雙液原電池鹽橋的實驗改進

杜愛萍 蘆琴燕

摘要：基于實驗教學操作簡便、直觀明了的原則，作者對蘇教版《化學反應(yīng)原理》電化學專題中雙液原電池的U型管鹽橋進行了改進，分別得到了紙條狀鹽橋（包括濾紙條、棉布條以及濕紙巾）和瓊脂塊鹽橋兩種改進方案。對于前者，作者對紙條狀鹽橋的不同材質(zhì)進行了導電性能對比;對于后者則進一步研究了瓊脂塊鹽橋中KCl的濃度及瓊脂塊的厚度兩個因素對雙原液電池性能的影響，并從中得出了瓊脂塊鹽橋制備的最優(yōu)方案。

關(guān)鍵詞：鹽橋改進;電化學

文章編號：1008-0546（2019）11-0080-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2019.11.022

一、問題提出

蘇教版《化學反應(yīng)原理》教材在第二單元“化學能與電能的轉(zhuǎn)化”講述原電池的工作原理時引入了鹽橋的概念。由于單液鋅銅原電池電流不穩(wěn)定，故采用U型管鹽橋構(gòu)成雙液原電池。鹽橋的引入，意在獲得平穩(wěn)、持續(xù)而顯著的電流。然而，在實際教學中則出現(xiàn)了以下兩個問題：一是鹽橋都是教師事先制備好的，學生對于U型管內(nèi)的物質(zhì)沒有概念，不利于學生對鹽橋真實結(jié)構(gòu)及其工作原理的理解。二是在實際使用U型管鹽橋時，發(fā)現(xiàn)其構(gòu)成的雙液原電池電流7.6mA，非常小，遠小于相同條件下單液原電池的電流（360mA），這一實際情況與教材引入鹽橋的出發(fā)點不盡相同，容易對教學造成一定的困擾。筆者針對在實際教學中的上述兩個問題，對U型管鹽橋進行了改進。

二、實驗方案改進

為了實驗的可對比性和數(shù)據(jù)的準確性，雙液鋅銅原電池的構(gòu)成筆者均采用實驗室普通且狀況相同的鋅片和銅片，鋅片為負極，銅片為正極，負極池電解質(zhì)溶液為1.Omol.L-1的ZnS04溶液，正極池為1.Omol·L-1的CuSO4溶液。原電池的電流均采用軟件朗威8.0進行測定。

針對前述的問題一，筆者首先設(shè)計了濾紙條鹽橋[1][2]：將濾紙折成約3.5cm×12cm x0.2cm的條狀，室溫條件下在飽和KCl溶液中浸泡一分鐘，取出后代替U型管鹽橋搭在正負極電解質(zhì)池之間，兩電極銅片、鋅片與濾紙緊密接觸，兩電極之間距離為2cm，構(gòu)成雙液原電池（裝置如圖1（上）所示）。實驗結(jié)果表明，在其他條件都相同的情況下，濾紙條鹽橋構(gòu)成的雙液原電池所產(chǎn)生的電流為10.8mA，與U型管鹽橋（7.6mA）相當。另外，筆者用相同大小的棉布條和濕紙巾（材料為無紡布）分別代替濾紙條重復實驗，實驗結(jié)果表明，相同情況下，棉布條和濕紙巾構(gòu)成的原電池所產(chǎn)生的電流分別為12.4mA和21.5mA，由此可見，鹽橋巾吸附KCl飽和溶液的材料不同，電池的放電效率也有所差異，其中濕紙巾（無紡布）的效果相對較好。通過查閱文獻，筆者發(fā)現(xiàn)實際生產(chǎn)研究中，很多電池，如鋰離子電池等，其電池內(nèi)部就是采用與濕紙巾類似的無紡布材料作為正負極隔膜[3]。濕紙巾（無紡布）由于其材質(zhì)較好的親水性及材料較高的孔隙率，較濾紙條和棉布條對KCl溶液具有更好的親液性和保液性，是離子的良導體，在電解液中電導率較高，從而相同條件下產(chǎn)生的電流更大。

