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2015广东深圳高中化学实验教学培训资料

※基本信息※
- 资料类型：教(学)案
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※资料简介※
非琼脂类盐桥的创新制作
摘要：在中学实验室缺乏琼脂无法制备盐桥时，可采用实验室中的普通原料完成另类盐桥的制作，以确保课堂化学实验能够完美演示。本文介绍了利用3种制备非琼脂类盐桥的方法，其一，利用硅酸钾或硅酸钠与盐酸反应生成的果冻状硅酸沉淀将氯化钾或氯化钠封存于U型干燥管中，得到了一种硅酸型盐桥；其二，在U型干燥管中直接装氯化钾饱和溶液，用棉花塞紧管口即可制得纯溶液盐桥；其三，用氯化钾和粘性大的糯米粉制备出了饱和氯化钾的淀粉盐桥。该实验方法突破了传统观念的束缚，对学生创新能力的培养能起到潜移默化的促进作用。
关键词：非琼脂类盐桥双液原电池液接电势氯化钾硅酸凝胶
1 问题的提出
教师在教选修4《化学反应原理》中的原电池知识时，经常遇到如下尴尬局面。课堂教学中需要用到盐桥，但多数中学实验室并没有盐桥装置，教师只能口头阐述盐桥的原理和作用，导致课堂上无法完成演示实验。制备盐桥常用的原料为饱和氯化钾溶液和琼脂，琼脂在中学实验室并不常见，而化学是一门以实验为基础的科学，缺乏实验的化学课堂很难给学生带来美感和兴奋感。
在两种溶液之间插入盐桥以代替原来的两种溶液的直接接触，可以沟通两个半电池，保持电荷平衡，降低或消除液接电势，使反应得以继续进行。当盐桥插入到电解质溶液中时，由于K+和Cl—的浓度大，扩散速率相近，使盐桥与两个溶液接触产生的液接电势均很小，且两者方向相反，故相互抵消后降至1~2mV。选择盐桥中的电解质的原则是高浓度、正负离子迁移速率接近相等，且不与电池中溶液发生化学反应。常采用KCl、NH4NO3和KNO3的饱和溶液。中学化学里双液电池中使用盐桥不是一个普通的技术改进，而是对旧的思维模式的一个质的突破。过去认为氧化剂、还原剂只有直接接触、相互作用才能发生电子的转移，而现在，是使氧化剂和还原剂近乎完全隔离，并在不同的区域之间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的条件，也为原电池原理的实用性开发奠定了理论基础[1]。中学阶段是基础教育阶段，化学教师没有必要阐述液接电势、迁移数、离子的淌度等概念，避免分散学生注意力，防止学生思维混乱。在中学阶段，此实验重在演示双液原电池的工作原理，分析盐桥中阴阳离子的迁移方向，并无涉及电池电动势的测量和计算。笔者在不使用琼脂的情况下，创新地制得了非琼脂类盐桥，在增强实验趣味性的同时，也促使学生形象地理解了这类电池的工作原理，实验教学效果很好。
2 实验药品和仪器
KCl固体、饱和K2SiO3溶液、2.0mol•L-1盐酸、1.00 mol•L-1CuSO4、1.00 mol•L-1ZnSO4、Zn片、Cu片、棉花、糯米粉、酚酞、U型干燥管、烧杯、胶头滴管、玻璃棒、铁架台（带铁夹）、镊子、导线、万用电表等。
3 非琼脂类盐桥的制备方案一
3.1 制备原理
利用反应K2SiO3+2HCl=2KCl+H2SiO3，反应生成果冻状硅胶，可将NaCl封存其中。
3.2 制备操作
在100mL烧杯中加入35mL饱和K2SiO3溶液，滴入1~2滴酚酞做指示剂，溶液变红。往烧杯中一次性加入16mL2.0mol/L盐酸，用玻璃棒迅速搅拌使其完全反应。实验者可以观察到烧杯中红色溶液转变为微红色，并有乳白色的硅酸生成，但此时还未凝结。实验者需迅速地将烧杯中快要凝结的溶液倒入U型干燥管中，否则硅酸1min时间将凝聚在烧杯内。将U型干燥管中的溶液静置1min左右后，硅胶凝聚，将U型管倒置，管中的冻状物不会流出。将此盐桥插入双液原电池的两个烧杯中，电流表指针发生偏转，非琼脂类盐桥制备成功。
3.3 实验说明
