用鹽橋設計電化學實驗探究兩個模糊問題

摘要：利用輸液軟管先制作鹽橋，對中學化學中濃硝酸能鈍化鐵的底限濃度、鋁與同濃度鹽酸和氫氧化鈉溶液反應的難易程度等模糊問題進行了電化學實驗的設計與研究。

關鍵詞：鹽橋； 鈍化； 電極電勢； 濃度

文章編號：1005－6629(2010)11－0010－03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：C

在電化學反應中，我們常用鹽橋將電池中的兩種被分隔開的電解質溶液連接起來用于溝通兩個半電池，以降低液接電勢，保持電荷平衡，使反應得以繼續進行。我們用輸液軟管制作了鹽橋并對兩個中學化學模糊問題進行了電化學實驗的設計與研究，現介紹如下，愿與同行探討。

1鹽橋制作[1]

（1）取少量瓊脂固體在研缽中研細，置于小燒杯中加適量蒸餾水。加熱煮沸至糊狀且無明顯顆粒存在，繼續加約4 g KCl固體（也可選用KNO3固體等，一般瓊脂與鉀鹽固體質量比大致控制在1∶4左右），攪拌均勻；

（2）截取幾段輸液軟管，借用注射器趁熱使整條軟管吸滿瓊脂（不能有氣泡），冷卻備用。

2問題探索

2.1能使鐵鈍化的濃硝酸的底限濃度是多少？

常溫時，鐵（或鋁）在濃硝酸（或濃硫酸）中其表面會生成一層致密的氧化膜，從而阻止內部的金屬與酸進一步反應的現象叫鈍化[2]，但當硝酸濃度變稀時鈍化現象則會消失。很自然地，許多學生會問那么能使鐵發生鈍化的硝酸的最低濃度是多少。我們認為，這一模糊問題若能讓學生以課題的形式進一步分析研究，對提高學生的探究能力還是很有價值的。在掌握原電池的知識后，筆者便與學生們一起作了一番探究。

由于鐵在冷的濃硝酸中鈍化，而銅則沒有這種性質，學生們提出可使Cu—Fe與濃硝酸組成原電池。起先，鐵發生鈍化而銅電極會與硝酸反應作負極；若對鐵電極附近酸稀釋，隨著硝酸濃度降低直至某一時刻鈍化現象便會消失，鐵因比銅活潑而“反客為主”成為負極。若在電路中預先串聯一靈敏電流計便可觀察到指針的反轉，而反轉時刻即為能使鐵鈍化的硝酸的臨界濃度。基于以上分析，我們設計了圖1裝置，具體操作過程與現象為：

實驗1：（1）用10 mL 的量筒分別量取5.0 mL濃硝酸（65 % ，分析純 ，密度為1.40 g·mL-1 ，浙江三鷹化學試劑有限公司出品）注入兩支具支試管，浸沒鹽橋兩端，然后按圖1組裝好實驗裝置 ；

（2）將粗的鐵絲與銅絲同時插入濃硝酸中，觀察到靈敏電流計指針先指向銅絲但又迅速反轉（只需1～2 s ），穩定后指針偏向鐵絲一端 。說明使用濃硝酸鈍化鐵絲速度快，指針穩定后鐵電極為正極；

（3）用盛有蒸餾水的5 mL 的注射器邊向具支試管內滴加蒸餾水邊混合均勻（可輕微振蕩具支試管，控制溶液溫度在室溫附近，也可采用水浴控制混合液溫度），并注視電流計指針的偏轉方向。在指針恰好發生反轉時記錄此刻注射器已注入的水量 V(mL)。

實驗過程中，在控制混合液溫度恒定前提下應盡可能縮短蒸餾水滴加過程，以減少金屬電極與酸接觸的時間。在室溫為17.2 ℃ 時，筆者重復上述實驗測出三次實驗結果分別為 2.6 mL、2.3 mL、2.4 mL，求得 平均V為 2.4 mL ，據此，可計算得能使鐵鈍化的最低濃度約為 51 %(約10.7 mol·L-1)。在此基礎上，筆者繼續配制了51 % 的硝酸溶液并直接置于具支試管按圖1進行實驗，發現電流計指針穩定后仍有指針偏向鐵電極的現象，但達到穩定的過程耗時較濃硝酸時更長（需10 s 以上）；若使用更低的硝酸濃度（如49 %、47 %、45 %等）時則均未發現指針偏向鐵電極的現象，說明該濃度的硝酸已不能鈍化鐵。

