視頻簡介：
視頻標簽：雙液原電池鹽橋
所屬欄目：高中化學說課視頻
視頻課題：高中化學說課_雙液原電池鹽橋的實驗改進_杜老師
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第七屆全國中小學實驗教學說課大賽說課稿
學科： 高中化學
課題： 《雙液原電池鹽橋的實驗改進》
教材： 高中化學蘇教版選修4《化學反應原理》
姓名：
學校： 浙江大學附屬中學
高中化學·蘇教版選修4《化學反應原理》
雙液原電池鹽橋的實驗改進
本實驗方案改進包括兩個內容
一．雙液原電池中鹽橋的改進
二．雙液原電池鹽橋中離子移動方向可視化
一、雙液原電池中鹽橋的改進
（一）實驗教學分析
1.教學內容分析
雙液銅鋅原電池在現行版本的教材中均有介紹，本實驗主要是針對江蘇教育出版社新編教材選修4《化學反應原理》專題1“化學反應與能量變化”第2單元“化學能與電能的轉化”原電池的工作原理課本中（第31頁）教師演示實驗進行了改進與創新。課本內容是：“按圖1-8組裝好儀器，向兩只燒杯中分別加入30mL 1mol•L
-1的CuSO
4溶液和30mL1 mol•L
-1的ZnSO
4溶液，將連接導線和電流計的鋅片和銅片分別插入ZnSO
4溶液和CuSO
4溶液中，將鹽橋插入兩只燒杯內的電解質溶液中，觀察實驗現象，取出鹽橋，觀察實驗現象”。在教學過程中教師通常會使用U形管瓊脂KCl鹽橋做演示實驗。但是實際實驗過程中，由于U行管鹽橋的路徑較長，且與電解質溶液的接觸面積過小，導致測得的電流只有10mA左右，遠遠小于單液原電池的電流（從170mA開始逐漸衰減，如圖1所示）。
圖1 單液銅鋅原電池與雙液U行管鹽橋原電池電流對比圖
因此，在教授為什么要引入雙液原電池時，很多老師都特意回避這個問題，從單液原電池Zn會和CuSO
4溶液直接反應從而使得電流一直衰減，而雙液原電池可以得到穩定的電流這一角度來引入。而實際上，這一節的內容放在“化學反應與能量變化”這一章節當中，使用雙液原電池的最主要的優點應該是雙液原電池比單液原電池具有更高的能量轉化，教師在授課時，不應該回避這一最重要的知識點，而應該當做重點來進行闡述。
2.學生學情分析
在實際教學中，當學生使用溫度計和電流表測量銅鋅單液原電池中溫度與電流的變化情況后，學生很自然的能夠理解銅鋅原電池中的能量轉換關系：化學能轉換成了電能和熱能。在此基礎上引入雙液原電池水到渠成。
在引入雙液原電池之前，我問了學生一個問題：“請你預測引入鹽橋后產生的電流比單液原電池電流更大還是更��？” 80%以上的同學都認為雙液原電池應該具有更大的電流，他們的理由是從能量轉化的角度來說，雙液原電池避免了鋅片與硫酸銅溶液直接反應，那么就會有更多的化學能轉化成電能，自然得到的電流更大。而教師在實際教學中由于U行管的內阻過大，導致電流過小，給學生造成了很大的困擾。
為了解決這一難題，本人改進了U行管鹽橋裝置，大大降低了鹽橋內阻，測到了遠遠高于單液原電池的電流，在實際教學過程中有很強的實用性。
（二）實驗部分
1.實驗儀器與藥品
實驗儀器：電腦、朗威8.0數據采集器、電流傳感器、溫度傳感器、電解槽、銅絲
實驗藥品：銅片、鋅片、1 mol•L
-1的CuSO
4溶液、1 mol•L
-1的ZnSO
4溶液
2.實驗原理
（1）瓊脂塊鹽橋的制備
在1000 mL沸水中先加入7 g瓊脂，加熱使其完全溶解，再加入250 g KCl固體，繼續加熱，直至KCl完全溶解，停止加熱。等溶液冷卻至50°C左右，趁熱倒在一個矩形電解槽中，待冷卻凝固后用小刀將裝置內兩邊多余的瓊脂除去，只留中間一堵厚度為2cm的“墻”，即形成了瓊脂塊鹽橋（如圖2所示）。圖2 瓊脂塊鹽橋的制備
