基于化学学科核心素养改进原电池演示实验

崔洁

一、教材中的实验

1.实验操作［1］

【实验1】把一块锌片和一块铜片分别插入盛有稀硫酸的烧杯里，观察实验现象。

【实验2】把一块锌片和一块铜片同时插入盛有稀硫酸的烧杯里，观察实验现象。

【实验3】用导线把实验2中的锌片和铜片连接起来，观察实验现象。

【实验4】在实验3的导线中间连接一个灵敏电流计，观察实验现象。

2.实验现象以及结论

实验1现象：锌片表面产生气泡，铜片无现象。由此得出结论：Zn+2H+=Zn2++H2↑，Cu不与稀H2SO4反应。实验2现象结论同实验1。实验3现象：铜片表面产生气泡。实验4现象：在实验3的现象基础上，电流表指针发生偏转，说明该装置产生了电流。

3.实验存在问题 根据现阶段学生的学情，实验1和实验2是学生已经学习的知识点，可以得出产生该实验现象的结论。而实验3和实验4是与学生已学知识相"矛盾"的现象，教师应该引导学生探究产生"异常"现象的原因。但是在实际实验过程中，实验3锌片表面产生了大量的气泡，铜片表面产生气泡很少，甚至有时不产生气泡。实验4电流计发生偏转不久归0。这样的现象会干扰学生建立正确的原电池模型，往往需要教师的讲授来解释这样的现象，缺少学生的自主探究，不利于学生对知识的理解和灵活运用。

二、实验改进思路

1.引入盐桥使用双液电池 改进实验的出发点主要是解决锌片表面大量产生气泡的问题，由此想到的实验改进思路是引入盐桥。查找资料后，为使锌片与稀硫酸无法直接接触，多形成双液电池。用两个烧杯分别做反应室，分别加入0.5mol/LH2SO4和1mol/L的ZnSO4溶液，并插入Cu片和Zn片，采用U型管制作盐桥，倒扣于两个烧杯中，连接反应室，用导线连接Cu片和Zn片。

在使用该装置进行实验操作时遇到以下两个问题：①由于引入双液电池，需要使用倒置的U型管作为盐桥，使装置搭建变得较为繁琐，对于课堂演示实验，时间有限，不利于实验的开展；②盐桥引入使原电池的电阻增大，铜片产生气泡不明显，产生电流明显减小。针对以上问题，继续改进实验装置，如图1。

去掉正负两级反应使用的烧杯，直接使用U型管做反应容器。在U型管底部用一小段盐桥将U型管分为左右两个反应室，在U型管一侧加入1mol/L的ZnSO4溶液，并插入一块Zn片。另一侧加入0.5mol/LH2SO4溶液，并插入一块Cu片。用导线连接Zn片和Cu片，导线中间接入电压表。

在使用上述装置进行实验时，由于盐桥的引入，使锌无法与稀硫酸直接接触，锌片表面无气泡，铜片表面产生持续气泡。而装置中只有U型管底部有一小段盐桥，降低了因盐桥加入所带来的电阻，使电压表发生稳定偏转，产生0.8V电压。

2.电解质溶液中的离子运动方向 实验改进到这里解决了书本现有实验存在的问题，但在学生学习原电池的过程中仍然存在一个难点：在装置中电子和离子是如何运动的？能否通过实验改进让学生更加直观的观察到微粒的运动，同时增加课堂演示实验的趣味性。

结合上述实验改进思路，采用在盐桥中加入KMnO4的方法，通过观察有色的运动方向来确定电解质溶液中离子的运动方向。为增加实验趣味性以及操作性，经过实验，用如下配比可制备实验用的含有KMnO4的盐桥。①先配制100mL饱和KCl溶液，向其中加入0.5gKMnO4固体。②向混合溶液中加入用冷水泡软的明胶（明胶为家用制作果冻的原料，使用时用冷水泡几分钟），搅拌均匀后倒入U型管中，至U型管底部被填满，如图1所示，冷却后凝固。

为了让学生更直观感受化学能转化为电能的过程，将电压表换成教室的钟表，将两个原电池串联后与接入钟表，观察实验现象。

3.改进实验的实验现象 Zn片上无气泡产生，反应一段时间后（约1分钟左右），Cu片上产生气泡，电压表产生0.8V电压。两个原电池串联后，产生足够的电压使钟表指针持续走动，有色离子向锌极运动。

三、小结

在《原电池》教学中，可设计探究式学习法，通过宏观的实验现象观察，结合理论推导由学生自主得出实验结论，建立微观的原电池模型。原电池一节内容从各个角度体现了新课程下对于学生化学核心素养的培养，改进后的锌铜原电池实验，操作简单，现象明显，能避免锌极产生气泡干扰学生的思考。随着课堂的进行，实验现象层层出现，不断引导学生思考。这样能培养学生从实验中提出问题，建立假设，从而解决问题的能力，更符合培养核心素养的要求。