原電池實驗的改進與思考*

王月英 葛子剛

(1.合肥市第八中學 2.合肥市第八中學蜀山分校 安徽合肥 230001)

原電池知識在高中化學中占有重要的位置。新教材必修二中，單液鋅銅原電池選擇稀硫酸為電解質溶液，實驗預期現象是鋅片與銅片插入稀硫酸時，鋅片上有氣泡，銅片上無氣泡產生；當導線將鋅片和銅片相連后，銅片上有氣泡，電流計指針偏轉。而實際情況是導線相連后，鋅片和銅片上都有氣泡產生。這種現象容易引起學生對原電池原理的誤解，不利于教學演示。而在新教材選擇性必修一中，雙液鋅銅原電池的鋅片放在硫酸鋅溶液中組成鋅半電池，銅片放在硫酸銅溶液中組成銅半電池，通過鹽橋溝通內電路和平衡電荷，并在電路中串聯一個電流表。

教材中并沒有具體解釋單液原電池為什么效率不高，電流為什么會快速衰減，而改進后加了鹽橋的雙液原電池與單液原電池相比有何優(yōu)缺點，膜電池的研發(fā)來自什么樣的靈感。筆者想通過鋅和硫酸銅的置換這一個反應，將單液原電池、雙液原電池以及膜電池聯系起來，帶領學生沿著科學家的足跡，共同探究從單液原電池到雙液原電池再到膜電池的原電池發(fā)展歷程。

一、實驗改進

傳統原電池實驗一般采用靈敏電流計讓學生觀察電流，但有以下缺點：(1)單液原電池實驗，電流示數大，易超量程，學生只能定性觀察而不能定量分析；(2)雙液原電池因加入鹽橋，內阻變大，導致電路電流大大減小，必須將靈敏電流計進行換擋處理才觀察到指針偏轉，這給學生造成很多疑問和不解。

筆者首先將用音樂片替換傳統原電池實驗中的靈敏電流計。音樂片在通電時會播放音樂，且電流大小的改變可以明顯影響聲音的大小，這樣學生就可以通過直觀的聽覺來感知電流大小和是否衰減，從而解決了靈敏電流計量程問題；然后通過討論鹽橋改進方案引出小風扇微型膜電池實驗；并且借助電流傳感器、溫度傳感器等數字化實驗器材記錄實驗數據以及曲線，引導學生通過觀察數據及曲線的變化趨勢，進一步探究不同構造原電池的優(yōu)缺點，促進學生由定性到定量、由碎片到模型認知思維轉變。

二、實驗過程

(一)實驗儀器：溫度傳感器、電流傳感器、數據采集器、電腦、鋅片、銅片、音樂片、鱷魚夾、原電池盒、鹽橋、濾紙、培養(yǎng)皿、導線、小風扇、鐵架臺等。

(二)實驗試劑：ZnSO4溶液、CuSO4溶液、KCl溶液

(三)實驗步驟：

實驗1：單液原電池

將正極銅片先放入CuSO4溶液，將音樂片/電流傳感器等儀器接入電路，最后放負極鋅片，觀察音樂片發(fā)出的聲音大小和變化特點，同時采集數據。

現象：音樂片一開始發(fā)出的聲音很大，后逐漸減小直至聽不見；鋅片表面附著紅色的銅；傳感器檢測出溶液溫度上升，同時電流衰減明顯(如圖1)。

圖1 單液原電池數字化實驗圖像

實驗2：雙液原電池

銅片放入CuSO4溶液中，鋅片放入ZnSO4溶液，將音樂片/電流傳感器等儀器接入電路，溫度傳感器放在鋅半電池中，不能碰到電極，也不能觸碰原電池盒底部，最后加鹽橋，點擊數據采集。

現象：音樂片發(fā)出的聲音穩(wěn)定，但音量較小；鋅片表面無明顯現象；傳感器檢測出溫度和電流都很穩(wěn)定，但電流很小。

圖2 雙液原電池數字化實驗圖像

實驗3：小風扇膜電池實驗

在培養(yǎng)皿底部墊一張用KCl溶液潤濕的濾紙充當鹽橋，鋅片表面與銅片表面各裹一張KCl溶液潤濕的濾紙，平行放入培養(yǎng)皿中，將小風扇、電流傳感器等儀器正確安裝。

現象：改進后的微型雙液原電池產生的電流能帶動小風扇，并且兩層濾紙做鹽橋比單層濾紙傳感器檢測出電流大，小風扇轉得也更快。

圖3 小風扇膜電池數字化實驗圖像

(四)實驗解釋：

單液原電池中鋅片與CuSO4溶液直接反應并放熱，導致溶液溫度升高；溶液中銅離子濃度減小，鋅片表面附著了一層銅而導致反應接觸面減小，這些是導致單液原電池電流衰減的重要原因。電流在衰減過程中出現波動的原因，是鋅片上附著的銅隨著反應的進行而掉落，致使反應接觸面變大。從整體看，單液原電池電流易衰減且能效不高。

而雙液原電池中，由于加入鹽橋，電流和溫度基本穩(wěn)定，這說明雙液原電池中鋅片與CuSO4溶液沒有直接接觸反應放熱，但因為鹽橋電阻過大，雙液原電池電流很小，所以不太實用。

根據電阻相關知識可知，縮短鹽橋長度、增大鹽橋橫截面積，可以增大電流。實驗3用濾紙做鹽橋，通過實驗可以看出：單層濾紙做鹽橋電流比瓊脂鹽橋電流大些，兩層濾紙做鹽橋電流比單層更大。

(五)實驗評價：

1.本節(jié)課展示了原電池的發(fā)展過程，體現出證據推理與模型認知的化學核心素養(yǎng)；經歷探究原電池如何提供穩(wěn)定持續(xù)電流的過程，了解科學探究的步驟，體現出實驗探究與創(chuàng)新意識的化學核心素養(yǎng)；在合作學習的過程中，體現出宏觀辨識與微觀探析的化學核心素養(yǎng)；平等和諧、積極踴躍的學習氛圍，體現出科學精神與社會責任的化學核心素養(yǎng)。

2.傳統實驗與數字化實驗相結合，化定性為定量，化靜態(tài)為動態(tài)。借助溫度和電流傳感器實時監(jiān)測實驗過程中溫度和電流的變化并繪制曲線，靈敏度高，實驗結果更有說服力；通過宏觀、微觀、符號、曲線四重表征，幫助學生理解原電池工作原理，有效提高課堂效率，開闊學生視野。

3.原電池膜實驗的微型化改進，既方便學生分組實驗，又節(jié)約藥品，符合綠色化學要求。