原电池实验的改进与思考*

王月英 葛子刚

(1.合肥市第八中学 2.合肥市第八中学蜀山分校 安徽合肥 230001)

原电池知识在高中化学中占有重要的位置。新教材必修二中，单液锌铜原电池选择稀硫酸为电解质溶液，实验预期现象是锌片与铜片插入稀硫酸时，锌片上有气泡，铜片上无气泡产生；当导线将锌片和铜片相连后，铜片上有气泡，电流计指针偏转。而实际情况是导线相连后，锌片和铜片上都有气泡产生。这种现象容易引起学生对原电池原理的误解，不利于教学演示。而在新教材选择性必修一中，双液锌铜原电池的锌片放在硫酸锌溶液中组成锌半电池，铜片放在硫酸铜溶液中组成铜半电池，通过盐桥沟通内电路和平衡电荷，并在电路中串联一个电流表。

教材中并没有具体解释单液原电池为什么效率不高，电流为什么会快速衰减，而改进后加了盐桥的双液原电池与单液原电池相比有何优缺点，膜电池的研发来自什么样的灵感。笔者想通过锌和硫酸铜的置换这一个反应，将单液原电池、双液原电池以及膜电池联系起来，带领学生沿着科学家的足迹，共同探究从单液原电池到双液原电池再到膜电池的原电池发展历程。

一、实验改进

传统原电池实验一般采用灵敏电流计让学生观察电流，但有以下缺点：(1)单液原电池实验，电流示数大，易超量程，学生只能定性观察而不能定量分析；(2)双液原电池因加入盐桥，内阻变大，导致电路电流大大减小，必须将灵敏电流计进行换挡处理才观察到指针偏转，这给学生造成很多疑问和不解。

笔者首先将用音乐片替换传统原电池实验中的灵敏电流计。音乐片在通电时会播放音乐，且电流大小的改变可以明显影响声音的大小，这样学生就可以通过直观的听觉来感知电流大小和是否衰减，从而解决了灵敏电流计量程问题；然后通过讨论盐桥改进方案引出小风扇微型膜电池实验；并且借助电流传感器、温度传感器等数字化实验器材记录实验数据以及曲线，引导学生通过观察数据及曲线的变化趋势，进一步探究不同构造原电池的优缺点，促进学生由定性到定量、由碎片到模型认知思维转变。

二、实验过程

(一)实验仪器：温度传感器、电流传感器、数据采集器、电脑、锌片、铜片、音乐片、鳄鱼夹、原电池盒、盐桥、滤纸、培养皿、导线、小风扇、铁架台等。

(二)实验试剂：ZnSO4溶液、CuSO4溶液、KCl溶液

(三)实验步骤：

实验1：单液原电池

将正极铜片先放入CuSO4溶液，将音乐片/电流传感器等仪器接入电路，最后放负极锌片，观察音乐片发出的声音大小和变化特点，同时采集数据。

现象：音乐片一开始发出的声音很大，后逐渐减小直至听不见；锌片表面附着红色的铜；传感器检测出溶液温度上升，同时电流衰减明显(如图1)。

图1 单液原电池数字化实验图像

实验2：双液原电池

铜片放入CuSO4溶液中，锌片放入ZnSO4溶液，将音乐片/电流传感器等仪器接入电路，温度传感器放在锌半电池中，不能碰到电极，也不能触碰原电池盒底部，最后加盐桥，点击数据采集。

现象：音乐片发出的声音稳定，但音量较小；锌片表面无明显现象；传感器检测出温度和电流都很稳定，但电流很小。

图2 双液原电池数字化实验图像

实验3：小风扇膜电池实验

在培养皿底部垫一张用KCl溶液润湿的滤纸充当盐桥，锌片表面与铜片表面各裹一张KCl溶液润湿的滤纸，平行放入培养皿中，将小风扇、电流传感器等仪器正确安装。

现象：改进后的微型双液原电池产生的电流能带动小风扇，并且两层滤纸做盐桥比单层滤纸传感器检测出电流大，小风扇转得也更快。

图3 小风扇膜电池数字化实验图像

(四)实验解释：

单液原电池中锌片与CuSO4溶液直接反应并放热，导致溶液温度升高；溶液中铜离子浓度减小，锌片表面附着了一层铜而导致反应接触面减小，这些是导致单液原电池电流衰减的重要原因。电流在衰减过程中出现波动的原因，是锌片上附着的铜随着反应的进行而掉落，致使反应接触面变大。从整体看，单液原电池电流易衰减且能效不高。

而双液原电池中，由于加入盐桥，电流和温度基本稳定，这说明双液原电池中锌片与CuSO4溶液没有直接接触反应放热，但因为盐桥电阻过大，双液原电池电流很小，所以不太实用。

根据电阻相关知识可知，缩短盐桥长度、增大盐桥横截面积，可以增大电流。实验3用滤纸做盐桥，通过实验可以看出：单层滤纸做盐桥电流比琼脂盐桥电流大些，两层滤纸做盐桥电流比单层更大。

(五)实验评价：

1.本节课展示了原电池的发展过程，体现出证据推理与模型认知的化学核心素养；经历探究原电池如何提供稳定持续电流的过程，了解科学探究的步骤，体现出实验探究与创新意识的化学核心素养；在合作学习的过程中，体现出宏观辨识与微观探析的化学核心素养；平等和谐、积极踊跃的学习氛围，体现出科学精神与社会责任的化学核心素养。

2.传统实验与数字化实验相结合，化定性为定量，化静态为动态。借助温度和电流传感器实时监测实验过程中温度和电流的变化并绘制曲线，灵敏度高，实验结果更有说服力；通过宏观、微观、符号、曲线四重表征，帮助学生理解原电池工作原理，有效提高课堂效率，开阔学生视野。

3.原电池膜实验的微型化改进，既方便学生分组实验，又节约药品，符合绿色化学要求。