原電池中鹽橋知多少

陳偉

原電池屬于電化學的知識范疇，是中學化學理論體系中不可缺少的一部分，同時原電池與物理學科中的電學、能量的轉換有密切聯系，是氧化還原反應、離子反應等知識的綜合運用。原電池安排在氧化還原反應、離子方程式和電解知識后教學，符合化學學科知識的邏輯體系和學生認知規律。通過化學能和電能之間的相互轉化，能夠使學生對氧化還原反應的認識及化學反應中能量變化的認識更加深刻。教學中在高二化學《原電池》這一節中出現了鹽橋這一裝置。鹽橋在原電池中的作用，鹽橋的使用技巧等等，作為新生事物，給學生造成的困惑不少。要想對鹽橋形成全面的認識，筆者以為就要從引入鹽橋的目的進行探討。

鹽橋是瓊脂和Kcl飽和溶液搞成的。鹽橋里的物質一般是強電解質而且不與電池中電解質反應，教材中常使用裝有飽和Kcl瓊脂溶膠的U型管，離子可以在其中自由移動，這樣溶液是不致流出來的。

對沒有鹽橋的以硫酸銅為電解質的銅—鋅原電池為例。接通電路后可觀察到的主要現象是：鋅片溶解，銅片上有紅色物質生成，導線中有電流通過。但細心的同學還會觀察到，原電池工作一段時間后，鋅電極也開始產生紅色物質，導線中的電流越來越小，用純度很高的鋅做電極依然如此，那鋅電極為什么會有銅生成呢？從理論上看，銅應該只在銅電極生成，但由于鋅電極浸泡在硫酸銅溶液中，不可避免會有少量銅離子直接在鋅片上獲得電子，這樣這部分鋅失去的電子就沒有通過導線，使一部分化學能沒有轉變為電能，，且生成的銅覆蓋在鋅表面，直接與鋅構成許多微小的原電池，這將加快鋅的溶解，而溶解的鋅失去的電子沒有通過導線，直接被銅離子獲得，使鋅上析出更多的銅，這種循環會促使電路中電流不斷減小，電池效率進一步降低，因此這樣的電池工作時間短，不能持續供電，不具有使用價值。要解決這個問題，關鍵是不能讓負極金屬與參與反應的電解質接觸，既電池反應的還原劑與氧化劑不能接觸。因此有人提出如圖b的方案，很顯然電池沒有構成閉合回路，它是不能工作的。在此基礎上，如果使用鹽橋，設計成圖c的裝置，實驗結果表明電路中有持續電流，且鋅電極不再有銅生成，有效的克服了前述電池效率低，不能持續工作的問題。

那么鹽橋是怎樣構成的？在這里又起了什么作用呢？教材中使用的鹽橋是裝有飽和KCl瓊脂溶膠的U形管，由于KCl溶液包含在凝膠中，離子可以在其中自由移動，但不致使溶液流出來。鹽橋在圖c中既實現鋅電極與硫酸銅中銅離子的隔離，又建立了內電路的離子通道，使電路閉合。其電池工作原理如下，鋅失去電子成為Zn2+進入溶液中，使ZnSO4溶液中Zn2+過多，使溶液帶正電，從而阻止鋅繼續失去電子進入溶液，但有鹽橋后，鹽橋中氯離子會向ZnSO4溶液中移動，中和過多的Zn2+所帶的正電荷，保證鋅可不斷失去電子成為Zn2+進入溶液。同理硫酸銅溶液因銅離子不斷減少而帶負電，鹽橋中鉀離子移向硫酸銅溶液也可中和過多的負電荷。因此，鹽橋在電池中另一個作用是保持溶液的電中性，使電池能持續工作。

鹽橋作用如此之多，那么其使用有哪些需要注意的地方呢？用作鹽橋的溶液應符合以下條件：①陰陽離子的遷移速度相近；②鹽橋溶液的濃度要大，鹽橋溶液不與電解質發生反應或不干擾原電池反應。從鹽橋的工作原理看，它能不能無限使用下去呢？從上面鹽橋分析知，其鉀離子氯離子不但移向電解質溶液，使KCl濃度減小，工作一段時間后，要對鹽橋修復。對KCl鹽橋的修復，就是把它放在飽和KCl溶液中浸泡即可。

對含鹽橋的原電池探討中，有同學可能還有以下疑問。問題：電解質溶液的陽離子通常要與電極材料的陽離子相同？如Zn極對應的是硫酸鋅，能不能是氯化鋅或者氯化鈉呢？從上面分析知，只要鋅半電池中的電解質不與鋅直接反應，鋅能以Zn2+進入溶液，其失去的電子通過導線到達正極即可，因此用氯化鋅或者氯化鈉做電解質也可以，但用氯化銅，硝酸銀等可與鋅直接反應的電解質就不行。問題2、為使電路閉合，能用銅導線代替鹽橋嗎？我們知道，鹽橋的作用不僅使整個裝置構成通路，還能保持溶液的電中性。若用金屬代替鹽橋，要使溶液保持電中性，那就不是一個簡單的原電池問題，此裝置原理復雜，了解此點即可，這里不予深究。

我們通過實驗又一次認識了原電池，進一步學習了原電池的工作原理，認識了一種新的裝置——鹽橋，以及它在原電池裝置中的作用，在原有基礎上改進了實驗裝置，通過鹽橋的使用使我們能夠得到持續穩定的電流，在原電池中設置鹽橋不是一個普通的技術改進，而是對舊的思維模式的一個質的突破。過去認為氧化劑、還原劑只有在直接接觸、相互作用才能發生電子轉移，而現在，是使氧化劑和還原劑近乎完全隔離，并在不同區域之間通過特定的裝置（鹽橋）實現了電子的定向轉移，為原電池持續、穩定地產生電流創造了必要的條件，也為原電池原理的實用性開發奠定了理論基礎。同時我們應該清楚的認識到電池給我們生活帶來了很大的方便，但是如果我們對報廢的電池使用后隨便丟棄，又會對我們的地球家園引起嚴重的污染，我希望大家對電池逐步的學習認識過程中，樹立一種環保意識，珍愛我們的環境，愛護我們共同的家園。