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视频标签：双液原电池盐桥
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视频课题：高中化学说课_双液原电池盐桥的实验改进_杜老师
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第七届全国中小学实验教学说课大赛说课稿
学科： 高中化学
课题： 《双液原电池盐桥的实验改进》
教材： 高中化学苏教版选修4《化学反应原理》
姓名：
学校： 浙江大学附属中学
高中化学·苏教版选修4《化学反应原理》
双液原电池盐桥的实验改进
本实验方案改进包括两个内容
一．双液原电池中盐桥的改进
二．双液原电池盐桥中离子移动方向可视化
一、双液原电池中盐桥的改进
（一）实验教学分析
1.教学内容分析
双液铜锌原电池在现行版本的教材中均有介绍，本实验主要是针对江苏教育出版社新编教材选修4《化学反应原理》专题1“化学反应与能量变化”第2单元“化学能与电能的转化”原电池的工作原理课本中（第31页）教师演示实验进行了改进与创新。课本内容是：“按图1-8组装好仪器，向两只烧杯中分别加入30mL 1mol•L
-1的CuSO
4溶液和30mL1 mol•L
-1的ZnSO
4溶液，将连接导线和电流计的锌片和铜片分别插入ZnSO
4溶液和CuSO
4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”。在教学过程中教师通常会使用U形管琼脂KCl盐桥做演示实验。但是实际实验过程中，由于U行管盐桥的路径较长，且与电解质溶液的接触面积过小，导致测得的电流只有10mA左右，远远小于单液原电池的电流（从170mA开始逐渐衰减，如图1所示）。
图1 单液铜锌原电池与双液U行管盐桥原电池电流对比图
因此，在教授为什么要引入双液原电池时，很多老师都特意回避这个问题，从单液原电池Zn会和CuSO
4溶液直接反应从而使得电流一直衰减，而双液原电池可以得到稳定的电流这一角度来引入。而实际上，这一节的内容放在“化学反应与能量变化”这一章节当中，使用双液原电池的最主要的优点应该是双液原电池比单液原电池具有更高的能量转化，教师在授课时，不应该回避这一最重要的知识点，而应该当做重点来进行阐述。
2.学生学情分析
在实际教学中，当学生使用温度计和电流表测量铜锌单液原电池中温度与电流的变化情况后，学生很自然的能够理解铜锌原电池中的能量转换关系：化学能转换成了电能和热能。在此基础上引入双液原电池水到渠成。
在引入双液原电池之前，我问了学生一个问题：“请你预测引入盐桥后产生的电流比单液原电池电流更大还是更小？” 80%以上的同学都认为双液原电池应该具有更大的电流，他们的理由是从能量转化的角度来说，双液原电池避免了锌片与硫酸铜溶液直接反应，那么就会有更多的化学能转化成电能，自然得到的电流更大。而教师在实际教学中由于U行管的内阻过大，导致电流过小，给学生造成了很大的困扰。
为了解决这一难题，本人改进了U行管盐桥装置，大大降低了盐桥内阻，测到了远远高于单液原电池的电流，在实际教学过程中有很强的实用性。
（二）实验部分
1.实验仪器与药品
实验仪器：电脑、朗威8.0数据采集器、电流传感器、温度传感器、电解槽、铜丝
实验药品：铜片、锌片、1 mol•L
-1的CuSO
4溶液、1 mol•L
-1的ZnSO
4溶液
2.实验原理
（1）琼脂块盐桥的制备
在1000 mL沸水中先加入7 g琼脂，加热使其完全溶解，再加入250 g KCl固体，继续加热，直至KCl完全溶解，停止加热。等溶液冷却至50°C左右，趁热倒在一个矩形电解槽中，待冷却凝固后用小刀将装置内两边多余的琼脂除去，只留中间一堵厚度为2cm的“墙”，即形成了琼脂块盐桥（如图2所示）。图2 琼脂块盐桥的制备
