便携式微量化电化学电池与电解实验的设计

关晓鹏 汪青

摘要：基于对中学电化学相关实验的分析，结合相关文献研究，采纳了微量化学实验的诸多优势，设计出了便携式电化学电池与电解实验装置。从便携式电化学电池装置的组装与测试、电池的串联组装与测试 、电解装置的制作与测试三个方面，详述了便携式实验装置的制作过程。并从电化学电池、电解原理分析了实验装置的设计与制作原理。

关键词：便携式；微量化实验；电化学电池；电解；实验设计与改进

文章编号：1005–6629（2016）5–0068–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

随着环保教育的逐步深入，微量化学实验掀起了一股风潮[1，2]。所谓微量化学实验就是在保证试剂用量少、污染少、省时间、易操作的同时，仍使用常规仪器、装置，达到常规演示实验的可见度[3]；也指将原来传统实验装置改良成体积小、轻便易携带的微量化学实验装置。后者除了使实验现象依然足够明显之外，还具有便于携带的优点，方便教师开展实验教学[4]。因此，笔者着重探索针对后者的微量化学实验装置的设计与制作。

高中有关电化学的实验中，无论是电化学电池或电解池，通常会涉及重金属盐类的使用以及有毒废液的排放，加上实验器材繁琐，实验准备工作往往造成教师不少的负担。笔者之前基于对教材电解饱和食盐水实验装置的比较以及某些相关文献的研究，设计了电解饱和食盐水相关系列趣味实验，并在此基础上，根据趣味实验的设计原理及装置拓展了电解相关实验[5]。正是认识到微量化学实验的诸多优势，也受此启发，笔者继续对电化学相关实验开展研究，设计出便携式微量化电化学电池与电解实验装置。本实验利用手边容易取得的如滤纸、化妆棉、吸管以及同轴缆线等材料，制作便携式的微量化电化学教具，除了达到减量、减废的环保效果外，更能减轻教师实验准备工作的负担。

1 实验仪器和药品

1.1 仪器

塑料培养皿1个（含盖）、鳄鱼夹的红色与黑色导线各1条、滤纸、1mL塑料滴管、湿纸巾、金属片（Zn，Mg，Cu，Ni）、砂纸1张、铝箔纸、不锈钢铁丝、铜丝（约15cm长）、三用电表、热熔胶和热熔胶枪1组

1.2 药品

0.1 mol/L硫酸镁（MgSO4）、0.1 mol/L硫酸锌（ZnSO4）、0.1 mol/L硫酸铜（CuSO4）、0.1 mol/L硫酸镍（NiSO4）、0.1 mol/L硝酸钾（KNO3）、0.1 mol/L硫酸钠（Na2SO4）、0.1 mol/L氯化钠（NaCl）、酚酞指示剂、小苏打粉

2 实验步骤

2.1 便携式电化学电池装置的组装与测试

（1）取一张滤纸（或卸妆棉），剪成十字状，置于一塑料培养皿中，并在滤纸的四个端点上滴加镁、镍、锌及铜四种金属的硫酸盐溶液3～5滴，接着将长约1cm的四种金属片，覆盖于相关盐类溶液上，略微紧贴滤纸。随后将内装KNO3溶液的滴管，轻轻地点在两金属间的滤纸（或卸妆棉）上，当作盐桥，完成微量化电化学电池装置。相关装置示意图如图1所示。

（2）利用三用电表的红色和黑色测试棒，轻压金属片，测量两两金属间的电位差。利用测量到的电位差值，探讨电子的流出方向以及判断电池的正极和负极。相关测试图如图2所示。

2.2 便携式电化学电池的串联组装与测试

（1）为了方便电位差的测量，稍微改装微量化电池：首先将吸管剪成与塑料培养皿等高的四小段，再用热熔胶将四小段的吸管两两相对地黏于塑料培养皿内部，取湿纸巾剪成十字状（或以卸妆棉剪开呈长条形，呈十字交错），铺压在培养皿内。然后将硫酸镁等金属盐类水溶液，以滴管滴2～4滴在相对的吸管中。最后放入弯折的金属片在吸管内并固定（底部须碰到浸湿的卸妆棉）。相关组装如图3所示。

