離子交換雙膜原電池裝置的制作與教學(xué)思考

杜愛萍

摘要：以PP塑料板作為裝置的腔體，以硅膠墊片來密封，自制耐溫、耐壓、可持續(xù)使用的雙膜原電池裝置。使用電流傳感器、溫度傳感器對(duì)比測定單液銅鋅原電池與自制雙膜銅鋅原電池的電流、溫度，發(fā)現(xiàn)自制雙膜原電池具有更高的能量轉(zhuǎn)化率。使用氯離子檢測儀、鉀離子檢測儀檢測鹽橋中的離子移動(dòng)方向，使學(xué)生能直觀地感受到鹽橋中離子移動(dòng)的方向。

關(guān)鍵詞：雙膜原電池;離子交換膜;實(shí)驗(yàn)探究;教學(xué)思考

文章編號(hào)：1005-6629（2021）04-0060-04

中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1問題提出

1.1教材引入雙液原電池的教學(xué)意圖與實(shí)際狀況的矛盾

基于核心素養(yǎng)培育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，目標(biāo)指向?qū)φ鎸?shí)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)事實(shí)的發(fā)現(xiàn)和提出有探究價(jià)值的問題，并以此為基礎(chǔ)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。2019人教版必修教材《化學(xué)》（第二冊(cè)）中從能量轉(zhuǎn)換的角度分析了單液原電池的基本概念，在2019人教版化學(xué)選擇性必修1教材中，又引入了雙液原電池的概念。單液原電池到雙液原電池的轉(zhuǎn)變，意在解決兩個(gè)問題：

第一，為了克服單液原電池的電流不穩(wěn)定、放電時(shí)間偏短、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯等問題，同時(shí)也是為了更直觀地表達(dá)化學(xué)電源的真實(shí)狀況;第二，為了凸顯能量轉(zhuǎn)化的教學(xué)目標(biāo)指向?；瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換效率是研究原電池的實(shí)際意義所在，由單液原電池改為雙液原電池，是希望讓學(xué)生感悟到提高能量轉(zhuǎn)換效率的意義。

然而，實(shí)際教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與我們期待的問題解決并不完全一致。筆者以化學(xué)選擇性必修l教材提供的相關(guān)試劑與器材[銅片（3cm×6cm）、鋅片（3cm×6cm）、1mol·L^-1的CuSO₄溶液、1mol·L^-1的ZnSO₄溶液]，采用朗威8.0電流傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)進(jìn)行單液原電池與雙液原電池（U型管瓊脂KCl作為鹽橋）反應(yīng)，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1所示。

反應(yīng)10分鐘，雙液原電池的電流一直穩(wěn)定在10mA，而單液原電池的電流從174mA逐漸衰減至154mA。對(duì)比電流的變化情況，學(xué)生可以觀察到雙液原電池可以獲得平穩(wěn)的電流，而單液原電池產(chǎn)生的電流在逐漸衰減。因此，這個(gè)實(shí)驗(yàn)很好地解決了第一個(gè)教學(xué)問題，即雙液原電池能獲取平穩(wěn)的電流。

而針對(duì)問題二，由于雙液原電池的電流強(qiáng)度（10mA）遠(yuǎn)小于單液原電池的初始電流強(qiáng)度（174mA），能量轉(zhuǎn)換率無法從單、雙液原電池的電流強(qiáng)度對(duì)比上得以說明（見圖1）。這一實(shí)際情況與教材的出發(fā)點(diǎn)背道而馳，也形成了教學(xué)上的困惑。

由于問題二的存在，致使我們?cè)诮虒W(xué)中只能強(qiáng)調(diào)引人雙液原電池的目的是為了獲取平穩(wěn)電流而弱化能量轉(zhuǎn)換的概念。由此帶來一個(gè)值得思考的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)問題：如何在相同條件下，使雙液原電池獲得比單液原電池強(qiáng)度更高的穩(wěn)定電流。

1.2關(guān)于原電池教學(xué)中內(nèi)外電路帶電粒子移動(dòng)的可視化問題亟待解決

原電池概念教學(xué)過程中，無法回避的另一個(gè)問題是關(guān)于原電池放電過程中的帶電粒子的移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，我們可以通過電流表直觀地表現(xiàn)原電池外電路帶電粒子——電子的移動(dòng);然而，對(duì)于內(nèi)電路的帶電粒子——離子的定向移動(dòng)，只有理論表述，可視化程度不高，與現(xiàn)代學(xué)科背景下的教學(xué)要求相距甚遠(yuǎn)，缺失微觀探析所需要的“證據(jù)推理”，由此成為學(xué)生從微觀層面理解原電池原理的障礙，不利于學(xué)生對(duì)原電池工作原理的“模型建構(gòu)”。

2實(shí)驗(yàn)改進(jìn)比較分析：

2.1雙液原電池的改進(jìn)

U型管鹽橋雙液原電池之所以測定的電流（10mA）遠(yuǎn)小于單液原電池的電流（174～154mA），是因?yàn)閁型管鹽橋的接觸面積小，路徑細(xì)又長，導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加較多，使得作為能量表征手段之一的電流強(qiáng)度遠(yuǎn)低于單液原電池的電流強(qiáng)度。