紙條狀鹽橋（包括濾紙條、棉布條和濕紙巾）的優(yōu)點在于可以直接在課堂上制作該鹽橋，操作簡便，學生可以通過對比發(fā)現(xiàn)濕紙巾（濾紙條或棉布條）與U型管鹽橋中瓊脂的作用類似，讓學生更深入地理解鹽橋的構(gòu)成和工作原理。同時，借助有色離子在紙條上的定向遷移，學生可以直接觀察到原電池內(nèi)部陰、陽離子的遷移方向，讓原電池內(nèi)部工作原理可視化，使學生突破對原電池的學習難點。

針對問題二，筆者認為使用U型管鹽橋后電流變小的主要原因可能有兩個：一是U型管鹽橋的路徑太長，二是U型管管口與電解質(zhì)溶液的接觸面積太小，兩者均導致雙液原電池的內(nèi)阻變大，故電流變小?；谏鲜龇治觯覀儗}橋做了以下改進：在1OOOmL沸水中先加入7g瓊脂，加熱使其完全溶解，再加入200g KCl固體，繼續(xù)加熱，直至KCl完全溶解，停止加熱。等溶液冷卻至50℃左右，趁熱倒在一個矩形電解槽中，待冷卻凝固后用小刀將裝置內(nèi)兩邊多余的瓊脂除去，只留中間一堵厚度為3cm的“墻”，即形成了瓊脂塊鹽橋4（如圖1（下）所示）。改進后的鹽橋路程較短，接觸面積大大提高，在相同條件下產(chǎn)生的電流（820mA）遠遠大于U型管鹽橋中的電流（7.6mA）。

筆者將幾種原電池在相同情況下產(chǎn)生的電流進行了對比，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，瓊脂塊鹽橋?qū)?yīng)的電流遠遠大于U型管鹽橋的電流，也遠大于單液原電池的電流，同時電流穩(wěn)定而持續(xù)，相比之下，紙條狀鹽橋（包括濾紙條、棉布條和濕紙巾）的電流較U型管鹽橋沒有太大的優(yōu)勢（濕紙巾鹽橋相對較好，其電流是U型管鹽橋的近3倍），但紙條狀鹽橋具有操作簡便、學生觀察直觀且深入的優(yōu)點，另外，若增加紙條（濾紙條、棉布條或濕紙巾條）的數(shù)目或加寬紙條兩端與電解質(zhì)溶液的接觸面積，原電池的電流將成倍上升。

三、瓊脂塊鹽橋優(yōu)化

筆者在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，瓊脂塊鹽橋制備時KCl的濃度以及瓊脂塊的厚度對原電池產(chǎn)生的電流有一定的影響，因此，為了使原電池能形成相對較大、較穩(wěn)定的電流，筆者從鹽橋制備巾KCl的用量、鹽橋的厚度兩方面進行了瓊脂塊鹽橋最優(yōu)制備方案的探究。

1.瓊脂塊鹽橋中KCl含量的影響

蘇教版《化學反應(yīng)原理》教材指出“鹽橋中通常裝有含KCl飽和溶液的瓊脂”，但筆者在配制鹽橋內(nèi)容物時發(fā)現(xiàn)，若先制得KCl飽和溶液，再向其中加入瓊脂，則瓊脂的溶解度很小，溶解的瓊脂不足以使溶液形成凝膠狀。于是筆者調(diào)整加料順序，先在1OOOmL熱水中加入7g瓊脂（該瓊脂用量是筆者通過實驗對比優(yōu)化后得出的），使其完全溶解后再加入340gKCl固體[5]（20℃，1OOOmL水中KCl的溶解度約為340g），完全溶解后趁熱倒入矩形電解槽中，冷卻后便可制得定型的瓊脂凝膠。但在冷卻過程中，筆者發(fā)現(xiàn)瓊脂凝膠中有大量似雪花狀的KCl晶體析出（如圖3所示），經(jīng)實驗測定，由該瓊脂塊鹽橋構(gòu)成的原電池產(chǎn)生的電流極不穩(wěn)定，筆者認為該電流不穩(wěn)定的現(xiàn)象是由瓊脂塊鹽橋固相不均一性引起的。

