原電池中的鹽橋的作用與反應本質

1、原電池中的鹽橋的作用與反應 本質作者:日期:認識原電池中的“橋”一、鹽橋的構成與原理：鹽橋里的物質一般是強電解質而且不與兩池中電解質反應，教材中常使用裝有飽和KCI瓊脂溶膠的U形管，離子可以在其中自由移動，這樣溶液是不致流出來的。用作鹽橋的溶液需要滿足以下條件：陰陽離子的遷移速度相近；鹽橋溶液的濃度要大；鹽橋溶液不與溶液發(fā)生反應或不干 擾測定。鹽橋作用的基本原理是：由于鹽橋中電解質的濃度很高，兩個新界面上的擴散作用主要來自鹽橋，故兩個新界 面上產(chǎn)生的液接電位穩(wěn)定。又由于鹽橋中正負離子的遷移速度差不多相等，故兩個新界 面上產(chǎn)生的液接電位方向相反、數(shù)值幾乎相等，從而使液接電位減至最小以至接近消 除

2、。常用的鹽橋溶液有：飽和氯化鉀溶液、4.2mol/LKCI、O.lmol/LLiAc和0.1mol/LKNO3二、鹽橋的作用：鹽橋起到了使整個裝置構成通路、保持電中性的作用，又不使兩邊溶液混合。鹽 橋是怎樣構成原電池中的電池通路的呢？Zn棒失去電子成為Zn2+進入溶液中，使ZnSO4溶液中Zn2+過多，即正電荷增 多，溶液帶正電荷。Cu2+獲得電子沉積為Cu，溶液中Cu2+過少，SO42-過多，即負 電荷增多，溶液帶負電荷。當溶液不能保持電中性，將阻止放電作用的繼續(xù)進行。鹽 橋的存在，其中CI-向ZnSO4溶液遷移，K+向CuSO4溶液遷移，分別中和過剩的電 荷，使溶液保持電中性，反應可以繼續(xù)

3、進行。 鹽橋中離子的定向遷移構成了電流通路， 鹽橋既可溝通兩方溶液，又能阻止反應物的直接接觸?？墒褂伤B接的兩溶液保持電 中性，否則鋅鹽溶液會由于鋅溶解成為 Zn2+而帶上正電，銅鹽溶液會由于銅的析出減 少了 Cu2+而帶上了負電。鹽橋保障了電子通過外電路從鋅到銅的不斷轉移，使鋅的溶解和銅的析出過程得以繼續(xù)進行。導線的作用是傳遞電子，溝通外電路。而鹽橋的作 用則是溝通內電路，保持電中性就是化學原電池的鹽橋起到電荷 橋梁”的作用，保持兩 邊的電荷平衡以防止兩邊因為電荷不平衡（一邊失去電子，一邊得到電子造成的）而 阻礙氧化還原反應的進行。、鹽橋反應現(xiàn)象:1、檢流計指針偏轉（或小燈泡發(fā)光），說明有電

4、流通過。從檢流計指針偏轉的方向可 以知道電流的方向是Cu極fZn極。根據(jù)電流是從正極流向負極，因此，Zn極為負極， Cu極為正極。而電子流動的方向卻相反，從 Zn極一Cu極。電子流出的一極為負極， 發(fā)生氧化反應；電子流入的一極為原電池的正極，發(fā)生還原反應。一般說來，由兩種金屬所構成的原電池中，較活潑的金屬是負極，較不活潑的金屬是 正極。其原理正是置換反應，負極金屬逐漸溶解為離子進入溶液。反應一段時間后， 稱重表明，Zn棒減輕，Cu棒增重。2+Zn - 2e = Zn（負極）cf + 2e = Cu （正極）原電池發(fā)生原理是要兩極存在電位差，鋅銅原電池實際發(fā)生的電池反應是鋅與銅離子的 反應，銅片

5、只起到導電作用，并不參與反應。2、取出鹽橋，檢流計指針歸零，重新放入鹽橋，指針又發(fā)生偏轉，說明鹽橋起到了使 整個裝置構成通路的作用。鹽橋是裝有飽和KCI瓊脂溶膠的U形管，溶液不致流出來， 但離子則可以在其中自由移動。四、問題討論與疑問：1. 能用金屬來代替鹽橋嗎？答：不可以，在電路接通的情況下，這個鹽橋只是整個回路的一部分，隨時要保持電 中性，瓊脂作為鹽橋因其中含有兩種離子，可以與溶液中的離子交換，從而達到傳導 電流的目的，而且瓊脂本身可以容納離子在其中運動， 液接電勢??；若用金屬作鹽橋（已 經(jīng)不能叫做鹽橋了）電子流向一極后不能直接從另一極得到補充，必然趨勢就是向另一 極釋放金屬陽離子或者溶液

