利用手持技術(shù)解決原電池教學(xué)中的認(rèn)知難點(diǎn)

◇　北京　宋兆爽　指導(dǎo)教師　王　春

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利用手持技術(shù)解決原電池教學(xué)中的認(rèn)知難點(diǎn)

◇北京宋兆爽1指導(dǎo)教師王春2

電化學(xué)是高中化學(xué)的核心知識之一,包括原電池和電解池兩大部分．人教版在必修和選修階段都涉及原電池的內(nèi)容,而且原電池的教學(xué)是安排在電解池之前．所以對于原電池原理的認(rèn)識是否到位,對于后續(xù)電解池的學(xué)習(xí)以及電化學(xué)模型的建立和應(yīng)用起到了至關(guān)重要的作用．人教版教材采用最簡單的裝置模型幫助學(xué)生建立原電池的模型，這樣做降低了學(xué)生的理解難度,但也容易造成學(xué)生認(rèn)識不全面、不透徹等問題,甚至?xí)纬慑e誤的概念，所以筆者在講“原電池”時嘗試?yán)檬殖旨夹g(shù)幫助學(xué)生正確認(rèn)識原電池的概念原理,解決原電池教學(xué)中的認(rèn)知難點(diǎn)．

主要儀器:朗威?DISLab8.0數(shù)據(jù)采集器、電壓傳感器、電流傳感器、氧氣濃度傳感器、計(jì)算機(jī)及配套軟件．

1　利用手持技術(shù)解釋原電池中電流產(chǎn)生的驅(qū)動力

學(xué)生在《必修2》遇到Zn|H2SO4|Cu單液電池時,由于Zn和稀H2SO4直接接觸,所以學(xué)生對于該裝置內(nèi)能發(fā)生氧化還原反應(yīng)是能夠接受的．但在《選修4》遇到Zn|ZnSO4‖CuSO4|Cu雙液電池時,學(xué)生難以理解既然氧化劑和還原劑已經(jīng)分隔開了,為什么還是能發(fā)生電子的得失而產(chǎn)生電流?氧化還原反應(yīng)的驅(qū)動力在哪里呢?

人教版教材并未提及“電勢差”,但在教學(xué)中我們深切感受到,如果要將原電池的原理講解透徹,“電勢差”是無法回避的,關(guān)鍵是如何以學(xué)生容易接受的方式呈現(xiàn)．其實(shí)學(xué)生對于“電勢差”并不陌生,在初中物理課上學(xué)過“電勢差”就是“電壓”,所以可以利用電壓傳感器測量原電池兩電極之間的電壓．首先按照教材中Zn|ZnSO4‖CuSO4|Cu雙液電池的裝置圖連接裝置,在正、負(fù)極之間連接電壓傳感器,測得兩電極之間的電壓為1.01V,然后再將負(fù)極區(qū)更換為Mg和MgSO4溶液,測得兩電極之間的電壓為1.63V．可見,原電池的2個電極間確實(shí)存在電勢差,這就是電流產(chǎn)生的驅(qū)動力．那么電勢差是如何產(chǎn)生的呢?這就要從化學(xué)的角度去認(rèn)識．人教版教材第72頁有這樣一句話:“原電池輸出電能的能力,取決于組成原電池的反應(yīng)物的氧化還原能力．”這個氧化還原能力也就是電極反應(yīng)物得失電子的能力．此處可參考魯科版的相關(guān)內(nèi)容,并聯(lián)系學(xué)生剛剛在第3章學(xué)過的沉淀溶解平衡進(jìn)行講解．對于Zn-Cu原電池來說,鋅片插入ZnSO4溶液中存在溶解與沉積的平衡:ZnZn2++2e-,銅片插入CuSO4溶液中存在溶解與沉積的平衡:CuCu2++2e-,由于鋅比銅容易失去電子,在鋅片表面積累的電子比銅片表面積累的電子多,其電極電勢比銅低,所以兩電極之間產(chǎn)生了電勢差，將兩極接通構(gòu)成回路時,電子由鋅片流向銅片．同樣,Mg-Cu原電池的兩電極間也會產(chǎn)生電勢差,且由于鎂比鋅更容易失去電子,所以相同條件下,Mg-Cu原電池的電勢差大于Zn-Cu原電池的電勢差,這與電壓傳感器測得的結(jié)果是一致的．在必修階段講原電池時,筆者向?qū)W生介紹過世界上最早的電池——伏打電池．事實(shí)上意大利物理學(xué)家伏特在發(fā)明伏打電池時,就是采用不同的金屬材料在不同的電解質(zhì)溶液中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),看哪種組合能夠產(chǎn)生較大的電壓．