基于此，筆者采用離子交換膜作為隔膜分開正負(fù)兩極，減小內(nèi)阻，替代傳統(tǒng)U型管鹽橋進(jìn)行雙液原電池的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。采用溫度傳感器與電流傳感器從能量轉(zhuǎn)換的兩個(gè)方面來體現(xiàn)雙液原電池具有更高的能量轉(zhuǎn)換率。

2.2以手持技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)電路離子移動(dòng)的可視化

在實(shí)際教學(xué)中，原電池中陰、陽離子的定向移動(dòng)缺失微觀探析的直觀表象，因此決定使用手持技術(shù)這種宏觀、直顯的表現(xiàn)形式將其外顯，希望通過構(gòu)建陰、陽離子交換膜雙膜原電池，并使用氯離子、鉀離子檢測儀來檢測溶液中Cl^-、K⁺的移動(dòng)方向，讓學(xué)生直觀地感受原電池內(nèi)電路中陰、陽離子的移動(dòng)方向。

3實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

3.1陰、陽離子雙膜原電池裝置的制作

離子交換膜裝置制作過程中存在的最大問題是密封性問題。采用熱熔膠方式進(jìn)行裝置的密封雖比較常見，但在使用時(shí)，溶液長時(shí)間浸泡離子交換膜，會(huì)導(dǎo)致交換膜溶脹變形而漏水。

基于密封性考慮，筆者選用PP塑料板作為裝置的腔體材料，腔體與離子交換膜之間通過硅膠墊片來密封。腔體的切割面光滑整齊，便于硅膠墊片的密封;腔體與墊片有一定的軟度，便于鋼板螺絲所產(chǎn)生的外力夾緊密封整個(gè)裝置。

如圖2所示。圖2（a）為裝置的腔體，圖2（b）為裝置所用的墊片，中間鏤空便于溶液中的離子通過交換膜。圖3為雙膜裝置連接示意圖。該裝置耐溫、耐壓，密封性良好。使用一段時(shí)間后，如果離子交換膜破損，可以將螺絲擰開重新?lián)Q上新的離子交換膜持續(xù)使用。

采用該設(shè)計(jì)思路，教師可以設(shè)計(jì)任意的離子交換膜裝置。根據(jù)離子交換膜的個(gè)數(shù)來選擇腔體的個(gè)數(shù)，從而根據(jù)實(shí)際需要來設(shè)計(jì)裝置。如果把腔體→墊片→交換膜→墊片看做一個(gè)整體，記為A，則單膜裝置的連接順序?yàn)锳→腔體;雙膜裝置的連接順序?yàn)锳→A→腔體;三膜裝置則為A→A→A→腔體。裝置搭建好后，最末端的腔體用7 cru×7cm的墊片、7cm×7 cm×1cm的pp板連接，然后再用鋼板以及螺絲將整個(gè)裝置固定（如圖3所示）。

圖4為筆者設(shè)計(jì)的雙膜裝置示意圖，盛有硫酸鋅溶液的腔體構(gòu)成負(fù)極區(qū)域，盛有KCl溶液的腔體構(gòu)成鹽橋區(qū)域，盛有硫酸銅溶液的腔體構(gòu)成正極區(qū)域。陰離子交換膜分開負(fù)極區(qū)域與鹽橋區(qū)域，而陽離子交換膜分開正極區(qū)域與鹽橋區(qū)域。

3.2實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)儀器：電腦、朗威8.0數(shù)據(jù)采集器、電流傳感器（2個(gè)）、溫度傳感器（2個(gè)）、數(shù)據(jù)采集器、氯離子檢測儀、鉀離子檢測儀、自制的陰陽離子交換膜雙膜原電池裝置

實(shí)驗(yàn)藥品：銅片（3cm×6cm）、鋅片（3cm×6cm）、1mol·L^-1的CuSO₄溶液、1mol·L^-1的ZnSO₄溶液、飽和KCl溶液、0.5mol·L^-1的BaCl，溶液、0.5 lnol·L^-1的NaOH溶液

3.2.1實(shí)驗(yàn)一的步驟與結(jié)果

（1）實(shí)驗(yàn)步驟：將銅片、鋅片分別放入雙膜原電池裝置的硫酸銅溶液、硫酸鋅溶液中，組成雙膜原電池。同時(shí)將銅片、鋅片都放人硫酸銅溶液中，組成單液銅鋅原電池。將單液、雙膜銅鋅原電池同時(shí)連接電流傳感器。測得電流隨時(shí)間變化的對(duì)比圖，如圖5所示。

反應(yīng)10分鐘后，將溫度傳感器分別放人雙膜原電池、單液原電池鋅片附近，同時(shí)進(jìn)行溫度、電流的測定，測得的結(jié)果如表1所示。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：反應(yīng)10分鐘后，雙膜原電池的電流一直穩(wěn)定在200mA，而單液原電池的電流在154mA上下浮動(dòng)。

