“旧瓶装新酒”

谭大鹏 戴跃华

【摘 要】积极开展对教材传统演示实验的创新研究，有利于提高化学课堂教学质量，提高教师专业水平。实验采用更为简洁的一体化实验仪器，既简化了实验装置，又节约了试剂用量;把这个原本无人问津的“纸上实验”创新成既可教师演示又可学生分组实验。利用悦耳的声音来检验实验效果，给学生带来感官上的全新体验。

【关键词】Y型玻璃管;双液原电池;盐桥

化学实验是化学教学和化学科学研究重要的方法和手段。积极开展对教材传统演示实验的创新研究，有利于提高化学课堂教学质量，提高教师专业水平。《高中化学新课程标准》中指出：通过以实验为主的多种探究活动，使学生体验科学研究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究的意识，促进学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力。一个好的创新实验也能激发学生学习化学的热情，培养学生创新能力。

笔者针对苏教版选修4专题1第二单元第一节 《原电池的工作原理》中的演示实验进行了反思，并提出了改进方案：

一、学情分析

从知识角度看：学生在高一必修阶段已经掌握了典型Cu-Zn单液原电池的相关知识，了解原电池工作的基本原理，这为本节选修内容的学习起到了铺垫作用。

从能力角度看：学生已经具备一定的实验探究能力，能理解实验改进设计的创新之处。综合以上分析，笔者提出对该演示实验的最终改进方案。

二、教材分析

苏教版选修4专题1第二单元第一节《原电池的工作原理》

[活动与探究]

[实验2]按图1组装好仪器，向两只烧杯中分别加入30ml 1.0 mol·L-1 CuSO4溶液和30ml 1.0 mol·L-1 ZnSO4溶液，将连接导线和电流计的锌片和铜片分别插入ZnSO4溶液和CuSO4溶液中，将盐桥插入两只烧杯内的电解质溶液中，观察实验现象。取出盐桥，观察实验现象。

上述经典实验说明原电池是把化学能转变成电能的装置。其中采用双液原电池是对单液原电池的改进。它将氧化剂与还原剂完全隔开，分成两个半电池，并利用盐桥连接起来，克服了化学能的损失，为原电池持续、稳定地产生电流创造了必要的条件。从上述Cu-Zn双液原电池的组成可以看出，原电池是由两个半电池组成的。锌和锌盐溶液组成一个半电池，铜和铜盐溶液组成另一个半电池。中间通过盐桥连接起来。失去电子的电极为负极，得到电子的电极为正极。

锌片（-）：Zn—2e-=Zn2+    发生氧化反应

铜片（+）：Cu2++2e-=Cu     發生还原反应

总反应式：Cu2++Zn=Cu+Zn2+

但在实际操作时发现存在以下问题：

1.实验装置所需玻璃仪器相比于单液原电池要复杂，使用的药品用量更多。实验操作也不够简便。

2.盐桥的制作与清洗操作非常麻烦，以致双液原电池很少在日常课堂教学中进行演示，导致学生对U型管盐桥内的物质根本没见过，更不要说理解盐桥的真实结构及其工作原理，是典型的“纸上谈兵”式的教学。

先说盐桥的制作，制作一根U型管盐桥耗费时间长（50分钟左右）。琼脂的用量也比较大，还容易出现如琼脂不易凝结成胶;灌装不当导致U型管破裂;制得的凝胶中含有大量的气泡等问题影响实验效果。

再说盐桥的清洗，U型管盐桥在清洗时需要先将琼脂捣碎，用水冲掉琼脂以后再用试管刷清洗残留的琼脂，洗涤不方便。

3.U型管盐桥在实际使用时，其构成的双液原电池电流强度一般只有5-10 mA，非常小。远小于相同条件下单液原电池的电流（最大电流达到几十毫安）。这一情况与教材引入盐桥的出发点不尽相同，容易使学生产生困扰。

三、方案设计与改进之处

为了解决上述问题，笔者对双液原电池进行重新设计，采用一体化的仪器，改进了琼脂制作的工艺，改进了实验细节。用更简单的实验装置，获得了更好的实验效果。

1.实验仪器的改进——用订制的Y型玻璃管代替多个玻璃仪器串联的结构，实现装置一体化。

（1）图2中Y型玻璃管作为双液原电池实验载体，其下口配有橡皮塞，其上方两个支管分别插有铜电极和锌电极，作为电池的正极和负极。用导线将电极和音乐贺卡播放器相连接，形成闭合回路，极大地简化了实验装置;

（2）Y型玻璃管口径很大，增大盐桥的宽度;用很少的琼脂就隔开两个电极的电解质溶液，缩短盐桥的长度，电流更大;