講到這里時,有學(xué)生馬上想到,燃料電池2個電極的材料完全相同,它的電勢差又是哪來的呢?此時,教師不急于回答學(xué)生的疑問,而是將Zn-Cu原電池的正極銅片更換為碳棒,用電壓傳感器測得兩電極之間的電壓為1.51V．也就是說,雖然更換為惰性電極,但碳棒與CuSO4溶液接觸的界面上仍存在CuCu2++2e-,故兩電極間仍有電勢差．燃料電池的原理也是相似的．雖然燃料電池用的是鉑電極或石墨電極,但吸附在電極上的H2和O2得失電子的能力是不相同的,同樣能夠產(chǎn)生電勢差．這個例子的引出能夠幫助學(xué)生消除“負(fù)極必定要與電解質(zhì)溶液發(fā)生反應(yīng)”的錯誤概念,進(jìn)一步完善了原電池模型．為鞏固學(xué)生對原電池模型的認(rèn)識,教師可繼續(xù)提出學(xué)生任務(wù):請根據(jù)反應(yīng)2FeCl3+2KI=2FeCl2+2KCl+I2設(shè)計(jì)一款能提供穩(wěn)定電流的原電池．有了之前的認(rèn)識鋪墊,大部分學(xué)生在做該任務(wù)時能夠正確選擇出電極材料．

2　利用手持技術(shù)比較單雙液電池的優(yōu)勢和劣勢

筆者在上《選修4》“原電池”這節(jié)課時將單液電池和雙液電池的裝置圖同時呈現(xiàn)給學(xué)生,提出問題:如果讓你自己設(shè)計(jì)電池,你更喜歡設(shè)計(jì)成單液還是雙液電池?結(jié)果不少同學(xué)選擇單液電池,原因是單液電池構(gòu)造簡單,更加便攜．于是,筆者利用電流傳感器演示Zn|CuSO4|Cu單液電池和Zn|ZnSO4‖CuSO4|Cu雙液電池電流變化的對比實(shí)驗(yàn)．

【實(shí)驗(yàn)】 將單液原電池和雙液原電池裝置的正負(fù)極分別與電流傳感器的正負(fù)極相連,連接好數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī),點(diǎn)擊運(yùn)行軟件,8min后學(xué)生觀察到如圖1、2所示的2條曲線.

圖1　單液電池電流變化曲線

圖2　雙液電池電流變化曲線

之后筆者分別取出2個原電池裝置中的負(fù)極鋅片,可以看到單液電池的鋅片表面覆蓋了紅色疏松的銅,而雙液電池的鋅片表面依然光亮如新．

在做單液電池實(shí)驗(yàn)時,有一部分學(xué)生會觀察到一段時間后電流表指針的偏轉(zhuǎn)幅度會減小．但當(dāng)筆者利用電流傳感器呈現(xiàn)出明顯的曲線變化差異時,給學(xué)生們帶來的視覺沖擊力是完全不同的．此時無需教師多言,學(xué)生們自然能體會到單液電池雖然裝置簡單,但電流會在短時間內(nèi)衰減,而雙液電池可以為原電池提供更加持續(xù)、穩(wěn)定的電流,電池利用效率更高．在課后調(diào)查中,大部分學(xué)生表示這一環(huán)節(jié)給他們留下了深刻的印象,這也體現(xiàn)了手持技術(shù)的優(yōu)勢．

筆者在做這個對比實(shí)驗(yàn)時希望學(xué)生關(guān)注的是電流變化趨勢,然而課堂上仍有細(xì)心的同學(xué)發(fā)現(xiàn),雙液電池雖然電流穩(wěn)定性非常好,但縱坐標(biāo)顯示的電流數(shù)值只有幾毫安,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單液電池的幾十毫安,立刻提出質(zhì)疑．筆者并未回避這個問題,而是引導(dǎo)學(xué)生查找原因．學(xué)生們很快想到這是由于鹽橋內(nèi)的瓊膠內(nèi)阻太大導(dǎo)致的．那么如何來改進(jìn)這個問題呢?大家踴躍發(fā)言,提出對原電池裝置的各種改進(jìn)方案．其中一位學(xué)生提出可以用浸滿飽和KCl溶液的面巾紙代替鹽橋,筆者請?jiān)撋街v臺前做演示實(shí)驗(yàn)．果然,當(dāng)該生把KCl-瓊膠鹽橋換成浸滿飽和KCl溶液的面巾紙時,電流傳感器中檢測到的電流數(shù)值明顯增大．此時,筆者順勢向?qū)W生展示了一個拆開的鋰離子手機(jī)電池,內(nèi)部有非常薄的多孔隔膜,這就是真實(shí)電池中的鹽橋．

