鐵離子氧化碘離子原電池的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

甘肅省岷縣第一中學(xué)(748400) 趙麗霞 余新紅

人教版化學(xué)教材“化學(xué)能與電能”的實(shí)驗(yàn)操作是：將鋅片和銅片用導(dǎo)線連接(導(dǎo)線中間接入一個(gè)電流表)，平行插入盛有稀硫酸的燒杯中，觀察現(xiàn)象(見(jiàn)圖1)。該實(shí)驗(yàn)以Zn＋H2SO4＝ZnSO4＋H2為實(shí)驗(yàn)原理，用鋅片和銅片為原電池的兩個(gè)電極，稀硫酸為電解質(zhì)溶液，用導(dǎo)線連接構(gòu)成閉合回路。通過(guò)此裝置，學(xué)生了解了原電池的構(gòu)成和基本工作原理，為了提高原電池的效率，以防電流在短時(shí)間內(nèi)衰減。所以，在人教版化學(xué)教材“原電池”中將此裝置進(jìn)行了改進(jìn)，改為“銅鋅雙液原電池”，具體實(shí)驗(yàn)操作為：用一個(gè)充滿電解質(zhì)溶液的鹽橋，將置有鋅片的ZnSO4溶液和置有銅片的CuSO4溶液連接起來(lái)，然后將鋅片和銅片用導(dǎo)線連接，并在中間串聯(lián)一個(gè)電流表，讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(見(jiàn)圖2)。一段時(shí)間后取出鹽橋，再次觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生了解了鹽橋在原電池裝置中的作用。

圖1 化學(xué)能與電能實(shí)驗(yàn)

圖2 銅鋅雙液原電池

但圖2裝置存在一定的局限性和不足：①以上原電池裝置僅能代表有電極參與的氧化還原反應(yīng)原電池裝置，但很多的氧化還原反應(yīng)并無(wú)電極參與反應(yīng)，需要借助“惰性”材料為電極才能構(gòu)成原電池裝置，如2FeCl3＋2KI＝2FeCl2＋I(xiàn)2＋2KCl；②裝置所需儀器和藥品較多，操作不夠簡(jiǎn)單。

因此，為了讓學(xué)生更直觀地掌握電極不參與氧化還原反應(yīng)的原電池工作原理。筆者在圖2所示裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以石墨為電極，以2FeCl3＋2KI＝2FeCl2＋I(xiàn)2＋2KCl為原理的原電池裝置。

1 實(shí)驗(yàn)原理

由于ψ(Fe3＋/Fe2＋)＞ψ(I2/I－)，因此Fe3＋可以將I－氧化成I2自身被還原為Fe2＋，該反應(yīng)為2FeCl3＋2KI＝2FeCl2＋I(xiàn)2＋2KCl。

2 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

藥品：飽和氯化鐵溶液、飽和碘化鉀溶液、瓊脂、氯化鈉、蒸餾水、淀粉溶液。

儀器：鐵三角、石棉網(wǎng)、酒精燈、小燒杯、大燒杯、靈敏電流計(jì)、玻璃棒、石墨、導(dǎo)線、粗棉線，U型管。

3 鹽橋的制作

稱取2g瓊脂放入盛有43.5g蒸餾水的燒杯中，然后將燒杯置于墊有石棉網(wǎng)的鐵三角上加熱，邊加熱邊攪拌，直至瓊脂完全溶解后加入13g氯化鈉固體，繼續(xù)攪拌使氯化鈉完全溶解。趁熱將此溶液倒入U(xiǎn)型管中至高于底部1～2cm處，靜置使其自然冷卻凝固。

4 創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置

5 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)操作：圖3所示，在裝有瓊脂的U型管兩側(cè)分別注入飽和氯化鐵溶液和飽和氯化鉀溶液，在氯化鉀溶液中滴加3滴淀粉溶液，裝好后將U型管置于大燒杯中固定好，然后將接有石墨棒的導(dǎo)線分別插入U(xiǎn)型管兩側(cè)溶液中，再將導(dǎo)線兩端分別接在靈敏電流計(jì)的正負(fù)極。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：氯化鐵溶液中石墨電極附近的顏色變淺，說(shuō)明石墨電極附近鐵離子的濃度減小，碘化鉀溶液中石墨電極附近的顏色變?yōu)樗{(lán)色，說(shuō)明有碘單質(zhì)生成，碘與淀粉溶液變藍(lán)色，電流表指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，證明2FeCl3＋2KI＝2FeCl2＋I(xiàn)2＋2KCl能夠發(fā)生。

為了讓學(xué)生理解鹽橋的作用，筆者做了探究性設(shè)計(jì)。

(1)如圖4所示，在2個(gè)燒杯中分別加入飽和氯化鐵和飽和氯化鉀溶液，在氯化鉀溶液中滴加3滴淀粉溶液，再將導(dǎo)線兩端分別接在靈敏電流計(jì)的正負(fù)極，觀察現(xiàn)象。

圖4 未用棉線連接

(2)用棉線代替了U型管，具體操作是：取一段吸水性強(qiáng)的粗棉線，在飽和氯化鈉溶液中浸泡直至棉線吸足溶液后使用，再將吸足氯化鈉溶液的粗棉線深入盛有飽和氯化鐵和飽和氯化鉀溶液的燒杯中，觀察現(xiàn)象(見(jiàn)圖5)。

圖5 用棉線連接

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：圖4裝置中兩燒杯未用棉線連接時(shí)，電流表指針未偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明不產(chǎn)生電流；圖5中用飽和氯化鈉溶液浸泡過(guò)的棉線連接后，電流表指針偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明產(chǎn)生了電流。

6 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

(1)所用儀器均來(lái)自實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)儀器，圖3在原裝置的基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新設(shè)計(jì)，所用儀器不變，但大大減少了藥品的用量。燒杯用于固定反應(yīng)裝置，不需要鐵架臺(tái)等固定裝置，使反應(yīng)裝置簡(jiǎn)單易操作。用飽和氯化鈉溶液浸泡過(guò)的棉線替代裝有瓊脂的U型管做鹽橋大大縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，便于學(xué)生在課堂上操作。

(2)通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)對(duì)于鹽橋的作用加以探究，加深學(xué)生對(duì)鹽橋的理解，激發(fā)學(xué)生探究原電池工作原理的熱情。