化學實驗探究中雙液原電池裝置的應用

楊永紅

（新疆石河子第一中學，新疆石河子 832000）

引 言

電化學是化學實驗環(huán)節(jié)中非常重要的一部分，電化學實驗中涉及對氧化還原反應的知識和對一些電子儀器，如電流表、電壓表之類的應用，屬于化學實驗中較難理解的部分。而雙液原電池將原電池中的氧化反應和還原反應區(qū)分開來，有助于在實驗中更為細致地分別觀察氧化反應和還原反應的過程，并理解其反應機制，因此雙液原電池在化學實驗中有著非常廣泛的應用。

一、雙液原電池

原電池是電化學中一種常見的實驗裝置，在原電池中氧化劑（電解質溶液）和還原劑（陽極）都處于同一個容器中，因此對于反應的效率會產生一定影響，不利于在實驗中對氧化反應和還原反應進行理解和分析。而雙液原電池將陰極和陽極分別置于兩個盛有電解質溶液的容器中，中間通過鹽橋連接，氧化反應和還原反應分別發(fā)生在兩個容器中，可以不受干擾地分別進行，有利于對氧化反應和還原反應進行區(qū)分和理解。

二、雙液原電池在化學實驗中的應用

（一）研究外界條件對反應物氧化性和還原性的影響

一般來說，物質的氧化性和還原性會受到溫度、pH 值、催化劑等的影響。在實際實驗中，我們通常需要研究不同外界條件對物質氧化性或還原性的影響，以及影響的程度。因此，我們可以使用雙液原電池探究不同的外界條件對物質氧化性和還原性的影響，下面將闡述一種利用雙液原電池探究外界條件對Mn4+的氧化性和Cl-的還原性的影響，使用的是MnO2/NaCl 雙液原電池。

圖1 MnO2/NaCl雙液原電池反應示意圖

借助圖1中的實驗裝置可探究pH 值對Mn4+和Cl-的氧化還原反應特性的影響，其中U 型管底部為膠質鹽橋，將U型管兩端分隔開，形成了一個雙液原電池。在實驗中，我們將等量的酸溶液滴入U 型管的兩端，可以判斷pH 值小于7 時，對Mn4+和Cl-的氧化還原反應特性的影響，或是將等量的堿溶液滴入來判斷pH大于7時對Mn4+和Cl-的氧化還原特性的影響，實驗結果可根據電壓表的偏轉方向得出，當電壓表的示數增大時，說明外界條件對Mn4+的氧化性影響更大；當電壓表的示數減小時，說明外界條件對Cl-的還原性的影響更大。

（二）排除氧化劑和還原劑之間的干擾

雙液原電池采用兩個容器將氧化反應和還原反應分隔開，并通過中間相連的鹽橋實現電子的轉移，可使氧化反應和還原反應在兩個容器中穩(wěn)定進行，可排除容器中離子的相互作用，對于實驗中分別研究氧化反應和還原反應非常有幫助[1]，下面將介紹一種利用雙液原電池排除干擾的特性來研究Fe2+和NO3

-的氧化還原反應的實驗裝置。

圖2 FeSO4/HNO3雙液原電池反應示意圖

與一般的原電池反應不同，Fe2+和NO3-的氧化還原反應在單容器和在雙容器中的反應過程是不同的，圖2是一種研究Fe2+和NO3-的氧化還原反應的雙液原電池實驗裝置，與圖1相同，仍是使用底部的膠質鹽橋將U 型管分隔開，形成一個雙液原電池。Fe2+和NO3-的電化學反應與其他物質的電化學反應不同，在單容器原電池中，Fe2+會與NO3-的反應產物NO進一步發(fā)生反應生成棕色的Fe(NO)2+,會干擾實驗現象，不利于分析實驗。而在雙液原電池中，可將Fe2+與NO3-的反應分隔開來，其中左側反應為Fe2++e-→Fe3+；右側的反應為NO3-+e-→NO，這樣生成的NO 會直接逸出U 型管而不與Fe2+發(fā)生反應，便于通過U 型管兩側溶液的顏色分析實驗現象。對于其他容易發(fā)生中間反應的原電池，都可以使用雙液原電池將氧化劑和還原劑分隔開，從而避免中間反應和中間產物干擾實驗。

（三）解決反應競爭問題

反應競爭是化學反應中一種常見現象，但有時反應競爭會干擾化學實驗，還會使實驗過程無法進行。一般來說，電化學反應中的反應競爭有氧化劑與還原劑之間的相互競爭；電化學反應與復分解反應和絡合反應之間的相互競爭等[2]。而雙液原電池將氧化反應和還原反應分開的特點可以防止競爭反應的發(fā)生，保障實驗過程順利進行，下面將闡述一種使用雙液原電池的特性阻止競爭反應的實驗。

圖3 KI/AgNO3雙液原電池實驗示意圖

圖3是一種研究Ag+和I-的氧化還原反應的雙液原電池，使用兩個燒杯分別盛裝KI 溶液和AgNO3溶液，中間通過裝有膠質鹽橋的U 型管連接。采用這種實驗裝置的原因是常規(guī)的實驗手段一般無法研究Ag+和I-的氧化還原反應，因為Ag+和I-的復分解反應的競爭力遠大于氧化還原反應的競爭力，因此將Ag+和I-置于同一容器中時，會首先發(fā)生復分解反應形成AgI 沉淀物而不會發(fā)生氧化還原反應。對于這種有競爭反應的物質，我們可以采用圖3中的雙液原電池進行研究，這種雙液原電池通過兩個容器阻隔兩種反應物，但中間通過膠質鹽橋保證了電子在兩個容器之間的流通，因此可以保證在發(fā)生氧化還原反應的同時不發(fā)生復分解反應生成AgI 沉淀物，便于對Ag+和I-的氧化還原反應進行研究。

結 語

原電池是電化學中的重要知識點之一，雙液原電池在化學實驗中也有廣泛的應用，因此本文對雙液原電池在化學實驗中的應用進行了研究。雙液原電池可將氧化反應與還原反應分隔開來，在化學實驗中，雙液原電池可用于研究外界條件對反應物和反應性質的影響；排除原電池中中間產物對氧化還原反應的干擾；阻止原電池中競爭反應的發(fā)生，可研究一些特殊反應物的氧化還原反應；對某些反應進行定量化研究，通過雙液原電池中的高精度電流表的示數來推算反應物的精確濃度值等。以上幾點就是本文對雙液原電池在化學實驗中的應用的研究結果。實際上，雙液原電池在化學實驗中的應用非常廣泛，受篇幅限制，本文研究的深度有限，希望后續(xù)的研究能夠更加深入細致。