觀察原電池內離子運動方向的實驗創新設計

單慧芳 王帥

摘要：實驗是化學學科的靈魂，實驗教學更是不可替代的教學手段。直觀的實驗現象，往往能使抽象的概念可視化。為了觀察到原電池中微觀的陰、陽離子移動方向，我們改進常規的實驗儀器，設計簡單的實驗流程，并以直觀明了的實驗現象，突破了原電池教學過程中的難點，達到了良好的教學效果。

關鍵詞：原電池;內電路;創新探究

文章編號：1008-0546（ 2019）07-0090-02

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.07.027

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗是化學的靈魂和魅力的體現。它不僅能幫助學生獲取化學知識，認識化學概念，還能激發學生的學習興趣，培養和發展學生的操作能力、創新能力。化學實驗教學更是其他教學手段所不能替代的，它可以使抽象的概念可視化，讓學生更好地理解、鞏固所學的化學知識。

原電池原理的學習是高中學生學習電化學知識的難點和重點，采用實驗教學的方式去輔助學生理解原電池的工作原理顯得尤為重要。縱觀整個高中教材體系，發現教材中均未涉及到原電池內離子運動方向的實驗安排。在人教版化學選修四《化學反應原理》一書中對原電池的內電路中離子的運動方向也只是提到“在原電池的內部，兩極浸在電解質溶液中，并通過正負離子的定向運動而形成內電路。放電時，負極上的電子通過導線流向正極，再通過溶液中離子形成的內電路構成環路[1]。”因此關于這個知識點的學習學生總是非常困惑，教師通過課堂上純理論講授也不能有效地解決問題。

經過不斷的思考、討論、改進、實驗之后，我們終于成功地設計了一套可以直接觀察到內電路離子運動的簡易裝置。

一、實驗儀器與藥品

實驗儀器：若干導線、電解槽兩個、特制漏斗一個、電流計一個、短玻璃導管兩個、橡皮塞兩個、鐵架臺一個。

實驗藥品：lmol/L H2S04溶液，Imol/L KMn04溶液、銅片、鋅片、凡士林。

二、儀器的加工

1.改進電解槽：取兩個電解槽，依據玻璃導管的直徑大小分別在電解槽的一端打一個小洞。

2.特制漏斗：將體積為60mL的分液漏斗與T型管（豎管長度lOOmm、直徑8mm、橫管長度150mm、直徑20mm）進行焊接得到特制漏斗，如圖1所示：

三、實驗原理

該實驗探究的是原電池的內電路中的陰陽離子的移動方向，應用到的實驗原理為：

原電池的電池反應為：2n+2H+= 2n2++H2↑，負極為鋅片，電極反應為2n-2e-一2n2+，正極為銅片，電極反應為2H++2e-=H2。

四、實驗步驟

1.組裝儀器：用橡膠塞和玻璃導管將特制漏斗與兩個電解槽連接起來，連接處涂抹凡士林，以防漏液。裝置最終如圖2所示，組裝完之后，加蒸餾水檢查是否漏液。

2.添加藥品：在特制漏斗中添加40mL Imol/LKMri04溶液，兩邊電解槽中添加Imol/LH2S04至導管中心位置。

3.開始實驗：打開漏斗活塞，使高錳酸鉀緩慢流下，觀察電解槽中溶液以及電流計的指針變化情況。

五、實驗現象與結論

1.實驗現象：銅片端產生少量氣泡，溶液依舊為無色，鋅片端產生大量氣泡且觀察到溶液上端變為紫紅色，靈敏電流計發生明顯偏轉，如下圖3所示： 2.實驗結論與分析：從反應原理來看，鋅片與氫離子反應，銅一鋅原電池的反應原理均為：2n+2H+=Zn2++H2↑。從電化學的角度來看，兩個反應的電動勢均為：EeH+/H2 -Ee Zn2+/Zn=OV-（-0.76V）=0.76V[2]。不同的是鋅、銅上析出氫氣的超電勢分別為0.7V，0.23V。所以純鋅和硫酸反應時的電動勢為0.06V，而鋅一銅電動勢為0.53V。理論上，氫離子在鋅片上和銅片上是可以同時析出氫氣的，且在實驗過程中用到的鋅片不是純鋅，鋅片含有金屬雜質，所以在鋅片表面通常會形成大量的微型原電池，最終體現的現象就是鋅片表面產生較多的氣泡。

實驗過程中鋅片端溶液上方由無色變為紫紅色，銅片端溶液依舊保持無色，靈敏電流計發生明顯偏轉。這一系列的現象說明銅一鋅原電池工作時已形成了閉合回路，且工作過程中電解質溶液里紫紅色的Mn04-離子向鋅片端移動。

綜上所述，可以得出原電池電解質溶液中陰離子向負極移動的結論。

六、創新的意義

l.這套創新儀器操作簡單且重現性好。

2.實驗現象非常明顯，使得抽象理論可視化，有效解決了原電池內電路離子運動方向這一難題。

3.通過宏觀的實驗現象，引導學生思考問題解決問題，在這一過程中充分體現了“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認識”“實驗探究與創新意識”等化學學科素養，也很好地揭示了化學的學科思維[3]。

參考文獻

[l]化學課程教材研究開發中心，普通高中課程實驗教科書化學4選修[M].北京：人民教育出版社，2004：71

[2]嚴宣申.鋅一銅和稀硫酸反應的原因[J].中學化學教學參考，1991（3）：10

[3]楊梓生.對高中化學學科核心素養的認識[J].中學化學教學參考，2016（8）：1-2