在化学原电池教学中引入双液原电池的探讨

韦善于

【摘 要】本文在分析化学原电池教学引入双液原电池的必要性的基础上，详细探讨单液原电池和双液原电池在结构、工作原理等方面的共同点和不同点，为教学提供参考。

【关键词】高中化学 双液原电池 单液原电池

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2018）01B-0148-02

近年来，随着素质教育的推行，化学教学的现状有了明显改善，教学水平也有了显著提高，学生的化学素养也得到了极大增强。在化学教学中，化学原理的教学是基础也是根本，只有学生掌握了相关的化学原理，对一些应用型问题和实验等才能够更好地理解，解决起问题来也才会更加顺畅。需要注意的是，在化学的学习过程中，经常会发现同样的概念、结论和装置等，在不同时间段、不同教材中的描述、呈现方式以及功能会存在一定的区别。比如，同样是原电池的内容，在这一必修教材中是单液原电池，而在另一选修教材中则是双液原电池，这种种情况往往会困扰

学生和教师，因此本文针对双液原电池进行探究。

一、化学原电池教学引入双液原电池的必要性

将双液原电池引入化学原电池原理教学中，对双液原电池原理进行详细讲解，能够在一定程度上提升原电池原理的教学有效性，为学生之后的学习奠定坚实的基础。但是很多学生在学习化学的过程中，会产生一定的疑问：为什么单液原电池和双液原电池出现在不同的教材中？

其实，引入双液原电池，目的是为了让学生更好地理解和掌握原电池的原理。对双液原电池的化学原理进行分析时，离不开与单液原电池化学原理的对比，二者在教学中是一种相辅相成的关系。能够通过与单液原电池的对比，可产生良好的教学效果，加深学生的印象。

二、在化学原电池教学中引入双液原电池的思考

化学原电池教学是理解相关化学反应不可缺少的一部分教学内容，它对之后学生对问题的理解和解决会产生很大的作用。考虑到在双液原电池的化学原理教学中，存在着一定的不合理之处，笔者从三个方面进行分析，即分析单双液原电池两套装置在结构上和工作原理上的异同点、两种原电池电源的最大不同点——盐桥、将单液原电池改造成双液原电池的目的。

（一）单双液原电池实验装置在结构、原理上的异同点

首先，两种实验装置的相同点。在相同点方面的分析上，主要可以从正极和负极、电极反应、总反应式、现象以及能量转化几个方面进行分析。

正、负极方面：两种装置正极均为 Cu，负极均为 Zn。

电极反应式方面：两种装置的正极均为 Cu2++2e-=Cu，负极均为 Zn-2e- Zn2+。

总反应式方面：两种装置均为 Zn+Cu2+ Zn2++Cu。

实验现象方面：现象均相同，Zn 片出现腐蚀并发生溶解，Cu 片的重量增加，电流计的指针出现一定程度的偏转。

能量转化方面：两种装置的实验中的能量转化均为化学能转化成电能。

其次，两种实验装置的不同点。在不同点方面的分析上，主要可以从电池、电解质、盐桥和现象四个方面进行分析。

第一，电池方面的不同点。单液原电池的电池数量为 1 个，双液原电池的电池数量为 2.5 个。

第二，电解质方面的不同点。单液原电池的电解质为 CuSO4，双液原电池的电解质除了 CuSO4，还有 ZnSO4 等。

第三，盐桥方面的不同点。单液原电池无盐桥，双液原电池有盐桥。

第四，在反应现象方面的不同点。单液原电池 Zn 片的表面有一定数量的红色物体覆盖，双液原电池 Zn 片的表面则没有红色物体覆盖。

通过对上述相同点和不同点的对比分析，对单液原电池和双液原电池的结构和工作原理有了更加正确的认识。在此基础上，就可更加合理、准确地分析和解决问题。为了更好地了解单液原电池和双液原电池，笔者以例子对单液原电池和双液原电池的实践应用进行分析。

根据图 3 所示，对下列各选项的叙述进行判断，正确的是（ ）

A.图 3 中正极附近溶液的 pH 降低

B.图 3 中电子由 Zn 向 Cu 流动，盐桥中的 C1- 向 CuSO4 溶液流动

C.图 3 中的正极反应是 O2+2H2O+4e- 4OH-

D.图 3 中加入少量的 K3[Fe（CN）6]溶液，将会发现有少量的蓝色沉淀生成

对于图 3 左边图 Zn 为负极，反应为 Zn-2e-=Zn2+，Cu为正极，反應为 Cu2++2e-=Cu，盐桥中 K+ 向 CuSO4 中移动，Cl- 向 ZnSO4 移动；右边图中 Fe 为负极，反应式为 Fe-2e-=Fe2+，Cu 为正极，反应式为 2H++2e-=H2。对于答案 A，左边图 Cu2+ 浓度减少，Cu2+ 水解少了，pH 升高，右边图 H+ 生成 H2，pH 也升高，A 对；B 答案中电子流动向 Cu 是对的，但 K+、C1- 移动方向反了；对于 C 答案正极反应都不是这个；对于 D 答案左边图无 Fe2+，只有右边有蓝色沉淀生成。故 A 对。

