以實(shí)驗(yàn)問題為載體引導(dǎo)學(xué)生探究學(xué)習(xí)

■段昌平黎高殷琦

以實(shí)驗(yàn)問題為載體引導(dǎo)學(xué)生探究學(xué)習(xí)

■段昌平黎高殷琦

一、問題提出

學(xué)生做銅片與鋅片用導(dǎo)線相連，插入稀硫酸中構(gòu)成原電池的實(shí)驗(yàn)時(shí)（圖1），驚訝地發(fā)現(xiàn)鋅片表面上一直在產(chǎn)生氣泡，且比銅片上產(chǎn)生的氣泡還多。這與課堂上老師講的和書中說的不一樣，即銅-鋅（硫酸）原電池中鋅片（負(fù)極）上發(fā)生氧化反應(yīng)，鋅溶解；銅片（正極）上發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣。老師和教材均沒有談及鋅片上有氫氣產(chǎn)生，怎么鋅片上又發(fā)生了還原反應(yīng)呢？

對學(xué)生觀察到的這種異常現(xiàn)象，通過引導(dǎo)學(xué)生查閱資料時(shí)得到的解釋是：鋅片里有位于其后的金屬雜質(zhì)（或石墨），致使鋅片表面形成了無數(shù)個(gè)微小原電池，H+在雜質(zhì)表面被還原，故鋅片上有氫氣逸出。這種解釋從原理上看同學(xué)們是容易理解的，即鋅發(fā)生氧化反應(yīng)后，鋅片上有過剩電子，這些過剩電子必然也存在于雜質(zhì)金屬（或石墨）中，溶液中H+在金屬雜質(zhì)（或石墨）表面獲得電子被還原而產(chǎn)生氫氣。

至此，有部分學(xué)生仍不滿足現(xiàn)有的解釋，認(rèn)為，若用純鋅片作電極，上述這種現(xiàn)象就不存在了么？并且要求老師給他們提供器材和樣品，再通過實(shí)驗(yàn)予以探究。

二、實(shí)驗(yàn)探究

對同學(xué)們的要求，我們給予了積極的支持。為此，學(xué)校還專門與儀器、試劑供應(yīng)單位聯(lián)系，特地購買了“分析純”（A.R.）級的鋅、銅、鋁等金屬片（或絲）供探究實(shí)驗(yàn)用。探究實(shí)驗(yàn)前同學(xué)們提出了假設(shè)：用鈍鋅片做此實(shí)驗(yàn)，鋅片上仍可能有氫氣產(chǎn)生，這是因?yàn)殇\片上過剩電子比銅片上多，H+仍可能在鋅片上獲得電子被還原。當(dāng)學(xué)生用購買的純鋅、純銅片重新做原來所做過的原電池實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與提出的假設(shè)相同，即純鋅片表面仍有一定量氣泡產(chǎn)生（相比不純鋅片少一些）。然后同學(xué)們將純鋅片、純銅片用尼龍線捆綁在一起，使之充分接觸再置于同濃度的稀硫酸中（圖2），鋅片上仍有氣體產(chǎn)生。

為了證明上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的客觀存在，我們又指導(dǎo)學(xué)生另外做了三個(gè)輔助實(shí)驗(yàn)：一是用擦去表面氧化膜的鋁片（鋁片純度肯定比鋅純度更高）代替鋅片重做上述實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中仍看到鋁片表面有產(chǎn)泡產(chǎn)生。二是用導(dǎo)線將純銅片與純鋁片相連，將它們同時(shí)插入CuSO4溶液中，實(shí)驗(yàn)中觀察到不僅銅片上有銅析出，鋁片上也有大量銅析出。三是將光亮鐵絲和鉑絲(實(shí)驗(yàn)室用于做焰色反應(yīng)鉑絲)相連接，將其兩端同時(shí)插入CuSO4溶液中，結(jié)果是鐵絲、鉑絲表面都有銅析出。

三、原因分析

將鋅片置于稀硫酸中發(fā)生置換反應(yīng)，其本質(zhì)是：Zn-2e-=Zn2+，Zn2+離開鋅片進(jìn)入溶液中，電子留在鋅片上，致使鋅片上有過剩電子，此時(shí)，鋅片周圍有大量的Zn2+滯留，阻礙著H+與鋅片接觸，但溶液中的H+半徑極小，可穿過鋅片周圍Zn2+滯留層與鋅片接觸獲得電子還原為H，兩個(gè)H結(jié)合為H2，這種反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行時(shí)，鋅片表面產(chǎn)生的H2聚集為氫氣而逸出。當(dāng)鋅片與銅片用導(dǎo)線連接插入稀硫酸時(shí)，鋅片上發(fā)生氧化反應(yīng)后過剩電子可通過導(dǎo)線流向銅片（產(chǎn)生電流，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能），致使銅片上也有過剩電子，此時(shí)，溶液中的H+可在銅片上無阻礙地獲得電子還原為H2聚集逸出。因此，銅片上產(chǎn)生氫氣是理所當(dāng)然的。但從微觀上看，銅-鋅（硫酸）原電池中鋅片上過剩電子的密度比銅片上過剩電子的密度大（電子是由鋅片流向銅片），理論上H+在銅片上更容易獲得電子被還原，這是因?yàn)殂~片上不僅有過剩電子(形成負(fù)電場)，且沒有陽離子阻礙H+與銅片接觸（而是向H+“招手”）；鋅片上過剩電子密度雖然大一些，但其表面上鋅氧化的Zn2+大量滯留在其周圍，一定程度上阻礙(排斥)了H+與鋅片接觸，從而使鋅片上產(chǎn)生氫氣的量逐漸減少，鋅片上產(chǎn)生氫氣的速率也比銅片上慢。事實(shí)上鋅片周圍Zn2+對溶液中H+的阻礙(排斥)作用只是相對的，不是絕對的，因H+體積小，其穿過Zn2+聚集區(qū)與鋅片接觸獲得電子被還原為H2是完全有可能的。不然的話，鋅怎么能與稀硫酸發(fā)生置換反應(yīng)？這一認(rèn)識也可由上述另外三個(gè)探究實(shí)驗(yàn)的事實(shí)所證明。那種認(rèn)為銅-鋅（硫酸）原電池中鋅片上沒有氫氣產(chǎn)生的觀點(diǎn)是太絕對化看問題了。不過，從整個(gè)原電池上看，產(chǎn)生氫氣速率比同樣大小的鋅片與同濃度稀硫酸反應(yīng)快，其內(nèi)在原因就是H+在銅片上毫無阻礙地獲得電子被還原，加快了化學(xué)反應(yīng)速率。

