對(duì)原電池中鹽橋的進(jìn)一步探究 論文

對(duì)原電池中鹽橋的進(jìn)一步探究摘要：高中教材中指出：雙液電池中鹽橋的作用是平衡電荷，連接內(nèi)電路，形成閉合回路。原電池中對(duì)鹽橋的使用不僅是技術(shù)的改進(jìn)，更是打破舊思維的創(chuàng)新。不少教師對(duì)鹽橋作用的解釋還比較模糊，這就需要我們較為深入的了解鹽橋的工作原理和鹽橋的制作，無(wú)論是知識(shí)儲(chǔ)備，還是課堂教學(xué)都是非常有必要的。 關(guān)鍵詞：原電池，鹽橋的作用，鹽橋的制備

引言：針對(duì)部分教師對(duì)鹽橋的解釋還比較模糊的現(xiàn)狀，本文對(duì)鹽橋的基本作用、有無(wú)鹽橋的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。具體解釋了鹽橋有效的降低液接電位，使原電池能持續(xù)、穩(wěn)定的產(chǎn)生電流，并詳細(xì)的介紹了如何自己動(dòng)手制作鹽橋。對(duì)于教師的教育教學(xué)具有一定價(jià)值。在高中化學(xué)的電化學(xué)一節(jié)中，很多教師對(duì)鹽橋作用的解釋比較模糊，一般就是介紹鹽橋是溝通電路形成閉合回路。但是學(xué)生很容易產(chǎn)生疑問(wèn)，因?yàn)椴皇褂名}橋若用導(dǎo)線連接也可以形成閉合回路。我在以前的教學(xué)中就遇到學(xué)生如此的發(fā)問(wèn)，鑒于此，我對(duì)鹽橋進(jìn)行了分析，以下是我對(duì)鹽橋的作用的解讀以及在教學(xué)中如何對(duì)鹽橋開(kāi)展的做法。一、鹽橋的基本作用：平衡電何，夠成閉合回路，形成電流實(shí)驗(yàn)1：將單液銅鋅原電池中的硫酸銅溶液分放在兩個(gè)燒杯中，分別插入鋅片和鋼片并用導(dǎo)線相連并接上靈敏電流計(jì)?，F(xiàn)象表明沒(méi)有形成電流，學(xué)生通過(guò)討論便能對(duì)課本中電子為何不能從從鋅片流向銅片提出合理解釋深入理解。當(dāng)鋅原子失去電子形成鋅離子而進(jìn)入溶液時(shí)，溶液中因鋅離子的數(shù)量增加而帶正電；同時(shí)銅離子獲得電子成為金屬銅沉淀在銅片上，而使溶液中因銅離子的數(shù)目減少而帶負(fù)電。這兩種因素均會(huì)對(duì)從鋅片流向銅片的電子產(chǎn)生足夠的斥力，從而無(wú)法形成電流。繼而引出要以“恰當(dāng)方式連接”形成閉合回路。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生要解決的是如何通過(guò)連接使兩個(gè)燒杯中的電解質(zhì)溶液中的離子能定向移動(dòng)的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)2：用充滿飽和氯化鉀或硝酸鉀溶液的鹽橋?qū)蓚€(gè)燒杯中的溶液連接起來(lái)，注意電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)角度變化。 首先發(fā)現(xiàn)電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)：隨著上述實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延續(xù)，電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)的角度逐漸減小，最終又沒(méi)有電流通過(guò)。同時(shí)鋅片表面逐漸被銅全部覆蓋。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)可知鹽橋的基本作用：平衡電荷，夠成閉合回路，形成電流。那為什么電流會(huì)很快的衰減?由于鋅片與硫酸銅溶液直接接觸，在反應(yīng)一段時(shí)間后，難以避免溶液中有銅離子在鋅片表面被直接還原，一旦有少量銅在鋅片表面析出，就會(huì)使鋅電極與表面置換出來(lái)的銅直接接觸也構(gòu)成了原電池，進(jìn)一步加速銅在負(fù)極表面析出，致使向外輸出的電流強(qiáng)度減弱。當(dāng)鋅片表面完全被銅覆蓋后，反應(yīng)終止了就不會(huì)再有明顯電流產(chǎn)生。若將取出電極擦拭除去鋅片表面附著的銅，重新放回硫酸銅溶液中，靈敏電流計(jì)讀數(shù)恢復(fù)仍可到初始值。 若能設(shè)法阻止溶液中的銅離子在鋅電極表面還原就可讓原電池持續(xù)、穩(wěn)定的產(chǎn)生電流。 二、鹽橋能有效降低液接電位，使原電池持續(xù)、穩(wěn)定的產(chǎn)生電流

