用盐桥设计电化学实验探究两个模糊问题

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摘要：利用输液软管先制作盐桥，对中学化学中浓硝酸能钝化铁的底限浓度、铝与同浓度盐酸和氢氧化钠溶液反应的难易程度等模糊问题进行了电化学实验的设计与研究。

关键词：盐桥； 钝化； 电极电势； 浓度

文章编号：1005－6629(2010)11－0010－03 中图分类号：G633.8 文献标识码：C

在电化学反应中，我们常用盐桥将电池中的两种被分隔开的电解质溶液连接起来用于沟通两个半电池，以降低液接电势，保持电荷平衡，使反应得以继续进行。我们用输液软管制作了盐桥并对两个中学化学模糊问题进行了电化学实验的设计与研究，现介绍如下，愿与同行探讨。

1盐桥制作[1]

（1）取少量琼脂固体在研钵中研细，置于小烧杯中加适量蒸馏水。加热煮沸至糊状且无明显颗粒存在，继续加约4 g KCl固体（也可选用KNO3固体等，一般琼脂与钾盐固体质量比大致控制在1∶4左右），搅拌均匀；

（2）截取几段输液软管，借用注射器趁热使整条软管吸满琼脂（不能有气泡），冷却备用。

2问题探索

2.1能使铁钝化的浓硝酸的底限浓度是多少？

常温时，铁（或铝）在浓硝酸（或浓硫酸）中其表面会生成一层致密的氧化膜，从而阻止内部的金属与酸进一步反应的现象叫钝化[2]，但当硝酸浓度变稀时钝化现象则会消失。很自然地，许多学生会问那么能使铁发生钝化的硝酸的最低浓度是多少。我们认为，这一模糊问题若能让学生以课题的形式进一步分析研究，对提高学生的探究能力还是很有价值的。在掌握原电池的知识后，笔者便与学生们一起作了一番探究。

由于铁在冷的浓硝酸中钝化，而铜则没有这种性质，学生们提出可使Cu―Fe与浓硝酸组成原电池。起先，铁发生钝化而铜电极会与硝酸反应作负极；若对铁电极附近酸稀释，随着硝酸浓度降低直至某一时刻钝化现象便会消失，铁因比铜活泼而“反客为主”成为负极。若在电路中预先串联一灵敏电流计便可观察到指针的反转，而反转时刻即为能使铁钝化的硝酸的临界浓度。基于以上分析，我们设计了图1装置，具体操作过程与现象为：

实验1：（1）用10 mL 的量筒分别量取5.0 mL浓硝酸（65 % ,分析纯 ,密度为1.40 g・mL-1 ，浙江三鹰化学试剂有限公司出品）注入两支具支试管，浸没盐桥两端，然后按图1组装好实验装置 ；

（2）将粗的铁丝与铜丝同时插入浓硝酸中，观察到灵敏电流计指针先指向铜丝但又迅速反转（只需1～2 s ），稳定后指针偏向铁丝一端 。说明使用浓硝酸钝化铁丝速度快，指针稳定后铁电极为正极；

（3）用盛有蒸馏水的5 mL 的注射器边向具支试管内滴加蒸馏水边混合均匀（可轻微振荡具支试管，控制溶液温度在室温附近，也可采用水浴控制混合液温度），并注视电流计指针的偏转方向。在指针恰好发生反转时记录此刻注射器已注入的水量 V(mL)。

实验过程中，在控制混合液温度恒定前提下应尽可能缩短蒸馏水滴加过程，以减少金属电极与酸接触的时间。在室温为17.2 ℃ 时，笔者重复上述实验测出三次实验结果分别为 2.6 mL、2.3 mL、2.4 mL，求得 平均V为 2.4 mL ，据此，可计算得能使铁钝化的最低浓度约为 51 %(约10.7 mol・L-1)。在此基础上，笔者继续配制了51 % 的硝酸溶液并直接置于具支试管按图1进行实验，发现电流计指针稳定后仍有指针偏向铁电极的现象，但达到稳定的过程耗时较浓硝酸时更长（需10 s 以上）；若使用更低的硝酸浓度（如49 %、47 %、45 %等）时则均未发现指针偏向铁电极的现象，说明该浓度的硝酸已不能钝化铁。

