“舊瓶裝新酒”

譚大鵬 戴躍華

【摘 要】積極開展對教材傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新研究，有利于提高化學(xué)課堂教學(xué)質(zhì)量，提高教師專業(yè)水平。實(shí)驗(yàn)采用更為簡潔的一體化實(shí)驗(yàn)儀器，既簡化了實(shí)驗(yàn)裝置，又節(jié)約了試劑用量;把這個(gè)原本無人問津的“紙上實(shí)驗(yàn)”創(chuàng)新成既可教師演示又可學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。利用悅耳的聲音來檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)效果，給學(xué)生帶來感官上的全新體驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】Y型玻璃管;雙液原電池;鹽橋

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)教學(xué)和化學(xué)科學(xué)研究重要的方法和手段。積極開展對教材傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新研究，有利于提高化學(xué)課堂教學(xué)質(zhì)量，提高教師專業(yè)水平。《高中化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出：通過以實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)研究的過程，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，強(qiáng)化科學(xué)探究的意識，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。一個(gè)好的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)也能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

筆者針對蘇教版選修4專題1第二單元第一節(jié) 《原電池的工作原理》中的演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了反思，并提出了改進(jìn)方案：

一、學(xué)情分析

從知識角度看：學(xué)生在高一必修階段已經(jīng)掌握了典型Cu-Zn單液原電池的相關(guān)知識，了解原電池工作的基本原理，這為本節(jié)選修內(nèi)容的學(xué)習(xí)起到了鋪墊作用。

從能力角度看：學(xué)生已經(jīng)具備一定的實(shí)驗(yàn)探究能力，能理解實(shí)驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處。綜合以上分析，筆者提出對該演示實(shí)驗(yàn)的最終改進(jìn)方案。

二、教材分析

蘇教版選修4專題1第二單元第一節(jié)《原電池的工作原理》

[活動(dòng)與探究]

[實(shí)驗(yàn)2]按圖1組裝好儀器，向兩只燒杯中分別加入30ml 1.0 mol·L-1 CuSO4溶液和30ml 1.0 mol·L-1 ZnSO4溶液，將連接導(dǎo)線和電流計(jì)的鋅片和銅片分別插入ZnSO4溶液和CuSO4溶液中，將鹽橋插入兩只燒杯內(nèi)的電解質(zhì)溶液中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。取出鹽橋，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

上述經(jīng)典實(shí)驗(yàn)說明原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。其中采用雙液原電池是對單液原電池的改進(jìn)。它將氧化劑與還原劑完全隔開，分成兩個(gè)半電池，并利用鹽橋連接起來，克服了化學(xué)能的損失，為原電池持續(xù)、穩(wěn)定地產(chǎn)生電流創(chuàng)造了必要的條件。從上述Cu-Zn雙液原電池的組成可以看出，原電池是由兩個(gè)半電池組成的。鋅和鋅鹽溶液組成一個(gè)半電池，銅和銅鹽溶液組成另一個(gè)半電池。中間通過鹽橋連接起來。失去電子的電極為負(fù)極，得到電子的電極為正極。

鋅片（-）：Zn—2e-=Zn2+? ? 發(fā)生氧化反應(yīng)

銅片（+）：Cu2++2e-=Cu? ? ?發(fā)生還原反應(yīng)

總反應(yīng)式：Cu2++Zn=Cu+Zn2+

但在實(shí)際操作時(shí)發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

1.實(shí)驗(yàn)裝置所需玻璃儀器相比于單液原電池要復(fù)雜，使用的藥品用量更多。實(shí)驗(yàn)操作也不夠簡便。

2.鹽橋的制作與清洗操作非常麻煩，以致雙液原電池很少在日常課堂教學(xué)中進(jìn)行演示，導(dǎo)致學(xué)生對U型管鹽橋內(nèi)的物質(zhì)根本沒見過，更不要說理解鹽橋的真實(shí)結(jié)構(gòu)及其工作原理，是典型的“紙上談兵”式的教學(xué)。

先說鹽橋的制作，制作一根U型管鹽橋耗費(fèi)時(shí)間長（50分鐘左右）。瓊脂的用量也比較大，還容易出現(xiàn)如瓊脂不易凝結(jié)成膠;灌裝不當(dāng)導(dǎo)致U型管破裂;制得的凝膠中含有大量的氣泡等問題影響實(shí)驗(yàn)效果。

再說鹽橋的清洗，U型管鹽橋在清洗時(shí)需要先將瓊脂搗碎，用水沖掉瓊脂以后再用試管刷清洗殘留的瓊脂，洗滌不方便。

3.U型管鹽橋在實(shí)際使用時(shí)，其構(gòu)成的雙液原電池電流強(qiáng)度一般只有5-10 mA，非常小。遠(yuǎn)小于相同條件下單液原電池的電流（最大電流達(dá)到幾十毫安）。這一情況與教材引入鹽橋的出發(fā)點(diǎn)不盡相同，容易使學(xué)生產(chǎn)生困擾。

三、方案設(shè)計(jì)與改進(jìn)之處

為了解決上述問題，筆者對雙液原電池進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，采用一體化的儀器，改進(jìn)了瓊脂制作的工藝，改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)。用更簡單的實(shí)驗(yàn)裝置，獲得了更好的實(shí)驗(yàn)效果。

1.實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)——用訂制的Y型玻璃管代替多個(gè)玻璃儀器串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)裝置一體化。

（1）圖2中Y型玻璃管作為雙液原電池實(shí)驗(yàn)載體，其下口配有橡皮塞，其上方兩個(gè)支管分別插有銅電極和鋅電極，作為電池的正極和負(fù)極。用導(dǎo)線將電極和音樂賀卡播放器相連接，形成閉合回路，極大地簡化了實(shí)驗(yàn)裝置;