6、中的金屬陽離子在電子流出的那一極得電子析出金屬，這 個過程會產(chǎn)生一個與電池電勢相反的電勢（應該算液接電勢的一部分），從而降低了整個 電池的電勢。所以，光有自由電子是不夠的，應該有一個離子的通道即鹽橋”2. 原電池電解液在兩燒杯中，兩燒杯間有鹽橋，是不是瓊脂中的鉀離子會進入溶液？ 那么兩燒杯中的陰陽離子能通過鹽橋嗎？答：雙液電池使用鹽橋目的就是為了消除液接電勢 ，一般鹽橋中充滿著瓊脂。瓊脂作為 鹽橋因其中含有陰陽兩種離子，鹽橋中的陰離子和陽離子通過定向移動進入到陰極池 和陽極池從而達到傳導電流使雙液電池形成閉合回路的目的，所以鹽橋用一段時間就 會失效了，要重新浸到飽和食鹽水(或是 KCI溶液)里

7、。兩燒杯中的離子會通過鹽橋 的但不會太多，因這時兩池中的濃度差相對太小的緣故(此說法有待商榷，歡迎專家 指導，謝謝)。3. 在有鹽橋的銅鋅原電池中，電解質溶液的選擇為什么要與電極材料的陽離子相同？ 如Zn極對應的是硫酸鋅，能不能是氯化鋅或者氯化鈉？鋅在負極失去電子，變成離子進入溶液，電子沿外導線流到正極銅上面，硫酸銅 溶液中的銅離子在正極上得到電子變成銅單質析出。硫酸銅溶液中的陰離子通過鹽橋 移動到硫酸鋅溶液中，而形成回路。4. 在有鹽橋的銅鋅原電池中，電解質溶液的選擇為什么要與電極材料的陽離子相同？如Zn極對應的是硫酸鋅，能不能是氯化鋅或者氯化鈉？答：可以的，如果該溶液中溶質的陽離子對應的金

8、屬單質比電極強的話沒有問題。反 正這邊發(fā)生的反應只是Zn的溶解而已。但是如果比電極弱的話，例如硫酸銅， 鋅就會 置換出銅，在表面形成原電池，減少供電量。使用鹽橋就是為了避免這種情況，至于 電解液要跟電極相同那是一個做題的技巧，具體問題具體分析就好了。5. 鋅與硫酸鋅溶液會反應？請參閱“電極電勢”及“雙電層理論”雙電層理論 德國化學家能斯特(H. W Nernst)提出了雙電層理論(electron double layer theory)解釋電極電勢的產(chǎn)生的原因。雙電層理論：膠核的靜電作用把溶液中的反離子吸附到其周圍。受 膠核電位離子的靜電引力和反離子熱運動的擴散作用、溶液對反離子的水化作用，

9、反 離子的濃度隨與固體表面距離增加濃度逐漸減少，分布符合Boltzmann分布。德國科學家 W. Nernst對電極電勢產(chǎn)生機理作了較好的解釋。他認為：當把金屬 插入其鹽溶液中時，金屬表面上的正離子受到極性水分子的作用，有變成溶劑化離子 進入溶液而將電子留在金屬表面的傾向。金屬越活潑、溶液中正離子濃度越小，上述 傾向就越大。與此同時，溶液中的金屬離子也有從溶液中沉積到金屬表面的傾向，溶 液中的金屬離子濃度越大、金屬越不活潑，這種傾向就越大。當溶解與沉積這兩個相 反過程的速率相等時，即達到動態(tài)平衡：當金屬溶解傾向大于金屬離子沉積傾向時，則金屬表面帶負電層，靠近金屬表面 附近處的溶液帶正電層，這樣

10、便構成“雙電層”。相反，若沉積傾向大于溶解傾向， 則在金屬表面上形成正電荷層，金屬附近的溶液帶一層負電荷。由于在溶解與沉積達到平衡時，形成了雙電層，從而產(chǎn)生了電勢差，這種電勢差 叫電極的平衡電極電勢，也叫可逆電極電勢。金屬的活潑性不同，其電極電勢也不同， 因此，可以用電極電勢來衡量金屬失電子的能力。電極電勢以符號E Mn+/M表示，單 位為V（伏）。如鋅的電極電勢以EZn2+/ Zn表示,銅的電極電勢以ECu2+/Cu表示。實驗中，因為Cu/Cu+的標準電極電勢為+0.34V，而鋅與鋅離子的標準電極電勢為 -0.76V，所以銅作正極，鋅作負極。這就構成了原電池。1陰極上是陽離子放電：依照的是金

