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盐桥知识解读

【背景材料呈现】:下面是今天视频中与盐桥知识解读盐桥有关的一部分对话(摘录): 

支瑶老师:刚才王磊老师提出的问题有两层含义,一层就是从学科本体讲,,盐桥的作用是什么,怎么去给学生解释盐桥的作用,可能很多老师会感觉到困难。关于这个问题,我们采访了北京大学的高盘良教授。

高盘良教授:很多老师都提出一个问题,就是要盐桥干什么用。现在我们说的铜锌原电池等都是一种教科书电池,或者叫实验室电池,是用来研究化学变化的原理用的。实际上真正的实用电池条件要求是更苛刻的。作为研究化学原理盐桥的作用在中学阶段主要是两个作用:一个是离子通道,要构成回路的话,溶液里一定要有离子迁移,盐桥就是构成这样的离子通道。第二种是保持溶液的电中性。过多的Zn2+会造成溶液正离子过剩,但溶液一刻也不能偏离电中性,就必须有负离子的补充,盐桥就可以补充负离子。同样的,铜离子变成铜单质后,正离子少了,必然需要正离子来补充。所以盐桥实际上起两个作用,一个是离子通道,一个是离子库,可以源源不断地供给需要的离子。但盐桥真正的作用是在学过离子迁移数、消除液接电势等,这是属于大学里要掌握的问题,中学可以不考虑这个问题。

支瑶老师:老师在这段视频采访中比较形象地把盐桥比喻成一个是“离子通道”,点出了盐桥作为离子导体的功能,另外一个就是“离子库”,他也进一步点出了盐桥怎样成为一个离子导体。这样跟平常老师们对于盐桥形成的零散的认识也交接上了,因为老师知道盐桥用一段时间就失效了,要重新浸到饱和食盐水里。刚才王老师提出的问题还有第二层,就是怎样来看盐桥、特别是双液原电池的价值问题,有些老师弄不清楚就索性不讲,觉得没有用。王老师,您怎么看待双液原电池的价值问题呢?

王磊教授:刚才高老师已经解读得比较明确了。从学科专家的视角解读这个新增内容是为了理解它的学科本质:盐桥也是为了构成溶液内部的闭合回路,而且这个闭合回路是由离子导体形成的。

【盐桥知识解读】

一、盐桥的构成与原理:

盐桥里的物质一般是强电解质而且不与两池中电解质反应,教材中常使用装有饱和KCl琼脂溶胶的U形管,离子可以在其中自由移动,这样溶液是不致流出来的。

用作盐桥的溶液需要满足以下条件:阴阳离子的迁移速度相近;盐桥溶液的浓度要大;盐桥溶液不与溶液发生反应或不干扰测定。盐桥作用的基本原理是:由于盐桥中电解质的浓度很高, 两个新界面上的扩散作用主要来自盐桥, 故两个新界面上产生的液接电位稳定。又由于盐桥中正负离子的迁移速度差不多相等, 故两个新界面上产生的液接电位方向相反、数值几乎相等, 从而使液接电位减至最小以至接近消除。

常用的盐桥溶液有:饱和氯化钾溶液、4.2mol/LKCl0.1mol/LLiAc0.1mol/LKNO3等。

二、盐桥的作用:

盐桥起到了使整个装置构成通路、保持电中性的作用,又不使两边溶液混合。盐桥是怎样构成原电池中的电池通路的呢?

盐桥知识解读

 Zn棒失去电子成为Zn2+进入溶液中,使ZnSO4溶液中Zn2+过多,带正电荷。Cu2+获得电子沉积为Cu,溶液中Cu2+过少,SO42-过多,溶液带负电荷。当溶液不能保持电中性,将阻止放电作用的继续进行。盐桥的存在,其中Cl-ZnSO4溶液迁移,K+CuSO4溶液迁移,分别中和过剩的电荷,使溶液保持电中性,反应可以继续进行。盐桥中离子的定向迁移构成了电流通路,盐桥既可沟通两方溶液,又能阻止反应物的直接接触。可使由它连接的两溶液保持电中性,否则锌盐溶液会由于锌溶解成为Zn2+而带上正电,铜盐溶液会由于铜的析出减少了Cu2+而带上了负电。盐桥保障了电子通过外电路从锌到铜的不断转移,使锌的溶解和铜的析出过程得以继续进行。导线的作用是传递电子,沟通外电路。而盐桥的作用则是沟通内电路,保持电中性就是化学原电池的盐桥起到电荷桥梁的作用,保持两边的电荷平衡以防止两边因为电荷不平衡(一边失去电子,一边得到电子造成的)而阻碍氧化还原反应的进行。

 三、盐桥反应现象:

