對銅鋅原電池實驗的創新設計

夏立先

人教版及蘇教版高中化學必修教材，都是用圖1裝置做銅鋅原電池實驗。該裝置的缺陷是：鋅直接接觸稀硫酸，由于過電位的存在，鋅表面也會有比較多的氣泡，影響實驗效果。盡管一些教師對該裝置進行了局部改進，但只要鋅接觸稀硫酸，鋅表面總會有一些氣泡。所以，為了鋅表面不產生氣泡，大家不得不用圖2裝置進行實驗。圖2中X液為硫酸鋅溶液、Y液為稀硫酸，鋅與稀硫酸放到兩個燒杯中，兩個燒杯之間靠鹽橋連接，由于鋅接觸不到稀硫酸，故鋅表面不會有氣泡。

對化學選修的學生及選修階段而言，采用圖2裝置理解原電池原理困難不大，但對化學必修的學生及必修階段而言則困難極大。

能否把圖1裝置和圖2裝置融為一體，設計出一個新的裝置？在這種想法的指引下，一個頗有創意的新裝置便產生了。

1.設計思路

在同一燒杯中放兩種溶液，密度大的放到下層，密度小的放到上層。為減少相互擴散，同時能保證離子的自由遷移，在上層溶液的中間部分用多層濾紙或海綿隔開，把兩個相連的電極分別放到，上層溶液和下層溶液中，這樣就制作好了一個原電池裝置。

改進后的實驗裝置圖如圖3所示。

2.實驗步驟

取一只普通漏斗，用頸穿過雙層濾紙中央，將連有銅片的導線穿過漏斗。取一只200mL的燒杯，向其中加入100mL2 mol·L-1的稀硫酸，將連接好的漏斗及銅片（太大時可折疊）放入燒杯中，將濾紙壓入燒杯大約150mL處;另取一燒杯，向其中加人一鑰匙氯化鈉固體，加入大約100mL水，用玻璃棒攪拌溶解，然后將該稀的食鹽水沿燒杯壁緩緩倒入燒杯中，濾紙下方大約有50mL食鹽水，濾紙上方大約有50mL食鹽水;將導線的另一端與鋅片連接，然后把鋅片放入濾紙上方的食鹽水中即可。

實驗現象：可以看到銅表面氣泡逐漸增多，后保持相對穩定，產生的氣泡沿著漏斗頸的孔冒出;鋅表面至少保持15min沒有氣泡。

3.幾點說明

（1）漏斗的作用，一是起支撐濾紙的作用，二是起導氣作用。

（2）濾紙不要緊貼硫酸溶液，濾紙下方要有一定厚度的稀氯化鈉溶液;否則，硫酸會比較快地擴散上來，導致鋅片，上產生氣泡。濾紙層數可根據需要進行調整，層數越多，擴散越慢。濾紙直徑要稍大于燒杯直徑，保證密封效果。

（3）密度大的溶液一定要在下方，密度小的溶液在，上方，這樣可以減慢擴散速度。

（4）實驗拓展。可以利用上述改進裝置，做其他一些實驗。如：

①銅或鐵與氯化鐵反應實驗。上層溶液為稀氯化鈉溶液，電極為銅或鐵;下層溶液為濃氯化鐵溶液，電極為碳棒。

②鋅與硫酸銅反應實驗。上層溶液為稀氯化鈉或硫酸鋅溶液，電極為鋅;下層溶液為濃硫酸銅溶液，電極為碳棒或銅。

③濃差電池。上層溶液為稀硫酸銅溶液，電極為銅;下層溶液為濃硫酸銅溶液，電極為銅。