原電池創(chuàng)新實驗設計（合肥市第一中學教師姓名：張強指導老師：陳文靜）1功能與價值“原電池”是高中化學電化學部分的一個重要組成內容，在人教版高中化學必修二和選擇性必修1教材中都有相關的學習內容。必修模塊中“原電池”部分的學習內容主要側重單液原電池，學生通過學習，認識單液原電池的工作原理和構成條件；而選擇性必修模塊中則側重學習通過鹽橋搭建的雙液原電池，學生通過學習雙液原電池并進而了解化學電源的工作原理及其在生產(chǎn)和生活中的重要應用?！霸姵亍迸c氧化還原反應關系密切，該部分的學習可鞏固和加深學生已經(jīng)學習過的氧化還原反應的相關知識，并且通過學習“原電池”所涉及的相關原理和實驗，能很好地促進學生“宏觀辨識與微觀探析”、“證據(jù)推理與模型認知”、“科學探究與創(chuàng)新意識”等化學核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展。2原理與拓展Zn-Cu/H2SO4(aq)單液原電池實驗裝置如下圖所示：圖1Zn-Cu/H2SO4(aq)單液原電池裝置圖根據(jù)原電池工作原理，Zn片作為原電池的負極，發(fā)生電極反應Zn—2e-=Zn2+；Cu片作為正極，H+在Cu片上得到電子，發(fā)生電極反應2H++2e-=H2↑。所以理想化的實驗現(xiàn)象應該是Cu片表面有大量氣泡逸出，而Zn片表面不產(chǎn)生氣泡。但在實際演示該實驗的過程中，往往出現(xiàn)Zn片表面有大量氣泡逸出，而Cu片表面只有少量氣泡的“反?，F(xiàn)象”。圖2實驗中Zn表面有大量氣泡，Cu表面只有少量氣泡蔣曉乾分析了Zn片表面產(chǎn)生氣泡的三個成因，即：酸的種類與濃度、Zn片的純度與極化作用、Zn片自身的化學腐蝕[1]。如果將上述原電池裝置中的電解液改為CuSO4溶液，實驗中會出現(xiàn)Cu在Zn片表面析出，原電池工作電流不斷衰減等現(xiàn)象。圖3Zn-Cu/CuSO4(aq)單液原電池裝置圖圖4Zn-Cu/CuSO4(aq)單液原電池，銅在鋅表面析出圖5Zn-Cu/CuSO4(aq)單液原電池工作電流變化圖（電流不斷衰減）由于負極鋅和電解液CuSO4溶液直接接觸，導致鋅失去的一部分電子直接被溶液中Cu2+得到，Cu2+被還原為Cu析出覆蓋在鋅表面，這使得鋅和電解液的接觸面積不斷減小，導致了電池的工作電流不穩(wěn)定，電流很容易發(fā)生衰減。單液原電池裝置中，由于負極材料和電解液中的氧化劑直接接觸，導致了氧化劑直接在負極處得電子，負極失去的一部分電子沒有沿導線發(fā)生定向移動，反應的一部分化學能沒有轉化為電能。單液原電池中負極材料和電解液中的氧化劑直接接觸，導致了氧化反應和還原反應并沒有完全隔開，這成為單液原電池裝置的重要缺陷。在高中化學選擇性必修1教材中，將置有鋅片的ZnSO4溶液和置有銅片的CuSO4溶液用一個鹽橋連接起來，然后將鋅片和銅片用導線連接組裝成雙液原電池，由于負極鋅片和CuSO4溶液不再處于直接接觸的狀態(tài)，鋅失去的電子只有沿導線做定向移動，才能在正極處被溶液中的Cu2+得到，反應的化學能悉數(shù)轉化為電能，因此雙液原電池可提高原電池工作時的能量轉化效率。負極鋅片不和溶液中的Cu2+接觸，Cu2+自然就不可能在鋅上得電子，Cu只能在正極Cu片上析出，也就不存在負極鋅片被Cu包裹覆蓋這種情況，因此雙液原電池的工作電流穩(wěn)定、不易衰減。但是筆者通過實驗發(fā)現(xiàn)由于雙液原電池裝置中使用了鹽橋溝通正、負極區(qū)電解液，鹽橋具有一定的內阻，因此使用鹽橋的雙液原電池電流強度較小，這實為雙液原電池的一個缺陷。圖6鋅銅雙液原電池裝置圖圖7鋅銅雙液原電池工作電流圖（電流強度較小）3實驗改進方案綜述文獻報道了許多老師設計了新的實驗裝置來改進傳統(tǒng)的單液原電池。