电流传感器构建原电池测定阿伏加德罗常数

郭孝培，周 浩，董雄辎，饶日川，李 娜

(合肥师范学院 化学与化学工程学院, 安徽 合肥 230601)



电流传感器构建原电池测定阿伏加德罗常数

郭孝培，周 浩，董雄辎，饶日川，李 娜

(合肥师范学院 化学与化学工程学院, 安徽 合肥 230601)

阿伏伽德罗常数是一个重要的概念，为加深高一学生的理解从而在教学过程中引入测定阿伏伽德罗常数的实验。本文通过电流传感器构建原电池测定阿伏伽德罗常数，进而得出一种新的近似测定阿伏伽德罗常数的方法。同时，帮助学生理解概念，并体会各学科之间的紧密联系。

阿伏伽德罗常数；原电池；电流传感器；实验教学

1 阿伏伽德罗常数的测定

阿伏加德罗常数在高中化学必修一第一章第二节《化学计量在实验中的应用》中首次出现，把1摩尔任何粒子的粒子数叫做阿伏伽德罗常数，符号为NA[1]，因意大利物理学家阿伏伽德罗而得名。对于本节知识点来说物质的量、阿伏伽德罗常数都比较抽象，高一学生刚进入高中阶段学习，学习方法和模式还未转变，因此对本节的学习存在困难，容易产生认知障碍。为了学生更好地理解和学习阿伏伽德罗常数，笔者在本文引入测定阿伏伽德罗常数的演示实验，以便学生能够通过学习阿伏伽德罗常数的测定方法更容易理解阿伏伽德罗的含义。通过查找相关文献可知传统的测定方法有很多，著名的有：单分子膜法、电解水法、油滴法、电量分析法等[2,3]，其理论依据各不相同，但测得的数据基本吻合。由于测量条件的限制，以致单分子膜法、油滴法无法为学生在课堂上展示。电解水法虽然操作相对简单，但是这种方法的数据处理对于高一学生来说有困难[4]。为解决实验条件苛刻而无法在课堂上呈现的弊端，目前大多采用电量分析法测定阿伏伽德罗常数。

1.1 电量分析法测定阿伏伽德罗常数存在的不足

电量分析法是将已知质量的两块铜片分别作为阳极和阴极，以硫酸铜溶液作为电解质溶液进行电解。阳极上的铜失去电子，变成铜离子溶于溶液；而阴极上的铜离子得到电子，变为金属铜沉积在铜片上[5]。反应结果为阳极上的铜片质量减小而阴极上的铜片质量增加，理论上阳极上减少的铜片质量等于阴极上增加的铜片质量，但这对阳极铜片的纯度有着很大的要求，所以一般用阴极增加的质量作为反应结果往往较为准确。

同时，根据法拉第第一定律：在电解过程中，阴极上还原物质析出的量与所通过的电流强度和通电时间成正比[6]，用公式可表示为：

m=KQ=KIt

(1)

式中m表示析出金属的质量；K是比例常数即电化当量；Q表示为通过的电量；I表示为电流强度；t表示为通电时间。

法拉第第二定律：物质的电化当量K跟它的化学当量成正比，所谓电化当量是指该物质的摩尔质量M跟它的化合价的比值[7]。用数学公式可表示为：

(2)

式中n表示的是化合价；F为法拉第常数，数值为F=9.65×10000 C/mol。

由(1)(2)得：

(3)

经转换，得(4)

(4)

又因为，法拉第常数F=NA×e，所以

(5)

其中e表示为单个电子的带电量。在中学实验测量中用电流I乘以时间t得出Q, 得出

(6)

在电量分析法中，往往使用电流表进行测量电流I，然后乘以时间t得出Q,但在实验过程中电流I的值往往会上下小幅度的波动，导致根本无法准确的测得It的具体数值；而学生电源本身可以视为一个电阻，在电解的过程中会发现学生电源温度上升，这时电能在转化为化学能的同时也部分转化为热能，导致实验误差。有文献提出利用电流传感器解决这一问题[8]。但是高一学生还未接触到法拉第第一定律和第二定律，更未接触到电化当量等名词，在讲述理论知识时就容易混淆部分概念，使其难以理解上述公式的推导，大大的增加了学习的难度。即使得出了结果也很难理解整个实验过程，达不到实验的目的。基于以上分析，笔者对实验方案进行了改进与优化。

1.2 测定阿伏加德罗常数的具体优化与改进方案

实验通过引入电流传感器简单、直观、准确地测量实验过程中电流的数值。实验把电解池改为原电池，正极为已知质量的铜片，用硫酸铜溶液作为电解质溶液，负极为锌片，用硫酸锌溶液作为电解质溶液，分别装于两个烧杯中，中间搭上盐桥，两电极与电流传感器相连接(铜连正极，锌连负极)。正极发生还原反应，电解质中的铜离子得到电子沉积在铜片上。负极发生氧化反应，锌片上的锌失去电子变成锌离子溶于电解质溶液。

此时，负极的锌片逐渐溶于电解质溶液，失去的电子沿外电路到达正极，正极的铜离子得到电子变成金属铜沉积在铜电极上，这时外电路通过电子的物质的量与正极增加铜的物质的量成正比，比值为2∶1。