構(gòu)成鹽橋的材料一般是瓊脂與飽和氯化鉀溶液或者是瓊脂與飽和硝酸銨溶液。一般多采用的是瓊脂與飽和氯化鉀溶液。其中的瓊脂系自石花菜或其他種紅藻類植物中浸出并經(jīng)脫水干燥的黏液質(zhì)。瓊脂的作用是附著固定氯化鉀或者硝酸銨。在兩種溶液之間插入鹽橋代替原來(lái)的兩種溶液的直接接觸，這是為了減小和穩(wěn)定液接電位。那么什么是液接電位呢？當(dāng)組成不同的兩種電解質(zhì)接觸時(shí)，在溶液交接處，由于陰陽(yáng)離子擴(kuò)散通過(guò)界面的離子遷移速度不同，造成了正負(fù)電荷分離，形成的雙電層產(chǎn)生了電位差。這樣產(chǎn)生的電位差全稱為液體接界擴(kuò)散電位，簡(jiǎn)稱液接電位。使用鹽橋可有效的將液接電位減至最小，甚至消除。液接電位的產(chǎn)生會(huì)降低電源的供電效率，因此需要積極避免。反應(yīng)中，鉀離子要移向正極所處的電解質(zhì)溶液，陰離子要移向負(fù)極所處的電解質(zhì)溶液，來(lái)填補(bǔ)因原電池反應(yīng)而導(dǎo)致的陰陽(yáng)離子不守恒的問(wèn)題，促使反應(yīng)不斷進(jìn)行。在電場(chǎng)作用下，不同的陰陽(yáng)離子，他們的遷移速率是不相同的。如果陰陽(yáng)離子的遷移速率越相近，他們對(duì)原電池的影響就越小，而鉀離子和氯離子的遷移速率是最接近的，且不易與電池中溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此常用氯化鉀飽和溶液做鹽橋（鉀離子和硝酸根離子的遷移速率也比較接近，同理也可用硝酸鉀、硝酸銨來(lái)替代制作鹽橋）。氯化鉀的溶解度較大，常溫下飽和氯化鉀物質(zhì)的量濃度可達(dá)4.2mol/L。當(dāng)充有飽和氯化鉀溶液的鹽橋插入到濃度不大的兩電解質(zhì)溶液之間時(shí)，分別產(chǎn)生了兩個(gè)交接面。鹽橋中鉀離子和氯離子分別向兩端溶液擴(kuò)散，由于鉀離子和氯離子的擴(kuò)散速率相近，使鹽橋與兩個(gè)溶液接觸產(chǎn)生的液接電勢(shì)均很小，由于陰陽(yáng)離子的遷移方向相反，故可以大致相互抵消（降至1~2mV），從而提高電源的供電效率。此時(shí)原電池在工作時(shí)，把氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分開(kāi)在兩個(gè)裝置中進(jìn)行，再用裝有瓊脂與飽和氯化鉀的鹽橋連接，可以獲得持續(xù)穩(wěn)定電流，效率提高。由于鋅和硫酸銅溶液在兩個(gè)裝置中,鋅沒(méi)有與硫酸銅溶液直接接觸，不存在鋅與銅離子直接反應(yīng)的過(guò)程，所以大部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化成了電能。實(shí)際教學(xué)中，在化學(xué)必修一中就能學(xué)習(xí)到原電池，而此時(shí)物理上還沒(méi)有學(xué)習(xí)電勢(shì)和電勢(shì)差等概念，我建議此時(shí)不宜展開(kāi)。在高二學(xué)生有了電學(xué)的必備知識(shí)后，可以對(duì)學(xué)生解釋鹽橋具體的作用。如此教學(xué)可以體現(xiàn)學(xué)科的交叉，使得學(xué)生對(duì)化學(xué)教學(xué)中的電學(xué)部分知識(shí)有更加深入的認(rèn)識(shí)。三、鹽橋的制備并不復(fù)雜，在教學(xué)中教師可以自制鹽橋下面的制取方法是我經(jīng)常使用的。將100g蒸餾水盛于錐形瓶中，在90"C水浴中加熱，將45g分析純氯化鉀加入蒸餾水中，至錐形瓶底部有未溶解完全的氯化鉀為止，使其達(dá)到飽和。將大約6g左右的瓊脂粉緩慢加入錐形瓶，用玻璃棒均勻攪拌后趁熱將瓊脂和飽和氯化鉀溶液注入鹽橋玻璃彎管中，并使其流入玻璃管尖端。待鹽橋內(nèi)的瓊脂+飽和氯化鉀溶液冷卻到室溫后，將玻璃管上端的氯化鉀溶液倒出，用衛(wèi)生紙將內(nèi)外壁擦拭干凈，向鹽橋內(nèi)加入室溫條件下的飽和氯化鉀溶液。在鹽橋上放入飽和甘汞電極，并將鹽橋玻璃管放入試驗(yàn)溶液中，固定好以后即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。瓊脂在網(wǎng)上很容易買到，我在教學(xué)中還曾讓學(xué)生親手做鹽橋，教學(xué)效果更好。需要特別注意的是，配制的瓊脂+飽和氯化鉀浴液如果太稀，測(cè)試過(guò)程中飽和氯化鉀溶液可以從鹽橋尖端流入實(shí)驗(yàn)溶液，從而污染實(shí)驗(yàn)溶液；配制的瓊脂和飽和氯化鉀溶液如果太稠，則很難注入鹽橋玻璃管的尖端，此外還容易使玻璃管尖端留有空氣泡。而空氣泡的存在將影響電位的測(cè)定，增加實(shí)驗(yàn)誤差，影響效果。鹽橋的玻璃管尖端需要用卷緊的脫脂棉塞上，以防止溶液互混。脫脂棉必須被溶液潤(rùn)濕，否則電路不通。另外，脫脂棉盡量不要露在外面，避免吸收空氣中的污染物。鹽橋和甘汞電極在不使用的情況下應(yīng)用蒸餾水沖洗干凈其外表面，并浸泡在飽和氯化鉀溶液中保存，防止其它外來(lái)離子污染并注意防塵。教學(xué)中，我做過(guò)如此的嘗試。分別做幾組銅鋅原電池的對(duì)比試驗(yàn)。①?zèng)]有鹽橋②由瓊脂構(gòu)成鹽