夏立先設計了如圖8所示改進裝置，在同一燒杯中放入兩種溶液，密度大的稀硫酸放下層，密度小的稀氯化鈉溶液放上層，為減少密度不同的兩層液體的相互擴散，在上層溶液的中間部分用濾紙或海綿隔開，將Zn片和Cu片兩個電極相連并分別放入上層溶液和下層溶液中，實驗中可以看到銅片表面氣泡逐漸增多，后保持相對穩(wěn)定，而鋅片表面至少可保持15分鐘沒有氣泡[2]。圖8利用密度不同的兩層液體改進后的鋅銅原電池裝置圖白永麗在制作鹽橋時借鑒了常規(guī)制作鹽橋的方法，即將溶解了氯化鉀和瓊脂固體的熱溶液倒入U型管中，冷卻備用，但是和常規(guī)制作鹽橋不同之處在于，并沒有將U型管裝滿KCl-瓊脂溶液。接著向U型管的一側加入ZnSO4溶液，另一側加入稀H2SO4溶液，Zn片插入ZnSO4溶液中，Cu片插入稀H2SO4溶液中，組成如圖9所示雙液原電池，實驗結果顯示Cu片表面有氣泡產(chǎn)生，而Zn片表面無氣泡產(chǎn)生，該裝置產(chǎn)生的電流穩(wěn)定且持續(xù)時間長，但該電池電流強度較小，僅為10μA[3]。圖9利用凝膠改進后的鋅銅原電池裝置圖李嘉用氯化鉀和可溶性淀粉制作成KCl-淀粉溶液并趁熱將該溶液倒入培養(yǎng)皿中，冷卻20分鐘后，培養(yǎng)皿中產(chǎn)生凝固狀的KCl-淀粉凝膠，用刀片在培養(yǎng)皿的中間劃出一條寬度在5～7mm的條狀凝膠柱，然后刮去凝膠柱兩邊的KCl-淀粉凝膠，使凝膠柱將培養(yǎng)皿分成互不相同的兩個區(qū)域，分別往兩邊加入ZnSO4溶液和CuSO4溶液，再分別插入鋅片和銅片，組成雙液原電池，改進后的原電池電流強度可增強數(shù)倍[4]。圖10利用KCl-淀粉凝膠改進后的鋅銅原電池裝置圖蔣曉乾用KCl的飽和溶液來調制瓊脂粉，不斷加熱煮沸直至攪成透明糊狀物，將調制好的糊狀物用筆刷均勻涂抹在Zn片上，待Zn片表面的糊狀物冷卻凝固后，按圖11裝置圖搭建原電池實驗裝置，開始實驗后很快就可以觀察到Cu片上有大量氣泡產(chǎn)生，而Zn片上并無氣泡。圖12為實驗中的實景照片，右邊電極為涂有糊狀物的鋅片，在實驗中鋅片表面沒有氣泡[1]。圖11利用KCl-瓊脂凝膠改進后的鋅銅原電池裝置圖圖12裝置改進后的實景照片4實驗創(chuàng)新上述各種原電池的改進方案雖然各有優(yōu)點，但裝置的內部都局限于水溶液體系，而我們所熟悉的生活中的實用化電池，如各種干電池，內部大多為糊狀物，這造成了課堂學習的原電池與學生的生活經(jīng)驗有一定的距離。筆者在鹽橋制作的啟發(fā)下，想到了將電解質和凝膠合二為一，制作成了凝膠原電池，并利用傳感器對該電池的性能進行了測試。4.1實驗原理利用瓊脂、ZnSO4溶液和CuSO4溶液制作成凝膠，將制作好的凝膠填裝入U形管中并和正、負電極一起組裝成凝膠原電池。利用電流傳感器測定該凝膠原電池工作過程中的電流變化，探究該電池的工作性能。4.2實驗用品實驗儀器：威尼爾數(shù)據(jù)采集器、電流傳感器(CurrentSensor)、電腦、燒杯、U形管、電子天平、夾持固定裝置等。實驗藥品：瓊脂、ZnSO4固體、CuSO4固體、鋅片、銅片等。4.3實驗裝置圖13凝膠原電池實驗裝置圖圖14U形管中填裝了凝膠(左管含ZnSO4、右管含CuSO4)4.4實驗步驟(1)配制一定濃度的ZnSO4溶液，加熱ZnSO4溶液，向熱溶液中加入一定量的瓊脂，繼續(xù)加熱并用玻璃棒不斷攪拌使瓊脂和電解液充分混合均勻。(2)向U形管的左管注入熱的ZnSO4-瓊脂混合液，待混合液充分冷卻后，U形管的左管內即形成含有ZnSO4的凝膠。(3)配制一定濃度的CuSO4溶液，加熱CuSO4溶液，向熱溶液中加入一定量的瓊脂，繼續(xù)加熱并用玻璃棒不斷攪拌使瓊脂和電解液充分混合均勻。(4)向步驟(2)中U形管的右管注入熱的CuSO4-瓊脂混合液，待混合液充分冷卻后，U形管的右管內即形成含有CuSO4的凝膠。(5)用鋅片、銅片、裝有凝膠的U形管和導線等組裝凝膠原電池，并用電流傳感器測定該凝膠原電池工作過程中的電流變化，同時適時采集實驗數(shù)據(jù)。