巧妙運(yùn)用半透膜改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置

謝涵博

摘 要：運(yùn)用醋酸纖維素酯透過物質(zhì)具有選擇性的特性，設(shè)計(jì)有機(jī)玻璃的長方體反應(yīng)器，以醋酸纖維素酯作為隔斷，可以取代鹽橋作原電池反應(yīng)裝置，還可以作為滲析實(shí)驗(yàn)和丁達(dá)爾現(xiàn)象的演示裝置，對(duì)比實(shí)驗(yàn)類的反應(yīng)裝置。實(shí)驗(yàn)操作步驟簡單，效果明顯。

關(guān)鍵詞：半透膜;實(shí)驗(yàn)裝置;改進(jìn)

原電池反應(yīng)是人教版普通高中教科書《化學(xué)》（2017年第3版）選修4的實(shí)驗(yàn)（4-1）。實(shí)驗(yàn)方法是用一個(gè)充滿電解質(zhì)溶液的鹽橋，將置有鋅片的ZnSO4溶液和置有銅片的CuSO4溶液連接起來，然后將鋅片和銅片用導(dǎo)線連接，并在中間串聯(lián)一個(gè)電流表，觀察現(xiàn)象。取出鹽橋，再觀察現(xiàn)象[1]。鹽橋中的鹽溶液是電解質(zhì)溶液，能使兩個(gè)燒杯中的溶液連成一個(gè)通路。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程中，鹽橋的制作是最費(fèi)時(shí)的一環(huán)，具體做法是：在水浴加熱條件下的配制瓊脂溶液，然后加入KCl固體充分?jǐn)嚢瑁?dāng)KCl完全溶解后趁熱用滴管或虹吸將此溶液加入已事先彎好的玻璃管中，靜置待瓊脂凝結(jié)后便可使用[2]。反應(yīng)后鹽橋要保持濕潤，一旦干燥，瓊脂失水回縮，就不能使用，就要重新加裝瓊脂——飽和KCl。針對(duì)此問題，我做本項(xiàng)改進(jìn)。

一、實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)組成

“鹽橋”顧名思義就是鹽離子的橋梁，是為轉(zhuǎn)移離子而在兩種溶液之間連接的高濃度電解質(zhì)溶液[3]。它在原電池反應(yīng)的作用是使兩種獨(dú)立存在的溶液的離子連成一個(gè)通路。半透膜是一種選擇性透過膜，醋酸纖維素酯俗稱玻璃紙，它是能使離子通過，膠體不能通過的薄膜[4]。我嘗試用玻璃紙代替鹽橋，設(shè)計(jì)了如下的裝置：

本裝置由三個(gè)部分組成（如圖1），分別是有機(jī)玻璃反應(yīng)器、隔板、頂蓋。裝置中間是鑲了有機(jī)玻璃邊框的半透膜板，將長方體的有機(jī)玻璃反應(yīng)裝置一分為二，成為兩個(gè)互不連通的獨(dú)立的長方體容器。頂蓋在兩個(gè)反應(yīng)容器的正上方，分別裝有一個(gè)帶金屬夾片的接線柱，向內(nèi)可以夾金屬片使之與溶液反應(yīng)，向外可以連接導(dǎo)線與電源相接。

裝置的制作工藝非常簡單：

1.將3mm厚的有機(jī)玻璃板切割成160mmX60mm的蓋板和底板各一塊，160mmX100mm的前后面板各一塊，100mmX60mm的左、右側(cè)面板各一塊，100mmX61mm中間隔板兩塊。

2.在蓋板上如圖3劃線找到兩個(gè)對(duì)稱的中心點(diǎn)，在中心點(diǎn)打孔，將帶銅夾的接線柱裝好。

3.取兩塊中間隔板，中間開孔，做成邊框?yàn)?0mm厚的回形框，在兩個(gè)回形框中間夾玻璃紙，用膠水黏牢，加壓夾緊，如圖1的半透膜隔板所示。

4.在前后面板及底板的長邊，沿中線開寬6mm、深1mm的淺槽。

5.將3的回形框鑲?cè)氩壑校蛏厦芊饽z。

6.用有機(jī)溶膠將底板、前后面板和左右側(cè)面板粘連成敞口的長方體，圖2為完整的反應(yīng)裝置。

二、裝置的特點(diǎn)及應(yīng)用

本裝置擁有兩個(gè)獨(dú)立不連通的反應(yīng)器室，可以做對(duì)比試驗(yàn)，同時(shí)中間的半透膜隔板可以代替鹽橋，實(shí)現(xiàn)溶液間離子的流通，滿足原電池反應(yīng)的必備條件，因此可以作為原電池反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器。