（2）琼脂块盐桥性能的测定
采用改进后的盐桥组装成双液原电池，测定Cu│CuSO
4║KCl║ZnSO
4│Zn双液原电池的电流与温度变化，并与反应相同时间的单液原电池进行温度和电流的比较。
3.实验步骤
将温度传感器（2个）、电流传感器（2个）、数据采集器、电脑相连，打开朗威8.0数字化软件，将铜片、锌片放入改进后的琼脂块盐桥电解槽中的硫酸铜溶液、硫酸锌溶液中，连接电流传感器（1通道）。将相同尺寸大小的铜片、锌片同时放入硫酸铜溶液中，连接电流传感器（3通道）。反应5分钟后，将温度传感器分别放入双液（2通道）、单液（4通道）锌片附近，同时进行温度、电流的测定（如图3所示）。
图3 使用温度传感器、电流传感器测定双液、单液原电池的温度、电流
4.实验结果与讨论
图4 双液、单液原电池的温度、电流数值
如图4实验结果所示，反应五分钟后，双液原电池的温度为24.4 °C，单液原电池的温度为30.7°C。从能量转换的角度可以直观的看出单液原电池中一部分化学能转换成热能，而双液电池中化学能转换成热能的部分远远的小于单液电池。同时，双液电池的电流为0.81A，远远高于单液原电池的电流（0.04A），从电流的数据可以看出，双液电池中的化学能转换成电能的部分远远高于单液原电池。总之，创新琼脂块盐桥，采用温度传感器和电流传感器可以直观的让学生从能量的两个角度直观的感受到双液电池的电能转化率远远高于单液电池。
5.实验最优方案探究
笔者在实验过程中发现琼脂块盐桥制备时KCl的浓度以及琼脂块的厚度对原电池产生的电流有一定的影响。因此，为了使原电池能形成相对最大、最稳定的电流，笔者从盐桥制备中KCl的用量、盐桥的厚度两方面进行了琼脂块盐桥最优制备方案的探究。
（1）实验条件研究一 ——盐桥配制的最佳配比
苏教版选修4《化学反应原理》教材指出“盐桥中通常装有含KCl饱和溶液的琼脂”，但笔者在配制盐桥内容物时发现，若先制得KCl饱和溶液，再向其中加入琼脂，则琼脂的溶解度很小，溶解的琼脂不足以使溶液形成凝胶状。于是笔者调整加料顺序，先在1000 mL热水中加入7 g琼脂（该琼脂用量是笔者通过实验对比优化后得出的），使其完全溶解后再加入340 g KCl固体（20°C,1000 mL水中KCl的溶解度约为340 g），完全溶解后趁热倒入矩形电解槽中，冷却后便可制得定型的琼脂凝胶。但在冷却过程中，笔者发现琼脂凝胶中有大量似雪花状的KCl晶体析出（如图5所示），经实验测定，由该琼脂块盐桥构成的原电池产生的电流极不稳定，笔者认为该电流不稳定的现象是由琼脂块盐桥固相不均一性引起的。
图5 琼脂块盐桥中KCl浓度过大时的晶体析出图
因此，笔者制备了不同KCl含量的琼脂块盐桥，以探究KCl含量对盐桥性能的影响。首先从琼脂块盐桥的固相均一性考虑，实验结果表明（如表1所示），在1000mL水、7 g琼脂的溶液中加入KCl固体不大于250 g时可以制得固相均一性较好的盐桥。
笔者将制得的不同KCl含量的琼脂块盐桥构成铜锌原电池，并对其进行电流测定实验。实验结果如图6所示，由结果可知，在盐桥厚度相同时，盐桥中KCl浓度越大，单位时间内传输的离子越多，溶液内阻越小，实验所测得的电流越大。但是用固相不均一的盐桥进行实验时，由于盐桥中KCl分布不均匀，电流非常不稳定。使用KCl含量为340 g的盐桥进行实验时，电流极不稳定，无法测定准确电流值。图六中KCl为300g时，所测得的电流为初始电流，电流不稳定，快速衰减。而KCl含量降低到250g后，可以测得比较稳定的电流。在配制得到的均相盐桥中，在盐桥相同厚度时，随着KCl含量的增加，实验测得的电流逐渐增大。综合上述实验结果，笔者认为在1000 mL沸水中先加入7 g琼脂，完全溶解后加入250 g KCl固体，冷凝后制得的盐桥固相均一，实验效果最好。
