在化學原電池教學中引入雙液原電池的探討

韋善于

【摘 要】本文在分析化學原電池教學引入雙液原電池的必要性的基礎上，詳細探討單液原電池和雙液原電池在結構、工作原理等方面的共同點和不同點，為教學提供參考。

【關鍵詞】高中化學 雙液原電池 單液原電池

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）01B-0148-02

近年來，隨著素質教育的推行，化學教學的現狀有了明顯改善，教學水平也有了顯著提高，學生的化學素養也得到了極大增強。在化學教學中，化學原理的教學是基礎也是根本，只有學生掌握了相關的化學原理，對一些應用型問題和實驗等才能夠更好地理解，解決起問題來也才會更加順暢。需要注意的是，在化學的學習過程中，經常會發現同樣的概念、結論和裝置等，在不同時間段、不同教材中的描述、呈現方式以及功能會存在一定的區別。比如，同樣是原電池的內容，在這一必修教材中是單液原電池，而在另一選修教材中則是雙液原電池，這種種情況往往會困擾

學生和教師，因此本文針對雙液原電池進行探究。

一、化學原電池教學引入雙液原電池的必要性

將雙液原電池引入化學原電池原理教學中，對雙液原電池原理進行詳細講解，能夠在一定程度上提升原電池原理的教學有效性，為學生之后的學習奠定堅實的基礎。但是很多學生在學習化學的過程中，會產生一定的疑問：為什么單液原電池和雙液原電池出現在不同的教材中？

其實，引入雙液原電池，目的是為了讓學生更好地理解和掌握原電池的原理。對雙液原電池的化學原理進行分析時，離不開與單液原電池化學原理的對比，二者在教學中是一種相輔相成的關系。能夠通過與單液原電池的對比，可產生良好的教學效果，加深學生的印象。

二、在化學原電池教學中引入雙液原電池的思考

化學原電池教學是理解相關化學反應不可缺少的一部分教學內容，它對之后學生對問題的理解和解決會產生很大的作用。考慮到在雙液原電池的化學原理教學中，存在著一定的不合理之處，筆者從三個方面進行分析，即分析單雙液原電池兩套裝置在結構上和工作原理上的異同點、兩種原電池電源的最大不同點——鹽橋、將單液原電池改造成雙液原電池的目的。

（一）單雙液原電池實驗裝置在結構、原理上的異同點

首先，兩種實驗裝置的相同點。在相同點方面的分析上，主要可以從正極和負極、電極反應、總反應式、現象以及能量轉化幾個方面進行分析。

正、負極方面：兩種裝置正極均為 Cu，負極均為 Zn。

電極反應式方面：兩種裝置的正極均為 Cu2++2e-=Cu，負極均為 Zn-2e- Zn2+。

總反應式方面：兩種裝置均為 Zn+Cu2+ Zn2++Cu。

實驗現象方面：現象均相同，Zn 片出現腐蝕并發生溶解，Cu 片的重量增加，電流計的指針出現一定程度的偏轉。

能量轉化方面：兩種裝置的實驗中的能量轉化均為化學能轉化成電能。

其次，兩種實驗裝置的不同點。在不同點方面的分析上，主要可以從電池、電解質、鹽橋和現象四個方面進行分析。

第一，電池方面的不同點。單液原電池的電池數量為 1 個，雙液原電池的電池數量為 2.5 個。

第二，電解質方面的不同點。單液原電池的電解質為 CuSO4，雙液原電池的電解質除了 CuSO4，還有 ZnSO4 等。

第三，鹽橋方面的不同點。單液原電池無鹽橋，雙液原電池有鹽橋。

第四，在反應現象方面的不同點。單液原電池 Zn 片的表面有一定數量的紅色物體覆蓋，雙液原電池 Zn 片的表面則沒有紅色物體覆蓋。

通過對上述相同點和不同點的對比分析，對單液原電池和雙液原電池的結構和工作原理有了更加正確的認識。在此基礎上，就可更加合理、準確地分析和解決問題。為了更好地了解單液原電池和雙液原電池，筆者以例子對單液原電池和雙液原電池的實踐應用進行分析。

根據圖 3 所示，對下列各選項的敘述進行判斷，正確的是（ ）

A.圖 3 中正極附近溶液的 pH 降低

B.圖 3 中電子由 Zn 向 Cu 流動，鹽橋中的 C1- 向 CuSO4 溶液流動

C.圖 3 中的正極反應是 O2+2H2O+4e- 4OH-

D.圖 3 中加入少量的 K3[Fe（CN）6]溶液，將會發現有少量的藍色沉淀生成

對于圖 3 左邊圖 Zn 為負極，反應為 Zn-2e-=Zn2+，Cu為正極，反應為 Cu2++2e-=Cu，鹽橋中 K+ 向 CuSO4 中移動，Cl- 向 ZnSO4 移動；右邊圖中 Fe 為負極，反應式為 Fe-2e-=Fe2+，Cu 為正極，反應式為 2H++2e-=H2。對于答案 A，左邊圖 Cu2+ 濃度減少，Cu2+ 水解少了，pH 升高，右邊圖 H+ 生成 H2，pH 也升高，A 對；B 答案中電子流動向 Cu 是對的，但 K+、C1- 移動方向反了；對于 C 答案正極反應都不是這個；對于 D 答案左邊圖無 Fe2+，只有右邊有藍色沉淀生成。故 A 對。

