巧妙运用半透膜改进实验装置

谢涵博

摘 要：运用醋酸纤维素酯透过物质具有选择性的特性，设计有机玻璃的长方体反应器，以醋酸纤维素酯作为隔断，可以取代盐桥作原电池反应装置，还可以作为渗析实验和丁达尔现象的演示装置，对比实验类的反应装置。实验操作步骤简单，效果明显。

关键词：半透膜;实验装置;改进

原电池反应是人教版普通高中教科书《化学》（2017年第3版）选修4的实验（4-1）。实验方法是用一个充满电解质溶液的盐桥，将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液连接起来，然后将锌片和铜片用导线连接，并在中间串联一个电流表，观察现象。取出盐桥，再观察现象[1]。盐桥中的盐溶液是电解质溶液，能使两个烧杯中的溶液连成一个通路。在实验准备过程中，盐桥的制作是最费时的一环，具体做法是：在水浴加热条件下的配制琼脂溶液，然后加入KCl固体充分搅拌，当KCl完全溶解后趁热用滴管或虹吸将此溶液加入已事先弯好的玻璃管中，静置待琼脂凝结后便可使用[2]。反应后盐桥要保持湿润，一旦干燥，琼脂失水回缩，就不能使用，就要重新加装琼脂——饱和KCl。针对此问题，我做本项改进。

一、实验装置的结构组成

“盐桥”顾名思义就是盐离子的桥梁，是为转移离子而在两种溶液之间连接的高浓度电解质溶液[3]。它在原电池反应的作用是使两种独立存在的溶液的離子连成一个通路。半透膜是一种选择性透过膜，醋酸纤维素酯俗称玻璃纸，它是能使离子通过，胶体不能通过的薄膜[4]。我尝试用玻璃纸代替盐桥，设计了如下的装置：

本装置由三个部分组成（如图1），分别是有机玻璃反应器、隔板、顶盖。装置中间是镶了有机玻璃边框的半透膜板，将长方体的有机玻璃反应装置一分为二，成为两个互不连通的独立的长方体容器。顶盖在两个反应容器的正上方，分别装有一个带金属夹片的接线柱，向内可以夹金属片使之与溶液反应，向外可以连接导线与电源相接。

装置的制作工艺非常简单：

1.将3mm厚的有机玻璃板切割成160mmX60mm的盖板和底板各一块，160mmX100mm的前后面板各一块，100mmX60mm的左、右侧面板各一块，100mmX61mm中间隔板两块。

2.在盖板上如图3划线找到两个对称的中心点，在中心点打孔，将带铜夹的接线柱装好。

3.取两块中间隔板，中间开孔，做成边框为10mm厚的回形框，在两个回形框中间夹玻璃纸，用胶水黏牢，加压夹紧，如图1的半透膜隔板所示。

4.在前后面板及底板的长边，沿中线开宽6mm、深1mm的浅槽。

5.将3的回形框镶入槽中，打上密封胶。

6.用有机溶胶将底板、前后面板和左右侧面板粘连成敞口的长方体，图2为完整的反应装置。

二、装置的特点及应用

本装置拥有两个独立不连通的反应器室，可以做对比试验，同时中间的半透膜隔板可以代替盐桥，实现溶液间离子的流通，满足原电池反应的必备条件，因此可以作为原电池反应的实验仪器。

在反应装置的一边装入硫酸铜溶液，另一边加入硫酸锌溶液，在盖板的夹子上分别夹上铜片和锌片，将盖板放在反应装置上，让铜片插入硫酸铜溶液中，锌片插入硫酸锌溶液中，用导线前端的鳄鱼夹夹紧铜片上端的接线柱，导线的另一端与电流计的正极相连，用另一根导线连接锌片上的接线柱和电流计的负极，如图4所示，可以观察到电流表的指针向“+”方向摆动。

由于不使用盐桥，节约药品，减少了实验的准备工作，同时较原反应装置实验操作步骤简单，而且增大反应面积，增强实验效果。

鉴于半透薄选择性透过的特性，本装置还可以做丁达尔现象和渗析实验的演示仪器，操作简单、现象直观。图5为渗析实验，在反应装置的一侧容器中装入硫酸铜溶液，另一侧容器中装入蒸馏水，可以非常明显观察到硫酸铜离子透过半透膜，渗透到另一边装有蒸馏水的反应槽中，并且沉入底部，这个实验可以验证溶液的离子总是从浓度高的一方向浓度低的一方扩散。

离子能通过玻璃纸半透膜，胶体粒子却不能通过。因此，本装置非常适合丁达尔现象的演示，如图6。在一侧反应容器装入氢氧化铁胶体，在另一侧装入三氯化铁溶液，此时看到两个容器中的液体从外观和颜色几乎没有差别，分别从反应器的左右两边射入一条激光线，我们可以清晰地看到盛有氢氧化铁胶体的一侧有明显的光路，而盛有三氯化铁一侧没有光路。透过这个实验可以证明半透膜可通过离子，不能通过胶体粒子的性质，还能印证胶体能产生丁达尔现象而溶液不能产生丁达尔现象的事实[5]。

将半透膜隔板换成有机玻璃板，本装置就可以变成类比实验的反应装置，例如比色实验、金属铝分别与NaOH和HCl的反应、草酸的褪色反应等等，应用广泛。

三、改进装置的优缺点

使用玻璃纸半透膜隔板代替盐桥，使离子流通的面积大大增加了，因此反应现象明显，演示实验效果好。

整个装置的制作工艺简单，有机玻璃板材和玻璃纸是常用材料，经济易得，方便采购，可加工性强。

渗析、丁达尔现象以及对比试验，使用本改进装置更直观，可以应用于化学实验教学。

如果中间的半透膜隔板改成去掉隔板，仅半透膜的无缝连接，效果更佳。

结束语

原电池是化学能与电能的相互转换，必须通过一定的装置才能实现。装置设计的合理性，对于能量转换效率至关重要。电化学就是研究化学能与电能相互转换的装置、过程和效率的科学。通过对实验仪器的改进实践探究，使我对电化学基础知识概念的理解更清晰了。在此，感谢陈军老师对我研究过程的指导和帮助！

参考文献

[1]冷燕平.高中化学教材的研究和编制——人教版《化学反应原理》模块的设计思想[J].中学化学教学参考，2009（3）：6-9.

[2]陈筱勇.四问盐桥[J].中学化学，2004（01）：13.

[3]吴永仁、李和、何少化、胡鼎文.中国中学教学百科全书·化学卷[M].沈阳：沈阳出版社，1990（12）：541.

[4]吴世敏、印德麟、刘铁生、吴挺、马成泰.简明精细化工大辞典[M].辽宁：辽宁科学技术出版社，1999（06）：1005.

[5]田非、丁成霞.渗透作用实验装置改进[J].考试（教研版），2013（1）：198-198.