原电池中盐桥知多少

陈伟

原电池属于电化学的知识范畴，是中学化学理论体系中不可缺少的一部分，同时原电池与物理学科中的电学、能量的转换有密切联系，是氧化还原反应、离子反应等知识的综合运用。原电池安排在氧化还原反应、离子方程式和电解知识后教学，符合化学学科知识的逻辑体系和学生认知规律。通过化学能和电能之间的相互转化，能够使学生对氧化还原反应的认识及化学反应中能量变化的认识更加深刻。教学中在高二化学《原电池》这一节中出现了盐桥这一装置。盐桥在原电池中的作用，盐桥的使用技巧等等，作为新生事物，给学生造成的困惑不少。要想对盐桥形成全面的认识，笔者以为就要从引入盐桥的目的进行探讨。

盐桥是琼脂和Kcl饱和溶液搞成的。盐桥里的物质一般是强电解质而且不与电池中电解质反应，教材中常使用装有饱和Kcl琼脂溶胶的U型管，离子可以在其中自由移动，这样溶液是不致流出来的。

对没有盐桥的以硫酸铜为电解质的铜—锌原电池为例。接通电路后可观察到的主要现象是：锌片溶解，铜片上有红色物质生成，导线中有电流通过。但细心的同学还会观察到，原电池工作一段时间后，锌电极也开始产生红色物质，导线中的电流越来越小，用纯度很高的锌做电极依然如此，那锌电极为什么会有铜生成呢？从理论上看，铜应该只在铜电极生成，但由于锌电极浸泡在硫酸铜溶液中，不可避免会有少量铜离子直接在锌片上获得电子，这样这部分锌失去的电子就没有通过导线，使一部分化学能没有转变为电能，，且生成的铜覆盖在锌表面，直接与锌构成许多微小的原电池，这将加快锌的溶解，而溶解的锌失去的电子没有通过导线，直接被铜离子获得，使锌上析出更多的铜，这种循环会促使电路中电流不断减小，电池效率进一步降低，因此这样的电池工作时间短，不能持续供电，不具有使用价值。要解决这个问题，关键是不能让负极金属与参与反应的电解质接触，既电池反应的还原剂与氧化剂不能接触。因此有人提出如图b的方案，很显然电池没有构成闭合回路，它是不能工作的。在此基础上，如果使用盐桥，设计成图c的装置，实验结果表明电路中有持续电流，且锌电极不再有铜生成，有效的克服了前述电池效率低，不能持续工作的问题。

那么盐桥是怎样构成的？在这里又起了什么作用呢？教材中使用的盐桥是装有饱和KCl琼脂溶胶的U形管，由于KCl溶液包含在凝胶中，离子可以在其中自由移动，但不致使溶液流出来。盐桥在图c中既实现锌电极与硫酸铜中铜离子的隔离，又建立了内电路的离子通道，使电路闭合。其电池工作原理如下，锌失去电子成为Zn2+进入溶液中，使ZnSO4溶液中Zn2+过多，使溶液带正电，从而阻止锌继续失去电子进入溶液，但有盐桥后，盐桥中氯离子会向ZnSO4溶液中移动，中和过多的Zn2+所带的正电荷，保证锌可不断失去电子成为Zn2+进入溶液。同理硫酸铜溶液因铜离子不断减少而带负电，盐桥中钾离子移向硫酸铜溶液也可中和过多的负电荷。因此，盐桥在电池中另一个作用是保持溶液的电中性，使电池能持续工作。

盐桥作用如此之多，那么其使用有哪些需要注意的地方呢？用作盐桥的溶液应符合以下条件：①阴阳离子的迁移速度相近；②盐桥溶液的浓度要大，盐桥溶液不与电解质发生反应或不干扰原电池反应。从盐桥的工作原理看，它能不能无限使用下去呢？从上面盐桥分析知，其钾离子氯离子不但移向电解质溶液，使KCl浓度减小，工作一段时间后，要对盐桥修复。对KCl盐桥的修复，就是把它放在饱和KCl溶液中浸泡即可。

对含盐桥的原电池探讨中，有同学可能还有以下疑问。问题：电解质溶液的阳离子通常要与电极材料的阳离子相同？如Zn极对应的是硫酸锌，能不能是氯化锌或者氯化钠呢？从上面分析知，只要锌半电池中的电解质不与锌直接反应，锌能以Zn2+进入溶液，其失去的电子通过导线到达正极即可，因此用氯化锌或者氯化钠做电解质也可以，但用氯化铜，硝酸银等可与锌直接反应的电解质就不行。问题2、为使电路闭合，能用铜导线代替盐桥吗？我们知道，盐桥的作用不仅使整个装置构成通路，还能保持溶液的电中性。若用金属代替盐桥，要使溶液保持电中性，那就不是一个简单的原电池问题，此装置原理复杂，了解此点即可，这里不予深究。

我们通过实验又一次认识了原电池，进一步学习了原电池的工作原理，认识了一种新的装置——盐桥，以及它在原电池装置中的作用，在原有基础上改进了实验装置，通过盐桥的使用使我们能够得到持续稳定的电流，在原电池中设置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、还原剂只有在直接接触、相互作用才能发生电子转移，而现在，是使氧化剂和还原剂近乎完全隔离，并在不同区域之间通过特定的装置（盐桥）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。同时我们应该清楚的认识到电池给我们生活带来了很大的方便，但是如果我们对报废的电池使用后随便丢弃，又会对我们的地球家园引起严重的污染，我希望大家对电池逐步的学习认识过程中，树立一种环保意识，珍爱我们的环境，爱护我们共同的家园。