◇　江西　明正球

(作者單位：江西師大附中)

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探究用導(dǎo)線代替鹽橋能產(chǎn)生電流的原因

◇江西明正球

為什么用導(dǎo)線代替鹽橋后還能產(chǎn)生電流?本文對此展開了一系列探究,得出了產(chǎn)生電流的原因,并將結(jié)論遷移為解題能力．

圖1是1個雙液原電池,如果將雙液原電池中的鹽橋換成1根導(dǎo)線(如圖2),電流表中有無電流通過?

因?yàn)殡娮又荒軓膶?dǎo)線通過,陰、陽離子只能從電解質(zhì)溶液中通過,而鹽橋起到的是接通內(nèi)電路的作用,只能用溶液來聯(lián)通,基于這些理論,很多學(xué)生一度認(rèn)為把鹽橋換成導(dǎo)線后內(nèi)電路發(fā)生了斷路,是不會產(chǎn)生電流的,事實(shí)果真如此嗎?

1　問題的產(chǎn)生

那一天課堂上,在講解雙液原電池時,筆者問學(xué)生,可否用導(dǎo)線連接2個半電池,學(xué)生異口同聲的回答說不能,筆者沒有立刻評價他們的回答,而是將一根銅導(dǎo)線連在了本應(yīng)放置鹽橋的位置,出乎意料的事情發(fā)生了,當(dāng)把銅導(dǎo)線放上去時,電流表的指針有了很大幅度的偏轉(zhuǎn),說明此時電路中產(chǎn)生了可觀的電流,學(xué)生驚呆了,用非常期待的眼神看著,希望給出解釋,其實(shí)這個現(xiàn)象也出乎筆者的意料,本著探索真理的精神,提議課后大家一起去實(shí)驗(yàn)室探究．

2　實(shí)驗(yàn)探究

圖3

為什么將鹽橋換成導(dǎo)線后,電流表指針也會偏轉(zhuǎn)呢?課后,很多學(xué)生跟隨筆者走進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室,又重新實(shí)驗(yàn)了一遍,確實(shí)能產(chǎn)生電流,我們盯著這套裝置(圖2)目不轉(zhuǎn)睛的看了很久,終于有了想法,當(dāng)把鹽橋換成導(dǎo)線后,是不是乙池本身就構(gòu)成了一個原電池?如果乙池構(gòu)成了原電池,那甲池就是電解池了,問題來了,觀察乙池,銅導(dǎo)線的末端和鐵片確實(shí)構(gòu)成了活潑性不同的兩極,硫酸亞鐵是電解質(zhì)溶液,也能構(gòu)成閉合回路,可是,自發(fā)的氧化還原反應(yīng)在哪呢?為了一探究竟,大家取了一個單獨(dú)的小燒杯,搭建了如圖3所示的裝置.

圖4

電流表的指針微微偏轉(zhuǎn),說明此處的確有自發(fā)的氧化還原反應(yīng)在進(jìn)行,考慮到亞鐵離子很容易被空氣中的氧氣氧化,如果被氧化成鐵離子后,鐵電極與鐵離子就會發(fā)生Fe+2Fe3+=3Fe2+的反應(yīng)了,是這個原因嗎?我們將硫酸亞鐵溶液換成氯化鈉溶液,如圖4所示.

電流表的指針依然偏轉(zhuǎn)!說明即便不發(fā)生Fe+2Fe3+=3Fe2+的反應(yīng),也能發(fā)生其他氧化還原反應(yīng),同學(xué)們聯(lián)想到鐵在鹽溶液中的生銹,分析此處可能發(fā)生了金屬的吸氧腐蝕,為了證明是吸氧腐蝕,大家將如圖4所示的裝置放置在實(shí)驗(yàn)室,一段時間后再去看,發(fā)現(xiàn)在燒杯里,出現(xiàn)了少許紅褐色沉淀,往沉淀里加鹽酸,沉淀溶解了,再滴加幾滴硫氰化鉀溶液,立刻變成血紅色,證明沉淀就是氫氧化鐵,說明在這個過程中確實(shí)發(fā)生了吸氧腐蝕.

3　結(jié)論

原來,將鹽橋用導(dǎo)線代替后,整個裝置已經(jīng)不再是1個雙液原電池,而是構(gòu)成了1個原電池和1個電

圖5

解池,以圖2所示裝置為例,乙池中的鐵片為電源的負(fù)極,銅導(dǎo)線右側(cè)為電源正極,甲池中的銅片為電解池的陰極,銅導(dǎo)線左側(cè)為電解池的陽極,如圖5所示.