图1 改进实验装置图

根据初中物理学过的知识Q=It以及前文所列公式便可推论出阿伏伽德罗常数的计算公式，即：

(7)

又因为

(8)

其中，n表示铜物质的量，m表示正极铜增加的量，M表示铜的摩尔质量。

联合(7)(8)可得出：

(6)

推论的公式与利用电解池进行实验所得公式一致，在处理数据时一键积分可以迅速获得It的数值，再使用分析天平称量铜片质量的变化，带入公式，计算出阿伏伽德罗常数的值，由此得出此方案可行。

2 构建原电池测定阿伏加德罗常数在教学实验中的应用

教学需要用到的实验仪器有：vernier电流传感器，vernier数据采集器，电脑(已安装Logger Pro软件)，导线若干，分析天平，鳄鱼夹若干，50mL烧杯两个，盐桥；实验药品有：铜片，锌片，硫酸铜溶液，硫酸锌溶液。

在教学过程中，请两位学生小助手协助共同实验以此提高学生的积极性。首先，打磨铜片和锌片，使用分析天平称取铜片质量并记录。然后，搭建原电池，正极为已知质量的铜片，用硫酸铜溶液作为电解质溶液，负极为锌片，用硫酸锌溶液作为电解质溶液，分别装于两个烧杯中，中间暂时不搭盐桥(控制反应开始)，两电极与电流传感器相连接(铜电极连正极，锌电极连负极)。打开软件，将数据采集器与电脑相连接，电流传感器与数据采集器相连接，同时在电脑界面设置采集时间为5分钟，点击开始采集，搭上盐桥，反应开始。最后，反应结束后取出铜片，干燥，然后使用分析天平称重并记录；根据所得曲线图形一键积分，得出It的数值，带入公式，得出阿伏伽德罗常数的值。

根据以上所得数据，代入公式(6)计算出NA。通过电流传感器构建原电池测定阿伏加德罗常数不仅让同学们更好的理解阿伏伽德罗常数的概念和本质，而且增强了对化学实验的探究欲，总体达到了良好的教学效果。

3 结束语

阿伏伽德罗常数属于难懂的概念，学生容易产生认知障碍，学习感到困难，以致影响后续的学习。利用数字化实验，可以简化科学实验的本来面目。本实验使用电化学知识测量必修一中的阿伏伽德罗常数的数值，不仅促进了学生对原电池构成原理的思考，为必修二学习电化学打下基础，而且也加深了学生对阿伏伽德罗常数这一理论数值的理解，同时可以体会到化学的知识模块不是完全独立存在的。本实验中出现的物理学知识，让学生体会学科与学科之间存在着紧密的联系。通过使用电流传感器构建原电池测定阿伏伽德罗常数，增进学生对化学概念的理解，感受高科技时代带来的气息，提高对科学探究的兴趣和欲望。

[1] 龙琪. 关于“阿伏伽德罗常数”的历史考量[J]. 化学教育, 2015, 36(17):75-81.

[2] 彭捷, 唐群. 基于电流传感器的NA测定[J]. 化学教学, 2009, (11):11-13.

[3] 张八合. 阿伏伽德罗常数的测定[J]. 中学化学教学参考, 1998, (7):37-37.

[4] 刘荣金, 罗凤秀, 杨宗华. 介绍一种简易准确的测定阿佛加德罗常数的方法——电解水法[J]. 四川师范大学学报(自然科学版), 1982, (2):101-103.

[5] 杨锦, 尉京志, 牛丽红等. 阿伏加德罗常数测定实验探究[J]. 实验技术与管理, 2011, 28(3):84-87.

[6] 徐致远, 戴洁琼, 吴波等. 法拉第电解定律表述的辨析[J]. 凯里学院学报, 2015, 33(3):175-176.

[7] 徐汉屏. 世界历史上最伟大的十位物理学家(五)[J]. 新高考:高一物理, 2015, (7):38-40.

[8] 蔡礼儒, 白涛, 冉甜. 利用手持技术电解法测量阿伏伽德罗常数实验[J]. 化学教学, 2014, (1):58-61.

The Galvanic Cell Constructed by Current Sensor Determine Avogadero Constant

GUO Xiaopei, ZHOU Hao, DONG Xiongzi, RAO Richuan, LI Na

(SchoolofChemistryandChemicalEngineering,HefeiNormalUniversity,Hefei230601,China)

Avogadro constant is an important concept, in order to help students in Grade 10 understand the experiment of measuring the Avogadro constant,this paper concludes that the Avogadro constant is determined by the current sensor, and come up with a new method for the determination of the constant of the Avogadro constant. At the sametime, it helps students understand the conceptand the close link among various disciplines.

Avogadro constant; primary battery; current sensor; experiment teaching

2016-12-10

合肥师范学院研究生创新基金(立项编号：2017YJS24)

郭孝培(1992-)，女，安徽六安人，硕士研究生，主要研究方向为学科教学化学。

G632

A

1674-2273(2017)03-0029-03