（2）Y型玻璃管口徑很大，增大鹽橋的寬度;用很少的瓊脂就隔開兩個(gè)電極的電解質(zhì)溶液，縮短鹽橋的長度，電流更大;

（3）Y型玻璃管的上、下支管形成三通管，清洗方便。

2.鹽橋制作工藝的改進(jìn)：

通過查閱并分析資料，調(diào)整了加料順序和試劑的用量。具體操作如下：稱取約0.8 g瓊脂粉溶于100 ml開水，攪拌使之完全溶解后加入約24g KCl固體，完全溶解后，加入紅色色素;通過漏斗，趁熱倒入事先預(yù)熱好的Y型玻璃管。液面只要超過Y型玻璃管的岔口即可，待溶液冷卻后，凝膠形成，一根紅色的鹽橋制備完成。根據(jù)筆者個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，100ml水制得的瓊脂可以灌裝約4根Y型玻璃管，非常節(jié)省原料。

3.溶液濃度的改進(jìn)：

硫酸銅濃度不變（1.0mol·L-1）;在一定范圍內(nèi)，將硫酸鋅的濃度由1.0 mol·L-1降低到約為0.5mol·L-1，增大了兩極之間的電壓，提高了電流強(qiáng)度。

四、實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

1.實(shí)驗(yàn)儀器：

Y型玻璃管1支，數(shù)字萬用表一個(gè)，銅電極1根，鋅電極1根，音樂賀卡播放器1個(gè)，PVC白板一塊，醫(yī)用注射器一支，導(dǎo)線、燒杯、玻璃棒等輔助材料若干。

2.實(shí)驗(yàn)試劑：

獅頭牌瓊脂粉1袋，食用色素（大紅）一袋，KCl固體， 1.0mol·L-1 CuSO4溶液，0.5mol·L-1 ZnSO4溶液，四苯硼鈉稀溶液，蒸餾水。

五、實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象分析

1.裝好儀器后，按下電源開關(guān)。電路接通后，音樂賀卡響起了悅耳的聲音，聲音音量較大，持續(xù)不停且感覺不到聲音衰減，說明電池工作穩(wěn)定。

2.使用數(shù)字萬用表測量電流強(qiáng)度和電壓值。數(shù)字萬用表顯示，該電池產(chǎn)生的電流大約25mA（電壓約1.2V），電流穩(wěn)定，強(qiáng)度是普通U型管Cu-Zn雙液原電池的數(shù)倍。

3.使用醫(yī)用注射器在正極附近加入數(shù)滴四苯硼鈉稀溶液（檢驗(yàn)K+的存在）。如下圖所示在電池正極附近產(chǎn)生了大量的白色沉淀，證明鹽橋中的離子發(fā)生了遷移。

【提示】鉀離子遇到四苯硼鈉會(huì)產(chǎn)生白色沉淀。

六、實(shí)驗(yàn)服務(wù)教學(xué)及效果評價(jià)

1.筆者使用這套裝置給本班學(xué)生作了演示，聽到悅耳的音樂，學(xué)生們都很好奇，原來真實(shí)的雙液原電池長這樣，跟書上畫的不一樣！在音樂聲中，師生共同探討了雙液原電池的工作原理，重點(diǎn)分析了鹽橋的作用，即：溝通電路，保持溶液電中性。

既然是橋，橋的長度和寬度就決定了通行效率。筆者訂制的Y型玻璃管比普通雙液原電池所用U型管口徑更大，鹽橋顯得更“寬闊”了！使用了很少的瓊脂就隔開了兩極溶液，鹽橋的長度就更短，電流自然更大。

2.根據(jù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的成功經(jīng)驗(yàn)，積極引導(dǎo)學(xué)生思考瓊脂鹽橋的替代方案（如濾紙條，布條，濕巾等）;學(xué)生互相討論，自己動(dòng)手構(gòu)建更加簡單可行的雙液原電池，進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)方案如圖3：

學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)方案，利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器很快完成了簡易雙液原電池的組裝，靈敏電流計(jì)顯示有電流產(chǎn)生。

在學(xué)生順利完成分組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，指出很多化學(xué)電池，比如鋰電池，其電池內(nèi)部采用的是與濕巾相似的無紡布材料作為正負(fù)極的隔膜（其本質(zhì)就是鹽橋）。

七、實(shí)驗(yàn)反思

1.實(shí)驗(yàn)采用更為簡潔的一體化實(shí)驗(yàn)儀器，既簡化了實(shí)驗(yàn)裝置，又節(jié)約了試劑用量;把這個(gè)原本無人問津的“紙上實(shí)驗(yàn)”創(chuàng)新成既可教師演示又可學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，就好比“舊瓶裝新酒”一樣有了新的滋味。

2.改進(jìn)了鹽橋的制作工藝，制作簡便，美觀大方，清洗方便，且一支鹽橋可以多次重復(fù)使用;在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)調(diào)整了試劑的濃度，提高了電流強(qiáng)度。

3.創(chuàng)新了鹽橋的連接方式，增大了電流，利用悅耳的聲音來檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)效果，給學(xué)生帶來感官上的全新體驗(yàn)。進(jìn)而證明，改進(jìn)后的雙液原電池可以持續(xù)穩(wěn)定地提供較大的電流。

4.創(chuàng)新了鹽橋的制作材料，使每個(gè)同學(xué)都有機(jī)會(huì)自搭鹽橋，完成實(shí)驗(yàn)探究，加深對原電池構(gòu)造原理的認(rèn)識。

總之，開展中學(xué)教材演示實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新研究，能有效提升教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，培養(yǎng)教師的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神。

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