對(duì)比電流的變化情況，學(xué)生可以觀察到雙膜原電池可以獲得平穩(wěn)的電流，而單液原電池產(chǎn)生的電流不穩(wěn)定。雙膜原電池很好地解決了第一個(gè)教學(xué)問題，即雙膜原電池能獲取平穩(wěn)電流。

改進(jìn)后的雙膜原電池的電流強(qiáng)度（20HDmA）遠(yuǎn)大于單液原電池的電流強(qiáng)度（從174mA逐漸下降），從電流強(qiáng)度的數(shù)據(jù)可以看出，雙膜原電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的效率遠(yuǎn)高于單液原電池，有較高的能量轉(zhuǎn)換率。

反應(yīng)10分鐘后，雙膜原電池的溫度為25.0℃，單液原電池的溫度為29.3℃?？梢钥闯觯p膜原電池中化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能的部分遠(yuǎn)小于單液原電池。從能量的角度再一次說明雙膜原電池較單液原電池具有更高的能量轉(zhuǎn)換率。

（3）改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)：第一，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)很好地解決了單液原電池到雙液原電池轉(zhuǎn)換過程中存在的問題：即獲取平穩(wěn)電流和較高的能量轉(zhuǎn)換率。第二，自制雙膜原電池裝置的創(chuàng)新，潛移默化中培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)的能力。第三，手持技術(shù)的應(yīng)用，將抽象的能量轉(zhuǎn)換效率問題以電流、溫度數(shù)據(jù)變化的形式直觀地顯現(xiàn)出來，體現(xiàn)了化學(xué)核心素養(yǎng)中宏觀辨識(shí)與微觀探析的有效結(jié)合。

3.2.2實(shí)驗(yàn)二的步驟與結(jié)果

（1）反應(yīng)一段時(shí)間后，將氯離子檢測儀分別放入硫酸銅區(qū)域、硫酸鋅區(qū)域。由圖6隨反應(yīng)時(shí)間的增加負(fù)極區(qū)（ZnSO₄溶液）中c（Cl^-）在逐漸增加，說明中間鹽橋區(qū)域的Cl經(jīng)過陰離子交換膜移動(dòng)到負(fù)極區(qū);而正極區(qū)（CuSO₄溶液）c（Cl^-）濃度為0，而且隨時(shí)間的增長是一條直線，說明Cl^-沒有移動(dòng)到正極區(qū)。

（2）將鉀離子檢測儀分別放人硫酸銅區(qū)域、硫酸鋅區(qū)域。由圖7可以看出隨反應(yīng)時(shí)間的增加，負(fù)極區(qū)（ZnSO₄溶液）中c（K⁺）濃度為0，而且隨時(shí)間的增長是一條直線，說明K⁺沒有移動(dòng)到負(fù)極區(qū)。而正極區(qū)（CuSO₄溶液）中K⁺濃度在逐漸增大，說明中間鹽橋區(qū)域的K⁺經(jīng)過陽離子交換膜移動(dòng)到正極區(qū)。

（3）取出少許（鹽橋）KCl區(qū)域溶液，分別滴加BaCl₂、NaOH溶液。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：溶液仍然澄清。

（4）實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：第一，該實(shí)驗(yàn)操作直觀、簡單、方便，重現(xiàn)性強(qiáng)，在實(shí)際教學(xué)中能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。第二，采用鉀離子傳感器和氯離子傳感器手持技術(shù)，使學(xué)生直觀地感受到鹽橋中鉀離子、氯離子的移動(dòng)方向。將抽象的理論知識(shí)以直顯的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，降低了學(xué)習(xí)難度，同時(shí)為電解池中陰陽離子交換膜的使用奠定了基礎(chǔ)。第三，手持技術(shù)的應(yīng)用提高了學(xué)生證據(jù)推理能力，同時(shí)建立了原電池溶液中離子定向移動(dòng)的認(rèn)識(shí)模型。第四，離子檢測儀測定結(jié)果與定性的離子檢測結(jié)果完全吻合，體現(xiàn)了現(xiàn)代化學(xué)研究的一個(gè)發(fā)展方向，即定量或半定量的化學(xué)研究將逐步取代傳統(tǒng)的定性研究。

4結(jié)語

以化學(xué)課堂為載體，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新能力是提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵。手持技術(shù)的應(yīng)用是對(duì)高中典型實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新，雙膜原電池的設(shè)計(jì)與制作，以及在實(shí)際教學(xué)中所呈現(xiàn)的宏觀現(xiàn)象、曲線表征等就是對(duì)微觀探析的有力支撐，充分體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科特有的宏觀辨識(shí)、微觀探析、曲線（符號(hào)）三重表征的學(xué)習(xí)特點(diǎn)。

在教學(xué)過程中，充分利用現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)手段（如手持技術(shù)），以定量的曲線表征增加宏觀體驗(yàn)，這不僅僅是提高微觀表征的可視化，以易于理解的方式傳授給學(xué)生，更是體現(xiàn)了現(xiàn)代化學(xué)研究從“定性解釋轉(zhuǎn)向定量解釋”，從“描述化學(xué)轉(zhuǎn)入到理論化學(xué)，并建立理論模型”的發(fā)展方向，讓高中化學(xué)課堂真正成為提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的場所。