原电池实验设计和问题解决初探.doc

原电池实验设计和问题解决初探摘要：演示实验设计的成功，对于学生学习探究知识和对化学的热爱是不言而喻的。在现实中，要想把原电池演示实验设计完美是很困难的。主要就是电极的纯度以及极化现象的存在。本文就几个原电池实验设计出最佳的方案，供同行交流和参考。关键词：铜锌原电池 极化 微型电池 干电池 氢氧燃料电池引言：在原电池教学中，我常常在思考一些问题，为什么我们所做的铜锌原电池实验与理论铜锌原电池不相符合，怎样让我们学生对原电池产生惊奇，能否有更简便的、更环保、更微型的铜锌原电池装置呢？干电池是最简单的电池，生活中都有用到，能否设计干电池演示实验。最环保的是氢氧燃料电池，它的产物是水，如何去设计呢？本文就原电池设计问题进行了初探。一 铜锌原电池的设计a、带有小灯泡的铜锌原电池设计在做铜锌原电池的实验中，我们都用的是学校里原电池的配套材料，有塑料容器、铜锌电极材料、导线、电流计，配好稀硫酸就可以做铜锌原电池实验了，但这里有很多问题，实验时的现象是锌片和铜片上都有大量的气泡，电流计发生偏转，若是用1.5v的小灯泡很快就熄灭，这时向学生解释起来很是麻烦。学生们若是看了这样的演示实验，必会疑问重重，究其原因，是因为他们想象的原电池应该是这样子的：锌逐渐溶解，铜片上有大量气泡，电流计向铜片偏转或小灯泡发亮，可是现实中由于锌片的不纯及极化作用1，造成学生心目中的理想状况与实验不符。若要获得理想状况，怎样对装置进行改进呢？我们要想办法让理论与现实相符 即原电池像个真正的“电池原型”。小灯泡不能持续的亮，是因为电阻太大。可解释为铜锌原电池工作的过程中，Zn极金属溶解后，电极附近的 Zn2+浓度增大，从而减缓负极金属的溶解速率；铜电极析出的氢气吸附于其上，阻扰氢离子的得电子速率，电极被极化（可理解为氢气围绕着正极，使得电阻变大）。极化作用会使负极电势升高、正极电势降低，电极的放电反应变得困难，电流变小，小灯泡熄灭。综上分析，我们要想使连接的小灯泡亮，且锌表面气泡少，必须采用一定的措施，即保证锌纯度高且消除极化。下面是铜锌原电池设计过程:纯锌制作2 ( 1)配制 250 mL饱和 ZnCl2溶液。( 2)取粗锌片和铜片 ,用锉刀除去粗锌片表面的碱式碳酸锌及铜片上的氧化膜 ,并将铜片表面分别用稀盐酸和水清洗干净。( 3)依据电镀原理 ,用饱和 ZnCl2溶液（少量的氰化钠）做电镀液 ,锌片作阳极 ,铜片作阴极 ,用学生电源通上20 V直流电约5 h。铜片上可镀一层光亮的锌。备用。 消除极化在铜锌原电池的电解质溶液中加入饱和氯化钠溶液和过氧化氢或加入高锰酸钾或重铬酸钾。这是因为在原电池反应中加入强氧化剂，可以使Zn电极部分形成一层氧化膜，从而大大改善Zn电极金属的溶解速率，这些强氧化剂还能把正极产生的氢气氧化生成水，使两电极的极化作用均得以减缓。组装铜锌原电池配制250ml体积比1:4的稀硫酸溶液，将制备好的镀锌电极连接小灯泡一端，实验室酸洗过的铜片作为原电池的正极，连接到小灯泡另一端。在稀硫酸溶液中加入氯化钠和过氧化氢溶液（或加入高锰酸钾或重铬酸钾）以消除极化，同时将两电极插入到溶液中，小灯泡立即会亮起来，而且短时间内小灯泡不能熄灭。如下图1图1铜锌原电池演示设计小结：我们通过锌片的提纯和向铜锌原电池电解质溶液中加入去极化剂。目的就是想在第一节课给同学们展示原电池装置的神奇之处，演示实验效果如此明显，再结合讲解，学生对原电池肯定会产生非常深刻的印象的。间接的提高了化学的魅力和学生学习的兴趣。如果不这么做，学生在观察现实版的铜锌原电池现象就会产生很多的疑惑，这不利于我们在课堂上的讲解。但原电池学习这后，可在习题讲解中介绍锌片不纯和极化现象对原电池的影响，这符合认知规律。b带有灵敏电流计的微型原电池 带有电流计的原电池具有灵敏度高，易操作，节约药品，环保，微型受到广大教师和学生的青睐，学生甚至可以自制教具在家里做实验。铜锌原电池微型实验图2 铜锌原电池微型实验取一玻璃片，在上面放一个滤纸条，滴几滴体积比1:4稀硫酸溶液，按如图2连接好，形成闭合回路。锌线可以从干电池上剪下一长条锌，铜线直接用铜丝。连接好装置后，电流计会立即向铜片发生偏转，效果很明显。