表1 KCl用量对盐桥的影响
|
编号 |
水 |
KCl |
琼脂 |
固相均一性 |
|
1 |
1000 mL |
340 g |
7 g |
不均一 |
|
2 |
1000 mL |
300 g |
7 g |
不均一 |
|
3 |
1000mL |
250g |
7g |
均一 |
|
4 |
1000 mL |
200 g |
7 g |
均一 |
|
5 |
1000 mL |
150 g |
7 g |
均一 |
|
6 |
1000 mL |
100 g |
7 g |
均一 |
|
7 |
1000 mL |
50 g |
7 g |
均一 |
（2）实验条件研究二 ——盐桥的最佳厚度
图六结果表明：当盐桥中KCl含量一定时，盐桥厚度越小，内阻越小，所测得的电流越大。对比不同KCl含量的盐桥的电流-厚度曲线（如图6），笔者发现，当盐桥厚度大于2 cm时，上述琼脂块盐桥均可得到较稳定的电流。当盐桥厚度减小至2cm以下时，产生的电流高达1.2 A以上，但此时的电流开始趋于不稳定。针对该现象，笔者认为原因在于：当实验过程中电流较大时，盐桥中需要传输的离子也相应增多，而此时过窄的琼脂块盐桥无法提供给离子稳定的传输介质，从而引起了电流的不稳定，另外电流过大时，电池的正负极极化增强，伴随副反应加剧，也导致电流不稳定。因此，实验时琼脂块盐桥的厚度宜取2-3 cm。
图6 琼脂块盐桥中KCl含量以及琼脂块厚度对电流的影响
二、双液原电池盐桥中离子移动方向可视化
（一）实验教学分析
1．教学内容分析
双液铜锌原电池中盐桥的使用在现行版本的教材中均有介绍，本实验主要是针对江苏教育出版社新编教材选修4《化学反应原理》专题1“化学反应与能量变化”第2单元“化学能与电能的转化”原电池的工作原理课本中（第31页）教师演示实验进行了改进与创新。课本内容是：“按图1-8组装好仪器，向两只烧杯中分别加入30mL 1 mol•L
-1的CuSO
4溶液和30mL 1 mol•L
-1的ZnSO
4溶液，将连接导线和电流计的锌片和铜片分别插入ZnSO
4溶液和CuSO
4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”。原电池内电路中带电粒子的定向移动是一个非常重要概念，然而教材只有理论表述，缺少直观的实验感受。
2．学生学情分析
在实际教学中，关于离子定向移动的考题非常多，而且阴阳离子交换膜是有出现，但是这部分内容对于学生而言非常抽象，难以理解。
笔者创新设计了阴阳离子交换膜双液原电池，并使用氯离子、钾离子检测仪来检测溶液中Cl
-、K
+的移动方向，让学生直观的感受到阴阳离子的移动。
（二）实验部分
1.实验仪器与药品
实验仪器：电脑、朗威8.0数据采集器、电流传感器、温度传感器、氯离子检测仪、钾离子检测仪、电解槽、铜丝、自制的阴阳离子交换膜双液原电池装置。
实验药品：铜片、锌片、1 mol•L
-1的CuSO
4溶液、1 mol•L
-1的ZnSO
4溶液、饱和KCl溶液、0.5 mol•L
-1的BaCl
2溶液、0.5 mol•L
-1的NaOH溶液。
2.实验原理
（2）阴阳离子交换膜双液原电池装置的制备
实验用品：pp板，垫片、阴离子交换膜、阳离子交换膜、
图7 阴阳离子交换膜双液原电池装置制备原料图
处于密封性考虑，笔者选用pp板和垫片进行连接处的密封，同时笔者采用了六个垫片（如图8），外加钢板、螺丝进行固定，如此组装的装置经多次实验证明，密封性良好。笔者制备的双膜原电池装置的费用不高，原料在淘宝上均可购得，该自制的双膜电池装置可以作为教学用具进行普及。
