觀察原電池內(nèi)離子運(yùn)動(dòng)方向的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

單慧芳 王帥

摘要：實(shí)驗(yàn)是化學(xué)學(xué)科的靈魂，實(shí)驗(yàn)教學(xué)更是不可替代的教學(xué)手段。直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，往往能使抽象的概念可視化。為了觀察到原電池中微觀的陰、陽(yáng)離子移動(dòng)方向，我們改進(jìn)常規(guī)的實(shí)驗(yàn)儀器，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)流程，并以直觀明了的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，突破了原電池教學(xué)過(guò)程中的難點(diǎn)，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：原電池;內(nèi)電路;創(chuàng)新探究

文章編號(hào)：1008-0546（ 2019）07-0090-02

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.07.027

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是化學(xué)的靈魂和魅力的體現(xiàn)。它不僅能幫助學(xué)生獲取化學(xué)知識(shí)，認(rèn)識(shí)化學(xué)概念，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的操作能力、創(chuàng)新能力?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更是其他教學(xué)手段所不能替代的，它可以使抽象的概念可視化，讓學(xué)生更好地理解、鞏固所學(xué)的化學(xué)知識(shí)。

原電池原理的學(xué)習(xí)是高中學(xué)生學(xué)習(xí)電化學(xué)知識(shí)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式去輔助學(xué)生理解原電池的工作原理顯得尤為重要?？v觀整個(gè)高中教材體系，發(fā)現(xiàn)教材中均未涉及到原電池內(nèi)離子運(yùn)動(dòng)方向的實(shí)驗(yàn)安排。在人教版化學(xué)選修四《化學(xué)反應(yīng)原理》一書(shū)中對(duì)原電池的內(nèi)電路中離子的運(yùn)動(dòng)方向也只是提到“在原電池的內(nèi)部，兩極浸在電解質(zhì)溶液中，并通過(guò)正負(fù)離子的定向運(yùn)動(dòng)而形成內(nèi)電路。放電時(shí)，負(fù)極上的電子通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)流向正極，再通過(guò)溶液中離子形成的內(nèi)電路構(gòu)成環(huán)路[1]?！币虼岁P(guān)于這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)學(xué)生總是非常困惑，教師通過(guò)課堂上純理論講授也不能有效地解決問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)不斷的思考、討論、改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)之后，我們終于成功地設(shè)計(jì)了一套可以直接觀察到內(nèi)電路離子運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)易裝置。

一、實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：若干導(dǎo)線(xiàn)、電解槽兩個(gè)、特制漏斗一個(gè)、電流計(jì)一個(gè)、短玻璃導(dǎo)管兩個(gè)、橡皮塞兩個(gè)、鐵架臺(tái)一個(gè)。

實(shí)驗(yàn)藥品：lmol/L H2S04溶液，Imol/L KMn04溶液、銅片、鋅片、凡士林。

二、儀器的加工

1.改進(jìn)電解槽：取兩個(gè)電解槽，依據(jù)玻璃導(dǎo)管的直徑大小分別在電解槽的一端打一個(gè)小洞。

2.特制漏斗：將體積為60mL的分液漏斗與T型管（豎管長(zhǎng)度lOOmm、直徑8mm、橫管長(zhǎng)度150mm、直徑20mm）進(jìn)行焊接得到特制漏斗，如圖1所示：

三、實(shí)驗(yàn)原理

該實(shí)驗(yàn)探究的是原電池的內(nèi)電路中的陰陽(yáng)離子的移動(dòng)方向，應(yīng)用到的實(shí)驗(yàn)原理為：

原電池的電池反應(yīng)為：2n+2H+= 2n2++H2↑，負(fù)極為鋅片，電極反應(yīng)為2n-2e-一2n2+，正極為銅片，電極反應(yīng)為2H++2e-=H2。

四、實(shí)驗(yàn)步驟

1.組裝儀器：用橡膠塞和玻璃導(dǎo)管將特制漏斗與兩個(gè)電解槽連接起來(lái)，連接處涂抹凡士林，以防漏液。裝置最終如圖2所示，組裝完之后，加蒸餾水檢查是否漏液。

2.添加藥品：在特制漏斗中添加40mL Imol/LKMri04溶液，兩邊電解槽中添加Imol/LH2S04至導(dǎo)管中心位置。

3.開(kāi)始實(shí)驗(yàn)：打開(kāi)漏斗活塞，使高錳酸鉀緩慢流下，觀察電解槽中溶液以及電流計(jì)的指針變化情況。

五、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

1.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：銅片端產(chǎn)生少量氣泡，溶液依舊為無(wú)色，鋅片端產(chǎn)生大量氣泡且觀察到溶液上端變?yōu)樽霞t色，靈敏電流計(jì)發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，如下圖3所示： 2.實(shí)驗(yàn)結(jié)論與分析：從反應(yīng)原理來(lái)看，鋅片與氫離子反應(yīng)，銅一鋅原電池的反應(yīng)原理均為：2n+2H+=Zn2++H2↑。從電化學(xué)的角度來(lái)看，兩個(gè)反應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)均為：EeH+/H2 -Ee Zn2+/Zn=OV-（-0.76V）=0.76V[2]。不同的是鋅、銅上析出氫氣的超電勢(shì)分別為0.7V，0.23V。所以純鋅和硫酸反應(yīng)時(shí)的電動(dòng)勢(shì)為0.06V，而鋅一銅電動(dòng)勢(shì)為0.53V。理論上，氫離子在鋅片上和銅片上是可以同時(shí)析出氫氣的，且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用到的鋅片不是純鋅，鋅片含有金屬雜質(zhì)，所以在鋅片表面通常會(huì)形成大量的微型原電池，最終體現(xiàn)的現(xiàn)象就是鋅片表面產(chǎn)生較多的氣泡。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鋅片端溶液上方由無(wú)色變?yōu)樽霞t色，銅片端溶液依舊保持無(wú)色，靈敏電流計(jì)發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。這一系列的現(xiàn)象說(shuō)明銅一鋅原電池工作時(shí)已形成了閉合回路，且工作過(guò)程中電解質(zhì)溶液里紫紅色的Mn04-離子向鋅片端移動(dòng)。

綜上所述，可以得出原電池電解質(zhì)溶液中陰離子向負(fù)極移動(dòng)的結(jié)論。

六、創(chuàng)新的意義

l.這套創(chuàng)新儀器操作簡(jiǎn)單且重現(xiàn)性好。

2.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，使得抽象理論可視化，有效解決了原電池內(nèi)電路離子運(yùn)動(dòng)方向這一難題。

3.通過(guò)宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生思考問(wèn)題解決問(wèn)題，在這一過(guò)程中充分體現(xiàn)了“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)識(shí)”“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)”等化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，也很好地揭示了化學(xué)的學(xué)科思維[3]。

參考文獻(xiàn)

[l]化學(xué)課程教材研究開(kāi)發(fā)中心，普通高中課程實(shí)驗(yàn)教科書(shū)化學(xué)4選修[M].北京：人民教育出版社，2004：71

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[3]楊梓生.對(duì)高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的認(rèn)識(shí)[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2016（8）：1-2