因此，筆者制備了不同KCl含量的瓊脂塊鹽橋，以探究KCl含量對鹽橋性能的影響。首先從瓊脂塊鹽橋的固相均一性考慮，實驗結(jié)果（如表1所示）表明，在1OOOmL水、7g瓊脂的溶液中加入KCl固體不大于250g時可以制得固相均一性較好的鹽橋。

同時，筆者將制得的不同KCl含量的瓊脂塊鹽橋構(gòu)成銅鋅原電池，并對其進行電流測定實驗。由實驗結(jié)果（如圖4所示）可知，在鹽橋厚度相同時，鹽橋中KCl濃度越大，單位時間內(nèi)傳輸?shù)碾x子越多，溶液內(nèi)阻越小，實驗所測得的電流越大。但是用固相不均一的鹽橋進行實驗時（如KCl含量為340g/L時），由于鹽橋中KCl分布不均勻，電流非常不穩(wěn)定，無法測定準確的電流值。圖4中KCl含量為300g/L時的電流為所測初始電流，電流不穩(wěn)定，很快出現(xiàn)衰減，而KCl含量降低至250g/L后，可以測得比較穩(wěn)定的電流。在配制得到的均相鹽橋中，鹽橋厚度相同時，隨著KCl含量的增加，實驗測得的電流逐漸增大。綜合上述實驗結(jié)果，筆者認為在1OOOmL沸水中先加入7g瓊脂，完全溶解后加入200-250g KCl固體，冷凝后制得的鹽橋固相均一，實驗效果相對最好。

2.瓊脂塊鹽橋厚度的影響

圖4所得的實驗結(jié)果也表明：當鹽橋中KCl含量一定時，鹽橋厚度越小，內(nèi)阻越小，所測得的電流越大。對比不同KCl含量的鹽橋的電流一厚度曲線，筆者發(fā)現(xiàn)，當鹽橋厚度大于2cm時，上述瓊脂塊鹽橋均可得到較穩(wěn)定的電流。當鹽橋厚度減小至2cm以下時，產(chǎn)生的電流高達1.2A以上，但此時的電流開始趨于不穩(wěn)定。針對該現(xiàn)象，筆者認為原因在于：當實驗過程中電流較大時，鹽橋中需要傳輸?shù)碾x子也相應(yīng)增多，而此時過窄的瓊脂塊鹽橋無法提供給離子穩(wěn)定的傳輸介質(zhì)，從而引起了電流的不穩(wěn)定，另外電流過大時，電池的正負極極化增強，伴隨副反應(yīng)加劇，也導致電流不穩(wěn)定。因此，實驗時瓊脂塊鹽橋的厚度宜取2-3cm。

四、結(jié)語

針對U型管鹽橋存在的不足，筆者得到了紙條狀鹽橋（包括濾紙條、棉布條以及濕紙巾）和瓊脂塊鹽橋兩種改進方案。紙條狀鹽橋雖然在其對應(yīng)的雙液原電池所產(chǎn)生的電流大小上較U型管鹽橋沒有太大的優(yōu)勢（當然濕紙巾鹽橋的對應(yīng)電流是U型管鹽橋的近3倍），但是其操作簡便，學生觀察學習直觀明了，同時對比紙條與瓊脂作用的共性，加深對鹽橋工作原理的理解;瓊脂塊鹽橋的對應(yīng)電流則遠遠大于U型管鹽橋，甚至遠大于單液原電池的電流，并且大電流持久而穩(wěn)定，這更便于教學過程中通過實驗現(xiàn)象科學合理地引入鹽橋并進一步講解鹽橋。同時，瓊脂塊鹽橋?qū)型管鹽橋的內(nèi)容物直接暴露在外，使學生對鹽橋真實結(jié)構(gòu)的了解更為直觀。另外，筆者還獲得了瓊脂塊鹽橋中KCl含量、鹽橋厚度兩個因素對瓊脂塊鹽橋性能的影響，并得出了瓊脂塊鹽橋的最優(yōu)制備方案：1OOOmL水中趁熱溶解7g瓊脂，再加入200-250g KCl固體，冷卻后將鹽橋厚度切至2-3cm為宜。

參考文獻

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