（2）瓊脂塊鹽橋性能的測定
采用改進后的鹽橋組裝成雙液原電池，測定Cu│CuSO
4║KCl║ZnSO
4│Zn雙液原電池的電流與溫度變化，并與反應相同時間的單液原電池進行溫度和電流的比較。
3.實驗步驟
將溫度傳感器（2個）、電流傳感器（2個）、數據采集器、電腦相連，打開朗威8.0數字化軟件，將銅片、鋅片放入改進后的瓊脂塊鹽橋電解槽中的硫酸銅溶液、硫酸鋅溶液中，連接電流傳感器（1通道）。將相同尺寸大小的銅片、鋅片同時放入硫酸銅溶液中，連接電流傳感器（3通道）。反應5分鐘后，將溫度傳感器分別放入雙液（2通道）、單液（4通道）鋅片附近，同時進行溫度、電流的測定（如圖3所示）。
圖3 使用溫度傳感器、電流傳感器測定雙液、單液原電池的溫度、電流
4.實驗結果與討論
圖4 雙液、單液原電池的溫度、電流數值
如圖4實驗結果所示，反應五分鐘后，雙液原電池的溫度為24.4 °C，單液原電池的溫度為30.7°C。從能量轉換的角度可以直觀的看出單液原電池中一部分化學能轉換成熱能，而雙液電池中化學能轉換成熱能的部分遠遠的小于單液電池。同時，雙液電池的電流為0.81A，遠遠高于單液原電池的電流（0.04A），從電流的數據可以看出，雙液電池中的化學能轉換成電能的部分遠遠高于單液原電池。總之，創新瓊脂塊鹽橋，采用溫度傳感器和電流傳感器可以直觀的讓學生從能量的兩個角度直觀的感受到雙液電池的電能轉化率遠遠高于單液電池。
5.實驗最優方案探究
筆者在實驗過程中發現瓊脂塊鹽橋制備時KCl的濃度以及瓊脂塊的厚度對原電池產生的電流有一定的影響。因此，為了使原電池能形成相對最大、最穩定的電流，筆者從鹽橋制備中KCl的用量、鹽橋的厚度兩方面進行了瓊脂塊鹽橋最優制備方案的探究。
（1）實驗條件研究一 ——鹽橋配制的最佳配比
蘇教版選修4《化學反應原理》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容物時發現，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。于是筆者調整加料順序，先在1000 mL熱水中加入7 g瓊脂（該瓊脂用量是筆者通過實驗對比優化后得出的），使其完全溶解后再加入340 g KCl固體（20°C,1000 mL水中KCl的溶解度約為340 g），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。但在冷卻過程中，筆者發現瓊脂凝膠中有大量似雪花狀的KCl晶體析出（如圖5所示），經實驗測定，由該瓊脂塊鹽橋構成的原電池產生的電流極不穩定，筆者認為該電流不穩定的現象是由瓊脂塊鹽橋固相不均一性引起的。
圖5 瓊脂塊鹽橋中KCl濃度過大時的晶體析出圖
因此，筆者制備了不同KCl含量的瓊脂塊鹽橋，以探究KCl含量對鹽橋性能的影響。首先從瓊脂塊鹽橋的固相均一性考慮，實驗結果表明（如表1所示），在1000mL水、7 g瓊脂的溶液中加入KCl固體不大于250 g時可以制得固相均一性較好的鹽橋。
筆者將制得的不同KCl含量的瓊脂塊鹽橋構成銅鋅原電池，并對其進行電流測定實驗。實驗結果如圖6所示，由結果可知，在鹽橋厚度相同時，鹽橋中KCl濃度越大，單位時間內傳輸的離子越多，溶液內阻越小，實驗所測得的電流越大。但是用固相不均一的鹽橋進行實驗時，由于鹽橋中KCl分布不均勻，電流非常不穩定。使用KCl含量為340 g的鹽橋進行實驗時，電流極不穩定，無法測定準確電流值。圖六中KCl為300g時，所測得的電流為初始電流，電流不穩定，快速衰減。而KCl含量降低到250g后，可以測得比較穩定的電流。在配制得到的均相鹽橋中，在鹽橋相同厚度時，隨著KCl含量的增加，實驗測得的電流逐漸增大。綜合上述實驗結果，筆者認為在1000 mL沸水中先加入7 g瓊脂，完全溶解后加入250 g KCl固體，冷凝后制得的鹽橋固相均一，實驗效果最好。
