關(guān)曉鵬 汪青

摘要：基于對(duì)中學(xué)電化學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的分析，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究，采納了微量化學(xué)實(shí)驗(yàn)的諸多優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出了便攜式電化學(xué)電池與電解實(shí)驗(yàn)裝置。從便攜式電化學(xué)電池裝置的組裝與測(cè)試、電池的串聯(lián)組裝與測(cè)試 、電解裝置的制作與測(cè)試三個(gè)方面，詳述了便攜式實(shí)驗(yàn)裝置的制作過(guò)程。并從電化學(xué)電池、電解原理分析了實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與制作原理。

關(guān)鍵詞：便攜式；微量化實(shí)驗(yàn)；電化學(xué)電池；電解；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與改進(jìn)

文章編號(hào)：1005–6629（2016）5–0068–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

隨著環(huán)保教育的逐步深入，微量化學(xué)實(shí)驗(yàn)掀起了一股風(fēng)潮[1，2]。所謂微量化學(xué)實(shí)驗(yàn)就是在保證試劑用量少、污染少、省時(shí)間、易操作的同時(shí)，仍使用常規(guī)儀器、裝置，達(dá)到常規(guī)演示實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度[3]；也指將原來(lái)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置改良成體積小、輕便易攜帶的微量化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。后者除了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象依然足夠明顯之外，還具有便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)，方便教師開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)[4]。因此，筆者著重探索針對(duì)后者的微量化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與制作。

高中有關(guān)電化學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，無(wú)論是電化學(xué)電池或電解池，通常會(huì)涉及重金屬鹽類的使用以及有毒廢液的排放，加上實(shí)驗(yàn)器材繁瑣，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作往往造成教師不少的負(fù)擔(dān)。筆者之前基于對(duì)教材電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)裝置的比較以及某些相關(guān)文獻(xiàn)的研究，設(shè)計(jì)了電解飽和食鹽水相關(guān)系列趣味實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)趣味實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理及裝置拓展了電解相關(guān)實(shí)驗(yàn)[5]。正是認(rèn)識(shí)到微量化學(xué)實(shí)驗(yàn)的諸多優(yōu)勢(shì)，也受此啟發(fā)，筆者繼續(xù)對(duì)電化學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展研究，設(shè)計(jì)出便攜式微量化電化學(xué)電池與電解實(shí)驗(yàn)裝置。本實(shí)驗(yàn)利用手邊容易取得的如濾紙、化妝棉、吸管以及同軸纜線等材料，制作便攜式的微量化電化學(xué)教具，除了達(dá)到減量、減廢的環(huán)保效果外，更能減輕教師實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作的負(fù)擔(dān)。

1 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

1.1 儀器

塑料培養(yǎng)皿1個(gè)（含蓋）、鱷魚(yú)夾的紅色與黑色導(dǎo)線各1條、濾紙、1mL塑料滴管、濕紙巾、金屬片（Zn，Mg，Cu，Ni）、砂紙1張、鋁箔紙、不銹鋼鐵絲、銅絲（約15cm長(zhǎng)）、三用電表、熱熔膠和熱熔膠槍1組

1.2 藥品

0.1 mol/L硫酸鎂（MgSO4）、0.1 mol/L硫酸鋅（ZnSO4）、0.1 mol/L硫酸銅（CuSO4）、0.1 mol/L硫酸鎳（NiSO4）、0.1 mol/L硝酸鉀（KNO3）、0.1 mol/L硫酸鈉（Na2SO4）、0.1 mol/L氯化鈉（NaCl）、酚酞指示劑、小蘇打粉

2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 便攜式電化學(xué)電池裝置的組裝與測(cè)試

（1）取一張濾紙（或卸妝棉），剪成十字狀，置于一塑料培養(yǎng)皿中，并在濾紙的四個(gè)端點(diǎn)上滴加鎂、鎳、鋅及銅四種金屬的硫酸鹽溶液3～5滴，接著將長(zhǎng)約1cm的四種金屬片，覆蓋于相關(guān)鹽類溶液上，略微緊貼濾紙。隨后將內(nèi)裝KNO3溶液的滴管，輕輕地點(diǎn)在兩金屬間的濾紙（或卸妝棉）上，當(dāng)作鹽橋，完成微量化電化學(xué)電池裝置。相關(guān)裝置示意圖如圖1所示。

（2）利用三用電表的紅色和黑色測(cè)試棒，輕壓金屬片，測(cè)量?jī)蓛山饘匍g的電位差。利用測(cè)量到的電位差值，探討電子的流出方向以及判斷電池的正極和負(fù)極。相關(guān)測(cè)試圖如圖2所示。

2.2 便攜式電化學(xué)電池的串聯(lián)組裝與測(cè)試

（1）為了方便電位差的測(cè)量，稍微改裝微量化電池：首先將吸管剪成與塑料培養(yǎng)皿等高的四小段，再用熱熔膠將四小段的吸管兩兩相對(duì)地黏于塑料培養(yǎng)皿內(nèi)部，取濕紙巾剪成十字狀（或以卸妝棉剪開(kāi)呈長(zhǎng)條形，呈十字交錯(cuò)），鋪壓在培養(yǎng)皿內(nèi)。然后將硫酸鎂等金屬鹽類水溶液，以滴管滴2～4滴在相對(duì)的吸管中。最后放入彎折的金屬片在吸管內(nèi)并固定（底部須碰到浸濕的卸妝棉）。相關(guān)組裝如圖3所示。

