便攜式微量化電化學電池與電解實驗的設計

關曉鵬 汪青

摘要：基于對中學電化學相關實驗的分析，結合相關文獻研究，采納了微量化學實驗的諸多優勢，設計出了便攜式電化學電池與電解實驗裝置。從便攜式電化學電池裝置的組裝與測試、電池的串聯組裝與測試 、電解裝置的制作與測試三個方面，詳述了便攜式實驗裝置的制作過程。并從電化學電池、電解原理分析了實驗裝置的設計與制作原理。

關鍵詞：便攜式；微量化實驗；電化學電池；電解；實驗設計與改進

文章編號：1005–6629（2016）5–0068–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

隨著環保教育的逐步深入，微量化學實驗掀起了一股風潮[1，2]。所謂微量化學實驗就是在保證試劑用量少、污染少、省時間、易操作的同時，仍使用常規儀器、裝置，達到常規演示實驗的可見度[3]；也指將原來傳統實驗裝置改良成體積小、輕便易攜帶的微量化學實驗裝置。后者除了使實驗現象依然足夠明顯之外，還具有便于攜帶的優點，方便教師開展實驗教學[4]。因此，筆者著重探索針對后者的微量化學實驗裝置的設計與制作。

高中有關電化學的實驗中，無論是電化學電池或電解池，通常會涉及重金屬鹽類的使用以及有毒廢液的排放，加上實驗器材繁瑣，實驗準備工作往往造成教師不少的負擔。筆者之前基于對教材電解飽和食鹽水實驗裝置的比較以及某些相關文獻的研究，設計了電解飽和食鹽水相關系列趣味實驗，并在此基礎上，根據趣味實驗的設計原理及裝置拓展了電解相關實驗[5]。正是認識到微量化學實驗的諸多優勢，也受此啟發，筆者繼續對電化學相關實驗開展研究，設計出便攜式微量化電化學電池與電解實驗裝置。本實驗利用手邊容易取得的如濾紙、化妝棉、吸管以及同軸纜線等材料，制作便攜式的微量化電化學教具，除了達到減量、減廢的環保效果外，更能減輕教師實驗準備工作的負擔。

1 實驗儀器和藥品

1.1 儀器

塑料培養皿1個（含蓋）、鱷魚夾的紅色與黑色導線各1條、濾紙、1mL塑料滴管、濕紙巾、金屬片（Zn，Mg，Cu，Ni）、砂紙1張、鋁箔紙、不銹鋼鐵絲、銅絲（約15cm長）、三用電表、熱熔膠和熱熔膠槍1組

1.2 藥品

0.1 mol/L硫酸鎂（MgSO4）、0.1 mol/L硫酸鋅（ZnSO4）、0.1 mol/L硫酸銅（CuSO4）、0.1 mol/L硫酸鎳（NiSO4）、0.1 mol/L硝酸鉀（KNO3）、0.1 mol/L硫酸鈉（Na2SO4）、0.1 mol/L氯化鈉（NaCl）、酚酞指示劑、小蘇打粉

2 實驗步驟

2.1 便攜式電化學電池裝置的組裝與測試

（1）取一張濾紙（或卸妝棉），剪成十字狀，置于一塑料培養皿中，并在濾紙的四個端點上滴加鎂、鎳、鋅及銅四種金屬的硫酸鹽溶液3～5滴，接著將長約1cm的四種金屬片，覆蓋于相關鹽類溶液上，略微緊貼濾紙。隨后將內裝KNO3溶液的滴管，輕輕地點在兩金屬間的濾紙（或卸妝棉）上，當作鹽橋，完成微量化電化學電池裝置。相關裝置示意圖如圖1所示。

（2）利用三用電表的紅色和黑色測試棒，輕壓金屬片，測量兩兩金屬間的電位差。利用測量到的電位差值，探討電子的流出方向以及判斷電池的正極和負極。相關測試圖如圖2所示。

2.2 便攜式電化學電池的串聯組裝與測試

（1）為了方便電位差的測量，稍微改裝微量化電池：首先將吸管剪成與塑料培養皿等高的四小段，再用熱熔膠將四小段的吸管兩兩相對地黏于塑料培養皿內部，取濕紙巾剪成十字狀（或以卸妝棉剪開呈長條形，呈十字交錯），鋪壓在培養皿內。然后將硫酸鎂等金屬鹽類水溶液，以滴管滴2～4滴在相對的吸管中。最后放入彎折的金屬片在吸管內并固定（底部須碰到浸濕的卸妝棉）。相關組裝如圖3所示。