表1 KCl用量對鹽橋的影響
|
編號 |
水 |
KCl |
瓊脂 |
固相均一性 |
|
1 |
1000 mL |
340 g |
7 g |
不均一 |
|
2 |
1000 mL |
300 g |
7 g |
不均一 |
|
3 |
1000mL |
250g |
7g |
均一 |
|
4 |
1000 mL |
200 g |
7 g |
均一 |
|
5 |
1000 mL |
150 g |
7 g |
均一 |
|
6 |
1000 mL |
100 g |
7 g |
均一 |
|
7 |
1000 mL |
50 g |
7 g |
均一 |
（2）實驗條件研究二 ——鹽橋的最佳厚度
圖六結果表明：當鹽橋中KCl含量一定時，鹽橋厚度越小，內阻越小，所測得的電流越大。對比不同KCl含量的鹽橋的電流-厚度曲線（如圖6），筆者發現，當鹽橋厚度大于2 cm時，上述瓊脂塊鹽橋均可得到較穩定的電流。當鹽橋厚度減小至2cm以下時，產生的電流高達1.2 A以上，但此時的電流開始趨于不穩定。針對該現象，筆者認為原因在于：當實驗過程中電流較大時，鹽橋中需要傳輸的離子也相應增多，而此時過窄的瓊脂塊鹽橋無法提供給離子穩定的傳輸介質，從而引起了電流的不穩定，另外電流過大時，電池的正負極極化增強，伴隨副反應加劇，也導致電流不穩定。因此，實驗時瓊脂塊鹽橋的厚度宜取2-3 cm。
圖6 瓊脂塊鹽橋中KCl含量以及瓊脂塊厚度對電流的影響
二、雙液原電池鹽橋中離子移動方向可視化
（一）實驗教學分析
1．教學內容分析
雙液銅鋅原電池中鹽橋的使用在現行版本的教材中均有介紹，本實驗主要是針對江蘇教育出版社新編教材選修4《化學反應原理》專題1“化學反應與能量變化”第2單元“化學能與電能的轉化”原電池的工作原理課本中（第31頁）教師演示實驗進行了改進與創新。課本內容是：“按圖1-8組裝好儀器，向兩只燒杯中分別加入30mL 1 mol•L
-1的CuSO
4溶液和30mL 1 mol•L
-1的ZnSO
4溶液，將連接導線和電流計的鋅片和銅片分別插入ZnSO
4溶液和CuSO
4溶液中，將鹽橋插入兩只燒杯內的電解質溶液中，觀察實驗現象，取出鹽橋，觀察實驗現象”。原電池內電路中帶電粒子的定向移動是一個非常重要概念，然而教材只有理論表述，缺少直觀的實驗感受。
2．學生學情分析
在實際教學中，關于離子定向移動的考題非常多，而且陰陽離子交換膜是有出現，但是這部分內容對于學生而言非常抽象，難以理解。
筆者創新設計了陰陽離子交換膜雙液原電池，并使用氯離子、鉀離子檢測儀來檢測溶液中Cl
-、K
+的移動方向，讓學生直觀的感受到陰陽離子的移動。
（二）實驗部分
1.實驗儀器與藥品
實驗儀器：電腦、朗威8.0數據采集器、電流傳感器、溫度傳感器、氯離子檢測儀、鉀離子檢測儀、電解槽、銅絲、自制的陰陽離子交換膜雙液原電池裝置。
實驗藥品：銅片、鋅片、1 mol•L
-1的CuSO
4溶液、1 mol•L
-1的ZnSO
4溶液、飽和KCl溶液、0.5 mol•L
-1的BaCl
2溶液、0.5 mol•L
-1的NaOH溶液。
2.實驗原理
（2）陰陽離子交換膜雙液原電池裝置的制備
實驗用品：pp板，墊片、陰離子交換膜、陽離子交換膜、
圖7 陰陽離子交換膜雙液原電池裝置制備原料圖
處于密封性考慮，筆者選用pp板和墊片進行連接處的密封，同時筆者采用了六個墊片（如圖8），外加鋼板、螺絲進行固定，如此組裝的裝置經多次實驗證明，密封性良好。筆者制備的雙膜原電池裝置的費用不高，原料在淘寶上均可購得，該自制的雙膜電池裝置可以作為教學用具進行普及。