在反應(yīng)裝置的一邊裝入硫酸銅溶液，另一邊加入硫酸鋅溶液，在蓋板的夾子上分別夾上銅片和鋅片，將蓋板放在反應(yīng)裝置上，讓銅片插入硫酸銅溶液中，鋅片插入硫酸鋅溶液中，用導(dǎo)線前端的鱷魚夾夾緊銅片上端的接線柱，導(dǎo)線的另一端與電流計(jì)的正極相連，用另一根導(dǎo)線連接鋅片上的接線柱和電流計(jì)的負(fù)極，如圖4所示，可以觀察到電流表的指針向“+”方向擺動(dòng)。

由于不使用鹽橋，節(jié)約藥品，減少了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作，同時(shí)較原反應(yīng)裝置實(shí)驗(yàn)操作步驟簡單，而且增大反應(yīng)面積，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果。

鑒于半透薄選擇性透過的特性，本裝置還可以做丁達(dá)爾現(xiàn)象和滲析實(shí)驗(yàn)的演示儀器，操作簡單、現(xiàn)象直觀。圖5為滲析實(shí)驗(yàn)，在反應(yīng)裝置的一側(cè)容器中裝入硫酸銅溶液，另一側(cè)容器中裝入蒸餾水，可以非常明顯觀察到硫酸銅離子透過半透膜，滲透到另一邊裝有蒸餾水的反應(yīng)槽中，并且沉入底部，這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證溶液的離子總是從濃度高的一方向濃度低的一方擴(kuò)散。

離子能通過玻璃紙半透膜，膠體粒子卻不能通過。因此，本裝置非常適合丁達(dá)爾現(xiàn)象的演示，如圖6。在一側(cè)反應(yīng)容器裝入氫氧化鐵膠體，在另一側(cè)裝入三氯化鐵溶液，此時(shí)看到兩個(gè)容器中的液體從外觀和顏色幾乎沒有差別，分別從反應(yīng)器的左右兩邊射入一條激光線，我們可以清晰地看到盛有氫氧化鐵膠體的一側(cè)有明顯的光路，而盛有三氯化鐵一側(cè)沒有光路。透過這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以證明半透膜可通過離子，不能通過膠體粒子的性質(zhì)，還能印證膠體能產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象而溶液不能產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象的事實(shí)[5]。

將半透膜隔板換成有機(jī)玻璃板，本裝置就可以變成類比實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)裝置，例如比色實(shí)驗(yàn)、金屬鋁分別與NaOH和HCl的反應(yīng)、草酸的褪色反應(yīng)等等，應(yīng)用廣泛。

三、改進(jìn)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)

使用玻璃紙半透膜隔板代替鹽橋，使離子流通的面積大大增加了，因此反應(yīng)現(xiàn)象明顯，演示實(shí)驗(yàn)效果好。

整個(gè)裝置的制作工藝簡單，有機(jī)玻璃板材和玻璃紙是常用材料，經(jīng)濟(jì)易得，方便采購，可加工性強(qiáng)。

滲析、丁達(dá)爾現(xiàn)象以及對(duì)比試驗(yàn)，使用本改進(jìn)裝置更直觀，可以應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

如果中間的半透膜隔板改成去掉隔板，僅半透膜的無縫連接，效果更佳。

結(jié)束語

原電池是化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)換，必須通過一定的裝置才能實(shí)現(xiàn)。裝置設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)于能量轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。電化學(xué)就是研究化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)換的裝置、過程和效率的科學(xué)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)實(shí)踐探究，使我對(duì)電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)概念的理解更清晰了。在此，感謝陳軍老師對(duì)我研究過程的指導(dǎo)和幫助！

參考文獻(xiàn)

[1]冷燕平.高中化學(xué)教材的研究和編制——人教版《化學(xué)反應(yīng)原理》模塊的設(shè)計(jì)思想[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2009（3）：6-9.

[2]陳筱勇.四問鹽橋[J].中學(xué)化學(xué)，2004（01）：13.

[3]吳永仁、李和、何少化、胡鼎文.中國中學(xué)教學(xué)百科全書·化學(xué)卷[M].沈陽：沈陽出版社，1990（12）：541.

[4]吳世敏、印德麟、劉鐵生、吳挺、馬成泰.簡明精細(xì)化工大辭典[M].遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999（06）：1005.

[5]田非、丁成霞.滲透作用實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)[J].考試（教研版），2013（1）：198-198.