对锌铜原电池工作原理的进一步探究

甄小洋

本节内容以必修化学2第二章第二节“化学能与电能”为基础，进一步探究原电池的组成和工作原理，通过对原电池中电流形成过程的分析，逐步引出半电池、盐桥、内电路、外电路等概念，以实验为载体，创设问题情境，将实验探究与思考交流交替进行，体现学生的主体作用。

具体教学设计如下：

[ppt]锌铜稀硫酸原电池工作原理

[复习引课]复习基本的原电池组成、电极反应式等概念。

[提出问题]请根据反应：Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu设计一个原电池装置，标出电极材料和电解质溶液,写出电极反应方程式.

[学生练习、展示]

[提出问题]我们可以看到电流表指针开始时发生较大偏转，但随着时间的延续，电流表指针偏转的角度越来越小，最终可能没有电流通过。即无法产生持续稳定的电流。且两个电极上都有红色物质析出。想一想，为什么？

[分析]由于锌片与CuSO4溶液直接接触，在反应一段时间后，难以避免溶液中有Cu2+在锌片表面被直接还原，一旦有少量铜片在锌片表面析出，即在负极（锌）表面也构成了原电池，进一步加速铜在负极表面析出，导致向外输出的电流减弱。当锌片表面完全被铜覆盖后，反应终止了，也就没有电流再产生。

[思考]作为原电池，其功能就是要将化学能转化为电能，上述实验中负极上的变化势必影响原电池的供电效率。能否设法阻止溶液中的Cu2+在负极（锌）表面被还原？

[实验探究]按下图所示,将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液分别通过导线与电流计连接，有什么现象?

[学生汇报]电流计指针不偏转，且铜片和锌片上均无明显现象（即:无电子定向移动）

[追问]上述装置构成了原电池吗？为什么？

[学生回答]溶液不保持电中性，没有形成闭合回路

[实验探究]组装教科书中的【实验4-1】，发现：有盐桥存在时电流计指针发生偏转，即有电流通过电路，取出盐桥，电流计指针即回到零点，说明没有电流通过。

[讲述]盐桥制法：（1）将热的琼胶溶液倒入U形管中(注意不要产生裂隙)，将冷却后的U形管浸泡在KCl或NH4NO3的饱和溶液中即可。（2）将KCl或NH4NO3的饱和溶液装入U形管，用棉花都住管口即可。

[学生活动]阅读教材72页，分析：改进后的装置能持续、稳定的产生电流的原因。

[学生汇报]盐桥的作用：（1）使整个装置构成通路，代替两溶液直接接触。（2）平衡电荷。

[实验探究]师生共同探讨如何利用Cu+2AgNO3=Cu(NO3)2+Ag的反应原理，设计一个能持续产生电流的原电池装置。（设计中需注意烧杯中电解质溶液和盐桥内电解质溶液的合理选用）

[学生活动]在讲台上演示实验，并归纳设计原电池的思路。

[组织学生进行小结]能产生持续、稳定电流的原电池应具备的条件.

[课后实践]1.拆开一个废旧干电池，了解其构成和原理，找出电池中的盐桥。

2.以反应：5Fe2++MnO4-+8H+=5Fe3++Mn2++4H2O为基础设计原电池。

本节教学采用实验探究法，引导学生通过对原电池产生电流现象的观察和分析，去发现原电池在实现能量转化过程中存在的矛盾，并设法进行改良，即在原电池中设置盐桥。其实这并不是一个简单的技术改进，而是对旧的思维模式的突破。之前认为氧化剂、还原剂只有直接接触才能发生电子转移，而现在，是使二者近乎完全隔离，在不同的区域通过特定的装置实现了电子的定向转移，为原电池持续、稳定地产生电流创造了必要条件，也为原电池原理的实用性开发奠定了理论基础。同时在实验探究过程中感悟原电池输出电能的能力：首先取决于组成原电池的的反应物的氧化还原能力；装置设计的合理性以及影响电极反应的条件也是至关重要的因素。