图8 阴阳离子交换膜双液原电池装置原料连结过程图
图9 阴阳离子交换膜双液原电池装置实物图
图9为笔者自制双膜原电池装置的实物图，阴阳离子交换膜分开的中间KCl区域就构成了盐桥区域。其中阳离子交换膜把正极区与盐桥区域分开，而阴离子交换膜分开了盐桥区域与负极区。
实验装置的优点：该双膜原电池装置与传统的琼脂盐桥双液电池相比，实验装置可以多次重复使用，操作方便简单。盐桥区域的电解质溶液可以在实验演示时现场倒入，让学生直观的感受到盐桥连接了正负极区域。
3.实验步骤与结果分析
（1）将硫酸铜、硫酸锌、氯化钾溶液分别倒入相应的区域，使用电流传感器连接铜片、锌片两个电极，接通回路。电流可以达到200mA。
图10 单液铜锌原电池与双膜原电池电流对比图
图10可以看出笔者改进的双膜原电池电流远高于同条件下的单液原电池的电流，而且比较稳定。该图可以让学生直观的感受到双液电池化学能转化为电能的效率远远高于单液原电池，既双液电池具有更高的能量转化率。
（2）反应一段时间后，将氯离子检测仪分别放入硫酸铜区域、硫酸锌区域。
图11 c(Cl
-)随时间在两极区的变化曲线图。
由图11可以看出随着时间的延长，负极区（ZnSO
4溶液）中c（Cl
-）逐渐在增加，说明中间盐桥区域的Cl
-经过阴离子交换膜移动到负极区。而阳极区（CuSO
4溶液）中
c（Cl
-）浓度非常小，几乎为0，而且随着时间的增长是一条直线，说明Cl
-没有移动到正极区。
（3）将钾离子检测仪分别放入硫酸铜区域、硫酸锌区域。
图12 c(K
+)随时间在两极区的变化曲线图。
由图12可以看出随着时间的延长，负极区（ZnSO
4溶液）中c（K
+）浓度非常小，接近于0，而且随着时间的增长是一条直线，说明K
+没有移动到负极区。而阳极区（CuSO
4溶液）中K
+浓度在逐渐增大，说明中间盐桥区域的K
+经过阳离子交换膜移动到正极区。
（4）取出少许（盐桥）KCl区域溶液，分别滴加 BaCl
2、NaOH溶液。
实验现象：溶液仍然澄清。
实验结论：滴加 BaCl
2，溶液仍然澄清，说明正极区（硫酸铜区域）、负极区（硫酸锌区域）的 SO
42-没有进入到中间盐桥区域。滴加NaOH溶液，溶液仍然澄清，说明正极区（硫酸铜区域）、负极区（硫酸锌区域）的 Cu
2+、Zn
2+没有进入到中间盐桥区域，学生可以更深一步体会到阴阳离子膜的作用。
结语：两个实验改进优点
1.创新琼脂块盐桥，采用温度传感器和电流传感器直观的让学生感受到双液原电池的电能转化率远远高于单液原电池
2.创新膜电池装置，采用钾离子传感器和氯离子传感器，使学生直观的感受到盐桥中钾离子、氯离子的移动方向，同时更深入的体会到阴阳离子膜的作用。
三、实验教学内容
1．实验教学目标
通过实验改进，让学生直观感受到双液原电池比单液原电池具有更高的电能转化率。
2．教学重难点：双液原电池具有更高的效率。
3．实验教学过程
教学过程设计：
笔者从几个问题来展开原电池的这一节课内容。
【问题1】你认为为什么要引入双液原电池？
（1）利用电流传感器、温度传感器体会单液原电池Zn│CuSO
4│Cu电流、温度变化情况。
[实验1] ：将锌片与铜片用导线连接起来，导线中间连接电流传感器，再将锌片与铜片插入硫酸铜（1mol/L）的烧杯中，将温度传感器放入硫酸铜溶液中，观察实验现象。实验中我们发现电流表的读数从174mA左右逐渐减小10秒钟左右减到120mA左右，并也在持续减小。反应5min后，溶液的温度由24.4°C升至30°C。
【问题2】你是怎么理解“盐桥”这个概念的？
【问题3】请你预测引入盐桥后产生的电流比单液原电池电流更大还是更小？
学生预测：
班里80%以上的学生认为双液原电池的电流更大，因为引入了双液原电池后，避免了锌片与硫酸铜溶液直接接触，那么应该化学能更多的转化为电能。