按上述的实验方法，我们也还可以尝试简单地测定其他一些金属与酸能发生钝化现象时的底限浓度。

2.2铝与等浓度的盐酸、NaOH溶液反应时哪个更容易？

我们知道，金属铝能与盐酸反应，也能与 NaOH 溶液反应：2Al+6HCl=2AlCl3+3H2、2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2。那么，相同的铝片分别与等物质的量浓度的盐酸、NaOH溶液反应时哪个相对更容易些？化学实验是最高法庭！我们设计了图2的实验装置进行探究。

实验2： 室温（18.6 ℃）下， 在甲、乙两个小烧杯中分别盛放一定量1.0 mol・L-1的盐酸和NaOH溶液并用盐桥沟通，将两片相同的铝片（预先除去氧化膜）串联一灵敏电流计后分别插入两种电解质溶液。可观察到电流计指针指向烧杯甲，说明NaOH溶液一端的铝片作负极。

实验现象表明NaOH溶液与铝反应的电动势明显高于等浓度盐酸与铝反应的电动势。我们知道，铝与NaOH（或盐酸）反应的电动势随溶液中c（OH-）[或c（H+）]的增大而上升， 那么通过调整NaOH溶液和盐酸的浓度是否可以使实验图2装置中指针的反转呢？我们又配制了不同浓度的两者溶液，继续重复实验2的探究。

我们选用物质的量浓度为0.50、0.10、0.050、0.025、0.010、0.0050 mol・L-1的NaOH溶液分别与浓度为2.0、4.0、6.0、8.0、10.0、12.0、14.0 mol・L-1的盐酸进行排列组合后进行测试，共测试了42对。实验结果表明，除NaOH溶液和盐酸浓度分别为0.010-12.0、 0.010-14.0、 0.0050-8.0、 0.0050-10.0、 0.0050-12.0、 0.0050-14.0（mol・L-1）等六对外，其余 36 对实验中灵敏电流计指针方向均偏向烧杯甲，即都以盐酸中铝电极为电池正极、NaOH溶液中的铝电极为负极。

上述的实验结果同样表明，铝在碱性溶液中失电子的能力比在酸性溶液中失电子能力要强的多。按图2的装置实验探究时，在绝大部分情况下该原电池装置应为甲烧杯内的铝片（浸在盐酸溶液中）为正极，乙烧杯中的铝片（浸在NaOH溶液中）为负极；除此以外，定量的实验结果也显示一般只有当盐酸浓度大于10.0 mol・L-1且NaOH溶液浓度控制在0.010 mol・L-1以内时灵敏电流计指针才有可能反转，即盐酸浓度必须在NaOH溶液浓度的千倍之上。可见，按图2装置形成的原电池在一般条件下我们都可以认为是以浸泡在NaOH溶液中铝电极作原电池负极的！

3教学反思

（1）从上面两则实验中我们可以得到一些启示，只要细心分析、巧妙设计、大力实践，实验探究是解决疑难问题的一剂良方。

（2）新课程的实施中新启用的化学教科书因限于教材篇幅以及学生认知水平等因素，在描述某些化学知识时往往有意点到即止不再拓展深究，难免让人会有模糊不明确的感觉。这些内容一般不是考试的重点甚至压根儿就不是考点，因此很多一线教师在教学处理时即使碰到有学生质疑时也常采取或回避、或搪塞的处理方式。但若能以此作为学生知识生长点引导学生积极探究，让学生在困惑中实践，在实践中感悟，在感悟中提升，对培养学生探究意识、提高学生探究水平是大有裨益的。

参考文献：

[1]陆燕海，计丽．介绍一种盐桥制作的新方法[J]．化学教学，2010（2）：11．

[2]王祖浩．普通高中化学课程标准实验教科书《必修1》[M]．南京：江苏教育出版社，2009．

[3] chemlab.qdu.省略/html/other/bzdjdw.htm．

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