謝涵博

摘 要：運(yùn)用醋酸纖維素酯透過物質(zhì)具有選擇性的特性，設(shè)計有機(jī)玻璃的長方體反應(yīng)器，以醋酸纖維素酯作為隔斷，可以取代鹽橋作原電池反應(yīng)裝置，還可以作為滲析實驗和丁達(dá)爾現(xiàn)象的演示裝置，對比實驗類的反應(yīng)裝置。實驗操作步驟簡單，效果明顯。

關(guān)鍵詞：半透膜;實驗裝置;改進(jìn)

原電池反應(yīng)是人教版普通高中教科書《化學(xué)》（2017年第3版）選修4的實驗（4-1）。實驗方法是用一個充滿電解質(zhì)溶液的鹽橋，將置有鋅片的ZnSO4溶液和置有銅片的CuSO4溶液連接起來，然后將鋅片和銅片用導(dǎo)線連接，并在中間串聯(lián)一個電流表，觀察現(xiàn)象。取出鹽橋，再觀察現(xiàn)象[1]。鹽橋中的鹽溶液是電解質(zhì)溶液，能使兩個燒杯中的溶液連成一個通路。在實驗準(zhǔn)備過程中，鹽橋的制作是最費(fèi)時的一環(huán)，具體做法是：在水浴加熱條件下的配制瓊脂溶液，然后加入KCl固體充分?jǐn)嚢?，?dāng)KCl完全溶解后趁熱用滴管或虹吸將此溶液加入已事先彎好的玻璃管中，靜置待瓊脂凝結(jié)后便可使用[2]。反應(yīng)后鹽橋要保持濕潤，一旦干燥，瓊脂失水回縮，就不能使用，就要重新加裝瓊脂——飽和KCl。針對此問題，我做本項改進(jìn)。

一、實驗裝置的結(jié)構(gòu)組成

“鹽橋”顧名思義就是鹽離子的橋梁，是為轉(zhuǎn)移離子而在兩種溶液之間連接的高濃度電解質(zhì)溶液[3]。它在原電池反應(yīng)的作用是使兩種獨(dú)立存在的溶液的離子連成一個通路。半透膜是一種選擇性透過膜，醋酸纖維素酯俗稱玻璃紙，它是能使離子通過，膠體不能通過的薄膜[4]。我嘗試用玻璃紙代替鹽橋，設(shè)計了如下的裝置：

本裝置由三個部分組成（如圖1），分別是有機(jī)玻璃反應(yīng)器、隔板、頂蓋。裝置中間是鑲了有機(jī)玻璃邊框的半透膜板，將長方體的有機(jī)玻璃反應(yīng)裝置一分為二，成為兩個互不連通的獨(dú)立的長方體容器。頂蓋在兩個反應(yīng)容器的正上方，分別裝有一個帶金屬夾片的接線柱，向內(nèi)可以夾金屬片使之與溶液反應(yīng)，向外可以連接導(dǎo)線與電源相接。

裝置的制作工藝非常簡單：

1.將3mm厚的有機(jī)玻璃板切割成160mmX60mm的蓋板和底板各一塊，160mmX100mm的前后面板各一塊，100mmX60mm的左、右側(cè)面板各一塊，100mmX61mm中間隔板兩塊。

2.在蓋板上如圖3劃線找到兩個對稱的中心點(diǎn)，在中心點(diǎn)打孔，將帶銅夾的接線柱裝好。

3.取兩塊中間隔板，中間開孔，做成邊框為10mm厚的回形框，在兩個回形框中間夾玻璃紙，用膠水黏牢，加壓夾緊，如圖1的半透膜隔板所示。

4.在前后面板及底板的長邊，沿中線開寬6mm、深1mm的淺槽。

5.將3的回形框鑲?cè)氩壑?，打上密封膠。

6.用有機(jī)溶膠將底板、前后面板和左右側(cè)面板粘連成敞口的長方體，圖2為完整的反應(yīng)裝置。

二、裝置的特點(diǎn)及應(yīng)用

本裝置擁有兩個獨(dú)立不連通的反應(yīng)器室，可以做對比試驗，同時中間的半透膜隔板可以代替鹽橋，實現(xiàn)溶液間離子的流通，滿足原電池反應(yīng)的必備條件，因此可以作為原電池反應(yīng)的實驗儀器。