同學(xué)們由銅-鋅（硫酸）原電池中鋅片上有氫氣產(chǎn)生的現(xiàn)象又引出了另一個(gè)問題，即在圖1銅-鋅（硫酸）原電池中，消耗鋅的化學(xué)能并未全部轉(zhuǎn)化為電能，這種原電池對原料的利用率不高，仍然造成了浪費(fèi)，同時(shí)該電池反應(yīng)也不好控制。

四、引導(dǎo)思考

由學(xué)生親自動手做實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的問題情景容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維。為了滿足學(xué)生的這種求知欲望，我們抓住時(shí)機(jī)，繼續(xù)進(jìn)行科學(xué)引導(dǎo)。

圖1原電池中存在的核心問題是控制該電池反應(yīng)。其方法不只是在外電路上安裝一個(gè)開關(guān)就能解決問題的，因斷開開關(guān)后，導(dǎo)線上只是沒有電子通過，但鋅片上仍在反應(yīng)（鋅與稀硫酸的置換反應(yīng)）；若閉合開關(guān)，原電池雖然在工作，但鋅片上產(chǎn)生氫氣的原料浪費(fèi)問題仍沒有得到解決。看來解決這個(gè)問題的關(guān)鍵，就是要在圖1的基礎(chǔ)上展開裝置的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，即銅片、鋅片用導(dǎo)線連接之后不能同處在同一電解質(zhì)(稀硫酸)溶液中。為了避免鋅片直接與H+（或具有氧化性離子）發(fā)生反應(yīng)，鋅片所處的電解質(zhì)溶液中陽離子只能為自身金屬的鹽溶液或其它較之活潑金屬的鹽溶液之中，銅片則要插入稀硫酸（鋅之后的鹽溶液）中。通過這樣的引導(dǎo)，然后讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)“原料利用率高、可控制反應(yīng)進(jìn)行”的新的銅-鋅(硫酸)原電池裝置。

起初，大多數(shù)學(xué)生設(shè)計(jì)的新裝置如圖3，對此我們進(jìn)行了評析：該裝置雖然避免了鋅自發(fā)地進(jìn)行反應(yīng)的現(xiàn)象，但閉合開關(guān)后電流表指針不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，為什么呢？因由電解質(zhì)溶液形成的內(nèi)電路斷開了，反應(yīng)不能進(jìn)行下去，即導(dǎo)線上沒有電子流動（沒有電流產(chǎn)生），銅片上也沒有氫氣產(chǎn)生。如何使兩燒杯中電解質(zhì)溶液相通，平衡反應(yīng)中兩燒杯里陰陽離子電荷濃度，從而形成一個(gè)完整的閉合電路呢。經(jīng)同學(xué)們反復(fù)思考、討論，最后確定在U形管內(nèi)充滿ZnSO4或K2SO4溶液（不能為稀H2SO4或KNO3，因H+擴(kuò)散到鋅所處燒杯中或NO3-擴(kuò)散到銅所處燒杯中均會發(fā)生副反應(yīng)），并用瓊脂使電解質(zhì)溶液凝聚成凍狀物，再將該U形管倒插于兩燒杯中，從而在兩燒杯之間“架起”一座離子交換流動的“鹽橋”。最終完善的新原電池設(shè)計(jì)裝置為圖4。

新原電池裝置設(shè)計(jì)完成后，再讓同學(xué)們到實(shí)驗(yàn)室做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與預(yù)期相吻合。同學(xué)們高興得相互擁抱，慶祝實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成功。

通過以上原電池的探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅知道了銅-鋅（硫酸）原電池中鋅片上產(chǎn)生氫氣的多種原因，同時(shí)還解決了實(shí)驗(yàn)中鋅片（原料）化學(xué)能的充分利用和有效控制反應(yīng)的問題。雖然這些問題早就被人們所認(rèn)識，但由高中學(xué)生親自動手做實(shí)驗(yàn)，自主產(chǎn)生的這種認(rèn)識則不同，存在著創(chuàng)新思維的因素。更重要的是學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)會了認(rèn)識事物的方法，認(rèn)識到只有認(rèn)清了問題的本質(zhì)，才能找到科學(xué)解決問題的辦法。這是最鮮活、最生動的辯證唯物主義教育和最有效的學(xué)習(xí)方法。

（作者單位：武漢市黃陂一中）

責(zé)任編輯 王愛民