基于电化学原理的自制铜勋章趣味实验

王新福 李德前 项佳敏

江苏省锡山高级中学(214174) 徐州市西苑中学(221000) 南京师范大学教师教育学院(210097)

1 引言

“化学能与电能的转化”是高中化学选修教材“化学反应原理”中的重点和难点，其涉及氧化还原反应、电解质溶液和物理学中相关的电学知识，认知难度较大。

董新伟、魏锐等基于铁及其化合物性质设计了自制铜勋章微型实验，富有趣味性和教育意义。本文基于电解池和原电池原理设计了一组自制铜勋章趣味实验，用不同的化学原理实现类似的写入信息的效果。本实验的目的是：(1)用有趣的实验现象激发学生的学习兴趣；(2)把已学知识迁移到新情境中，加深学生对电化学原理的理解；(3)培养学生的动手实践能力。

2 实验Ⅰ

2.1 实验用品

铜片、铜丝、砂纸、毛笔、1 mol/L硫酸铜溶液、导线、直流电源(16 V)、橡皮筋等。

2.2 实验步骤

(1)如图1，用橡皮筋将铜丝缠绕在毛笔的笔尖附近，使铜丝隐藏在毛笔尖中(笔尖部分的铜丝长度以不影响书写为宜)。

(2)用砂纸将铜片打磨擦净，保证表面光洁。

(3)用导线将铜丝与电源负极相连，将铜片与电源正极相连。

(4)用毛笔蘸取硫酸铜溶液，在铜片上写字(例如：CHEM EDUC)。

2.3 实验现象与讨论

如图1所示，当毛笔在铜片上划过时，会留下深浅不一的痕迹，如果写字或作画的速度慢(笔尖与铜片接触时间长)则颜色较深，如果写字或作画的速度快(笔尖与铜片接触时间短)，则颜色较浅。

2.4 实验结论

该实验利用了电解池的原理，被书写文字的铜片作阳极，隐藏在毛笔中的铜丝作阴极，毛笔笔尖蘸取的硫酸铜溶液作电解质。毛笔尖与铜片接触时发生电解反应，铜片被腐蚀，且接触时间越长腐蚀越严重。

3 实验Ⅱ

3.1 实验用品

锌片、铜片、砂纸、蜡笔、2 mol/L硫酸锌溶液、导线、直流电源(16 V)、电解槽等。

3.2 实验步骤

(1)用砂纸将铜片擦净，保证表面光洁。

(2)用蜡笔在铜片表面写字(例如：CHEM EDUC)，如图2(a)。

(3)用一根导线连接上述铜片，并与电源负极相连；用另一根导线连接锌片，并与电源正极相连。

(4)将铜片和锌片同时插入2 mol/L的硫酸锌溶液中，接通直流电源(16 V)，观察铜片表面的变化。

3.3 实验现象与讨论

接通电源后，蜡笔覆盖的部分始终保持原有字迹的颜色，但蜡笔痕迹以外的部分逐渐变成灰黑色。断开电源后，铜片被蜡笔覆盖的部分呈现与周围明显不同的颜色，如图2(b)。

3.4 实验结论

该实验铜片被蜡笔痕迹覆盖的部分不与电解质溶液接触，不构成电解池，Zn2+无法在此得电子生成锌，所以仍然保持原有的颜色。而痕迹以外的部分构成电解池，溶液中的锌离子不断得电子，成为锌原子并沉积在该部分，所以呈现灰黑色。

4 实验Ⅲ

4.1 实验用品

锌片(或锌粒)、铜片、砂纸、蜡笔、2 mol/L硫酸锌溶液、烧杯、石棉网、三脚架、酒精灯等。

4.2 实验步骤

(1)用砂纸将铜片擦净，保证表面光洁。

(2)用蜡笔在铜片表面写字或作画，与实验Ⅱ类似。

(3)把覆有蜡笔痕迹的铜片和锌片(或锌粒)放入烧杯中，保证铜片始终与锌片(或锌粒)直接接触。在烧杯中加入硫酸锌溶液，直至完全浸没烧杯中的金属固体。

(4)在酒精灯上加热烧杯，使液体接近沸腾，持续2～3 min。

4.3 实验现象与讨论

本实验的结果与实验Ⅱ类似。加热过程中，蜡笔覆盖的部分始终保持原有字迹的颜色，但蜡笔痕迹以外的部分逐渐变成灰黑色。停止加热后，颜色不再变化。

这一结果超出了高中学生的认知范围，引发了学生的猜测：可能因为铜片不纯，含有比锌活泼的金属，将Zn2+置换，在铜片表面析出锌。但是，这一猜想很快被否定：铜片纯度为99%，且如果有其它金属杂质(多为银白色)，其表面的颜色本来就会改变。实际上，虽然锌片、铜片与硫酸锌不能发生氧化还原反应，但仍然能形成一个特殊的原电池——浓差电池，即(-)Zn(s)|ZnSO4(aq)|Cu(s)(+)，其模型如图3所示。

反应时，锌电极(负极)上的锌原子变成锌离子进入溶液中，溶液中的锌离子又变成锌原子在铜电极(正极)上析出。电极反应和总反应如下(注：ZnX的下标“X”代表电极金属)。

4.4 实验结论

该实验依然构成了原电池，锌片为负极，铜片为正极，硫酸锌为电解质溶液。由于Zn-Zn的金属键键能小，Zn-Cu的金属键键能大，所以虽然总反应不是氧化还原反应，但是电能的来源依然是化学能。

5 结束语

上述3个易于操作又富有趣味性的实验，允许实验者利用电化学原理在铜勋章上写入任意的信息。在教学中，本实验既可以作为课堂引入时的教师演示实验，引起学生对电化学的学习兴趣，引导学生主动思考实验现象背后的电化学原理；也可以作为课外拓展时的学生动手实验，引导学生发挥想象力和创造性设计自己的铜勋章，并基于电化学知识探究如何改进铜勋章的品质(例如，如何让镀层牢固、不易脱落等)。