圖8 陰陽離子交換膜雙液原電池裝置原料連結過程圖
圖9 陰陽離子交換膜雙液原電池裝置實物圖
圖9為筆者自制雙膜原電池裝置的實物圖，陰陽離子交換膜分開的中間KCl區域就構成了鹽橋區域。其中陽離子交換膜把正極區與鹽橋區域分開，而陰離子交換膜分開了鹽橋區域與負極區。
實驗裝置的優點：該雙膜原電池裝置與傳統的瓊脂鹽橋雙液電池相比，實驗裝置可以多次重復使用，操作方便簡單。鹽橋區域的電解質溶液可以在實驗演示時現場倒入，讓學生直觀的感受到鹽橋連接了正負極區域。
3.實驗步驟與結果分析
（1）將硫酸銅、硫酸鋅、氯化鉀溶液分別倒入相應的區域，使用電流傳感器連接銅片、鋅片兩個電極，接通回路。電流可以達到200mA。
圖10 單液銅鋅原電池與雙膜原電池電流對比圖
圖10可以看出筆者改進的雙膜原電池電流遠高于同條件下的單液原電池的電流，而且比較穩定。該圖可以讓學生直觀的感受到雙液電池化學能轉化為電能的效率遠遠高于單液原電池，既雙液電池具有更高的能量轉化率。
（2）反應一段時間后，將氯離子檢測儀分別放入硫酸銅區域、硫酸鋅區域。
圖11 c(Cl
-)隨時間在兩極區的變化曲線圖。
由圖11可以看出隨著時間的延長，負極區（ZnSO
4溶液）中c（Cl
-）逐漸在增加，說明中間鹽橋區域的Cl
-經過陰離子交換膜移動到負極區。而陽極區（CuSO
4溶液）中
c（Cl
-）濃度非常小，幾乎為0，而且隨著時間的增長是一條直線，說明Cl
-沒有移動到正極區。
（3）將鉀離子檢測儀分別放入硫酸銅區域、硫酸鋅區域。
圖12 c(K
+)隨時間在兩極區的變化曲線圖。
由圖12可以看出隨著時間的延長，負極區（ZnSO
4溶液）中c（K
+）濃度非常小，接近于0，而且隨著時間的增長是一條直線，說明K
+沒有移動到負極區。而陽極區（CuSO
4溶液）中K
+濃度在逐漸增大，說明中間鹽橋區域的K
+經過陽離子交換膜移動到正極區。
（4）取出少許（鹽橋）KCl區域溶液，分別滴加 BaCl
2、NaOH溶液。
實驗現象：溶液仍然澄清。
實驗結論：滴加 BaCl
2，溶液仍然澄清，說明正極區（硫酸銅區域）、負極區（硫酸鋅區域）的 SO
42-沒有進入到中間鹽橋區域。滴加NaOH溶液，溶液仍然澄清，說明正極區（硫酸銅區域）、負極區（硫酸鋅區域）的 Cu
2+、Zn
2+沒有進入到中間鹽橋區域，學生可以更深一步體會到陰陽離子膜的作用。
結語：兩個實驗改進優點
1.創新瓊脂塊鹽橋，采用溫度傳感器和電流傳感器直觀的讓學生感受到雙液原電池的電能轉化率遠遠高于單液原電池
2.創新膜電池裝置，采用鉀離子傳感器和氯離子傳感器，使學生直觀的感受到鹽橋中鉀離子、氯離子的移動方向，同時更深入的體會到陰陽離子膜的作用。
三、實驗教學內容
1．實驗教學目標
通過實驗改進，讓學生直觀感受到雙液原電池比單液原電池具有更高的電能轉化率。
2．教學重難點：雙液原電池具有更高的效率。
3．實驗教學過程
教學過程設計：
筆者從幾個問題來展開原電池的這一節課內容。
【問題1】你認為為什么要引入雙液原電池？
（1）利用電流傳感器、溫度傳感器體會單液原電池Zn│CuSO
4│Cu電流、溫度變化情況。
[實驗1] ：將鋅片與銅片用導線連接起來，導線中間連接電流傳感器，再將鋅片與銅片插入硫酸銅（1mol/L）的燒杯中，將溫度傳感器放入硫酸銅溶液中，觀察實驗現象。實驗中我們發現電流表的讀數從174mA左右逐漸減小10秒鐘左右減到120mA左右，并也在持續減小。反應5min后，溶液的溫度由24.4°C升至30°C。
【問題2】你是怎么理解“鹽橋”這個概念的？