（2）以鳄鱼夹导线连接Mg-Cu电池的Cu与另一个Mg-Cu电池的Mg两端，并以三用电表探测棒轻压两电池的Mg与Cu两端，测量电位差。改变不同的接法，探讨电池串联方式不同对电压的影响，并测试如何安装和串联可以创造出最大的电池电位差。三个Mg-Cu电池的串联组装如图4所示。

2.3 便携式电解装置的制作与测试

（1）电解笔的制作：将长约15cm的铜线（或白铁线），从滴管顶端贯穿到塑料滴管的口，铜线分别露出滴管管口和顶部的长度约1～3cm，用尖嘴钳将两端露出的铜线（或白铁线）弯曲呈圆弧型，此即完成的电解笔。相关制作如图5所示。

（2）电解池装置的制作：裁剪适当大小的铝箔纸并将培养皿包覆，再将滤纸放入包覆铝箔纸的培养皿中，然后将两端附有鳄鱼夹的红色导线的一端夹在包覆铝箔纸的培养皿上，两端附有鳄鱼夹的黑色导线的一端则夹在电解笔顶端露出的电解笔上，然后红色导线与导线另一端连接9V电池，此即完成了微量化电解池装置部分。相关制作、组装如图6所示。

（3）氯化钠电解测试：电解池中可先用氯化钠水溶液滴在滤纸上使滤纸均匀润湿，然后在滤纸上以喷雾罐均匀喷上酚酞溶液，最后将9V电池的负极用鳄鱼夹导线连接电解笔，电池的正极导线用鳄鱼夹夹住铝箔，开始通电进行电解。当电解笔在滤纸上书写或画图，观察滤纸上是否有颜色。将正负极交换，观察颜色是否发生变化？相关测试如图7所示。

3 原理与概念

3.1 电化学电池

电化学电池实验是利用局部润湿的滤纸取代烧杯和U型管盐桥，在培养皿中进行反应，并以三用电表的读数为根据，判断电子的流出方向，藉以判断金属活性的大小。四种金属在25℃、溶液浓度为1 mol/L下的标准氧化电位大小约如[1]～[4]所示：

两金属的半电池标准氧化电位不同，活性大的金属易失去电子，标准氧化电位高；活性小的金属不易失去电子，标准氧化电位低；电子由高氧化电位电极流向低氧化电位电极。以锌铜电池为例，其电池简略表示法如图8所示：

电池的标准电位差为阳极氧化电位减去阴极氧化电位，锌铜电池的标准电位差0.76V-（-0.34V）=1.10V。不过，实际上测量的电位会因温度、有效浓度（活度）以及半电池的内电阻等因素而略为降低。

3.2 电解池

实验使用一个培养皿、铝箔纸、以电解液润湿的滤纸为电解槽，插入铜线的塑料滴管作为电解笔。当外接9V的干电池，铜电极一接触到润湿的滤纸上方时，随即与滤纸下方的铝箔电极形成通路，滤纸上、下两面分别发生还原与氧化反应。若电解液为NaCl溶液，电池的负极与铜制电解笔相连，电池的正极与铝箔相连时，则其两极的反应，如式[5]～[6]所示：

碱遇酚酞呈红色。

4 安全注意及废弃物处理

电化学电池的实验结束后，可将培养皿盖好，减少水分蒸发，以便于下次实验使用。若已蒸发变干，则再次滴加1～2滴蒸馏水即可。滤纸（或化妆棉）回收前，沾取少量小苏打粉后，按照一般实验室废弃物回收。

参考文献：

[1]张凤琼.初中化学微量化实验的研究[J].化学教学，2010，（6）：15～17.

[2][3]李光珍.高中化学微量化实验的开发[J].化学教学2014，（5）：57～58.

[4]许国霞，姚建军，常季春.电解氯化铜溶液的微量化改进实验[J].化学教与学，2012，（11）：95～96.

[5]关晓鹏，汪青.基于电解饱和食盐水教材分析的系列趣味实验设计[J].化学教与学，2015，（9）：86～87.