杜愛(ài)萍 蘆琴燕

摘要：基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作簡(jiǎn)便、直觀明了的原則，作者對(duì)蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》電化學(xué)專題中雙液原電池的U型管鹽橋進(jìn)行了改進(jìn)，分別得到了紙條狀鹽橋（包括濾紙條、棉布條以及濕紙巾）和瓊脂塊鹽橋兩種改進(jìn)方案。對(duì)于前者，作者對(duì)紙條狀鹽橋的不同材質(zhì)進(jìn)行了導(dǎo)電性能對(duì)比;對(duì)于后者則進(jìn)一步研究了瓊脂塊鹽橋中KCl的濃度及瓊脂塊的厚度兩個(gè)因素對(duì)雙原液電池性能的影響，并從中得出了瓊脂塊鹽橋制備的最優(yōu)方案。

關(guān)鍵詞：鹽橋改進(jìn);電化學(xué)

文章編號(hào)：1008-0546（2019）11-0080-03

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2019.11.022

一、問(wèn)題提出

蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》教材在第二單元“化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化”講述原電池的工作原理時(shí)引入了鹽橋的概念。由于單液鋅銅原電池電流不穩(wěn)定，故采用U型管鹽橋構(gòu)成雙液原電池。鹽橋的引入，意在獲得平穩(wěn)、持續(xù)而顯著的電流。然而，在實(shí)際教學(xué)中則出現(xiàn)了以下兩個(gè)問(wèn)題：一是鹽橋都是教師事先制備好的，學(xué)生對(duì)于U型管內(nèi)的物質(zhì)沒(méi)有概念，不利于學(xué)生對(duì)鹽橋真實(shí)結(jié)構(gòu)及其工作原理的理解。二是在實(shí)際使用U型管鹽橋時(shí)，發(fā)現(xiàn)其構(gòu)成的雙液原電池電流7.6mA，非常小，遠(yuǎn)小于相同條件下單液原電池的電流（360mA），這一實(shí)際情況與教材引入鹽橋的出發(fā)點(diǎn)不盡相同，容易對(duì)教學(xué)造成一定的困擾。筆者針對(duì)在實(shí)際教學(xué)中的上述兩個(gè)問(wèn)題，對(duì)U型管鹽橋進(jìn)行了改進(jìn)。

二、實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)

為了實(shí)驗(yàn)的可對(duì)比性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，雙液鋅銅原電池的構(gòu)成筆者均采用實(shí)驗(yàn)室普通且狀況相同的鋅片和銅片，鋅片為負(fù)極，銅片為正極，負(fù)極池電解質(zhì)溶液為1.Omol.L-1的ZnS04溶液，正極池為1.Omol·L-1的CuSO4溶液。原電池的電流均采用軟件朗威8.0進(jìn)行測(cè)定。

針對(duì)前述的問(wèn)題一，筆者首先設(shè)計(jì)了濾紙條鹽橋[1][2]：將濾紙折成約3.5cm×12cm x0.2cm的條狀，室溫條件下在飽和KCl溶液中浸泡一分鐘，取出后代替U型管鹽橋搭在正負(fù)極電解質(zhì)池之間，兩電極銅片、鋅片與濾紙緊密接觸，兩電極之間距離為2cm，構(gòu)成雙液原電池（裝置如圖1（上）所示）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在其他條件都相同的情況下，濾紙條鹽橋構(gòu)成的雙液原電池所產(chǎn)生的電流為10.8mA，與U型管鹽橋（7.6mA）相當(dāng)。另外，筆者用相同大小的棉布條和濕紙巾（材料為無(wú)紡布）分別代替濾紙條重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同情況下，棉布條和濕紙巾構(gòu)成的原電池所產(chǎn)生的電流分別為12.4mA和21.5mA，由此可見(jiàn)，鹽橋巾吸附KCl飽和溶液的材料不同，電池的放電效率也有所差異，其中濕紙巾（無(wú)紡布）的效果相對(duì)較好。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，筆者發(fā)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)研究中，很多電池，如鋰離子電池等，其電池內(nèi)部就是采用與濕紙巾類似的無(wú)紡布材料作為正負(fù)極隔膜[3]。濕紙巾（無(wú)紡布）由于其材質(zhì)較好的親水性及材料較高的孔隙率，較濾紙條和棉布條對(duì)KCl溶液具有更好的親液性和保液性，是離子的良導(dǎo)體，在電解液中電導(dǎo)率較高，從而相同條件下產(chǎn)生的電流更大。

