化学实验探究中双液原电池装置的应用
2020-05-06杨永红
杨永红
（新疆石河子第一中学，新疆石河子 832000）
引 言
电化学是化学实验环节中非常重要的一部分，电化学实验中涉及对氧化还原反应的知识和对一些电子仪器，如电流表、电压表之类的应用，属于化学实验中较难理解的部分。而双液原电池将原电池中的氧化反应和还原反应区分开来，有助于在实验中更为细致地分别观察氧化反应和还原反应的过程，并理解其反应机制，因此双液原电池在化学实验中有着非常广泛的应用。
一、双液原电池
原电池是电化学中一种常见的实验装置，在原电池中氧化剂（电解质溶液）和还原剂（阳极）都处于同一个容器中，因此对于反应的效率会产生一定影响，不利于在实验中对氧化反应和还原反应进行理解和分析。而双液原电池将阴极和阳极分别置于两个盛有电解质溶液的容器中，中间通过盐桥连接，氧化反应和还原反应分别发生在两个容器中，可以不受干扰地分别进行，有利于对氧化反应和还原反应进行区分和理解。
二、双液原电池在化学实验中的应用
（一）研究外界条件对反应物氧化性和还原性的影响
一般来说，物质的氧化性和还原性会受到温度、pH 值、催化剂等的影响。在实际实验中，我们通常需要研究不同外界条件对物质氧化性或还原性的影响，以及影响的程度。因此，我们可以使用双液原电池探究不同的外界条件对物质氧化性和还原性的影响，下面将阐述一种利用双液原电池探究外界条件对Mn4+的氧化性和Cl-的还原性的影响，使用的是MnO2/NaCl 双液原电池。
图1 MnO2/NaCl双液原电池反应示意图
借助图1中的实验装置可探究pH 值对Mn4+和Cl-的氧化还原反应特性的影响，其中U 型管底部为胶质盐桥，将U型管两端分隔开，形成了一个双液原电池。在实验中，我们将等量的酸溶液滴入U 型管的两端，可以判断pH 值小于7 时，对Mn4+和Cl-的氧化还原反应特性的影响，或是将等量的碱溶液滴入来判断pH大于7时对Mn4+和Cl-的氧化还原特性的影响，实验结果可根据电压表的偏转方向得出，当电压表的示数增大时，说明外界条件对Mn4+的氧化性影响更大；当电压表的示数减小时，说明外界条件对Cl-的还原性的影响更大。
（二）排除氧化剂和还原剂之间的干扰
双液原电池采用两个容器将氧化反应和还原反应分隔开，并通过中间相连的盐桥实现电子的转移，可使氧化反应和还原反应在两个容器中稳定进行，可排除容器中离子的相互作用，对于实验中分别研究氧化反应和还原反应非常有帮助[1]，下面将介绍一种利用双液原电池排除干扰的特性来研究Fe2+和NO3
-的氧化还原反应的实验装置。
图2 FeSO4/HNO3双液原电池反应示意图
与一般的原电池反应不同，Fe2+和NO3-的氧化还原反应在单容器和在双容器中的反应过程是不同的，图2是一种研究Fe2+和NO3-的氧化还原反应的双液原电池实验装置，与图1相同，仍是使用底部的胶质盐桥将U 型管分隔开，形成一个双液原电池。Fe2+和NO3-的电化学反应与其他物质的电化学反应不同，在单容器原电池中，Fe2+会与NO3-的反应产物NO进一步发生反应生成棕色的Fe(NO)2+,会干扰实验现象，不利于分析实验。而在双液原电池中，可将Fe2+与NO3-的反应分隔开来，其中左侧反应为Fe2++e-→Fe3+；右侧的反应为NO3-+e-→NO，这样生成的NO 会直接逸出U 型管而不与Fe2+发生反应，便于通过U 型管两侧溶液的颜色分析实验现象。对于其他容易发生中间反应的原电池，都可以使用双液原电池将氧化剂和还原剂分隔开，从而避免中间反应和中间产物干扰实验。
（三）解决反应竞争问题
反应竞争是化学反应中一种常见现象，但有时反应竞争会干扰化学实验，还会使实验过程无法进行。一般来说，电化学反应中的反应竞争有氧化剂与还原剂之间的相互竞争；电化学反应与复分解反应和络合反应之间的相互竞争等[2]。而双液原电池将氧化反应和还原反应分开的特点可以防止竞争反应的发生，保障实验过程顺利进行，下面将阐述一种使用双液原电池的特性阻止竞争反应的实验。
图3 KI/AgNO3双液原电池实验示意图
图3是一种研究Ag+和I-的氧化还原反应的双液原电池，使用两个烧杯分别盛装KI 溶液和AgNO3溶液，中间通过装有胶质盐桥的U 型管连接。采用这种实验装置的原因是常规的实验手段一般无法研究Ag+和I-的氧化还原反应，因为Ag+和I-的复分解反应的竞争力远大于氧化还原反应的竞争力，因此将Ag+和I-置于同一容器中时，会首先发生复分解反应形成AgI 沉淀物而不会发生氧化还原反应。对于这种有竞争反应的物质，我们可以采用图3中的双液原电池进行研究，这种双液原电池通过两个容器阻隔两种反应物，但中间通过胶质盐桥保证了电子在两个容器之间的流通，因此可以保证在发生氧化还原反应的同时不发生复分解反应生成AgI 沉淀物，便于对Ag+和I-的氧化还原反应进行研究。
结 语
原电池是电化学中的重要知识点之一，双液原电池在化学实验中也有广泛的应用，因此本文对双液原电池在化学实验中的应用进行了研究。双液原电池可将氧化反应与还原反应分隔开来，在化学实验中，双液原电池可用于研究外界条件对反应物和反应性质的影响；排除原电池中中间产物对氧化还原反应的干扰；阻止原电池中竞争反应的发生，可研究一些特殊反应物的氧化还原反应；对某些反应进行定量化研究，通过双液原电池中的高精度电流表的示数来推算反应物的精确浓度值等。以上几点就是本文对双液原电池在化学实验中的应用的研究结果。实际上，双液原电池在化学实验中的应用非常广泛，受篇幅限制，本文研究的深度有限，希望后续的研究能够更加深入细致。
