氧化還原反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

張婷　張金怡

摘要：電子的定向移動(dòng)產(chǎn)生電流，借助電流傳感器，定量測(cè)定氧化還原反應(yīng)、非氧化還原反應(yīng)體系中的電流數(shù)值，發(fā)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)中伴隨著電子的轉(zhuǎn)移。

關(guān)鍵詞：電流傳感器；氧化還原反應(yīng)；電子轉(zhuǎn)移；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1008-0546（2017）05-0092-02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.05.030

氧化還原反應(yīng)是化學(xué)學(xué)科的核心概念之一，作為中學(xué)化學(xué)的重點(diǎn)知識(shí)貫穿整個(gè)中學(xué)階段的化學(xué)學(xué)習(xí)。在初中階段，學(xué)生從得失氧角度來(lái)認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)；進(jìn)入高中，需要學(xué)生從電子轉(zhuǎn)移角度重新建立對(duì)氧化還原反應(yīng)概念的認(rèn)識(shí)。如何幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化還原反應(yīng)由表象到本質(zhì)的認(rèn)知是教師在具體教學(xué)中所遇到的難點(diǎn)。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

氧化還原反應(yīng)的發(fā)生伴隨著電子的轉(zhuǎn)移，電子的定向移動(dòng)可以產(chǎn)生電流，所以如果反應(yīng)中Zn失電子，HCl得電子，那么電子的流向?yàn)閆nHCl，那么電流方向即為HClZn，將Zn作為正極反應(yīng)物，HCl作為負(fù)極反應(yīng)物，將兩極用導(dǎo)線相連，用電流表可指示回路中有無(wú)電流，從而判斷反應(yīng)中是否發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。

有些學(xué)者利用電流計(jì)檢測(cè)氧化還原反應(yīng)體系中是否有電流產(chǎn)生[1，2]，本實(shí)驗(yàn)利用電流傳感器替代電流計(jì)接入電路中，給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì)：

（1）由于產(chǎn)生電流值未知，當(dāng)電流很大時(shí)，指針的較大偏轉(zhuǎn)會(huì)給電流計(jì)帶來(lái)一定損害；當(dāng)電流很小時(shí)，電流表偏轉(zhuǎn)不明顯，而電流傳感器可精確到0.0001A；

（2）相對(duì)于指針的偏轉(zhuǎn)，電流傳感器可以定量、準(zhǔn)確、持續(xù)地采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電流值的變化，并呈現(xiàn)電流-時(shí)間曲線圖；

（3）鹽酸溶液中本來(lái)就存在自由移動(dòng)的離子，如何證明電流不是其本身的離子移動(dòng)產(chǎn)生的呢？利用電流傳感器可作對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從電流值的大小比較上即可判定出電流的產(chǎn)生是來(lái)自于哪一部分。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1. 鋅與鹽酸反應(yīng)

取1mol/L稀鹽酸40mL于塑料槽中，將電流傳感器與數(shù)據(jù)采集器、電腦相連接，記錄電流傳感器在空氣中的初讀數(shù)為0.0001A。

按照?qǐng)D1直接將兩根導(dǎo)線插入鹽酸溶液中（作空白實(shí)驗(yàn)），設(shè)置電極間距離為3cm，采集時(shí)間為60s，開(kāi)始數(shù)據(jù)采集后，發(fā)現(xiàn)電流數(shù)據(jù)在0.0001A～0.0003A范圍波動(dòng)（圖2），電流數(shù)值基本不變。

按照?qǐng)D3將Zn片連接導(dǎo)線后，插入1mol/L稀鹽酸溶液中，點(diǎn)擊開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，設(shè)置電極間距離為3cm，發(fā)現(xiàn)電流數(shù)據(jù)升至0.04A（圖4），表明Zn與HCl反應(yīng)過(guò)程中有大量電子發(fā)生了轉(zhuǎn)移。

2. 氫氧化鈉與鹽酸反應(yīng)

NaOH與HCl的反應(yīng)為非氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)中無(wú)電子轉(zhuǎn)移。從假設(shè)-驗(yàn)證的邏輯推理進(jìn)行分析，如果證明出NaOH與HCl反應(yīng)中沒(méi)有電子轉(zhuǎn)移，才能夠證明：只有氧化還原反應(yīng)才有電子轉(zhuǎn)移。該實(shí)驗(yàn)對(duì)裝置要求較高，可作為教師實(shí)驗(yàn)和學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)。

按照?qǐng)D1，做NaOH溶液的空白實(shí)驗(yàn)，設(shè)置電極間距離為3cm，采集時(shí)間為60s，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖5）；

按照?qǐng)D6，將NaOH溶液置于滴定管中，用導(dǎo)線將NaOH溶液、電流傳感器、HCl溶液依次相連，設(shè)置兩電極間距離為3cm，采集時(shí)間為150s；打開(kāi)滴定管旋鈕，將其中盛放的1mol/LNaOH溶液緩緩加入1mol/L HCl溶液中，待兩溶液接觸，形成回路后開(kāi)始數(shù)據(jù)采集；待NaOH溶液的液面低于導(dǎo)線底端時(shí)（形成斷路前），停止數(shù)據(jù)采集，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖7）。

圖5、圖7中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，測(cè)得NaOH溶液、NaOH與HCl反應(yīng)體系中的電流值在0.0002A左右，表明兩溶液的混合過(guò)程中未有電子的轉(zhuǎn)移。

三、研究結(jié)論與反思

本實(shí)驗(yàn)選擇了Zn與HCl反應(yīng)、NaOH與HCl反應(yīng)，分別為氧化還原反應(yīng)、非氧化還原反應(yīng)，利用電流傳感器測(cè)定出兩個(gè)反應(yīng)體系中電流的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)中電流數(shù)值明顯大，并且也大于NaOH溶液、HCl溶液的體系，表明氧化還原反應(yīng)中存在電子轉(zhuǎn)移。

該實(shí)驗(yàn)方法建立在學(xué)生已有的電子、電流、電路知識(shí)基礎(chǔ)上，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生能夠根據(jù)化學(xué)反應(yīng)設(shè)計(jì)出該實(shí)驗(yàn)，這其實(shí)也就是一個(gè)原電池的模型，但此時(shí)不向?qū)W生引入電極、正負(fù)極等概念，直接就是用導(dǎo)線將兩物質(zhì)體系相連構(gòu)成回路，用電流傳感器定量測(cè)定回路中的電流值，從而準(zhǔn)確判斷反應(yīng)過(guò)程有無(wú)電子轉(zhuǎn)移。本實(shí)驗(yàn)采用了簡(jiǎn)單的思路、簡(jiǎn)單的反應(yīng)、簡(jiǎn)單的裝置，有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)，并見(jiàn)證了區(qū)分氧化還原反應(yīng)與非氧化還原反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1] 賀正東. 氧化還原反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移的實(shí)驗(yàn) [J]. 化學(xué)教學(xué)，1986（1）：49

[2] 徐春麗，林承志. “氧化還原反應(yīng)”第一課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)，2010（11）：40-42