“舊瓶裝新酒”

譚大鵬 戴躍華

【摘 要】積極開展對教材傳統演示實驗的創新研究，有利于提高化學課堂教學質量，提高教師專業水平。實驗采用更為簡潔的一體化實驗儀器，既簡化了實驗裝置，又節約了試劑用量;把這個原本無人問津的“紙上實驗”創新成既可教師演示又可學生分組實驗。利用悅耳的聲音來檢驗實驗效果，給學生帶來感官上的全新體驗。

【關鍵詞】Y型玻璃管;雙液原電池;鹽橋

化學實驗是化學教學和化學科學研究重要的方法和手段。積極開展對教材傳統演示實驗的創新研究，有利于提高化學課堂教學質量，提高教師專業水平。《高中化學新課程標準》中指出：通過以實驗為主的多種探究活動，使學生體驗科學研究的過程，激發學習化學的興趣，強化科學探究的意識，促進學習方式的轉變，培養學生的創新精神和實踐能力。一個好的創新實驗也能激發學生學習化學的熱情，培養學生創新能力。

筆者針對蘇教版選修4專題1第二單元第一節 《原電池的工作原理》中的演示實驗進行了反思，并提出了改進方案：

一、學情分析

從知識角度看：學生在高一必修階段已經掌握了典型Cu-Zn單液原電池的相關知識，了解原電池工作的基本原理，這為本節選修內容的學習起到了鋪墊作用。

從能力角度看：學生已經具備一定的實驗探究能力，能理解實驗改進設計的創新之處。綜合以上分析，筆者提出對該演示實驗的最終改進方案。

二、教材分析

蘇教版選修4專題1第二單元第一節《原電池的工作原理》

[活動與探究]

[實驗2]按圖1組裝好儀器，向兩只燒杯中分別加入30ml 1.0 mol·L-1 CuSO4溶液和30ml 1.0 mol·L-1 ZnSO4溶液，將連接導線和電流計的鋅片和銅片分別插入ZnSO4溶液和CuSO4溶液中，將鹽橋插入兩只燒杯內的電解質溶液中，觀察實驗現象。取出鹽橋，觀察實驗現象。

上述經典實驗說明原電池是把化學能轉變成電能的裝置。其中采用雙液原電池是對單液原電池的改進。它將氧化劑與還原劑完全隔開，分成兩個半電池，并利用鹽橋連接起來，克服了化學能的損失，為原電池持續、穩定地產生電流創造了必要的條件。從上述Cu-Zn雙液原電池的組成可以看出，原電池是由兩個半電池組成的。鋅和鋅鹽溶液組成一個半電池，銅和銅鹽溶液組成另一個半電池。中間通過鹽橋連接起來。失去電子的電極為負極，得到電子的電極為正極。

鋅片（-）：Zn—2e-=Zn2+? ? 發生氧化反應

銅片（+）：Cu2++2e-=Cu? ? ?發生還原反應

總反應式：Cu2++Zn=Cu+Zn2+

但在實際操作時發現存在以下問題：

1.實驗裝置所需玻璃儀器相比于單液原電池要復雜，使用的藥品用量更多。實驗操作也不夠簡便。

2.鹽橋的制作與清洗操作非常麻煩，以致雙液原電池很少在日常課堂教學中進行演示，導致學生對U型管鹽橋內的物質根本沒見過，更不要說理解鹽橋的真實結構及其工作原理，是典型的“紙上談兵”式的教學。

先說鹽橋的制作，制作一根U型管鹽橋耗費時間長（50分鐘左右）。瓊脂的用量也比較大，還容易出現如瓊脂不易凝結成膠;灌裝不當導致U型管破裂;制得的凝膠中含有大量的氣泡等問題影響實驗效果。

再說鹽橋的清洗，U型管鹽橋在清洗時需要先將瓊脂搗碎，用水沖掉瓊脂以后再用試管刷清洗殘留的瓊脂，洗滌不方便。

3.U型管鹽橋在實際使用時，其構成的雙液原電池電流強度一般只有5-10 mA，非常小。遠小于相同條件下單液原電池的電流（最大電流達到幾十毫安）。這一情況與教材引入鹽橋的出發點不盡相同，容易使學生產生困擾。

三、方案設計與改進之處

為了解決上述問題，筆者對雙液原電池進行重新設計，采用一體化的儀器，改進了瓊脂制作的工藝，改進了實驗細節。用更簡單的實驗裝置，獲得了更好的實驗效果。

1.實驗儀器的改進——用訂制的Y型玻璃管代替多個玻璃儀器串聯的結構，實現裝置一體化。

（1）圖2中Y型玻璃管作為雙液原電池實驗載體，其下口配有橡皮塞，其上方兩個支管分別插有銅電極和鋅電極，作為電池的正極和負極。用導線將電極和音樂賀卡播放器相連接，形成閉合回路，極大地簡化了實驗裝置;