【問題3】請你預測引入鹽橋后產生的電流比單液原電池電流更大還是更小？
學生預測：
班里80%以上的學生認為雙液原電池的電流更大，因為引入了雙液原電池后，避免了鋅片與硫酸銅溶液直接接觸，那么應該化學能更多的轉化為電能。
（2）利用電流傳感器、溫度傳感器體會雙液原電池Zn│ZnSO
4║CuSO
4│Cu電流、溫度變化情況。
[實驗2] ：將鋅片插入硫酸鋅溶液，銅片插入硫酸銅溶液，兩燒杯間用鹽橋連接，用導線連接電極，導線中間連電流傳感器，將溫度傳感器放入硫酸鋅溶液中，實驗中我們發現電流傳感器的讀數穩定在10mA左右。5min后，溶液的溫度由24.4°C升至25°C。
【問題4】：根據實驗二中電流的變化情況，你得出什么實驗結論？
【問題5】：實驗過程中，雙液原電池的電流有沒有達到你的預期？小組討論分析原因是什么？如何對實驗進性改進？
學生討論分析，提出解決問題方案有：
4.學生分組實驗1
學生分組實驗 ：本實驗采用相同大小的銅鋅片，1mol/L CuSO
4 1mol/LZnSO
4
表2 實驗記錄表
|
鹽橋材質 |
兩電極間距離 |
電流 |
兩電極間距離 |
電流 |
兩電極間距離 |
電流 |
兩電極間距離 |
電流 |
|
1000mL水+7g瓊脂+250gKCl制備的瓊脂塊鹽橋 |
|
|
|
|
|
|
|
|
圖13 學生利用改進的瓊脂塊雙液電池測定厚度與電流的關系
學生預測與實際實驗有偏差，使用U型管鹽橋所測得的電流遠小于單液電池，讓學生有一種認識沖突，進而展開討論，來分析問題，解決問題。
學生理論上分析得出改進方案后，學生進行瓊脂塊原電池實驗，理論與實際的結合，讓學生真正感受到鹽橋距離的大小與接觸面積的變化與電流有直接的關聯。讓學生有一種成功的喜悅，一種理論變成現實的直視感。
學生實驗結果：
表3 瓊脂塊鹽橋電流與瓊脂塊厚度的關系
|
鹽橋材質 |
兩電極間距離（cm） |
電流（mA) |
兩電極間距離（cm） |
電流（mA） |
兩電極間距離（cm） |
電流（mA) |
兩電極間距離（cm） |
電流（mA) |
|
1000mL水+7g瓊脂+250gKCl制備的瓊脂塊鹽橋 |
5 |
560 |
4 |
590 |
3 |
700 |
2 |
810 |
5.學生分組實驗2
在測量完瓊脂塊厚度為2cm時，讓學生進行溫度的測量，對改進的雙液電池溫度、電流與單液電池進行比較實驗（
實驗結果如圖4所示）。
反應五分鐘后，雙液原電池的溫度為24.4 °C，單液原電池的溫度為30.7°C。從能量轉換的角度可以直觀的看出單液原電池中一部分化學能轉換成熱能，而雙液電池中化學能轉換成熱能的部分遠遠的小于單液電池。同時，雙液電池的電流為0.81A，遠遠高于單液原電池的電流（0.04A），從電流的數據可以看出，雙液電池中的化學能轉換成電能的部分遠遠高于單液原電池。總之，創新瓊脂塊鹽橋，采用溫度傳感器和電流傳感器可以直觀的讓學生從能量的兩個角度直觀的感受到雙液電池的電能轉化率遠遠高于單液電池。
四、實驗效果反思與評價
本堂課采用：
教師提出問題→學生預測結果→學生實驗→理論與實際沖突→學生討論→提出解決問題方案→創新實驗→得出結論。
利用改進的實驗裝置，培養學生具備發現問題，分析問題，解決問題的能力。真正提高學生的學課素養，提高學生的學習興趣。
利用數字化實驗和改進的實驗裝置，可以讓學生對抽象的原電池雙液的引入有了直觀的感受，可以從電能與熱能兩個方面來理解雙液原電池具有更高的能量轉化率。
該實驗操作簡單，對實驗者操作能力要求不高。具有一定的普及性。
視頻來源：優質課網 www.jjlqy.cn
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