4.1原电池创新实验设计 2023-2024学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

原电池创新实验设计 1 功能与价值 “原电池”是高中化学电化学部分的一个重要组成内容，在人教版高中化学必修二和选择性必修1教材中都有相关的学习内容。必修模块中“原电池”部分的学习内容主要侧重单液原电池，学生通过学习，认识单液原电池的工作原理和构成条件；而选择性必修模块中则侧重学习通过盐桥搭建的双液原电池，学生通过学习双液原电池并进而了解化学电源的工作原理及其在生产和生活中的重要应用。“原电池”与氧化还原反应关系密切，该部分的学习可巩固和加深学生已经学习过的氧化还原反应的相关知识，并且通过学习“原电池”所涉及的相关原理和实验，能很好地促进学生“宏观辨识与微观探析”、“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”等化学核心素养的形成和发展。 2 原理与拓展 Zn-Cu/H2SO4(aq)单液原电池实验装置如下图所示： 图1 Zn-Cu/H2SO4(aq)单液原电池装置图 根据原电池工作原理，Zn片作为原电池的负极，发生电极反应Zn — 2e- = Zn2+；Cu片作为正极，H+在Cu片上得到电子，发生电极反应2H+ + 2e- = H2↑。所以理想化的实验现象应该是Cu片表面有大量气泡逸出，而Zn片表面不产生气泡。但在实际演示该实验的过程中，往往出现Zn片表面有大量气泡逸出，而Cu片表面只有少量气泡的“反常现象”。 图2 实验中Zn表面有大量气泡，Cu表面只有少量气泡 蒋晓乾分析了Zn片表面产生气泡的三个成因，即：酸的种类与浓度、Zn片的纯度与极化作用、Zn片自身的化学腐蚀[1]。如果将上述原电池装置中的电解液改为CuSO4溶液，实验中会出现Cu在Zn片表面析出，原电池工作电流不断衰减等现象。 图3 Zn-Cu/CuSO4(aq)单液原电池装置图 图4 Zn-Cu/CuSO4(aq)单液原电池，铜在锌表面析出 图5 Zn-Cu/CuSO4(aq)单液原电池工作电流变化图（电流不断衰减） 由于负极锌和电解液 CuSO4 溶液直接接触，导致锌失去的一部分电子直接被溶液中 Cu2+得到，Cu2+被还原为 Cu 析出覆盖在锌表面，这使得锌和电解液的接触面积不断减小，导致了电池的工作电流不稳定，电流很容易发生衰减。单液原电池装置中，由于负极材料和电解液中的氧化剂直接接触，导致了氧化剂直接在负极处得电子，负极失去的一部分电子没有沿导线发生定向移动，反应的一部分化学能没有转化为电能。单液原电池中负极材料和电解液中的氧化剂直接接触，导致了氧化反应和还原反应并没有完全隔开，这成为单液原电池装置的重要缺陷。 在高中化学选择性必修1教材中，将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液用一个盐 桥连接起来，然后将锌片和铜片用导线连接组装成双液原电池，由于负极锌片和CuSO4溶液不再 处于直接接触的状态，锌失去的电子只有沿导线做定向移动，才能在正极处被溶液中的Cu2+得到， 反应的化学能悉数转化为电能，因此双液原电池可提高原电池工作时的能量转化效率。负极锌片 不和溶液中的Cu2+接触，Cu2+自然就不可能在锌上得电子，Cu只能在正极Cu片上析出，也就不存 在负极锌片被Cu包裹覆盖这种情况，因此双液原电池的工作电流稳定、不易衰减。但是笔者通过 实验发现由于双液原电池装置中使用了盐桥沟通正、负极区电解液，盐桥具有一定的内阻，因此 使用盐桥的双液原电池电流强度较小，这实为双液原电池的一个缺陷。 图6 锌铜双液原电池装置图 图7 锌铜双液原电池工作电流图（电流强度较小） 3 实验改进方案综述 文献报道了许多老师设计了新的实验装置来改进传统的单液原电池。夏立先设计了如图 8 所示改进装置，在同一烧杯中放入两种溶液，密度大的稀硫酸放下层，密度小的稀氯化钠溶液放上层，为减少密度不同的两层液体的相互扩散，在上层溶液的中间部分用滤纸或海绵隔开，将 Zn 片 · Cu 片两个电极相连并分别放入上层溶液和下层溶液中，实验中可以看到铜片表面气泡逐渐增多，后保持相对稳定，而锌片表面至少可保持 15 分钟没有气泡[2]。 图 8 利用密度不同的两层液体改进后的锌铜原电池装置图 白永丽在制作盐桥时借鉴了常规制作盐桥的方法，即将溶解了氯化钾和琼脂固体的热溶液倒 · U 型管中，冷却备用，但是和常规制作盐桥不同之处在于，并没有将 U 型管装满 KCl-琼脂溶液。接着向 U 型管的一侧加入 ZnSO4 溶液，另一侧加入稀 H2SO4 溶液，Zn 片插入 ZnSO4 溶液中，Cu 片插入稀 H2SO4 溶液中，组成如图 9 所示双液原电池，实验结果显示 Cu 片表面有气泡产生，而 Zn 片表面无气泡产生，该装置产生的电流稳定且持续时间长，但该电池电流强度较小，仅 为 10 μA[3]。 图 9 利用凝胶改进后的锌铜原电池装置图 李嘉用氯化钾和可溶性淀粉制作成 KCl-淀粉溶液并趁热