观察原电池内离子运动方向的实验创新设计

单慧芳 王帅

摘要：实验是化学学科的灵魂，实验教学更是不可替代的教学手段。直观的实验现象，往往能使抽象的概念可视化。为了观察到原电池中微观的阴、阳离子移动方向，我们改进常规的实验仪器，设计简单的实验流程，并以直观明了的实验现象，突破了原电池教学过程中的难点，达到了良好的教学效果。

关键词：原电池;内电路;创新探究

文章编号：1008-0546（ 2019）07-0090-02

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.07.027

化学是一门以实验为基础的自然科学，实验是化学的灵魂和魅力的体现。它不仅能帮助学生获取化学知识，认识化学概念，还能激发学生的学习兴趣，培养和发展学生的操作能力、创新能力。化学实验教学更是其他教学手段所不能替代的，它可以使抽象的概念可视化，让学生更好地理解、巩固所学的化学知识。

原电池原理的学习是高中学生学习电化学知识的难点和重点，采用实验教学的方式去辅助学生理解原电池的工作原理显得尤为重要。纵观整个高中教材体系，发现教材中均未涉及到原电池内离子运动方向的实验安排。在人教版化学选修四《化学反应原理》一书中对原电池的内电路中离子的运动方向也只是提到“在原电池的内部，两极浸在电解质溶液中，并通过正负离子的定向运动而形成内电路。放电时，负极上的电子通过导线流向正极，再通过溶液中离子形成的内电路构成环路[1]。”因此关于这个知识点的学习学生总是非常困惑，教师通过课堂上纯理论讲授也不能有效地解决问题。

经过不断的思考、讨论、改进、实验之后，我们终于成功地设计了一套可以直接观察到内电路离子运动的简易装置。

一、实验仪器与药品

实验仪器：若干导线、电解槽两个、特制漏斗一个、电流计一个、短玻璃导管两个、橡皮塞两个、铁架台一个。

实验药品：lmol/L H2S04溶液，Imol/L KMn04溶液、铜片、锌片、凡士林。

二、仪器的加工

1.改进电解槽：取两个电解槽，依据玻璃导管的直径大小分别在电解槽的一端打一个小洞。

2.特制漏斗：将体积为60mL的分液漏斗与T型管（竖管长度lOOmm、直径8mm、横管长度150mm、直径20mm）进行焊接得到特制漏斗，如图1所示：

三、实验原理

该实验探究的是原电池的内电路中的阴阳离子的移动方向，应用到的實验原理为：

原电池的电池反应为：2n+2H+= 2n2++H2↑，负极为锌片，电极反应为2n-2e-一2n2+，正极为铜片，电极反应为2H++2e-=H2。

四、实验步骤

1.组装仪器：用橡胶塞和玻璃导管将特制漏斗与两个电解槽连接起来，连接处涂抹凡士林，以防漏液。装置最终如图2所示，组装完之后，加蒸馏水检查是否漏液。

2.添加药品：在特制漏斗中添加40mL Imol/LKMri04溶液，两边电解槽中添加Imol/LH2S04至导管中心位置。

3.开始实验：打开漏斗活塞，使高锰酸钾缓慢流下，观察电解槽中溶液以及电流计的指针变化情况。

五、实验现象与结论

1.实验现象：铜片端产生少量气泡，溶液依旧为无色，锌片端产生大量气泡且观察到溶液上端变为紫红色，灵敏电流计发生明显偏转，如下图3所示： 2.实验结论与分析：从反应原理来看，锌片与氢离子反应，铜一锌原电池的反应原理均为：2n+2H+=Zn2++H2↑。从电化学的角度来看，两个反应的电动势均为：EeH+/H2 -Ee Zn2+/Zn=OV-（-0.76V）=0.76V[2]。不同的是锌、铜上析出氢气的超电势分别为0.7V，0.23V。所以纯锌和硫酸反应时的电动势为0.06V，而锌一铜电动势为0.53V。理论上，氢离子在锌片上和铜片上是可以同时析出氢气的，且在实验过程中用到的锌片不是纯锌，锌片含有金属杂质，所以在锌片表面通常会形成大量的微型原电池，最终体现的现象就是锌片表面产生较多的气泡。

实验过程中锌片端溶液上方由无色变为紫红色，铜片端溶液依旧保持无色，灵敏电流计发生明显偏转。这一系列的现象说明铜一锌原电池工作时已形成了闭合回路，且工作过程中电解质溶液里紫红色的Mn04-离子向锌片端移动。

综上所述，可以得出原电池电解质溶液中阴离子向负极移动的结论。

六、创新的意义

l.这套创新仪器操作简单且重现性好。

2.实验现象非常明显，使得抽象理论可视化，有效解决了原电池内电路离子运动方向这一难题。

3.通过宏观的实验现象，引导学生思考问题解决问题，在这一过程中充分体现了“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认识”“实验探究与创新意识”等化学学科素养，也很好地揭示了化学的学科思维[3]。

参考文献

[l]化学课程教材研究开发中心，普通高中课程实验教科书化学4选修[M].北京：人民教育出版社，2004：71

[2]严宣申.锌一铜和稀硫酸反应的原因[J].中学化学教学参考，1991（3）：10

[3]杨梓生.对高中化学学科核心素养的认识[J].中学化学教学参考，2016（8）：1-2