多次实验发现，K2SiO3的浓溶液甚至是饱和溶液并不影响果冻状硅酸的生成，易制备出硅酸凝胶，实验成功率很高。在操作过程中，不能采用逐滴加溶液的方法来制备硅酸凝胶，那样很容易出现硅酸凝结在烧杯中而导致无法完成盐桥的制作。笔者用到的U型管容积大约为40mL，实验者需要依据实际情况进行一次定量实验，然后计算出需要多少硅酸钾溶液和盐酸溶液去混合反应，以便使课堂实验成功率达到100%。硅酸型盐桥由于内含吸水性的硅酸凝胶，相对于久置易产生裂缝的琼脂盐桥来说，它不易在盐桥内部产生裂缝，具有易保存的优点。中学化学实验室库存的硅酸盐一般为硅酸钠，若用硅酸钠做实验效果也很好。
4 非琼脂类盐桥的制备方案二
4.1 制备操作
将U型干燥管竖直放置，两管口保持水平相平，将KCl饱和溶液注满U型干燥管，用脱脂棉花塞紧两个管口，当管口被棉花塞得非常严实时，盐桥制备成功。将此盐桥倒置，由于大气压的作用，U型干燥管中的饱和KCl溶液并不会流出，插入双液原电池的两个烧杯中，电流表指针偏转明显。
4.2 实验说明
这种盐桥的优点突出，盐桥中的KCl溶液为饱和溶液，很大程度上降低或消除了液接电势。制作方便，原料易得，可重复使用。U型干燥管管口并不大，而管口又塞入了棉花，由于大气压对液柱的支撑作用，盐桥中的溶液不会流出。倒置这种盐桥时，产生的少量气泡会上升至U型干燥管弯折处（如图1所示），盐桥在电路中使用时依然处于连通状态，U型管内存在的气泡并造成任何负面影响。处理好某些细节，可以做到倒置U型管时管内无任何气泡。更惊奇的是，将它长期平放在桌面上，U型管中的溶液也不会流出，这就给保存此类盐桥带来了方便。笔者多次实验还发现，若用截面积小的乳胶管或U型玻璃管代替U型干燥管去装KCl饱和溶液制作盐桥，管中极易产生多段气泡，盐桥在电路中呈断开状态。另外，将滤纸条浸没在饱和KCl溶液中，取出后也可代替盐桥使用。
5 非琼脂类盐桥的制备方案三
5.1 制备操作
烧杯中加入30gKCl和50g糯米粉，用玻璃棒充分搅拌使两种固体混合均匀，一边搅拌一边往烧杯中加水至混合物呈糊状，将流动性差的混合物缓缓注入至U型干燥管中，用镊子将浸泡在饱和KCl溶液中的棉花塞入到U型干燥管管口，避免管内糊状物质流出。
5.2 实验说明
实验中的糯米粉可以在超市购买，所用的原料易得、廉价。第一次使用这种盐桥在使用时会有极少量的淀粉落入电解质溶液中，导致电解质溶液受轻微污染，若处理得当可避免此情况发生。此盐桥在放置3天后内部就产生了裂缝，不宜长期保存。
6 与琼脂类盐桥性能对比
6.1 实验数据
测定铜锌原电池电动势的仪器可用UJ25型电位计，但中学实验室缺乏此类仪器，笔者用万用电表对各种盐桥的性能进行了测定。在2个烧杯中分别盛装1.00mol/LZnSO4和1.00mol/L CuSO4溶液，再插入Zn片和Cu片，将万用电表串接入电路中，然后分别插入各种盐桥，依次测量了铜锌原电池的电压和电路中的电流，实验数据如下表所示。
盐桥琼脂盐桥 KCl硅酸型盐桥 KCl饱和溶液盐桥 KCl淀粉盐桥
E(V) 1.10 1.10 1.10 1.10
I(mA) 6.4 2.7 6.4 2.8
6.2 实验分析与结论
查文献得知，当ZnSO4和CuSO4溶液的浓度为1.000 mol/L 时，电池的电动势为1.1026V[2]。通过分析电压和电流数据可知，用琼脂做盐桥和KCl饱和溶液盐桥是最好的。让笔者兴奋不已的是，方案二中的KCl饱和溶液盐桥非常完美，除了能保障顺利完成中学课堂演示实验外，还能启迪学生打破传统壁垒，勇于改革创新，有利于全面落实素质教育和创新教育。鉴于中学课堂只要能够顺利演示双液原电池即可，笔者认为各方案中制备的非琼脂类盐桥都是不错的选择，从科学严谨的角度分析，KCl饱和溶液盐桥是最好的选择，因为其制备过程中所需的原料和仪器易得，且盐桥性能优良；从趣味性方面考量，硅酸型盐桥是首选，制备过程中加入酚酞可以得到红色的盐桥
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