（2）以鱷魚夾導線連接Mg-Cu電池的Cu與另一個Mg-Cu電池的Mg兩端，并以三用電表探測棒輕壓兩電池的Mg與Cu兩端，測量電位差。改變不同的接法，探討電池串聯方式不同對電壓的影響，并測試如何安裝和串聯可以創造出最大的電池電位差。三個Mg-Cu電池的串聯組裝如圖4所示。

2.3 便攜式電解裝置的制作與測試

（1）電解筆的制作：將長約15cm的銅線（或白鐵線），從滴管頂端貫穿到塑料滴管的口，銅線分別露出滴管管口和頂部的長度約1～3cm，用尖嘴鉗將兩端露出的銅線（或白鐵線）彎曲呈圓弧型，此即完成的電解筆。相關制作如圖5所示。

（2）電解池裝置的制作：裁剪適當大小的鋁箔紙并將培養皿包覆，再將濾紙放入包覆鋁箔紙的培養皿中，然后將兩端附有鱷魚夾的紅色導線的一端夾在包覆鋁箔紙的培養皿上，兩端附有鱷魚夾的黑色導線的一端則夾在電解筆頂端露出的電解筆上，然后紅色導線與導線另一端連接9V電池，此即完成了微量化電解池裝置部分。相關制作、組裝如圖6所示。

（3）氯化鈉電解測試：電解池中可先用氯化鈉水溶液滴在濾紙上使濾紙均勻潤濕，然后在濾紙上以噴霧罐均勻噴上酚酞溶液，最后將9V電池的負極用鱷魚夾導線連接電解筆，電池的正極導線用鱷魚夾夾住鋁箔，開始通電進行電解。當電解筆在濾紙上書寫或畫圖，觀察濾紙上是否有顏色。將正負極交換，觀察顏色是否發生變化？相關測試如圖7所示。

3 原理與概念

3.1 電化學電池

電化學電池實驗是利用局部潤濕的濾紙取代燒杯和U型管鹽橋，在培養皿中進行反應，并以三用電表的讀數為根據，判斷電子的流出方向，藉以判斷金屬活性的大小。四種金屬在25℃、溶液濃度為1 mol/L下的標準氧化電位大小約如[1]～[4]所示：

兩金屬的半電池標準氧化電位不同，活性大的金屬易失去電子，標準氧化電位高；活性小的金屬不易失去電子，標準氧化電位低；電子由高氧化電位電極流向低氧化電位電極。以鋅銅電池為例，其電池簡略表示法如圖8所示：

電池的標準電位差為陽極氧化電位減去陰極氧化電位，鋅銅電池的標準電位差0.76V-（-0.34V）=1.10V。不過，實際上測量的電位會因溫度、有效濃度（活度）以及半電池的內電阻等因素而略為降低。

3.2 電解池

實驗使用一個培養皿、鋁箔紙、以電解液潤濕的濾紙為電解槽，插入銅線的塑料滴管作為電解筆。當外接9V的干電池，銅電極一接觸到潤濕的濾紙上方時，隨即與濾紙下方的鋁箔電極形成通路，濾紙上、下兩面分別發生還原與氧化反應。若電解液為NaCl溶液，電池的負極與銅制電解筆相連，電池的正極與鋁箔相連時，則其兩極的反應，如式[5]～[6]所示：

堿遇酚酞呈紅色。

4 安全注意及廢棄物處理

電化學電池的實驗結束后，可將培養皿蓋好，減少水分蒸發，以便于下次實驗使用。若已蒸發變干，則再次滴加1～2滴蒸餾水即可。濾紙（或化妝棉）回收前，沾取少量小蘇打粉后，按照一般實驗室廢棄物回收。

參考文獻：

[1]張鳳瓊.初中化學微量化實驗的研究[J].化學教學，2010，（6）：15～17.

[2][3]李光珍.高中化學微量化實驗的開發[J].化學教學2014，（5）：57～58.

[4]許國霞，姚建軍，常季春.電解氯化銅溶液的微量化改進實驗[J].化學教與學，2012，（11）：95～96.

[5]關曉鵬，汪青.基于電解飽和食鹽水教材分析的系列趣味實驗設計[J].化學教與學，2015，（9）：86～87.