（2）利用电流传感器、温度传感器体会双液原电池Zn│ZnSO
4║CuSO
4│Cu电流、温度变化情况。
[实验2] ：将锌片插入硫酸锌溶液，铜片插入硫酸铜溶液，两烧杯间用盐桥连接，用导线连接电极，导线中间连电流传感器，将温度传感器放入硫酸锌溶液中，实验中我们发现电流传感器的读数稳定在10mA左右。5min后，溶液的温度由24.4°C升至25°C。
【问题4】：根据实验二中电流的变化情况，你得出什么实验结论？
【问题5】：实验过程中，双液原电池的电流有没有达到你的预期？小组讨论分析原因是什么？如何对实验进性改进？
学生讨论分析，提出解决问题方案有：
4.学生分组实验1
学生分组实验 ：本实验采用相同大小的铜锌片，1mol/L CuSO
4 1mol/LZnSO
4
表2 实验记录表
|
盐桥材质 |
两电极间距离 |
电流 |
两电极间距离 |
电流 |
两电极间距离 |
电流 |
两电极间距离 |
电流 |
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1000mL水+7g琼脂+250gKCl制备的琼脂块盐桥 |
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图13 学生利用改进的琼脂块双液电池测定厚度与电流的关系
学生预测与实际实验有偏差，使用U型管盐桥所测得的电流远小于单液电池，让学生有一种认识冲突，进而展开讨论，来分析问题，解决问题。
学生理论上分析得出改进方案后，学生进行琼脂块原电池实验，理论与实际的结合，让学生真正感受到盐桥距离的大小与接触面积的变化与电流有直接的关联。让学生有一种成功的喜悦，一种理论变成现实的直视感。
学生实验结果：
表3 琼脂块盐桥电流与琼脂块厚度的关系
|
盐桥材质 |
两电极间距离（cm） |
电流（mA) |
两电极间距离（cm） |
电流（mA） |
两电极间距离（cm） |
电流（mA) |
两电极间距离（cm） |
电流（mA) |
|
1000mL水+7g琼脂+250gKCl制备的琼脂块盐桥 |
5 |
560 |
4 |
590 |
3 |
700 |
2 |
810 |
5.学生分组实验2
在测量完琼脂块厚度为2cm时，让学生进行温度的测量，对改进的双液电池温度、电流与单液电池进行比较实验（
实验结果如图4所示）。
反应五分钟后，双液原电池的温度为24.4 °C，单液原电池的温度为30.7°C。从能量转换的角度可以直观的看出单液原电池中一部分化学能转换成热能，而双液电池中化学能转换成热能的部分远远的小于单液电池。同时，双液电池的电流为0.81A，远远高于单液原电池的电流（0.04A），从电流的数据可以看出，双液电池中的化学能转换成电能的部分远远高于单液原电池。总之，创新琼脂块盐桥，采用温度传感器和电流传感器可以直观的让学生从能量的两个角度直观的感受到双液电池的电能转化率远远高于单液电池。
四、实验效果反思与评价
本堂课采用：
教师提出问题→学生预测结果→学生实验→理论与实际冲突→学生讨论→提出解决问题方案→创新实验→得出结论。
利用改进的实验装置，培养学生具备发现问题，分析问题，解决问题的能力。真正提高学生的学课素养，提高学生的学习兴趣。
利用数字化实验和改进的实验装置，可以让学生对抽象的原电池双液的引入有了直观的感受，可以从电能与热能两个方面来理解双液原电池具有更高的能量转化率。
该实验操作简单，对实验者操作能力要求不高。具有一定的普及性。
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
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