在反應(yīng)裝置的一邊裝入硫酸銅溶液，另一邊加入硫酸鋅溶液，在蓋板的夾子上分別夾上銅片和鋅片，將蓋板放在反應(yīng)裝置上，讓銅片插入硫酸銅溶液中，鋅片插入硫酸鋅溶液中，用導(dǎo)線前端的鱷魚夾夾緊銅片上端的接線柱，導(dǎo)線的另一端與電流計的正極相連，用另一根導(dǎo)線連接鋅片上的接線柱和電流計的負(fù)極，如圖4所示，可以觀察到電流表的指針向“+”方向擺動。

由于不使用鹽橋，節(jié)約藥品，減少了實驗的準(zhǔn)備工作，同時較原反應(yīng)裝置實驗操作步驟簡單，而且增大反應(yīng)面積，增強(qiáng)實驗效果。

鑒于半透薄選擇性透過的特性，本裝置還可以做丁達(dá)爾現(xiàn)象和滲析實驗的演示儀器，操作簡單、現(xiàn)象直觀。圖5為滲析實驗，在反應(yīng)裝置的一側(cè)容器中裝入硫酸銅溶液，另一側(cè)容器中裝入蒸餾水，可以非常明顯觀察到硫酸銅離子透過半透膜，滲透到另一邊裝有蒸餾水的反應(yīng)槽中，并且沉入底部，這個實驗可以驗證溶液的離子總是從濃度高的一方向濃度低的一方擴(kuò)散。

離子能通過玻璃紙半透膜，膠體粒子卻不能通過。因此，本裝置非常適合丁達(dá)爾現(xiàn)象的演示，如圖6。在一側(cè)反應(yīng)容器裝入氫氧化鐵膠體，在另一側(cè)裝入三氯化鐵溶液，此時看到兩個容器中的液體從外觀和顏色幾乎沒有差別，分別從反應(yīng)器的左右兩邊射入一條激光線，我們可以清晰地看到盛有氫氧化鐵膠體的一側(cè)有明顯的光路，而盛有三氯化鐵一側(cè)沒有光路。透過這個實驗可以證明半透膜可通過離子，不能通過膠體粒子的性質(zhì)，還能印證膠體能產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象而溶液不能產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象的事實[5]。

將半透膜隔板換成有機(jī)玻璃板，本裝置就可以變成類比實驗的反應(yīng)裝置，例如比色實驗、金屬鋁分別與NaOH和HCl的反應(yīng)、草酸的褪色反應(yīng)等等，應(yīng)用廣泛。

三、改進(jìn)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)

使用玻璃紙半透膜隔板代替鹽橋，使離子流通的面積大大增加了，因此反應(yīng)現(xiàn)象明顯，演示實驗效果好。

整個裝置的制作工藝簡單，有機(jī)玻璃板材和玻璃紙是常用材料，經(jīng)濟(jì)易得，方便采購，可加工性強(qiáng)。

滲析、丁達(dá)爾現(xiàn)象以及對比試驗，使用本改進(jìn)裝置更直觀，可以應(yīng)用于化學(xué)實驗教學(xué)。

如果中間的半透膜隔板改成去掉隔板，僅半透膜的無縫連接，效果更佳。

結(jié)束語

原電池是化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)換，必須通過一定的裝置才能實現(xiàn)。裝置設(shè)計的合理性，對于能量轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。電化學(xué)就是研究化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)換的裝置、過程和效率的科學(xué)。通過對實驗儀器的改進(jìn)實踐探究，使我對電化學(xué)基礎(chǔ)知識概念的理解更清晰了。在此，感謝陳軍老師對我研究過程的指導(dǎo)和幫助！

參考文獻(xiàn)

[1]冷燕平.高中化學(xué)教材的研究和編制——人教版《化學(xué)反應(yīng)原理》模塊的設(shè)計思想[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2009（3）：6-9.

[2]陳筱勇.四問鹽橋[J].中學(xué)化學(xué)，2004（01）：13.

[3]吳永仁、李和、何少化、胡鼎文.中國中學(xué)教學(xué)百科全書·化學(xué)卷[M].沈陽：沈陽出版社，1990（12）：541.

[4]吳世敏、印德麟、劉鐵生、吳挺、馬成泰.簡明精細(xì)化工大辭典[M].遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999（06）：1005.

[5]田非、丁成霞.滲透作用實驗裝置改進(jìn)[J].考試（教研版），2013（1）：198-198.