（3）Y型玻璃管的上、下支管形成三通管，清洗方便。

2.盐桥制作工艺的改进：

通过查阅并分析资料，调整了加料顺序和试剂的用量。具体操作如下：称取约0.8 g琼脂粉溶于100 ml开水，搅拌使之完全溶解后加入约24g KCl固体，完全溶解后，加入红色色素;通过漏斗，趁热倒入事先预热好的Y型玻璃管。液面只要超过Y型玻璃管的岔口即可，待溶液冷却后，凝胶形成，一根红色的盐桥制备完成。根据笔者个人经验，100ml水制得的琼脂可以灌装约4根Y型玻璃管，非常节省原料。

3.溶液浓度的改进：

硫酸铜浓度不变（1.0mol·L-1）;在一定范围内，将硫酸锌的浓度由1.0 mol·L-1降低到约为0.5mol·L-1，增大了两极之间的电压，提高了电流强度。

四、实验仪器和试剂

1.实验仪器：

Y型玻璃管1支，数字万用表一个，铜电极1根，锌电极1根，音乐贺卡播放器1个，PVC白板一块，医用注射器一支，导线、烧杯、玻璃棒等辅助材料若干。

2.实验试剂：

狮头牌琼脂粉1袋，食用色素（大红）一袋，KCl固体， 1.0mol·L-1 CuSO4溶液，0.5mol·L-1 ZnSO4溶液，四苯硼钠稀溶液，蒸馏水。

五、实验操作及现象分析

1.装好仪器后，按下电源开关。电路接通后，音乐贺卡响起了悦耳的声音，声音音量较大，持续不停且感觉不到声音衰减，说明电池工作稳定。

2.使用数字万用表测量电流强度和电压值。数字万用表显示，该电池产生的电流大约25mA（电压约1.2V），电流稳定，强度是普通U型管Cu-Zn双液原电池的数倍。

3.使用医用注射器在正极附近加入数滴四苯硼钠稀溶液（检验K+的存在）。如下图所示在电池正极附近产生了大量的白色沉淀，证明盐桥中的离子发生了迁移。

【提示】钾离子遇到四苯硼钠会产生白色沉淀。

六、实验服务教学及效果评价

1.笔者使用这套装置给本班学生作了演示，听到悦耳的音乐，学生们都很好奇，原来真实的双液原电池长这样，跟书上画的不一样！在音乐声中，师生共同探讨了双液原电池的工作原理，重点分析了盐桥的作用，即：沟通电路，保持溶液电中性。

既然是桥，桥的长度和宽度就决定了通行效率。笔者订制的Y型玻璃管比普通双液原电池所用U型管口径更大，盐桥显得更“宽阔”了！使用了很少的琼脂就隔开了两极溶液，盐桥的长度就更短，电流自然更大。

2.根据改进实验的成功经验，积极引导学生思考琼脂盐桥的替代方案（如滤纸条，布条，湿巾等）;学生互相讨论，自己动手构建更加简单可行的双液原电池，进行分组实验。设计方案如图3：

学生根据设计方案，利用现有的实验仪器很快完成了简易双液原电池的组装，灵敏电流计显示有电流产生。

在学生顺利完成分组实验设计的基础上，联系生产实际，指出很多化学电池，比如锂电池，其电池内部采用的是与湿巾相似的无纺布材料作为正负极的隔膜（其本质就是盐桥）。

七、实验反思

1.实验采用更为简洁的一体化实验仪器，既简化了实验装置，又节约了试剂用量;把这个原本无人问津的“纸上实验”创新成既可教师演示又可学生分组实验，就好比“旧瓶装新酒”一样有了新的滋味。

2.改进了盐桥的制作工艺，制作简便，美观大方，清洗方便，且一支盐桥可以多次重复使用;在一定范圍内，适当调整了试剂的浓度，提高了电流强度。

3.创新了盐桥的连接方式，增大了电流，利用悦耳的声音来检验实验效果，给学生带来感官上的全新体验。进而证明，改进后的双液原电池可以持续稳定地提供较大的电流。

4.创新了盐桥的制作材料，使每个同学都有机会自搭盐桥，完成实验探究，加深对原电池构造原理的认识。

总之，开展中学教材演示实验创新研究，能有效提升教师实验教学水平，培养教师的创新意识和创新精神。

【参考文献】

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（实验）[M].北京：人民教育出版社，2003：1

[2]普通高中课程标准实验教科书·化学——化学反应原理[M].江苏凤凰教育出版社

[3]杜爱萍，芦琴燕.双液原电池盐桥的实验改进[J].化学教与学，2019（11）：80-82