實(shí)際上,這個拆開的鋰離子電池是筆者課前準(zhǔn)備好的,目的是想在這節(jié)課的尾聲由理論原電池模型過渡到真實(shí)的電池應(yīng)用．而學(xué)生在課堂上的意外發(fā)現(xiàn)和討論卻使得隔膜的作用被非常自然地引出．這種意外生成的教學(xué)環(huán)節(jié)正是課堂精彩之所在．另外,影響原電池電流強(qiáng)度的因素是多樣的,在高二下學(xué)期的選修課上,筆者組織感興趣的學(xué)生利用手持技術(shù)繼續(xù)分析研究,進(jìn)一步加深了對原電池原理的認(rèn)識．

3　利用手持技術(shù)再認(rèn)識金屬的電化學(xué)腐蝕

人教版教材第84頁提到:“不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸時,會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),這種腐蝕叫做電化學(xué)腐蝕．鋼鐵在潮濕空氣中生銹,就是電化學(xué)腐蝕最典型的例子．”之后在教材的實(shí)驗(yàn)4-3中將用食鹽水浸泡過的鐵釘放入具支試管中,一段時間后觀察到右側(cè)導(dǎo)管中水柱上升,證明鐵釘發(fā)生了吸氧腐蝕．學(xué)生在初中時學(xué)過鐵釘生銹的條件,對鋼鐵在潮濕空氣中容易生銹并不陌生,但對于該現(xiàn)象是吸氧腐蝕、其中發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)卻心存疑惑．學(xué)生認(rèn)為,實(shí)驗(yàn)4-3中導(dǎo)管內(nèi)水柱上升只能說明試管內(nèi)氣體減少,并未證明就是O2參加反應(yīng),而鐵失電子后是Fe2+還是Fe3+也無法從實(shí)驗(yàn)中觀察到．為了解決學(xué)生的疑惑,筆者嘗試?yán)檬殖旨夹g(shù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)．

圖3

【實(shí)驗(yàn)1】 向大試管中放入用飽和食鹽水潤濕的濾紙,將2g鐵粉和1g碳粉混合均勻后用紙槽裝入大試管中,與濾紙均勻接觸．將大試管與氧氣濃度傳感器相連,塞緊塞子,連接數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī),點(diǎn)擊運(yùn)行軟件,10min后學(xué)生觀察到如圖3所示曲線,體系內(nèi)氧氣含量逐漸減小,說明氧氣確實(shí)參與了反應(yīng)．

【實(shí)驗(yàn)2】 將U形管固定在鐵架臺上,加入飽和食鹽水,一端塞好插有碳棒的膠塞,另一端滴幾滴鐵氰化鉀溶液后塞好插有鐵棒的膠塞．將電流傳感器的正極連接碳棒,負(fù)極連接鐵棒,點(diǎn)擊運(yùn)行軟件,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．與此同時,在一個大試管中加入飽和食鹽水,放入鐵棒,讓鐵棒的一部分暴露于空氣中,滴幾滴鐵氰化鉀溶液,觀察現(xiàn)象．

點(diǎn)擊運(yùn)行軟件后電腦屏幕上立刻有電流示數(shù)顯示,數(shù)值由小到大,最后穩(wěn)定在36.2mA,鐵棒周圍的溶液也很快出現(xiàn)藍(lán)色,表示有Fe2+生成．相同時間內(nèi)大試管內(nèi)的鐵棒周圍未看到明顯的藍(lán)色,較長時間后溶液中緩慢出現(xiàn)藍(lán)色．該實(shí)驗(yàn)說明鐵和碳可構(gòu)成原電池,負(fù)極鐵發(fā)生了電化學(xué)腐蝕:Fe-2e-=Fe2+,而電化學(xué)腐蝕的速度要比化學(xué)腐蝕快得多．

上述幾個手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)在幫助學(xué)生認(rèn)識原電池原理的過程中取得了很好的教學(xué)效果．然而,先進(jìn)的技術(shù)手段是把雙刃劍,用得好能夠?yàn)榻虒W(xué)錦上添花,用不好可能是畫蛇添足,喧賓奪主．作為一線教師,我們首先要有清醒的判斷,技術(shù)手段是為教學(xué)內(nèi)容服務(wù)的,在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以呈現(xiàn)和解決的內(nèi)容上,大膽嘗試新的實(shí)驗(yàn)手段,利用手持技術(shù)定量、動態(tài)、數(shù)形結(jié)合的特點(diǎn),使學(xué)生對于一些微觀的抽象的問題能夠有更加直觀、準(zhǔn)確的認(rèn)識．