说明：电流计的偏向与导线的接法有关。本文选择的是原电池的负极用导线与电流计的负极相连接、原电池的正极用导线与电流计的正极相连接。有人选择用原电池的负极（阳极）用导线与电流计的正极相连、原电池的正极（阴极）用导线与电流计的负极相连。这两种接法会导致电流计的偏向不同。若按前者，则电子的流向与电流计的偏向一致。总结：利用该装置还可以做很多实验，比如铁、碳电极和氯化钠溶液能否组合成原电池，铜银电极和氯化钠溶液能否组合成原电池以及水果简易电池等。由于该方法简单易行，药品用量少，故适合给学生们进行分组实验，让学生自己合作探究，加深对原电池概念的理解。注意每次学生做完实验，记得对电极材料进行清洗，否则可能电流计不偏转。微型实验由于电流计非常灵敏，装置简单容易操作，能够帮助我们解决很多问题。比如在上课时有的老师说电流计的偏向和电子的偏向一致？这就需要实验检验，当我们把原电池负极接电流计的正极、原电池正极接电流计的负极时，就会出现电流计的偏向和电子的偏向不一致。又比如老师在讲镁铝、氢氧化钠溶液原电池时，老师说负极是铝，因为镁与氢氧化钠不反应，的确如此吗？通过微型实验去验证，电流计先偏向铝后又偏向镁，说明先是镁做负极几秒后铝作负极 。可见实践是检验问题的唯一标准。二、干电池自制教具设计在课本上有干电池的结构图。对于干电池我是这样理解的，这里用的酸是氯化铵，原因是它的酸性弱，腐蚀性差，能较长时间使用，那二氧化锰是干什么的？书上介绍是吸收H2的，实际上是降低极化，使干电池能够持续工作。那么我们能否设计铜锌原电池那样设计锌锰干电池能?当然可以。图3 干电池自制教具1、实验方法（1）取15克二氧化猛，与准备的碳粉混合，加入自制的长条布袋中，与此同时，埋入碳棒，用细线捆绑好。（2）称取50克氯化铵和5g氯化钠放入烧杯中，加水150ml，搅拌至全部溶解。（3）用锌片作负极，将正、负极和小灯泡（1.2v）串联起来，然后将两极插入含氯化铵和氯化钠的溶液中。实验装置如图6-43所示。观察小灯炮的发亮情况。2、实验结果：小灯泡会亮，3min后就熄灭了。3、改进方法：通过提高溶液的酸度和降低锌片和铜片的距离，小灯泡的发亮时间会明显增长。总结：干电池是我们小时候乃至现在接触最多的电池，学生对它的兴趣十分浓烈，作为演示实验最合适不过了。又此原电池装置易操作，成功率高，有可能的情况下还可以让学生做分组实验，培养他们对化学实验探究的能力。三、氢氧燃料电池教具制作氢气和氧气反应生成水，此反应存在着电子转移，产物对环境也无污染，所以氢氧燃料电池是环境友好电池。课本上画了一个图，但看图又很难理解，这就造成学生在做氢氧燃料电池的题目中容易出错。如何让学生很好的理解氢氧燃料电池，这就要设计一个装置。该装置既要简单，又要容易操作。下面就是燃料电池设计的一种方法3。实验仪器:学生电源 多孔石墨电极（2个）海绵隔离层（1个） 导线（10条） 塑料容器5cm*20cm 开关（2个） 发光二极管（1个）实验药品：3mol/l氢氧化钠溶液或硫酸钠溶液或硫酸溶液实验装置设计：图4 水的电解与氢氧燃料电池 实验操作：按图将装置组装好（注意两多孔电极这间的距离要小），开始前开关都关闭，实验时先关闭开关1、打开开关2，用8v左右的电压电解水，待两端有明显的气泡时，3min后再打开开关1、关闭开关2，发光二极管发光10min原理：利用电解法在两极上获得氢气和氧气，多孔电极吸附气体后，使氢气和氧气在燃料电池中发生氧化还原反应产生电流，电流通过二极管使其发光。为了使实验效果最佳，该实验要求：电解质溶液要大，电极间的距离要近，电极的吸附气体效果要好（可选3cm*20cm大的石墨电极，通过灼烧、淬火，以增大其表面吸附气体能力）总结：该实验设计突出了绿色化学的环保理念，很好的解决了氢氧燃料电池的设计。装置操作简单，原理清晰，学生很容易掌握。该氢氧燃料电池经检测电压大于2v，实验现象明显。四、结语原电池在日常生活中有着重要的应用，已经渗透到生活的方方面面。而原电池的学习又是高中重要的内容之一，人们总希望能设计一个稳定、容量大、环保、质量轻、安全的原电池，这就要在学校阶段开始培养。通过演示实验、小组合作探究，不仅能培养学生的动手操作能力，而且能锻炼学生的思维能力，从