紙條狀鹽橋（包括濾紙條、棉布條和濕紙巾）的優(yōu)點(diǎn)在于可以直接在課堂上制作該鹽橋，操作簡(jiǎn)便，學(xué)生可以通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)濕紙巾（濾紙條或棉布條）與U型管鹽橋中瓊脂的作用類似，讓學(xué)生更深入地理解鹽橋的構(gòu)成和工作原理。同時(shí)，借助有色離子在紙條上的定向遷移，學(xué)生可以直接觀察到原電池內(nèi)部陰、陽(yáng)離子的遷移方向，讓原電池內(nèi)部工作原理可視化，使學(xué)生突破對(duì)原電池的學(xué)習(xí)難點(diǎn)。

針對(duì)問(wèn)題二，筆者認(rèn)為使用U型管鹽橋后電流變小的主要原因可能有兩個(gè)：一是U型管鹽橋的路徑太長(zhǎng)，二是U型管管口與電解質(zhì)溶液的接觸面積太小，兩者均導(dǎo)致雙液原電池的內(nèi)阻變大，故電流變小?；谏鲜龇治?，我們對(duì)鹽橋做了以下改進(jìn)：在1OOOmL沸水中先加入7g瓊脂，加熱使其完全溶解，再加入200g KCl固體，繼續(xù)加熱，直至KCl完全溶解，停止加熱。等溶液冷卻至50℃左右，趁熱倒在一個(gè)矩形電解槽中，待冷卻凝固后用小刀將裝置內(nèi)兩邊多余的瓊脂除去，只留中間一堵厚度為3cm的“墻”，即形成了瓊脂塊鹽橋4（如圖1（下）所示）。改進(jìn)后的鹽橋路程較短，接觸面積大大提高，在相同條件下產(chǎn)生的電流（820mA）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于U型管鹽橋中的電流（7.6mA）。

筆者將幾種原電池在相同情況下產(chǎn)生的電流進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，瓊脂塊鹽橋?qū)?yīng)的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于U型管鹽橋的電流，也遠(yuǎn)大于單液原電池的電流，同時(shí)電流穩(wěn)定而持續(xù)，相比之下，紙條狀鹽橋（包括濾紙條、棉布條和濕紙巾）的電流較U型管鹽橋沒(méi)有太大的優(yōu)勢(shì)（濕紙巾鹽橋相對(duì)較好，其電流是U型管鹽橋的近3倍），但紙條狀鹽橋具有操作簡(jiǎn)便、學(xué)生觀察直觀且深入的優(yōu)點(diǎn)，另外，若增加紙條（濾紙條、棉布條或濕紙巾?xiàng)l）的數(shù)目或加寬紙條兩端與電解質(zhì)溶液的接觸面積，原電池的電流將成倍上升。

三、瓊脂塊鹽橋優(yōu)化

筆者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，瓊脂塊鹽橋制備時(shí)KCl的濃度以及瓊脂塊的厚度對(duì)原電池產(chǎn)生的電流有一定的影響，因此，為了使原電池能形成相對(duì)較大、較穩(wěn)定的電流，筆者從鹽橋制備巾KCl的用量、鹽橋的厚度兩方面進(jìn)行了瓊脂塊鹽橋最優(yōu)制備方案的探究。

1.瓊脂塊鹽橋中KCl含量的影響

蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》教材指出“鹽橋中通常裝有含KCl飽和溶液的瓊脂”，但筆者在配制鹽橋內(nèi)容物時(shí)發(fā)現(xiàn)，若先制得KCl飽和溶液，再向其中加入瓊脂，則瓊脂的溶解度很小，溶解的瓊脂不足以使溶液形成凝膠狀。于是筆者調(diào)整加料順序，先在1OOOmL熱水中加入7g瓊脂（該瓊脂用量是筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比優(yōu)化后得出的），使其完全溶解后再加入340gKCl固體[5]（20℃，1OOOmL水中KCl的溶解度約為340g），完全溶解后趁熱倒入矩形電解槽中，冷卻后便可制得定型的瓊脂凝膠。但在冷卻過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)瓊脂凝膠中有大量似雪花狀的KCl晶體析出（如圖3所示），經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，由該瓊脂塊鹽橋構(gòu)成的原電池產(chǎn)生的電流極不穩(wěn)定，筆者認(rèn)為該電流不穩(wěn)定的現(xiàn)象是由瓊脂塊鹽橋固相不均一性引起的。