（2）以鱷魚(yú)夾導(dǎo)線連接Mg-Cu電池的Cu與另一個(gè)Mg-Cu電池的Mg兩端，并以三用電表探測(cè)棒輕壓兩電池的Mg與Cu兩端，測(cè)量電位差。改變不同的接法，探討電池串聯(lián)方式不同對(duì)電壓的影響，并測(cè)試如何安裝和串聯(lián)可以創(chuàng)造出最大的電池電位差。三個(gè)Mg-Cu電池的串聯(lián)組裝如圖4所示。

2.3 便攜式電解裝置的制作與測(cè)試

（1）電解筆的制作：將長(zhǎng)約15cm的銅線（或白鐵線），從滴管頂端貫穿到塑料滴管的口，銅線分別露出滴管管口和頂部的長(zhǎng)度約1～3cm，用尖嘴鉗將兩端露出的銅線（或白鐵線）彎曲呈圓弧型，此即完成的電解筆。相關(guān)制作如圖5所示。

（2）電解池裝置的制作：裁剪適當(dāng)大小的鋁箔紙并將培養(yǎng)皿包覆，再將濾紙放入包覆鋁箔紙的培養(yǎng)皿中，然后將兩端附有鱷魚(yú)夾的紅色導(dǎo)線的一端夾在包覆鋁箔紙的培養(yǎng)皿上，兩端附有鱷魚(yú)夾的黑色導(dǎo)線的一端則夾在電解筆頂端露出的電解筆上，然后紅色導(dǎo)線與導(dǎo)線另一端連接9V電池，此即完成了微量化電解池裝置部分。相關(guān)制作、組裝如圖6所示。

（3）氯化鈉電解測(cè)試：電解池中可先用氯化鈉水溶液滴在濾紙上使濾紙均勻潤(rùn)濕，然后在濾紙上以噴霧罐均勻噴上酚酞溶液，最后將9V電池的負(fù)極用鱷魚(yú)夾導(dǎo)線連接電解筆，電池的正極導(dǎo)線用鱷魚(yú)夾夾住鋁箔，開(kāi)始通電進(jìn)行電解。當(dāng)電解筆在濾紙上書(shū)寫或畫(huà)圖，觀察濾紙上是否有顏色。將正負(fù)極交換，觀察顏色是否發(fā)生變化？相關(guān)測(cè)試如圖7所示。

3 原理與概念

3.1 電化學(xué)電池

電化學(xué)電池實(shí)驗(yàn)是利用局部潤(rùn)濕的濾紙取代燒杯和U型管鹽橋，在培養(yǎng)皿中進(jìn)行反應(yīng)，并以三用電表的讀數(shù)為根據(jù)，判斷電子的流出方向，藉以判斷金屬活性的大小。四種金屬在25℃、溶液濃度為1 mol/L下的標(biāo)準(zhǔn)氧化電位大小約如[1]～[4]所示：

兩金屬的半電池標(biāo)準(zhǔn)氧化電位不同，活性大的金屬易失去電子，標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高；活性小的金屬不易失去電子，標(biāo)準(zhǔn)氧化電位低；電子由高氧化電位電極流向低氧化電位電極。以鋅銅電池為例，其電池簡(jiǎn)略表示法如圖8所示：

電池的標(biāo)準(zhǔn)電位差為陽(yáng)極氧化電位減去陰極氧化電位，鋅銅電池的標(biāo)準(zhǔn)電位差0.76V-（-0.34V）=1.10V。不過(guò)，實(shí)際上測(cè)量的電位會(huì)因溫度、有效濃度（活度）以及半電池的內(nèi)電阻等因素而略為降低。

3.2 電解池

實(shí)驗(yàn)使用一個(gè)培養(yǎng)皿、鋁箔紙、以電解液潤(rùn)濕的濾紙為電解槽，插入銅線的塑料滴管作為電解筆。當(dāng)外接9V的干電池，銅電極一接觸到潤(rùn)濕的濾紙上方時(shí)，隨即與濾紙下方的鋁箔電極形成通路，濾紙上、下兩面分別發(fā)生還原與氧化反應(yīng)。若電解液為NaCl溶液，電池的負(fù)極與銅制電解筆相連，電池的正極與鋁箔相連時(shí)，則其兩極的反應(yīng)，如式[5]～[6]所示：

堿遇酚酞呈紅色。

4 安全注意及廢棄物處理

電化學(xué)電池的實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可將培養(yǎng)皿蓋好，減少水分蒸發(fā)，以便于下次實(shí)驗(yàn)使用。若已蒸發(fā)變干，則再次滴加1～2滴蒸餾水即可。濾紙（或化妝棉）回收前，沾取少量小蘇打粉后，按照一般實(shí)驗(yàn)室廢棄物回收。

參考文獻(xiàn)：

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[5]關(guān)曉鵬，汪青.基于電解飽和食鹽水教材分析的系列趣味實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教與學(xué)，2015，（9）：86～87.