原電池中關于“鹽橋”的探究與啟示

摘 要：新課標高中化學選修四教材中，鹽橋這一概念的引入，對教師的教和學生的學都造成一定的困擾。選取了幾個教學實踐過程中學生困惑最大的問題進行了探討，為中學化學這一內容的教材處理與教學實踐提供一些啟示。

關鍵詞：原電池；鹽橋；探究；啟示

在高中化學選修四中第四章第一節《原電池》的內容中，有一個知識點：鹽橋，這一知識點是新課標教材新增內容。對于鹽橋，大多數學生無法理解，難免提出一些疑問，下面就學生提出的幾個有關鹽橋的問題進行探討。

一、原電池中為什么要使用鹽橋

如圖1，有鹽橋時，用銅、鋅片和硫酸銅溶液組成原電池，電流表指針偏轉，有電流通過。

若取出鹽橋，由于Zn原子失電子產生鋅離子使鋅片周圍溶液帶正電，而銅離子在銅片（正極）上得電子析出，導致銅片附近硫酸根增多而帶負電。因此負極的正電荷增多而導致電子（負電荷）難以流出，正極負電荷增多也會導致電子流入困難，從而電池不能產生持續穩定的電流。

加了鹽橋后（設為KCl，圖1），隨著反應的進行，鹽橋中帶負電離子（Cl-）會流到鋅片處，帶正電離子（K+）流到銅片，中和兩極上的電荷，從而保持兩邊溶液電中性而保證電流的持續穩定。

總之，原電池鹽橋的作用是保持兩極溶液的電中性和溝通回路。

如果教師按照教材這樣的描述給學生講解，很多學生往往意猶未盡、如鯁在喉，仍然不能正確理解此處鹽橋引入的意義。在此，如果引入液接電勢的概念（當組成或活度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為液體接界擴散電位，簡稱液接電位），才能講清鹽橋的作用，即液接電位減至最小以致接近消除，以使電池產生持續穩定的電流。

二、鹽橋中的K+、Cl-向兩極溶液中擴散，兩極溶液中的離子是否也向鹽橋中擴散

下面以電池Zn（s）│ZnSO4‖KCl飽和溶液‖CuSO4│Cu（s）為例，進行實驗探究。其電池裝置如圖2所示

實驗現象：一段時間后，鹽橋右端下部溶液變成藍色。

原因：在原電池開始工作的一段時間內，由于鹽橋中電解質溶液濃度高，K+、Cl-幾乎擔負了通過液相接界的全部電流的遷移。在電池工作一段時間后，電極溶液中的離子也開始顯著地相互擴散，即兩極溶液中的離子也向鹽橋擴散，為防止兩極溶液中離子因通過鹽橋擴散而混合對獲得穩定電流產生影響，需適時更換鹽橋。

三、鹽橋換成金屬導線還能產生電流嗎

課堂教學的過程中，學生并不滿足于對鹽橋作用的理解，有的學生進一步質疑，將鹽橋換成能導電的金屬導線能否產生電流呢？為此，我進行了如圖2實驗，將鹽橋換成銅導絲。

實驗現象：電流表指針發生偏轉，電子方向是從鋅片流出（a→b），銅導線中電子流向是c→d，此實驗證明了銅導線中確實有電流通過。

該實驗條件下，沒有自發進行的氧化還原反應，為什么還產生電流呢？

猜想與假設：是不是與金屬的吸氧腐蝕有關呢？于是進行圖3實驗進行驗證。將銅導線換成鎂片，為了防止鎂片跟ZnSO4溶液反應，將ZnSO4溶液換成MgSO4溶液。裝置如圖3：

實驗現象：電子方向跟圖2的方向相反，即電子從鎂片流出（d→c）。并且觀察到鎂片快速溶解，很快有白色沉淀生成。取少量沉淀于試管中，并加少量蒸餾水，滴加酚酞，溶液變紅，說明白色沉淀是Mg（OH）2。并且右邊燒杯中與鎂片相連的銅導線上有銅析出，與鋅片相連的銅片溶解。

上述兩個實驗表明：圖2、3實驗中，左邊燒杯是一個原電池。圖2中，鋅比銅活潑，所以鋅做負極，電子方向是從鋅片流出（a→b）；圖3中，鎂比鋅活潑，所以鎂作負極，電子從鎂流出（d→c），與圖2中電子方向相反。右邊燒杯是一個電解池，圖3中與鎂片是相連的銅導線作為電解池的陰極有銅析出，與鋅片相連的銅片作為陽極銅片溶解。證明了左邊就是一個原電池右邊是一個含有CuSO4溶液的電解池。即將鹽橋換上導線能產生電流，此時的原電池和金屬的吸氧腐蝕有關，且和電解池串聯在一起，以此類推，講鹽橋換成金屬導線，甚至彎曲的石墨棒，均有電流產生。

四、對教學實踐啟示

本文中的三個問題，前兩個并不是高中化學需要深究的內容，但是對于激發學生對化學的學習興趣，勇于探索的科學精神具有重要的意義；后一個問題的探究講電化學知識原電池、電解池、金屬的電化學腐蝕有機地整合起來，有利于學生對電化學知識的整體把握。解決這種與生活、社會密切相關的問題，不僅能幫助學生解決學科問題，體驗成功的喜悅，還能加強對學生的創新思維和創造力的培養。這正是普通高中化學課程標準提出的，發展學習化學的興趣、樂于探究物質變化的奧秘，體驗科學探究的艱辛和喜悅，感受化學世界的奇妙與和諧有參與化學科技活動的熱情，有將化學知識應用于生產、生活實踐的意識，能夠對與化學有關的社會和生活問題做出合理的判斷。我們教育工作者應密切關注學生、了解學生心理需求，激發和保持學生學習的興趣和動機，實現將情感、態度教育目標的實現滲透到學科教學的方方面面中去。

（作者單位 江西省南昌市第十中學）