（2）Y型玻璃管口徑很大，增大鹽橋的寬度;用很少的瓊脂就隔開兩個電極的電解質溶液，縮短鹽橋的長度，電流更大;

（3）Y型玻璃管的上、下支管形成三通管，清洗方便。

2.鹽橋制作工藝的改進：

通過查閱并分析資料，調整了加料順序和試劑的用量。具體操作如下：稱取約0.8 g瓊脂粉溶于100 ml開水，攪拌使之完全溶解后加入約24g KCl固體，完全溶解后，加入紅色色素;通過漏斗，趁熱倒入事先預熱好的Y型玻璃管。液面只要超過Y型玻璃管的岔口即可，待溶液冷卻后，凝膠形成，一根紅色的鹽橋制備完成。根據筆者個人經驗，100ml水制得的瓊脂可以灌裝約4根Y型玻璃管，非常節省原料。

3.溶液濃度的改進：

硫酸銅濃度不變（1.0mol·L-1）;在一定范圍內，將硫酸鋅的濃度由1.0 mol·L-1降低到約為0.5mol·L-1，增大了兩極之間的電壓，提高了電流強度。

四、實驗儀器和試劑

1.實驗儀器：

Y型玻璃管1支，數字萬用表一個，銅電極1根，鋅電極1根，音樂賀卡播放器1個，PVC白板一塊，醫用注射器一支，導線、燒杯、玻璃棒等輔助材料若干。

2.實驗試劑：

獅頭牌瓊脂粉1袋，食用色素（大紅）一袋，KCl固體， 1.0mol·L-1 CuSO4溶液，0.5mol·L-1 ZnSO4溶液，四苯硼鈉稀溶液，蒸餾水。

五、實驗操作及現象分析

1.裝好儀器后，按下電源開關。電路接通后，音樂賀卡響起了悅耳的聲音，聲音音量較大，持續不停且感覺不到聲音衰減，說明電池工作穩定。

2.使用數字萬用表測量電流強度和電壓值。數字萬用表顯示，該電池產生的電流大約25mA（電壓約1.2V），電流穩定，強度是普通U型管Cu-Zn雙液原電池的數倍。

3.使用醫用注射器在正極附近加入數滴四苯硼鈉稀溶液（檢驗K+的存在）。如下圖所示在電池正極附近產生了大量的白色沉淀，證明鹽橋中的離子發生了遷移。

【提示】鉀離子遇到四苯硼鈉會產生白色沉淀。

六、實驗服務教學及效果評價

1.筆者使用這套裝置給本班學生作了演示，聽到悅耳的音樂，學生們都很好奇，原來真實的雙液原電池長這樣，跟書上畫的不一樣！在音樂聲中，師生共同探討了雙液原電池的工作原理，重點分析了鹽橋的作用，即：溝通電路，保持溶液電中性。

既然是橋，橋的長度和寬度就決定了通行效率。筆者訂制的Y型玻璃管比普通雙液原電池所用U型管口徑更大，鹽橋顯得更“寬闊”了！使用了很少的瓊脂就隔開了兩極溶液，鹽橋的長度就更短，電流自然更大。

2.根據改進實驗的成功經驗，積極引導學生思考瓊脂鹽橋的替代方案（如濾紙條，布條，濕巾等）;學生互相討論，自己動手構建更加簡單可行的雙液原電池，進行分組實驗。設計方案如圖3：

學生根據設計方案，利用現有的實驗儀器很快完成了簡易雙液原電池的組裝，靈敏電流計顯示有電流產生。

在學生順利完成分組實驗設計的基礎上，聯系生產實際，指出很多化學電池，比如鋰電池，其電池內部采用的是與濕巾相似的無紡布材料作為正負極的隔膜（其本質就是鹽橋）。

七、實驗反思

1.實驗采用更為簡潔的一體化實驗儀器，既簡化了實驗裝置，又節約了試劑用量;把這個原本無人問津的“紙上實驗”創新成既可教師演示又可學生分組實驗，就好比“舊瓶裝新酒”一樣有了新的滋味。

2.改進了鹽橋的制作工藝，制作簡便，美觀大方，清洗方便，且一支鹽橋可以多次重復使用;在一定范圍內，適當調整了試劑的濃度，提高了電流強度。

3.創新了鹽橋的連接方式，增大了電流，利用悅耳的聲音來檢驗實驗效果，給學生帶來感官上的全新體驗。進而證明，改進后的雙液原電池可以持續穩定地提供較大的電流。

4.創新了鹽橋的制作材料，使每個同學都有機會自搭鹽橋，完成實驗探究，加深對原電池構造原理的認識。

總之，開展中學教材演示實驗創新研究，能有效提升教師實驗教學水平，培養教師的創新意識和創新精神。

【參考文獻】

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003：1

[2]普通高中課程標準實驗教科書·化學——化學反應原理[M].江蘇鳳凰教育出版社

[3]杜愛萍，蘆琴燕.雙液原電池鹽橋的實驗改進[J].化學教與學，2019（11）：80-82