化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中雙液原電池裝置的應(yīng)用

楊永紅

（新疆石河子第一中學(xué)，新疆石河子 832000）

引 言

電化學(xué)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中非常重要的一部分，電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中涉及對(duì)氧化還原反應(yīng)的知識(shí)和對(duì)一些電子儀器，如電流表、電壓表之類的應(yīng)用，屬于化學(xué)實(shí)驗(yàn)中較難理解的部分。而雙液原電池將原電池中的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)區(qū)分開來，有助于在實(shí)驗(yàn)中更為細(xì)致地分別觀察氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的過程，并理解其反應(yīng)機(jī)制，因此雙液原電池在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有著非常廣泛的應(yīng)用。

一、雙液原電池

原電池是電化學(xué)中一種常見的實(shí)驗(yàn)裝置，在原電池中氧化劑（電解質(zhì)溶液）和還原劑（陽極）都處于同一個(gè)容器中，因此對(duì)于反應(yīng)的效率會(huì)產(chǎn)生一定影響，不利于在實(shí)驗(yàn)中對(duì)氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)進(jìn)行理解和分析。而雙液原電池將陰極和陽極分別置于兩個(gè)盛有電解質(zhì)溶液的容器中，中間通過鹽橋連接，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別發(fā)生在兩個(gè)容器中，可以不受干擾地分別進(jìn)行，有利于對(duì)氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)進(jìn)行區(qū)分和理解。

二、雙液原電池在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

（一）研究外界條件對(duì)反應(yīng)物氧化性和還原性的影響

一般來說，物質(zhì)的氧化性和還原性會(huì)受到溫度、pH 值、催化劑等的影響。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，我們通常需要研究不同外界條件對(duì)物質(zhì)氧化性或還原性的影響，以及影響的程度。因此，我們可以使用雙液原電池探究不同的外界條件對(duì)物質(zhì)氧化性和還原性的影響，下面將闡述一種利用雙液原電池探究外界條件對(duì)Mn4+的氧化性和Cl-的還原性的影響，使用的是MnO2/NaCl 雙液原電池。

圖1 MnO2/NaCl雙液原電池反應(yīng)示意圖

借助圖1中的實(shí)驗(yàn)裝置可探究pH 值對(duì)Mn4+和Cl-的氧化還原反應(yīng)特性的影響，其中U 型管底部為膠質(zhì)鹽橋，將U型管兩端分隔開，形成了一個(gè)雙液原電池。在實(shí)驗(yàn)中，我們將等量的酸溶液滴入U(xiǎn) 型管的兩端，可以判斷pH 值小于7 時(shí)，對(duì)Mn4+和Cl-的氧化還原反應(yīng)特性的影響，或是將等量的堿溶液滴入來判斷pH大于7時(shí)對(duì)Mn4+和Cl-的氧化還原特性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可根據(jù)電壓表的偏轉(zhuǎn)方向得出，當(dāng)電壓表的示數(shù)增大時(shí)，說明外界條件對(duì)Mn4+的氧化性影響更大；當(dāng)電壓表的示數(shù)減小時(shí)，說明外界條件對(duì)Cl-的還原性的影響更大。

（二）排除氧化劑和還原劑之間的干擾

雙液原電池采用兩個(gè)容器將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分隔開，并通過中間相連的鹽橋?qū)崿F(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移，可使氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)在兩個(gè)容器中穩(wěn)定進(jìn)行，可排除容器中離子的相互作用，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中分別研究氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)非常有幫助[1]，下面將介紹一種利用雙液原電池排除干擾的特性來研究Fe2+和NO3