按上述的實驗方法，我們也還可以嘗試簡單地測定其他一些金屬與酸能發生鈍化現象時的底限濃度。

2.2鋁與等濃度的鹽酸、NaOH溶液反應時哪個更容易？

我們知道，金屬鋁能與鹽酸反應，也能與 NaOH 溶液反應：2Al+6HCl=2AlCl3+3H2↑、2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑。那么，相同的鋁片分別與等物質的量濃度的鹽酸、NaOH溶液反應時哪個相對更容易些？化學實驗是最高法庭！我們設計了圖2的實驗裝置進行探究。

實驗2： 室溫（18.6 ℃）下， 在甲、乙兩個小燒杯中分別盛放一定量1.0 mol·L-1的鹽酸和NaOH溶液并用鹽橋溝通，將兩片相同的鋁片（預先除去氧化膜）串聯一靈敏電流計后分別插入兩種電解質溶液。可觀察到電流計指針指向燒杯甲，說明NaOH溶液一端的鋁片作負極。

實驗現象表明NaOH溶液與鋁反應的電動勢明顯高于等濃度鹽酸與鋁反應的電動勢。我們知道，鋁與NaOH（或鹽酸）反應的電動勢隨溶液中c（OH-）[或c（H+）]的增大而上升， 那么通過調整NaOH溶液和鹽酸的濃度是否可以使實驗圖2裝置中指針的反轉呢？我們又配制了不同濃度的兩者溶液，繼續重復實驗2的探究。

我們選用物質的量濃度為0.50、0.10、0.050、0.025、0.010、0.0050 mol·L-1的NaOH溶液分別與濃度為2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0、14.0 mol·L-1的鹽酸進行排列組合后進行測試，共測試了42對。實驗結果表明，除NaOH溶液和鹽酸濃度分別為0.010-12.0、 0.010-14.0、 0.0050-8.0、 0.0050-10.0、 0.0050-12.0、 0.0050-14.0（mol·L-1）等六對外，其余 36 對實驗中靈敏電流計指針方向均偏向燒杯甲，即都以鹽酸中鋁電極為電池正極、NaOH溶液中的鋁電極為負極。

上述的實驗結果同樣表明，鋁在堿性溶液中失電子的能力比在酸性溶液中失電子能力要強的多。按圖2的裝置實驗探究時，在絕大部分情況下該原電池裝置應為甲燒杯內的鋁片（浸在鹽酸溶液中）為正極，乙燒杯中的鋁片（浸在NaOH溶液中）為負極；除此以外，定量的實驗結果也顯示一般只有當鹽酸濃度大于10.0 mol·L-1且NaOH溶液濃度控制在0.010 mol·L-1以內時靈敏電流計指針才有可能反轉，即鹽酸濃度必須在NaOH溶液濃度的千倍之上。可見，按圖2裝置形成的原電池在一般條件下我們都可以認為是以浸泡在NaOH溶液中鋁電極作原電池負極的！

3教學反思

（1）從上面兩則實驗中我們可以得到一些啟示，只要細心分析、巧妙設計、大力實踐，實驗探究是解決疑難問題的一劑良方。

（2）新課程的實施中新啟用的化學教科書因限于教材篇幅以及學生認知水平等因素，在描述某些化學知識時往往有意點到即止不再拓展深究，難免讓人會有模糊不明確的感覺。這些內容一般不是考試的重點甚至壓根兒就不是考點，因此很多一線教師在教學處理時即使碰到有學生質疑時也常采取或回避、或搪塞的處理方式。但若能以此作為學生知識生長點引導學生積極探究，讓學生在困惑中實踐，在實踐中感悟，在感悟中提升，對培養學生探究意識、提高學生探究水平是大有裨益的。

參考文獻：

[1]陸燕海，計麗．介紹一種鹽橋制作的新方法[J]．化學教學，2010（2）：11．

[2]王祖浩．普通高中化學課程標準實驗教科書《必修1》[M]．南京：江蘇教育出版社，2009．

[3] http://chemlab.qdu.edu.cn/html/other/bzdjdw.htm．