電化學學習中學生容易產生困惑的幾個問題

劉洪

摘要：在電化學教學中常常有學生對一些問題感到困惑，例如，有鹽橋的原電池中負極發生的氧化反應和正極發生的還原反應的動力來自哪里;鹽橋作用是什么;有鹽橋的原電池的電極材料選擇上有什么具體要求;正極和負極的電解質選擇上必須滿足什么條件等等。對于這些學生容易產生困惑的幾個問題，在此作出簡要的解釋說明。

關鍵詞：原電池;陰極;陽極;鹽橋;電極

在選修4的電化學教學中學生往往容易在以下幾個問題上產生困惑，為了讓學生的科學視野得到適當的擴寬和必要的補充，可以對以下問題做些必要的解釋。

一、有鹽橋的原電池中正極或者負極兩個半反應的動力來自哪里？

這個問題其實涉及大學電化學中電極電勢（符號：）的問題。在有鹽橋的原電池中，每個半池中發生的半反應的動力來自于各個半池中反應物和生成物之間微弱的電勢差（電極電位）這種微弱的電勢差推動電極反應的發生。例如以2Fe3++Cu=Cu2++2Fe2+為原理設計的原電池，負極發生反應是Cu-2e-=Cu2+其推動力是來源于單質銅和銅離子之間的微弱的電勢差，這種微弱的電勢差促使單質銅不斷的失去電子，變成銅離子。同樣正極發生還原反應的動力是來自于Fe3+和Fe2+之間的微弱的電勢差。整個原電池發生反應的動力又取決于兩個半池中電勢差的相對大小。如果兩個半池中的電勢差相差值越大，也就是說該原電池的電動勢越大，那么此原電池的反應越容易發生，反之越難發生。由此我們可以得出，原電池的反應的最終動力來源是，金屬單質（對金屬電池而言）與其對應的的離子之間的電勢差。原電池的電動勢的大小就決定于這兩極的電勢差的相對大小。

例：Zn（s） = Zn2+（aq） + 2 e-?→ 金屬“溶解”占優勢

Cu（s） = Cu2+（aq） + 2 e-?← Cu2+（aq）沉積占優勢

由于 （ Zn2+/Zn） <?（ Cu2+/Cu） （表示電極電勢）。當以鹽橋連接這兩個溶液且外電路接通（構成回路）時，就有電子從Zn電極流出，經外電路流入Cu電極，產生電流。

二、鹽橋在原電池反應中起到什么作用？

在教學中常常有學生問，原電池中鹽橋到底起到什么樣的作用。對于此問題，很多老師怕增加學生的學習負擔，往往就簡單的告訴學生，鹽橋是起到導電作用;鹽橋中的陰離子向負極移動，陽離子向正極移動。這樣回答的話，學生往往產生另外一個問題：溶液中的陰陽離子可以定向移動而導電，為什么偏偏要把兩個半反應分開在不同區域進行，中間加上鹽橋呢？其實鹽橋除了上面所說的導電作用外，還有個很重要的作用是，避免負極材料直接與正極的電解質溶液反應，這樣原電池能持續穩定的放電，從而使原電池具有實用價值。另外鹽橋的存在可以平衡兩個反應容器內的電荷，使得反應能持續進行。再者，在兩種溶液之間插入鹽橋以代替原來兩種溶液直接接觸，減免和穩定液接電位。（不同的兩種電解質接觸時，在溶液接界處由于正負離子擴散通過界面的離子遷移速度不同造成正負電荷分離而形成雙電層，這樣產生的電位差稱擴散電位，即液接電位）其實上述三者的作用又不是孤立存在，而是相互依賴，相互影響的。

三、有鹽橋的原電池在電極選擇上有什么具體要求

對于有鹽橋的原電池，負極材料幾乎是確定的（根據反應總方程式快速確定），例如2Fe3++ Fe=3Fe2+，其負極材料是鐵，然而正極材料的選擇就多了。按照一般原理，只要正極材料比鐵活潑性低就行但實際上并非如此。我們不妨以2Fe3++ Fe=3Fe2+為原理設計出兩個有鹽橋的原電池。①負極材料是鐵，電解質是氯化亞鐵溶液;正極是銅，電解質是氯化鐵溶液。②負極材料是鐵，電解質是氯化亞鐵溶液;正極是石墨，電解質是氯化鐵溶液。用電流表持續測定這兩個原電池的電流發現：第一個原電池電流持續時間短，并且電流強度很快減小;而第二個原電池能比較長時間的提供比較穩定的電流。通過此實驗說明，有鹽橋的原電池的電極材料的選擇是有講究的。通過對上面兩個原電池的分析不難發現，第一個原電池的正極材料能與電解質溶液反應即2Fe3++Cu=Cu2++2Fe2+，而第二個原電池的正極材料不會與電解溶液反應。因此得出，有鹽橋的原電池的正極材料不僅僅是要求活潑性比負極材料低，還要求正極材料不能與電解質溶液發生反應，否則會大大降低原電池的效率。

對于學生在學習原電池時提出的諸多問題，往往涉及大學里更深層次內容的學習。因此不適在課堂上進行詳細的講解，應該在課后針對部分學生的具體情況進行解釋。

參考文獻：

[1]李志剛.如何提高高中化學中電化學的課堂教學效果[J] 中國校外教育，2019，13.