4.5實驗曲線與分析圖15凝膠原電池工作電流圖一第一組實驗中制作的含有ZnSO4的凝膠使用的是0.2mol/L的ZnSO4溶液，制作的含有CuSO4的凝膠使用的是0.1mol/L的CuSO4溶液。負極鋅片和正極銅片插入凝膠的位置不同，實驗中產(chǎn)生的電流強度大小不同。上圖所示三條電流曲線從下往上依次為：正負電極剛和凝膠接觸、正負電極一半插入凝膠中、正負電極完全插入凝膠中，伴隨兩電極不斷靠近U形管底部（兩電極之間距離不斷減小），電流強度逐漸增大。圖16凝膠原電池工作電流圖二第二組實驗中制作的含有ZnSO4的凝膠使用的是0.5mol/L的ZnSO4溶液，制作的含有CuSO4的凝膠使用的是0.25mol/L的CuSO4溶液。負極鋅片和正極銅片插入凝膠的位置不同，實驗中產(chǎn)生的電流強度大小不同。上圖所示三條電流曲線從下往上依次為：正負電極剛和凝膠接觸、正負電極一半插入凝膠中、正負電極完全插入凝膠中，伴隨兩電極不斷靠近U形管底部（兩電極之間距離不斷減?。娏鲝姸戎饾u增大。同時與第一組實驗數(shù)據(jù)對比，當提高了制作凝膠的電解質溶液的濃度，凝膠原電池的工作電流強度明顯增大。圖17凝膠原電池工作電流圖三第三組實驗中制作的含有ZnSO4的凝膠使用的是2mol/LZnSO4溶液，制作的含有CuSO4的凝膠使用的是1mol/LCuSO4溶液。負極鋅片和正極銅片插入凝膠的位置不同，實驗中產(chǎn)生的電流強度大小不同。上圖所示三條電流曲線從下往上依次為：正負電極剛和凝膠接觸、正負電極一半插入凝膠中、正負電極完全插入凝膠中，伴隨兩電極不斷靠近U形管底部，電流強度逐漸增大。同時與第二組實驗數(shù)據(jù)對比，當進一步提高制作凝膠的電解質溶液的濃度，凝膠原電池的工作電流強度再一次明顯增大。4.6實驗評價(1)將上述三組實驗所得數(shù)據(jù)整理匯總，可得到如下表格。表1凝膠原電池工作電流匯總表電極位置電解電流強度液濃度兩電極剛接觸凝膠兩電極一半插入凝膠中兩電極完全插入凝膠中c(ZnSO4)=0.2mol/Lc(CuSO4)=0.1mol/L0.0012A0.0022A0.0043Ac(ZnSO4)=0.5mol/Lc(CuSO4)=0.25mol/L0.0020A0.0051A0.0106Ac(ZnSO4)=2mol/Lc(CuSO4)=1mol/L0.0119A0.0208A0.0386A由實驗數(shù)據(jù)可知影響該凝膠原電池工作電流大小的主要因素為制作凝膠所使用的電解質溶液的濃度和電極插入凝膠的位置。當兩電極插入凝膠中，越靠近U形管底部，正負電極之間的距離越小，電流越大。當電極插入凝膠的位置固定，制作凝膠的電解液的濃度越大，電池的電流越大。這提示我們在使用該凝膠原電池時，若想獲得較大的電流，可利用較高濃度的電解質溶液制作凝膠，同時在組裝原電池裝置時，將兩電極插入U行管底部。(2)將單液原電池、雙液原電池和凝膠原電池工作電流對比，Zn-Cu/CuSO4(aq)單液原電池的工作電流由初始的0.0365A衰減為50秒后的0.0335A，電流衰減率為0.0365A-0.0335A0.0365A×100%=8.2%，單液原電池工作電流非常不穩(wěn)定。鋅銅雙液原電池雖然電流穩(wěn)定，沒有發(fā)生衰減，但電流強度較小，只有0.0019A。而利用2mol/LZnSO4溶液和1mol/LCuSO4溶液制作成的凝膠原電池，當兩電極插入U行管底部時，電流強度為0.0386A，電流強度大。同時由于負極鋅片處于含ZnSO4的凝膠的包裹中，沒有直接接觸含CuSO4的凝膠，凝膠中的Cu2+只能在正極銅片上得電子，這使得(3)凝膠原電池制作過程簡單方便，制作好后可利用棉花團或薄膜將U形管兩端口封住，防止凝膠中水分揮發(fā)。該凝膠原電池攜帶方便，能使用較長時間。將該凝膠原電池應用于課堂教學，學生受到啟發(fā)，設計制作了各種凝膠原電池如下圖所示，提升了學生的學習興趣并獲得了良好的教學效果。在高中化