11、屬活動順序表.排在越前的金屬離子越難放電Ag+> Hg2+> Cu2+> （H+ ） > Pb2+> Sn2+> Fe2+>Zn2+> Al3 + > Mg2+> Na+ 離子氧化性 越強越先放電2、陽極上是陰離子放電：S2 > I > Br > Cl > OH> SO42> N03-> F 陰離子還原性越強越先放電越王勾踐劍的含銅量約為80%-83%、含錫量約為16%-17%，另外還有少量的鉛和鐵，可能是原料中含的 雜質。作為青銅劍的主要成分銅，是一種不活潑的金屬，在日常條件下一般不容易發(fā)生

12、銹蝕，這是越王勾踐劍不銹的原因之一。在古代 墓葬中，它發(fā)生銹蝕的途徑一般說來有這樣幾條：在潮濕的條件下，有空氣 或氧氣存在時，發(fā)生銹蝕，生成銅鹽；在潮濕的條件下與貴重金屬（如金、銀等）接觸，產(chǎn)生電化學腐蝕；與硫或含有硫的物質接觸，生成銅的硫化物等。再來看看越王勾踐劍所處的外部環(huán)境：該劍1965年冬出土于湖北江陵望山一號楚墓內棺中，位于墓主人的左側，出土時插在髹漆的木質劍鞘內。這座墓葬深埋在數(shù)米的地下，一槨兩棺，層層相套，槨室四周用一種質地細密的白色黏土、考古學界稱之為白膏泥的填塞，其下部采用的還是經(jīng)過人工淘洗過的白膏泥，致密性更好。加上墓坑上部經(jīng)過夯實的填土等原因，使該墓的墓室?guī)缀醭闪艘粋€密閉

13、的空間，這么多的密封層基本上隔絕了墓室與外界之間的空氣交換。現(xiàn)代科學告訴我們：在完全隔絕氧氣的條件下，即使在中性或微酸性的水中，鋼鐵都不會生銹的。這是越王勾踐劍不銹的原因之二。望山一號楚墓處在現(xiàn)代荊州附近的漳河二干渠 上，地下水位 較高，該墓的 墓室曾經(jīng)長期被地下水浸泡，地下水酸堿性 不大，基本上為中性，這從該墓出土的大量精美的漆木器保存情況較好而得 到證實。地下水 浸泡后，墓室內空氣的含量更少。這是越王勾踐劍不銹的原因之三。此外，還有三點證據(jù)可以證明，越王 勾踐劍的不銹之謎完全是它所處的環(huán)境條件所致。第一，越王勾踐劍出土時不是絕對的沒有生銹，只是其銹蝕的程度十分輕微，人們難以看出。該劍出土后

14、一直放在囊盒中妥善保管，但是， 出土至今還不足40年，該劍的表面已經(jīng)不如出土時明亮，說明在目前這樣好的保管條件下，銹蝕的進程也 是難以絕對阻止的。第二，與越王勾踐劍同時出土的還有三件青銅劍，這三件 青銅劍都放在該墓棺外的槨室內，相對說來它們所處環(huán)境的密封程度不如越王勾踐劍，但是它們的銹蝕程度也較輕微，甚至與越王 勾踐劍完全相同。例如，出土于該墓頭箱（考古術語，指墓主人頭部所對的槨室）、編號為T109的青銅劍，素面無花紋，出土時“刃薄而鋒利，保持著耀目的光澤”（考古發(fā)掘報告語）；出土于該墓邊箱（考古術語，指墓主人身旁所對的槨室）、編號為B127的青銅劍，形制與越王勾踐劍相近，“整個劍身的兩側均滿飾黑 色的菱形花紋，非常優(yōu)美。保存也很完好，刃薄而鋒利，可與越王勾踐劍媲美?！保脊虐l(fā)掘報告語）收藏于湖北省博物館 內、被稱為“銅斧之王”的大銅斧，出土于湖北大冶銅綠山古代開采 銅礦石的礦井內，表面布滿了與刃部垂直的劃痕，是一件古代勞動人民實用的采礦工具。由于出土于古代礦井淤泥中，出土時表面仍然泛有青銅的光澤，