探究用導線代替鹽橋能產生電流的原因

◇　江西　明正球

(作者單位：江西師大附中)

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探究用導線代替鹽橋能產生電流的原因

◇江西明正球

為什么用導線代替鹽橋后還能產生電流?本文對此展開了一系列探究,得出了產生電流的原因,并將結論遷移為解題能力．

圖1是1個雙液原電池,如果將雙液原電池中的鹽橋換成1根導線(如圖2),電流表中有無電流通過?

因為電子只能從導線通過,陰、陽離子只能從電解質溶液中通過,而鹽橋起到的是接通內電路的作用,只能用溶液來聯通,基于這些理論,很多學生一度認為把鹽橋換成導線后內電路發生了斷路,是不會產生電流的,事實果真如此嗎?

1　問題的產生

那一天課堂上,在講解雙液原電池時,筆者問學生,可否用導線連接2個半電池,學生異口同聲的回答說不能,筆者沒有立刻評價他們的回答,而是將一根銅導線連在了本應放置鹽橋的位置,出乎意料的事情發生了,當把銅導線放上去時,電流表的指針有了很大幅度的偏轉,說明此時電路中產生了可觀的電流,學生驚呆了,用非常期待的眼神看著,希望給出解釋,其實這個現象也出乎筆者的意料,本著探索真理的精神,提議課后大家一起去實驗室探究．

2　實驗探究

圖3

為什么將鹽橋換成導線后,電流表指針也會偏轉呢?課后,很多學生跟隨筆者走進化學實驗室,又重新實驗了一遍,確實能產生電流,我們盯著這套裝置(圖2)目不轉睛的看了很久,終于有了想法,當把鹽橋換成導線后,是不是乙池本身就構成了一個原電池?如果乙池構成了原電池,那甲池就是電解池了,問題來了,觀察乙池,銅導線的末端和鐵片確實構成了活潑性不同的兩極,硫酸亞鐵是電解質溶液,也能構成閉合回路,可是,自發的氧化還原反應在哪呢?為了一探究竟,大家取了一個單獨的小燒杯,搭建了如圖3所示的裝置.

圖4

電流表的指針微微偏轉,說明此處的確有自發的氧化還原反應在進行,考慮到亞鐵離子很容易被空氣中的氧氣氧化,如果被氧化成鐵離子后,鐵電極與鐵離子就會發生Fe+2Fe3+=3Fe2+的反應了,是這個原因嗎?我們將硫酸亞鐵溶液換成氯化鈉溶液,如圖4所示.

電流表的指針依然偏轉!說明即便不發生Fe+2Fe3+=3Fe2+的反應,也能發生其他氧化還原反應,同學們聯想到鐵在鹽溶液中的生銹,分析此處可能發生了金屬的吸氧腐蝕,為了證明是吸氧腐蝕,大家將如圖4所示的裝置放置在實驗室,一段時間后再去看,發現在燒杯里,出現了少許紅褐色沉淀,往沉淀里加鹽酸,沉淀溶解了,再滴加幾滴硫氰化鉀溶液,立刻變成血紅色,證明沉淀就是氫氧化鐵,說明在這個過程中確實發生了吸氧腐蝕.

3　結論

原來,將鹽橋用導線代替后,整個裝置已經不再是1個雙液原電池,而是構成了1個原電池和1個電

圖5

解池,以圖2所示裝置為例,乙池中的鐵片為電源的負極,銅導線右側為電源正極,甲池中的銅片為電解池的陰極,銅導線左側為電解池的陽極,如圖5所示.

隨著實驗時間的延長,我們發現甲池中的銅導線有了明顯的腐蝕,這也進一步驗證了之前的結論．

4　從理論到解題

后來,在整理原電池的相關考題時,筆者發現,此次探究不僅糾正了大家的認知錯誤,還能更加從容的應對一類電化學的考題.

圖6

A甲同學實驗過程中，ZnSO4溶液中陰離子總濃度不會發生改變;

B甲同學實驗過程中，Zn片被氧化，銅片被還原;

C乙同學將鹽橋換成銅導線后，U形銅導線的兩端電極反應類型一致;

D乙同學將鹽橋換成銅導線后，導線中電流方向不會發生變化

分析將鹽橋換成導線后，燒杯A構成原電池，鋅為負極，銅導線為正極，電子從鋅流出，與原來的電子流動方向一致，所以電流方向也一致，故選項D是正確的.

圖7

A電子通過鹽橋從乙池流向甲池;

B將銅片浸入AgNO3溶液中發生的化學反應與該原電池總反應相同;

C開始時，銀片上發生的反應是：

Ag-e-=Ag+;

D銅導線替換鹽橋，原電池仍繼續工作

分析本題中，若用銅導線代替鹽橋，乙池成為原電池，而甲池則成為一個電鍍池，甲池中的銅片會不斷溶解，銅導線表面則會析出銅，整套裝置已不再是一個簡單的原電池，自然也無法和之前一樣工作，可以排除選項D.答案為B.

若將原理推廣，如果用石墨棒來代替鹽橋，也會起到類似的效果，只是要注意石墨棒本身不會發生化學反應，如例3.

圖8　　　　　　　　　　　圖9

A圖8鹽橋中的陽離子移向甲裝置;

B兩圖都是將化學能轉變成電能的裝置;

C圖9中乙裝置總反應的離子方程式:

D圖9中電子流向為Fe→電流計→石墨a→石墨b→銅絲→石墨c→Fe

分析顯然,在圖9中,甲池是原電池,乙池是電解池,在乙池中CuCl2溶液被電解,會生成銅和氯氣,所以,此題可以選擇選項C,但要特別注意選項D,電子只能通過導線,是不能通過溶液的,故電子的流動方向應是Fe→電流計→石墨a,石墨b→銅絲→石墨c．

圖10　　　　　　　　　　圖11

其他條件不變,若將鹽橋換成光亮的U形彎銅絲浸入甲池與乙池,如圖11所示,電流計指針偏轉方向與先前一樣,但偏轉角度明顯減小．一段時間后,乙池石墨棒浸入液面以下部分也析出了一層紫紅色固體,則甲池銅絲附近溶液的pH________(填“減小”“增大”或“不變”),乙池中石墨為________極(填“正”“負”“陰”或“陽”).

分析本題有一定難度,先看前2問,鐵在不斷溶解,氯化銅中的銅離子得電子后在石墨電極表面析出,若設轉移電子的物質的量為amol,可以依據質量差為6g列方程為:56×0.5a+64×0.5a=6,解得a=0.1,也即轉移電子0.1mol,下一問,問反應前后溶液質量差, 除了要注意甲池中Fe2+會多0.05mol、 乙池中Cu2+會少0.05mol外,還要特別注意為了平衡電荷,鹽橋中的Cl-會往甲池中移入0.1mol,K+會往乙池中移入0.1mol,故反應后的質量和反應前相比,質量增加35.5×0.1+39×0.1+56×0.05-64×0.05=7.05，即質量相差7.05g．當鹽橋換成導線后,甲池變成一個原電池,銅絲是正極,氧氣在此處放電變成OH-,所以pH增大,此時乙池為電解池,石墨相當于接了電源負極,所以為陰極．

題目很多,不再一一列舉,只要掌握了原理,在遇到此類題時,有條理的分析,就能較快的得到正確答案．

在化學實驗中,可能只是一個微小的改動,卻會造成完全不一樣的結果,對于這些未知的情況,不能忽略不管,更不能想當然,而是應該用嚴謹的態度,去探究事物的真面目,這既是對科學的尊重,也是讓我們成長的具體方法．

(作者單位：江西師大附中)