成，瓊脂糖是膠凝成分.干瓊脂在常溫下可吸水溶脹，吸水率可達(dá)20倍，加熱到95 ℃可溶于水形成溶液，瓊脂溶液在室溫下可形成凝膠[14].

筆者嘗試用馬鈴薯淀粉、大米淀粉、玉米淀粉等與飽和KCl溶液混合制作鹽橋，相比瓊脂鹽橋，電流明顯增大，制作方便，實(shí)驗(yàn)材料成本更低，清洗方便，值得推廣使用.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用品

直流數(shù)字電流表(HLD-DDC-2型，南京恒達(dá)光電儀器廠)，伏特表(J-DB4XA，山東教學(xué)儀器廠)，電子臺(tái)秤，磁力加熱攪拌器，U形管，電池缸，鋅電極，銅電極，馬鈴薯淀粉，大米淀粉，玉米淀粉，瓊脂，氯化鉀(AR，天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠)，1.0 mol·L-1ZnSO4溶液，1.0 mol·L-1CuSO4溶液，燒杯，導(dǎo)線等.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與裝置

1.2.1鹽橋制作

在 50 mL 燒杯中加入 25 mL 氯化鉀飽和溶液，加入馬鈴薯淀粉，攪拌均勻.在磁力加熱攪拌器上邊加熱邊攪拌，至淀粉變?yōu)榫徛鲃?dòng)狀態(tài)的淀粉糊.趁熱將淀粉糊倒入 U 形管并溢出管口，以免帶入氣泡，在80～90 ℃的水浴中加熱，使淀粉糊化、凝聚，即為可使用的鹽橋.用上述方法，依次制作大米、玉米、瓊脂鹽橋.各物料用量如表1所示.

表1 各種淀粉鹽橋的配料比

1.2.2組裝原電池

將制作的鹽橋組裝成 Zn(s)︱ZnSO4(1.0 mol·L-1)‖CuSO4(1.0 mol·L-1)︱Cu(s)原電池[15]，如圖1所示.

圖1 原電池示意圖

1.2.3測(cè)量原電池的電動(dòng)勢(shì)和電流

用不同淀粉鹽橋組裝成原電池，分別連接伏特計(jì)和檢流計(jì)，測(cè)量原電池的電動(dòng)勢(shì)和電流，如圖2、圖3.

圖2 幾種淀粉鹽橋原電池的電動(dòng)勢(shì)a：馬鈴薯淀粉鹽橋，b：大米淀粉鹽橋，c：玉米淀粉鹽橋

圖3 幾種淀粉鹽橋原電池的電流a: 馬鈴薯淀粉鹽橋，b: 大米淀粉鹽橋，c: 玉米淀粉鹽橋

2 結(jié)果與討論

2.1 不同淀粉鹽橋的原電池電動(dòng)勢(shì)與電流

將不同的鹽橋在同一原電池中測(cè)量電動(dòng)勢(shì)和電流，結(jié)果如表2.

表2 不同淀粉鹽橋的原電池電動(dòng)勢(shì)與電流

*備注：淀粉鹽橋與瓊脂鹽橋相比，原電池電流提高效率.

2.2 結(jié)果討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，幾種淀粉鹽橋原電池的電動(dòng)勢(shì)與瓊脂鹽橋原電池的電動(dòng)勢(shì)基本接近，但幾種淀粉鹽橋原電池所提供的電流與瓊脂鹽橋原電池相比有明顯提高，其中馬鈴薯淀粉鹽橋原電池的電流提高約56%，而大米淀粉鹽橋和玉米淀粉鹽橋原電池的電流提高更多，分別達(dá)到98%和90%.

淀粉是多糖類物質(zhì)，由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，二者結(jié)合成結(jié)晶性的顆粒結(jié)構(gòu).直鏈淀粉具有良好的凝膠性，而支鏈淀粉具有增稠作用、高膨脹性及吸水性等功能[16].淀粉顆粒一般不溶于冷水，在含水體系中加熱至一定溫度可發(fā)生糊化.淀粉糊化后形成具有一定黏彈性的半透明凝膠.凝膠是膠體質(zhì)點(diǎn)或高聚物分子互相聯(lián)結(jié)，搭起架子所形成的多維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它是膠體的一種特殊存在形式，其性質(zhì)介于固體與液體之間，這種多維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為鹽橋中離子的分散和運(yùn)動(dòng)提供了空間環(huán)境[17-19].

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)研究表明，馬鈴薯淀粉等幾種淀粉鹽橋原電池所提供的電流與瓊脂鹽橋原電池相比有明顯提高，基本滿足實(shí)驗(yàn)的需求，完全可以代替瓊脂制作鹽橋，其中大米淀粉鹽橋使用效果最佳.利用淀粉制作鹽橋具有如下優(yōu)點(diǎn)：材料價(jià)廉易得，適合學(xué)生自制；材料用量少、制作較為簡單；實(shí)驗(yàn)效果明顯、成功率高；清洗方便；可循環(huán)使用，如將淀粉鹽橋每次使用后將鹽橋兩端浸泡在氯化鉀飽和溶液中，可長時(shí)間保持性質(zhì)不變，制好以后可以反復(fù)使用[7].