1、检流计指针偏转(或小灯泡发光),说明有电流通过。从检流计指针偏转的方向可以知道电流的方向是Cu→Zn极。根据电流是从正极流向负极,因此,Zn极为负极,Cu极为正极。而电子流动的方向却相反,从Zn→Cu极。电子流出的一极为负极,发生氧化反应;电子流入的一极为原电池的正极,发生还原反应。

一般说来,由两种金属所构成的原电池中,较活泼的金属是负极,较不活泼的金属是正极。其原理正是置换反应,负极金属逐渐溶解为离子进入溶液。反应一段时间后,称重表明,Zn棒减轻,Cu棒增重。

2、取出盐桥,检流计指针归零,重新放入盐桥,指针又发生偏转,说明盐桥起到了使整个装置构成通路的作用。盐桥是装有饱和KCl琼脂溶胶的U形管,溶液不致流出来,但离子则可以在其中自由移动。

 四、问题讨论与疑问:

1.能用金属来代替盐桥吗?

答:不可以,在电路接通的情况下,这个盐桥只是整个回路的一部分,随时要保持电中性,琼脂作为盐桥因其中含有两种离子,可以与溶液中的离子交换,从而达到传导电流的目的,而且琼脂本身可以容纳离子在其中运动,液接电势小;若用金属作盐桥(已经不能叫做盐桥了)电子流向一极后不能直接从另一极得到补充,必然趋势就是向另一极释放金属阳离子或者溶液中的金属阳离子在电子流出的那一极得电子析出金属,这个过程会产生一个与电池电势相反的电势(应该算液接电势的一部分),从而降低了整个电池的电势。所以,光有自由电子是不够的,应该有一个离子的通道即盐桥

2. 原电池电解液在两烧杯中,两烧杯间有盐桥,是不是琼脂中的钾离子会进入溶液?那么两烧杯中的阴阳离子能通过盐桥吗?

答:双液电池使用盐桥目的就是为了消除液接电势,一般盐桥中充满着琼脂。琼脂作为盐桥因其中含有阴阳两种离子,盐桥中的阴离子和阳离子通过定向移动进入到阴极池和阳极池从而达到传导电流使双液电池形成闭合回路的目的,所以盐桥用一段时间就会失效了,要重新浸到饱和食盐水(或是KCl溶液里。两烧杯中的离子会通过盐桥的但不会太多,因这时两池中的浓度差相对太小的缘故(此说法有待商榷,欢迎专家指导,谢谢)。

3. 在有盐桥的铜锌原电池中,电解质溶液的选择为什么要与电极材料的阳离子相同?如Zn极对应的是硫酸锌,能不能是氯化锌或者氯化钠?

答:可以的,如果该溶液中溶质的阳离子对应的金属单质比电极强的话没有问题。反正这边发生的反应只是Zn的溶解而已。但是如果比电极弱的话,例如硫酸铜,锌就会置换出铜,在表面形成原电池,减少供电量。使用盐桥就是为了避免这种情况,至于电解液要跟电极相同那是一个做题的技巧,具体问题具体分析就好了。

【盐桥内容教学】 

加入盐桥后对学生的学习有什么价值呢?王磊老师有了自己的独到教学见解。

第一,考虑它与单液原电池的一致性是什么,必须寻找这二者之间不变的是什么,这是基于学科本质的思考。它不变的都是为了内部电路的回路形成,在本质上都是原电池;而它变的就是内部回路构成的方式,单液原电池是由一份溶液构成内部回路,但是这样可能会有问题,你很难兼顾到正负极反应物的不同特点,弄不好就会和某一极的电极材料就会发生反应。这肯定不是我们想要的。所以必须发展我们的思路,看还有没有构成内部回路的方式。科学家们找到了回路的本质,不是大家共存在一个溶液里,而是离子的定向移动,这也是必修建立的离子观的应用。这时候我们是基于离子讨论问题,离子在这个装置里不是提供物质而是定向移动的电荷,只要能达到这个目的就可以,而恰恰要避开它的物质转化角度,让它不跟电极材料反应,还要造成离子通路。老师们如果好奇的话还可以进一步研究学科中还有哪些可以用来做盐桥的。这样就找到了单液、双液原电池的异同,自然也就找到了教学的价值,即丰富了学生对离子通路构成的不同路径的认识,同时也能解决反应能量转化的彻底性问题。

第二、当我们真正将单液原电池拆开成为双液原电池后,才更像物理中的两个电极。在单液原电池中因为混在一个溶液中,并不明显,而且基于双液原电池模型分析电极反应是更简单的。有形的两个方面的构成跟物理又有类比,即两个电极的化学构成是盐桥知识解读半反应。它的两极不是电压,是通过两个半反应的电势差提供动力的。双液原电池有利于让学生形成科学的全面的半反应的概念、电极反应概念的认识。学生经历从单液原电池到双液原电池的过程后,还可以体会怎样把双液原电池变回单液原电池。这时候学生就彻底明白了。

(责任编辑:化学自习室)
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