因此，筆者制備了不同KCl含量的瓊脂塊鹽橋，以探究KCl含量對(duì)鹽橋性能的影響。首先從瓊脂塊鹽橋的固相均一性考慮，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（如表1所示）表明，在1OOOmL水、7g瓊脂的溶液中加入KCl固體不大于250g時(shí)可以制得固相均一性較好的鹽橋。

同時(shí)，筆者將制得的不同KCl含量的瓊脂塊鹽橋構(gòu)成銅鋅原電池，并對(duì)其進(jìn)行電流測(cè)定實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果（如圖4所示）可知，在鹽橋厚度相同時(shí)，鹽橋中KCl濃度越大，單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)碾x子越多，溶液內(nèi)阻越小，實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的電流越大。但是用固相不均一的鹽橋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)（如KCl含量為340g/L時(shí)），由于鹽橋中KCl分布不均勻，電流非常不穩(wěn)定，無(wú)法測(cè)定準(zhǔn)確的電流值。圖4中KCl含量為300g/L時(shí)的電流為所測(cè)初始電流，電流不穩(wěn)定，很快出現(xiàn)衰減，而KCl含量降低至250g/L后，可以測(cè)得比較穩(wěn)定的電流。在配制得到的均相鹽橋中，鹽橋厚度相同時(shí)，隨著KCl含量的增加，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電流逐漸增大。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，筆者認(rèn)為在1OOOmL沸水中先加入7g瓊脂，完全溶解后加入200-250g KCl固體，冷凝后制得的鹽橋固相均一，實(shí)驗(yàn)效果相對(duì)最好。

2.瓊脂塊鹽橋厚度的影響

圖4所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明：當(dāng)鹽橋中KCl含量一定時(shí)，鹽橋厚度越小，內(nèi)阻越小，所測(cè)得的電流越大。對(duì)比不同KCl含量的鹽橋的電流一厚度曲線，筆者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鹽橋厚度大于2cm時(shí)，上述瓊脂塊鹽橋均可得到較穩(wěn)定的電流。當(dāng)鹽橋厚度減小至2cm以下時(shí)，產(chǎn)生的電流高達(dá)1.2A以上，但此時(shí)的電流開(kāi)始趨于不穩(wěn)定。針對(duì)該現(xiàn)象，筆者認(rèn)為原因在于：當(dāng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電流較大時(shí)，鹽橋中需要傳輸?shù)碾x子也相應(yīng)增多，而此時(shí)過(guò)窄的瓊脂塊鹽橋無(wú)法提供給離子穩(wěn)定的傳輸介質(zhì)，從而引起了電流的不穩(wěn)定，另外電流過(guò)大時(shí)，電池的正負(fù)極極化增強(qiáng)，伴隨副反應(yīng)加劇，也導(dǎo)致電流不穩(wěn)定。因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)瓊脂塊鹽橋的厚度宜取2-3cm。

四、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)U型管鹽橋存在的不足，筆者得到了紙條狀鹽橋（包括濾紙條、棉布條以及濕紙巾）和瓊脂塊鹽橋兩種改進(jìn)方案。紙條狀鹽橋雖然在其對(duì)應(yīng)的雙液原電池所產(chǎn)生的電流大小上較U型管鹽橋沒(méi)有太大的優(yōu)勢(shì)（當(dāng)然濕紙巾鹽橋的對(duì)應(yīng)電流是U型管鹽橋的近3倍），但是其操作簡(jiǎn)便，學(xué)生觀察學(xué)習(xí)直觀明了，同時(shí)對(duì)比紙條與瓊脂作用的共性，加深對(duì)鹽橋工作原理的理解;瓊脂塊鹽橋的對(duì)應(yīng)電流則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于U型管鹽橋，甚至遠(yuǎn)大于單液原電池的電流，并且大電流持久而穩(wěn)定，這更便于教學(xué)過(guò)程中通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象科學(xué)合理地引入鹽橋并進(jìn)一步講解鹽橋。同時(shí)，瓊脂塊鹽橋?qū)型管鹽橋的內(nèi)容物直接暴露在外，使學(xué)生對(duì)鹽橋真實(shí)結(jié)構(gòu)的了解更為直觀。另外，筆者還獲得了瓊脂塊鹽橋中KCl含量、鹽橋厚度兩個(gè)因素對(duì)瓊脂塊鹽橋性能的影響，并得出了瓊脂塊鹽橋的最優(yōu)制備方案：1OOOmL水中趁熱溶解7g瓊脂，再加入200-250g KCl固體，冷卻后將鹽橋厚度切至2-3cm為宜。

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