（二）单双液原电池两种实验装置最大不同之处——盐桥

从单液原电池和双液原电池实验装置的比较分析中可以看得出来，一种没有盐桥，一种有盐桥，而这也是二者最大的不同之处。相比于无盐桥的单液原电池，双液原电池的盐桥的作用又是如何呢？综合概括起来，原电池中盐桥的作用可以进行这样简单的分析：双液原电池使用盐桥的目的是为了消除液间接电势，盐桥中的阳离子和阴离子通过定向移动进入到阳极池和阴极池中，使得双液原电池形成闭合回路。

何谓液接电位？所谓液接电位指的是组成或活动不同的两种电解质相互发生接触时，在溶液接触界处于由正负离子扩散通过界面的离子迁移速度不同造成正负电荷分离而形成双电层，这样产生的电位差称为液体接界扩散电位，简称液接电位。在这样的实验中，经常会产生不同程度的误差，这种误差产生的原因众多，有客观环境因素，也有主观操作因素，其中液接电位便是造成电位误差的因素之一。将盐桥插入至两种溶液之间，能够避免原先的两种溶液直接接触，从而实现稳定液接电位的目的。

需要注意的是，使用盐桥的溶液必须要满足三个条件：①阴阳离子的迁移速度差距不是特别大，非常相近；②盐桥溶液的溶度要够大；③盐桥溶液与实验装置中的溶液不能发生反应，或者不会对测定产生干扰。盐桥作用的基本原理是：由于盐桥中电解质的浓度很高，两个新界面上的扩散作用主要来自盐桥，故两个新界面上产生的液接电位稳定。由于盐桥中正负离子的迁移速度差不多相等，故两个新界面上产生的液接电位方向相反、数值几乎相等，从而使液接电位减至最小以至接近消除。从当前的实际情况来看，盐桥溶液的种类比较多，但有些并不常见，常用的盐桥溶液，如饱和氯化钾溶液 4.2 mol/L KCl 溶液，0.1 mol/LiAc 溶液以及 0.1 mol/L KNO3 溶液等。

（三）将单液原电池改造成双液原电池的主要目的

学生在学习的过程中，可能会产生疑问：为什么要将单液原电池改造成双液原电池呢？改造之前的单液原电池和改造之后的双液原电池产生的电流效率是不是一样呢？为了能够解决这些疑问，帮助学生更好地进行学习，设计相应的实验以解决学生的疑问。实验结果显示，如果实验条件一样，那么双液原电池的电流强度要远大于单液原电池。

上图 1 为单液原电池实验设计装置，其中的 Zn 在 CuSO4 溶液中与 Cu2+ 发生直接接觸，随之发生直接反应。在反应的过程中，出现了两种能量转化，一种是化学能转化成电能，另一种是化学能转化成热能，因而该实验装置的温度会不断上升。上图 2 为双液原电池实验设计装置，Zn 和 CuSO4 溶液不在一起，因此 Zn 不会与 Cu2+ 发生直接反应，这其中的能量转化就只有一个种，即化学能转化成电能，不存在化学能转化成热能的现象，这样就能够保证电流的稳定性，并且持续相当长的一段时间。盐桥原电池中，还原剂与氧化产物在负极和正极各自会构成一个半电池，而单液原电池的还原剂和氧化产物在同一个电池中，因而只能构成一个半电池，这也就解释了为什么双液原电池的电流强度要大于单液原电池的原因。因此，在实际的操作过程中，双液原电池的选择和使用相对更多。

总而言之，化学是中学阶段的学科之一，该学科教学质量的高低，不仅会影响学生的学习成绩，而且会对学生综合素质的提升产生影响。化学原电池教学是化学教学的有机组成部分，教师在教学的过程中应当对化学原电池教学保持高度重视，采取各种有效措施去解决化学原电池教学中的问题，特别是在将双液原电池引入到化学原电池教学过程中，教师更加应当重视。在实际的教学过程中，不能够放过任何产生问题的机会，通过问题的提出来培养学生的思考意识和探究意识，让学生能够在回答和探讨问题的过程中进一步打开自己的思维，更好地理解双液原电池的化学原理。

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[4]周彩琴.“思考题”引领化学课的教学设计的尝试和思考——“原电池原理和化学电源”一轮复习教学设计[J].中学化学，2015（4）

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（责编 卢建龙）