（二）單雙液原電池兩種實驗裝置最大不同之處——鹽橋

從單液原電池和雙液原電池實驗裝置的比較分析中可以看得出來，一種沒有鹽橋，一種有鹽橋，而這也是二者最大的不同之處。相比于無鹽橋的單液原電池，雙液原電池的鹽橋的作用又是如何呢？綜合概括起來，原電池中鹽橋的作用可以進行這樣簡單的分析：雙液原電池使用鹽橋的目的是為了消除液間接電勢，鹽橋中的陽離子和陰離子通過定向移動進入到陽極池和陰極池中，使得雙液原電池形成閉合回路。

何謂液接電位？所謂液接電位指的是組成或活動不同的兩種電解質相互發生接觸時，在溶液接觸界處于由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。在這樣的實驗中，經常會產生不同程度的誤差，這種誤差產生的原因眾多，有客觀環境因素，也有主觀操作因素，其中液接電位便是造成電位誤差的因素之一。將鹽橋插入至兩種溶液之間，能夠避免原先的兩種溶液直接接觸，從而實現穩定液接電位的目的。

需要注意的是，使用鹽橋的溶液必須要滿足三個條件：①陰陽離子的遷移速度差距不是特別大，非常相近；②鹽橋溶液的溶度要夠大；③鹽橋溶液與實驗裝置中的溶液不能發生反應，或者不會對測定產生干擾。鹽橋作用的基本原理是：由于鹽橋中電解質的濃度很高，兩個新界面上的擴散作用主要來自鹽橋，故兩個新界面上產生的液接電位穩定。由于鹽橋中正負離子的遷移速度差不多相等，故兩個新界面上產生的液接電位方向相反、數值幾乎相等，從而使液接電位減至最小以至接近消除。從當前的實際情況來看，鹽橋溶液的種類比較多，但有些并不常見，常用的鹽橋溶液，如飽和氯化鉀溶液 4.2 mol/L KCl 溶液，0.1 mol/LiAc 溶液以及 0.1 mol/L KNO3 溶液等。

（三）將單液原電池改造成雙液原電池的主要目的

學生在學習的過程中，可能會產生疑問：為什么要將單液原電池改造成雙液原電池呢？改造之前的單液原電池和改造之后的雙液原電池產生的電流效率是不是一樣呢？為了能夠解決這些疑問，幫助學生更好地進行學習，設計相應的實驗以解決學生的疑問。實驗結果顯示，如果實驗條件一樣，那么雙液原電池的電流強度要遠大于單液原電池。

上圖 1 為單液原電池實驗設計裝置，其中的 Zn 在 CuSO4 溶液中與 Cu2+ 發生直接接觸，隨之發生直接反應。在反應的過程中，出現了兩種能量轉化，一種是化學能轉化成電能，另一種是化學能轉化成熱能，因而該實驗裝置的溫度會不斷上升。上圖 2 為雙液原電池實驗設計裝置，Zn 和 CuSO4 溶液不在一起，因此 Zn 不會與 Cu2+ 發生直接反應，這其中的能量轉化就只有一個種，即化學能轉化成電能，不存在化學能轉化成熱能的現象，這樣就能夠保證電流的穩定性，并且持續相當長的一段時間。鹽橋原電池中，還原劑與氧化產物在負極和正極各自會構成一個半電池，而單液原電池的還原劑和氧化產物在同一個電池中，因而只能構成一個半電池，這也就解釋了為什么雙液原電池的電流強度要大于單液原電池的原因。因此，在實際的操作過程中，雙液原電池的選擇和使用相對更多。

總而言之，化學是中學階段的學科之一，該學科教學質量的高低，不僅會影響學生的學習成績，而且會對學生綜合素質的提升產生影響。化學原電池教學是化學教學的有機組成部分，教師在教學的過程中應當對化學原電池教學保持高度重視，采取各種有效措施去解決化學原電池教學中的問題，特別是在將雙液原電池引入到化學原電池教學過程中，教師更加應當重視。在實際的教學過程中，不能夠放過任何產生問題的機會，通過問題的提出來培養學生的思考意識和探究意識，讓學生能夠在回答和探討問題的過程中進一步打開自己的思維，更好地理解雙液原電池的化學原理。

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（責編 盧建龍）