化学自习室移动版

　Zn－Cu原电池是高中化学课程标准所要求的一 个重要知识点，是贯彻化学学科核心素养 “宏观 辨识与微观探析”的一个有机契合点。课堂教学中常以此为切入口，设计实验情境引导学生建构 “电 极反应、电子流向以及离子迁移”等内在的逻辑关 系 (见图１)。

图１ 原电池工作原理示意图 

根据原电池工作原理，Zn片作为原电池的负 极，Zn－2e-＝ Zn^2＋；Cu片作为正极，H^＋ 在Cu片处得电子，2H^＋ ＋2e^- ＝ H₂↑。故而理想化的实 验应 该是气泡只在Cu片处逸出而Zn片处没 有。 但在实际演示过程中却出现实验现象与理论分析很不一致的 “怪异现 象”。演 示效果不甚理想，甚至起到了一定的 “负作用”：原本是想通过实验情境 (宏观)来分析电子与离子流向 (微观)，由 “实验 现象来推导理论”，现在却要用被告知的理论 (Zn 片不纯，Zn电极本身同时形成了另外的Zn－C原电 池等)来解释反常现象，这会造成教学情境的因果 颠倒与焦点模糊。因此为了使学生在初次 (特别是新 授课)接触原电池有关概念时能凝聚知识焦点，做好 Zn片上气泡的成因分析，进而设计一个 “实验现象 与化学理论相一致”的原电池实验是有教学意义的。

一、Zn片上气泡的成因分析

为了分析Zn片上产生气泡的成因，通过控制 变量法，着重研究了以下几个可能的影响因素。

1、 酸的种类与浓度

由表1可得出实验结论：

（1）Zn片上气泡的产生与 H^＋ 的浓度有一定的 关系，当溶液中活性 H^＋ 浓度在0.05～0.10mol/L 时，较便于肉眼观察，两极气泡对比明显。H^＋ 浓度 太小，反应速率太慢，浓度太大，反应又太过剧烈， 产生的气泡 (白沫翻滚)严重影响观察，温度升高明显。

（2）简单地通过改变酸的种类与浓度，并不能较好地 抑 制 Zn 片上气泡的产生，更谈不上理想化，但可以适当地优化实验效果。

2、 Zn片的纯度与极化作用 

毫无疑问，Zn片本身的纯度对实验效果有重大影响。实验室Zn片通常含有C，Sn，Pd等杂质， 这使得在 构 成 Zn－Cu原电池的同 时，粗锌本身还形成了另外的Zn－C，Zn－Sn等原电池 (微 电 池)， 造成 H^＋ 在粗锌电极处也会得电子生成 H₂。另外电极的极化作用对实验也有不利影响。但截止目前为止，针对以上问题的改进方法仍十分有限，还局限于锌汞齐法、电镀锌片纯化法、特殊有机膜法等。这些方法虽有一定的效果，但仍存在毒性较大、操作不便、原材料难制备、改进效果不明显等不足。

3、Zn片自身的化学腐蚀 

鉴于Zn片与电解质溶液直接接触，Zn片自身 的化学腐蚀也是一个不能忽视的重要影响因素。在此实验环境中，化学腐蚀与电化学腐蚀是一个天然 存在的竞争反应，无可避免。尤其根据表1结果显 示，当酸的浓度较大时，化学腐蚀可能尤甚。

二、Zn片无气泡的实验改进

针对以上Zn片电极产生气泡的成因分析，笔者偶然从离子交换膜和盐桥中受到启发，对传统的Zn片用饱和 KCl的琼脂凝胶涂裹处理，使 “电极 －盐桥”二合一无缝对接，演示效果很好。

1、实验药品 

琼脂 (或明胶等类似物)、KCl、0.1mol/L 稀 H₂SO₄、Zn片、Cu片。

2、实验步骤 

饱和KCl琼脂的配 制：用KCl的饱和溶 液来调制琼 脂 粉 (往 50mL 饱和 KCl溶液中加入约1.5g 琼脂粉)，不断加热煮沸直至搅成透明糊状黏稠物，即为 “糊状物”，备用。 

Zn片处理：把调制好的 “糊 状 物”用笔刷均匀涂抹在Zn片上 (注意不要留有气 泡)，冷却凝固备用。

实验操作：按图2装置示意图搭建原电池实验装置，开始实验后很快就可以观察到 Cu片上有大 量气泡产生，而Zn片上并无气泡，演示效果非常好 (实景对比照片见图3)。

3、实验改进说明与创新性 

改进后的实验之所以可以达到理想的演示效果，主要的原因可能是：

（1）“糊状物”相当于简易的盐桥。

琼脂在这里充当了一 种 “透 过 性膜”，不仅有效地隔绝了H^＋ (这使得化学腐蚀几乎不再发生)，而且 “糊 状盐桥”仍能起到离子迁移与导电作用 (这与刷油漆的性质不同)，因此原电池仍会正常工作。

（2） “糊状物”会额外造成一种 “粘滞效应”。 这种效应会进一 步 使 H₂在 Zn片上的逸出大为受阻，从而使 H^＋ 更容易在Cu片处得电子，让 H₂在 Cu片上的逸出更为便捷有利 (动力学因素)。

小小的改动，可以极大地改进实验的演示效果，这种理想化的原电池实验装置可以引发学生的 好奇心，有利于创设盐桥的教学情境。改进后的实验操作简单、现象明显、演示效果好，具有很好的推广价值

图2 琼脂凝胶法改进的 Zn－Cu－H₂SO₄原电池实验装置示意图

图3 改进前 (上图)与改进后 (下图)的实景对比照片