原电池中盐桥的作用探究

北京市顺义区杨镇第一中学 李淑君

高中化学人教版必修4教材《化学反应原理》第71页[实验4-1]中设置了原电池实验，目的是使学生明白原电池如何将化学能转化为电能。原电池是将化学能转变成电能的装置。普通的干电池、燃料电池非蓄电池都可以称为原电池。原电池的教学是高中化学比较重要的电化学内容，在书中专门将电化学作为独立的一章的内容来讲，其中原电池的教学是重点。而其中盐桥的工作原理是学生比较难掌握的内容。因为其原理较复杂，所以教材中讲解的比较模糊，对于原电池中关键元件盐桥的构造、作用、工作原理等问题也只是略提一二，根本没有系统详细地介绍。很多老师在讲到这部分内容的时候也是含糊其辞，说这是大学内容，高中不要求掌握，只要知道它的两个作用就可以了；网络资料也是模棱两可，只点其一，不点其二，关键的盐桥内部离子移动及移动后的结果只字未提。我们教师在讲授化学理论课时，不管多难的知识，哪怕是超纲内容，只要是教材中出现了，我们教师就应该把它弄懂，否则学生在提问时，我们教师就只能用含糊其辞来蒙混过关，其恶果不言而喻。

一、原电池是什么

原电池是利用两个电极的电极电势的不同，产生电势差，从而使电子流动，产生电流。又称非蓄电池，是电化学电池的一种。其电化学反应不能逆转，即是只能将化学能转换为电能。简单说就即是不能重新储存电力，与蓄电池不同。

二、盐桥是什么

（一）盐桥的构成

1.U行管

U型管是化学实验中常用的一种仪器，在原电池中，U形管独有的外形，可以将两个烧杯中的电解液连接起来。在本文的Cu- Zn原电池中，U形管中盛放的是琼脂——氯化钾饱和溶液。

2.琼脂——氯化钾饱和溶液

氯化钾饱和溶液中含有较多流动的K+离子和Cl-离子，它们在原电池中发挥重要作用；琼脂具有凝固性，使氯化钾饱和溶液呈果冻状。

（二）为什么要用盐桥

1.用实验探究

一是实验用品。主要是：烧杯两个，盐桥，电流表，锌片，铜片，CuSO4溶液，ZnSO4溶液，导线若干。

二是实验操作。使用如左图所示实验装置，用盐桥将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液连接起来，然后将锌片和铜片用导线连接，并在中间串联一个电流表，观察现象。取出盐桥，观察现象。

三是实验现象及结论。

从实验观察到，有盐桥存在时，电流表指针发生偏转，说明有电流通过电流表。从检流计指针偏转的方向可以知道电流的方向是Cu极→Zn极。根据电流是从正极流向负极，因此，Zn极为负极，Cu极为正极。而电子流动的方向却相反，从Zn极→Cu极。电子流出的一极为负极，发生氧化反应；电子流入的一极为原电池的正极，发生还原反应。取出盐桥，检流计指针归零，重新放入盐桥，指针又发生偏转，说明盐桥起到了使整个装置构成通路的作用。

可见，在这个实验中，盐桥扮演了一个非常关键的角色。那么盐桥究竟是怎么工作的呢？

2.盐桥作用探究

在ZnSO4溶液中，锌片失去电子成为Zn2+进入溶液中逐渐溶解，使ZnSO4溶液中Zn2过多，带正电荷。Cu2+获得电子沉积为Cu，溶液中Cu2+过少，SO42-过多，溶液带负电荷，当溶液不能保持电中性，将阻止放电作用的继续进行。这个时候，盐桥的作用就显现了，因为盐桥中有Cl-、K+，其中Cl-向ZnSO4溶液迁移，K+向CuSO4溶液迁移，分别中和过剩的电荷，使溶液保持电中性，反应可以继续进行。盐桥中离子的定向迁移构成了电流通路，沟通了内电路，因此电流表中有电流通过，指针发生偏转。可见盐桥起到了使整个装置构成通路、保持电中性的作用，又不使两边溶液混合。

三、制备盐桥

（一）实验用品

琼脂3g，蒸馏水97ml，KCl30克，U形管，烧杯。

（二）实验操作

烧杯中加入琼脂和蒸馏水,使用水浴加热法将琼脂加热至完全溶解。然后加入KCl充分搅拌,KCl完全溶解后趁热用滴管或虹吸将此溶液加入已事先弯好的U形管中,U形管做好事先在热水中浸泡，静置待琼脂凝结后便可使用。

多余的琼脂－饱和KCl用磨口塞塞好,使用时重新加热。琼脂－饱和KCl盐桥不能用于含Ag+、Hg2+等与Cl－作用的例子或含有ClO4－等与K+作用的物质的溶液。

琼脂溶胶冷了就凝固了,正好形成阻止溶液直接交换的盐桥。

四、问题和讨论

第一，为什么要用琼脂饱和KCl溶液？

1.饱和KCl溶液作用

饱和K C l溶液的浓度高达4.2mol·dm-3,当盐桥插入到浓度不大的两电解质溶液之间的界面时,产生了两个接界面,盐桥中K+和Cl-向外扩散就成为这两个接界面上离子扩散的主流。由于K+和Cl-的扩散速率相近,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。

2.琼脂作用

琼脂有凝固性，可使溶液不致流出来，但离子则可以在其中自由移动。

第二，盐桥的两个主要作用。

主要是两个作用：一个是离子通道，要构成回路的话，溶液里一定要有离子迁移，盐桥就是构成这样的离子通道。第二种是保持溶液的电中性。过多的Zn2+会造成溶液正离子过剩，但溶液一刻也不能偏离电中性，就必须有负离子的补充，盐桥就可以补充负离子。同样的，铜离子变成铜单质后，正离子少了，必然需要正离子来补充。所以盐桥实际上起两个作用，一个是离子通道，一个是离子库，可以源源不断地供给需要的离子。

第三，除了Zn片和Cu片可以组成原电池，还有什么金属可以组成原电池？

一般说来，由两种金属所构成的原电池中，较活泼的金属是负极，较不活泼的金属是正极。其原理正是置换反应，负极金属逐渐溶解为离子进入溶液。所以选两种反应活动性有差别的物质分别做两极，即可构成原电池。如Cu-Mg原电池、 C-Zn原电池、Cu-Al原电池等。活泼的一方做负极，不活泼的一方做正极。在Cu-Mg原电池中，Mg做负极，Cu做正极；C-Zn原电池中，Zn做负极，C做正极；Cu-Al原电池中，Al做负极，Cu做正极。

第四，除了用KCl做盐桥，还有什么物质可以做盐桥？

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等的饱和溶液。