隨著實(shí)驗(yàn)時間的延長,我們發(fā)現(xiàn)甲池中的銅導(dǎo)線有了明顯的腐蝕,這也進(jìn)一步驗(yàn)證了之前的結(jié)論．

4　從理論到解題

后來,在整理原電池的相關(guān)考題時,筆者發(fā)現(xiàn),此次探究不僅糾正了大家的認(rèn)知錯誤,還能更加從容的應(yīng)對一類電化學(xué)的考題.

圖6

A甲同學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，ZnSO4溶液中陰離子總濃度不會發(fā)生改變;

B甲同學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，Zn片被氧化，銅片被還原;

C乙同學(xué)將鹽橋換成銅導(dǎo)線后，U形銅導(dǎo)線的兩端電極反應(yīng)類型一致;

D乙同學(xué)將鹽橋換成銅導(dǎo)線后，導(dǎo)線中電流方向不會發(fā)生變化

分析將鹽橋換成導(dǎo)線后，燒杯A構(gòu)成原電池，鋅為負(fù)極，銅導(dǎo)線為正極，電子從鋅流出，與原來的電子流動方向一致，所以電流方向也一致，故選項D是正確的.

圖7

A電子通過鹽橋從乙池流向甲池;

B將銅片浸入AgNO3溶液中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)與該原電池總反應(yīng)相同;

C開始時，銀片上發(fā)生的反應(yīng)是：

Ag-e-=Ag+;

D銅導(dǎo)線替換鹽橋，原電池仍繼續(xù)工作

分析本題中，若用銅導(dǎo)線代替鹽橋，乙池成為原電池，而甲池則成為一個電鍍池，甲池中的銅片會不斷溶解，銅導(dǎo)線表面則會析出銅，整套裝置已不再是一個簡單的原電池，自然也無法和之前一樣工作，可以排除選項D.答案為B.

若將原理推廣，如果用石墨棒來代替鹽橋，也會起到類似的效果，只是要注意石墨棒本身不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如例3.

圖8　　　　　　　　　　　圖9

A圖8鹽橋中的陽離子移向甲裝置;

B兩圖都是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置;

C圖9中乙裝置總反應(yīng)的離子方程式:

D圖9中電子流向?yàn)镕e→電流計→石墨a→石墨b→銅絲→石墨c→Fe

分析顯然,在圖9中,甲池是原電池,乙池是電解池,在乙池中CuCl2溶液被電解,會生成銅和氯氣,所以,此題可以選擇選項C,但要特別注意選項D,電子只能通過導(dǎo)線,是不能通過溶液的,故電子的流動方向應(yīng)是Fe→電流計→石墨a,石墨b→銅絲→石墨c．

圖10　　　　　　　　　　圖11

其他條件不變,若將鹽橋換成光亮的U形彎銅絲浸入甲池與乙池,如圖11所示,電流計指針偏轉(zhuǎn)方向與先前一樣,但偏轉(zhuǎn)角度明顯減?。欢螘r間后,乙池石墨棒浸入液面以下部分也析出了一層紫紅色固體,則甲池銅絲附近溶液的pH________(填“減小”“增大”或“不變”),乙池中石墨為________極(填“正”“負(fù)”“陰”或“陽”).

分析本題有一定難度,先看前2問,鐵在不斷溶解,氯化銅中的銅離子得電子后在石墨電極表面析出,若設(shè)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為amol,可以依據(jù)質(zhì)量差為6g列方程為:56×0.5a+64×0.5a=6,解得a=0.1,也即轉(zhuǎn)移電子0.1mol,下一問,問反應(yīng)前后溶液質(zhì)量差, 除了要注意甲池中Fe2+會多0.05mol、 乙池中Cu2+會少0.05mol外,還要特別注意為了平衡電荷,鹽橋中的Cl-會往甲池中移入0.1mol,K+會往乙池中移入0.1mol,故反應(yīng)后的質(zhì)量和反應(yīng)前相比,質(zhì)量增加35.5×0.1+39×0.1+56×0.05-64×0.05=7.05，即質(zhì)量相差7.05g．當(dāng)鹽橋換成導(dǎo)線后,甲池變成一個原電池,銅絲是正極,氧氣在此處放電變成OH-,所以pH增大,此時乙池為電解池,石墨相當(dāng)于接了電源負(fù)極,所以為陰極．

題目很多,不再一一列舉,只要掌握了原理,在遇到此類題時,有條理的分析,就能較快的得到正確答案．

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中,可能只是一個微小的改動,卻會造成完全不一樣的結(jié)果,對于這些未知的情況,不能忽略不管,更不能想當(dāng)然,而是應(yīng)該用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度,去探究事物的真面目,這既是對科學(xué)的尊重,也是讓我們成長的具體方法．

(作者單位：江西師大附中)