-的氧化還原反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置。

圖2 FeSO4/HNO3雙液原電池反應(yīng)示意圖

與一般的原電池反應(yīng)不同，F(xiàn)e2+和NO3-的氧化還原反應(yīng)在單容器和在雙容器中的反應(yīng)過程是不同的，圖2是一種研究Fe2+和NO3-的氧化還原反應(yīng)的雙液原電池實(shí)驗(yàn)裝置，與圖1相同，仍是使用底部的膠質(zhì)鹽橋?qū) 型管分隔開，形成一個(gè)雙液原電池。Fe2+和NO3-的電化學(xué)反應(yīng)與其他物質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)不同，在單容器原電池中，F(xiàn)e2+會(huì)與NO3-的反應(yīng)產(chǎn)物NO進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)生成棕色的Fe(NO)2+,會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不利于分析實(shí)驗(yàn)。而在雙液原電池中，可將Fe2+與NO3-的反應(yīng)分隔開來，其中左側(cè)反應(yīng)為Fe2++e-→Fe3+；右側(cè)的反應(yīng)為NO3-+e-→NO，這樣生成的NO 會(huì)直接逸出U 型管而不與Fe2+發(fā)生反應(yīng)，便于通過U 型管兩側(cè)溶液的顏色分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。對(duì)于其他容易發(fā)生中間反應(yīng)的原電池，都可以使用雙液原電池將氧化劑和還原劑分隔開，從而避免中間反應(yīng)和中間產(chǎn)物干擾實(shí)驗(yàn)。

（三）解決反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)問題

反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)是化學(xué)反應(yīng)中一種常見現(xiàn)象，但有時(shí)反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)會(huì)干擾化學(xué)實(shí)驗(yàn)，還會(huì)使實(shí)驗(yàn)過程無法進(jìn)行。一般來說，電化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)有氧化劑與還原劑之間的相互競(jìng)爭(zhēng)；電化學(xué)反應(yīng)與復(fù)分解反應(yīng)和絡(luò)合反應(yīng)之間的相互競(jìng)爭(zhēng)等[2]。而雙液原電池將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分開的特點(diǎn)可以防止競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的發(fā)生，保障實(shí)驗(yàn)過程順利進(jìn)行，下面將闡述一種使用雙液原電池的特性阻止競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

圖3 KI/AgNO3雙液原電池實(shí)驗(yàn)示意圖

圖3是一種研究Ag+和I-的氧化還原反應(yīng)的雙液原電池，使用兩個(gè)燒杯分別盛裝KI 溶液和AgNO3溶液，中間通過裝有膠質(zhì)鹽橋的U 型管連接。采用這種實(shí)驗(yàn)裝置的原因是常規(guī)的實(shí)驗(yàn)手段一般無法研究Ag+和I-的氧化還原反應(yīng)，因?yàn)锳g+和I-的復(fù)分解反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)力遠(yuǎn)大于氧化還原反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)力，因此將Ag+和I-置于同一容器中時(shí)，會(huì)首先發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)形成AgI 沉淀物而不會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)。對(duì)于這種有競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的物質(zhì)，我們可以采用圖3中的雙液原電池進(jìn)行研究，這種雙液原電池通過兩個(gè)容器阻隔兩種反應(yīng)物，但中間通過膠質(zhì)鹽橋保證了電子在兩個(gè)容器之間的流通，因此可以保證在發(fā)生氧化還原反應(yīng)的同時(shí)不發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)生成AgI 沉淀物，便于對(duì)Ag+和I-的氧化還原反應(yīng)進(jìn)行研究。

結(jié) 語

原電池是電化學(xué)中的重要知識(shí)點(diǎn)之一，雙液原電池在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中也有廣泛的應(yīng)用，因此本文對(duì)雙液原電池在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。雙液原電池可將氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)分隔開來，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，雙液原電池可用于研究外界條件對(duì)反應(yīng)物和反應(yīng)性質(zhì)的影響；排除原電池中中間產(chǎn)物對(duì)氧化還原反應(yīng)的干擾；阻止原電池中競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的發(fā)生，可研究一些特殊反應(yīng)物的氧化還原反應(yīng)；對(duì)某些反應(yīng)進(jìn)行定量化研究，通過雙液原電池中的高精度電流表的示數(shù)來推算反應(yīng)物的精確濃度值等。以上幾點(diǎn)就是本文對(duì)雙液原電池在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用的研究結(jié)果。實(shí)際上，雙液原電池在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用非常廣泛，受篇幅限制，本文研究的深度有限，希望后續(xù)的研究能夠更加深入細(xì)致。