雙液原電池在實(shí)驗(yàn)探究中的應(yīng)用

張青楊 胡曉紅

摘要：使用雙液原電池裝置將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)區(qū)域分開，可以排除外在因素或體系中的其它微粒給氧化還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn)探究造成干擾的問題，有效發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理”的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：雙液原電池;實(shí)驗(yàn)探究;證據(jù)推理;核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-0546（2019）02-0088-02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》凝練了“化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”，提出了學(xué)業(yè)質(zhì)量要求，引導(dǎo)中學(xué)課堂教學(xué)從“知識(shí)教學(xué)”到“能力教學(xué)”再到“素養(yǎng)教學(xué)”的轉(zhuǎn)變。近年高考的化學(xué)實(shí)驗(yàn)正在由“教材實(shí)驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)與改進(jìn)”轉(zhuǎn)向?qū)Α盎瘜W(xué)原理的探究與創(chuàng)新”的考查，旨在通過實(shí)驗(yàn)探究論證的過程培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維、批判思維和創(chuàng)新思維。

電化學(xué)是重要的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和科學(xué)研究的常用手段，在原電池、電解池裝置中連接電流計(jì)或電壓表能夠把氧化還原反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移可視化、定量化，使得我們能夠?qū)⒑暧^的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和微觀的反應(yīng)歷程進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而為化學(xué)原理證實(shí)和證偽提供證據(jù)支持。而雙液原電池是高中化學(xué)《選修4》教材中出現(xiàn)的一種研究氧化還原反應(yīng)原理及能量變化的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置的優(yōu)點(diǎn)在于將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分開進(jìn)行，能夠幫助我們更加細(xì)致地研究氧化還原反應(yīng)及其影響機(jī)理。

一、探究外界條件對(duì)物質(zhì)氧化性或還原性的影響

物質(zhì)的氧化性、還原性的強(qiáng)弱會(huì)受濃度、溫度、酸堿性等外界因素的影響，但不同條件的改變對(duì)氧化性、還原性都產(chǎn)生影響還是只對(duì)其中一項(xiàng)產(chǎn)生影響？是對(duì)氧化性影響大還是對(duì)還原性影響大？為完成這些化學(xué)規(guī)律、原理的探究，我們可以借助雙液原電池裝置，通過改變所加物質(zhì)的聚集狀態(tài)（固體形狀及顆粒大?。?、溫度、濃度、pH等條件之中的單個(gè)條件，通過電表示數(shù)的變化即可驗(yàn)證氧化還原反應(yīng)中具體條件對(duì)物質(zhì)氧化性（或還原性）的影響情況。

例如，為研究c（H⁺）對(duì)Cl^-的還原性、MnO₂的氧化性哪個(gè)影響程度更大，我們可以組裝雙液原電池裝置（如圖1），待電壓表指針穩(wěn)定后分別向左側(cè)和右側(cè)滴加幾滴硫酸，從電壓表示數(shù)變化的大小可以證明c（H⁺）對(duì)MnO₂的氧化性影響更為顯著。

二、排除氧化劑與氧化產(chǎn)物（或還原劑與還原產(chǎn)物）的相互干擾

在水溶液中，由于水解、電離及反應(yīng)過程中的產(chǎn)物等原因造成微粒種類較多，微粒相互間的反應(yīng)可能比較復(fù)雜，常常出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，對(duì)反應(yīng)原理的研究造成干擾。雙液原電池裝置可以將氧化劑、還原劑及其相關(guān)產(chǎn)物隔離開來，是排除干擾因素很好的方法。例如，研究0.1mol/L FeSO₄溶液與8mol/L稀硝酸的反應(yīng)時(shí)會(huì)觀察到溶液變?yōu)樽厣?，原因是Fe²⁺與還原產(chǎn)物NO發(fā)生反應(yīng)Fe²⁺+NOFe（NO）²⁺（棕色），放置一段時(shí)間后，待NO逸出后溶液才變?yōu)辄S色。如果利用雙液原電池（如圖2），可以將還原劑（Fe²⁺）與還原產(chǎn)物（NO）隔離開來，生成的NO與Fe²⁺不能接觸，溶液就不會(huì)出現(xiàn)棕色，可以直接觀察到U型管左側(cè)溶液變黃的理想現(xiàn)象。

三、解決溶液中多種反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)問題

在水溶液中，離子之間可能存在復(fù)分解反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、絡(luò)合反應(yīng)等多種可能性，實(shí)際反應(yīng)以哪種方式進(jìn)行與離子濃度、氧化還原性強(qiáng)弱、配位的難易程度等多種因素有關(guān)。比如查閱標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)可知φ（Ag⁺/Ag）=+0.7996V、φ（I₂/I^-）=+0.5350V，理論上溶液中濃度為1.0mol/L的Ag⁺能夠?qū)?.0mol/L的I^-氧化。但若將1.0mol/L的AgNO₃和KI兩溶液混合，實(shí)際上Ag⁺與I^-會(huì)發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)生成AgI沉淀，即使使用淀粉指示劑也難以檢出I₂生成。欲驗(yàn)證Ag⁺與I^-能否發(fā)生氧化還原反應(yīng)，我們可以使用雙液原電池裝置（如圖3）進(jìn)行驗(yàn)證，有效避免Ag⁺與I^-生成沉淀而不妨礙驗(yàn)證氧化還原反應(yīng)的發(fā)生[1]。

四、對(duì)氧化還原反應(yīng)進(jìn)行定量化探究

鐵、鋁在濃硝酸中的鈍化是中學(xué)化學(xué)的重要知識(shí)，但金屬鈍化所需的硝酸濃度教材中并未做出具體說明。如果想探究這個(gè)問題，可以調(diào)節(jié)雙液原電池裝置（如圖4）中定量加入硝酸和水的體積來調(diào)控硝酸的濃度，根據(jù)電流計(jì)指針“先偏轉(zhuǎn)再反向偏轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象來判斷反應(yīng)情況，從而較為精確地測(cè)定硝酸使鋁鈍化的最低濃度[2]。

雙液原電池在研究氧化還原反應(yīng)中具有科學(xué)性和可操作性，在排除干擾、控制變量、對(duì)比分析、定量顯示等方面都有良好表現(xiàn)。使用雙液原電池裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，不僅是很好的教學(xué)輔助方法，同時(shí)也是激發(fā)學(xué)生探究興趣、提升學(xué)生獲取證據(jù)能力、培育學(xué)科核心素養(yǎng)的有效策略。

參考文獻(xiàn)

[1]金劍鋒.基于熱力學(xué)和電化學(xué)原理厘清反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)問題[J].化學(xué)教學(xué)，2017（12）：81-83

[2]諸佳丹，丁偉.原電池法探究金屬銘在濃硝酸中的鈍化行為[J].北學(xué)教學(xué)，2017（9）：59-62