用数字化实验呈现“可逆”原电池

杨美玲

摘要：通过使用数字化实验，在原电池的课堂演示实验中以曲线的形式呈现反应方向的改变、反应速率的变化，帮助学生将原电池知识与反应速率、化学平衡知识融会贯通。

关键词：数字化实验;原电池;可逆反应;化学平衡

文章编号：1008-0546（ 2020）08-0092-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.08.026

王继璋[1]提出，用20mL 0.1mol/L KI溶液和20mL0.1mol/L FeCl3溶液组成双液原电池后，发生反应2FeCl3+2KI =+2FeCl2+2KCl，电流表发生偏转。待电流表指针指向“0”后，加入碘单质或FeCl2晶体，电流表指针将再偏转。待电流表指针再次指向“0”后，再加入KI晶体，电流表指针将又发生偏转。通过这个实验，帮助学生深刻理解平衡状态及平衡移动。 笔者对这个实验非常感兴趣，认为该实验可应用于课堂上，帮助学生理解化学平衡知识。然而，笔者在实验室进行该实验时，发现：

问题一、电流衰减很慢，如表1：

前2小时内，从电流表中几乎看不出电流的减小。如果要等电流表指针重新指到“0”，需要一个非常漫长的等待过程。

问题二、向烧杯中再加入FeCl3固体、KI固体、碘单质，电流表指针偏转不明显。如果该实验应用于课堂教学，还需要进行一定的调整，使实验现象更加清晰。

为了使该实验能服务于课堂教学，筆者做了多次实验，寻找适合课堂教学的最佳实验方案。

一、实验器材和药品

0.1mol/L FeCl3溶液、0.01mol/LFeCl2溶液、0.1mol/LKI溶液、0.01mol/L KI溶液、还原铁粉、碘单质。上海数好（Seho）数字化实验室微电流传感器、盐桥、烧杯、导线、石墨碳棒、50mL小烧杯、漏斗、滤纸。

二、实验改进研究

1.电流能否在课堂40min内衰减为0

针对问题一，笔者用数字化实验微电流传感器代替灵敏电流表，尝试通过调整两种电解质溶液的浓度来缩短电流衰减为0的时间。

实验操作：小烧杯A中盛有电解质溶液1，小烧杯B中盛有电解质溶液2。微电流传感器的红线连接石墨碳棒，浸入小烧杯A中;微电流传感器的黑线连接石墨碳棒，浸入小烧杯B中。实验装置如图l： 在计算机Seho通用软件上设置每秒记录一个数据，放人盐桥，点击“开始”按钮。

多次实验表明，FeCl3与KI反应的趋势非常大，即使实验中FeCl3的浓度非常小，2FeCl3+2KI=I2+2FeCl2+2KCl依然正向进行，且该原电池电流能持续很长时间，要在课堂40min内观察到电流衰减为0十分困难。另外，在多组实验中，电流忽大忽小，很不稳定，但都呈现了总体增大的趋势。可见，除了浓度以外，还有其他因素影响了FeCl3与KI反应速率。复杂的影响因素情况可能会干扰学生的核心知识学习。

2.电流能否在课堂40min内呈现逐渐减小的过程

为了帮助学生理解“反应过程中电流大小与反应速率有关，而随着反应的进行，反应速率将逐渐减小，因此，电流将逐渐减小”这个原理，笔者进行了多组不同浓度的实验，尝试让学生观察到2FeCl3+2KI=I2+2FeCl2+2KCl反应中，电流随着反应的进行而逐渐减小的过程。

经过多次实验，找到了比较适合的浓度方案，其中三组对比如表2及图2：

多次实验表明，FeCl3与KI的反应过程中，FeCl3的浓度即使较小，反应开始时的速率也呈现了逐渐增大的趋势。除了浓度以外，盐桥、局部的离子浓度变化、空气等，可能影响了FeCl3与KI的反应速率。如果要在课堂上将反应速率与原电池知识联系学习，应该选择第2组或第3组实验。

3.在课堂上呈现“可逆”原电池

笔者选取第3组实验方案在课堂上进行实验教学。点击“开始”按钮以后，学生在投影幕上可实时观察到原电池电流在每一秒中的数据变化。反应进行到约350秒时，向盛有FeCl2、FeCl3溶液的小烧杯A中加入了约1滴管0.1mol/LFeCl3溶液，得图3。

学生观察到电流曲线从开始时的逐渐变小到平稳，到FeCl3浓度增大时，电流由负变正，学生们都表现得十分惊奇，学习兴趣、探究热情一下就高涨起来了。

在教学过程中，通过以下几个问题引导学生学习：

（1）电流为负，说明2FeCl3+2KI=I2+2FeCl2+2KCl正在向哪边进行？

微电流传感器的红线连接石墨，浸入FeCl3、FeCl2混合溶液的小烧杯A中;微电流传感器的黑线连接石墨，浸入KI、I2混合溶液的小烧杯B中。如果小烧杯A为正极区，小烧杯B为负极区，电流应该为正。现在电流为负，说明小烧杯A为负极区，发生氧化反应：Fe2+_e-=Fe3+;小烧杯B为正极区，发生还原反应：I2+2e=21-。即反应正在向逆方向进行。

（2）向小烧杯A中加入约1滴管0.1mol/L FeCl3溶液后，曲线出现如上图所示的突变，说明什么？

电流由负变为正，说明反应方向发生了变化。原来的小烧杯A（负极区）变为了正极区，发生还原反应：Fe3++e-=Fe2+;原来的小烧杯B（正极区）变为了负极区，发生氧化反应：21--2e-=I2。通过改变浓度，实现了反应方向的逆转。

（3）反应初始阶段，电流的变化趋势是怎样的？联系物理学到的“电流强度”的定义及化学平衡的特点，思考：电流大，表示该化学反应的哪个物理量大？如果电流为0，表示什么？

在初始阶段，曲线上升。学生很容易误会，此时电流在增大。但是，学生通过讨论，很容易明白纵坐标的负号只表示反应的方向，数据的绝对值才表示电流的大小。

物理学到的“电流强度”是指单位时间内通过一定横截面的电量多少。学生能迅速联想到，电流强度越大，即表示单位时间内转移的电子数越多，也即化学反应进行得越快，反应速率越大。所以，电流大，表示化学反应速率大;电流为0，表示反应“静止”，即反应到达了平衡状态。

（4）通过以下经典习题，对所学知识进行巩固：

某小组同学欲探究可逆反应As0;-+12+20H-=AsO3-+21-+H2O。设计如图4所示装置。加入试剂并连接装置，电流由C：流入C，。当电流变为零时，向图3装置左边烧杯中逐滴加入一定量2mol/L盐酸，发现又产生电流，实验中电流与时间的关系如图5所示。

①a、b、c中，能表示反应正在向生成I2方向进行的是

。

②图5中As0;-的逆反应速率：a__ b（填“>”“<”或“=”）。

③能判断该反应达到平衡状态的是 ___

。

a.2v（l-）正=”（AsO3-）逆 b.溶液的pH不再变化

c.电流表示数变为零

d.溶液颜色不再变化

三、研究体会：

1.数字化实验使抽象的反应方向在课堂上清晰可视

通过调整反应物的浓度，使用数字化实验，使本来现象不太明显、耗时很长的实验，改进为在课堂上可即时观察到化学反应方向改变的演示实验。通过曲线图中电流方向随时间的变化分析，可直观地观察到原电池反应方向的变化。学生对于如此清晰的曲线变化，表现出了极大的求知欲与浓厚的兴趣，有利于下一步的化学学习。

2.跨学科、跨知识块学习，培养学生化学学科核心素养

高中化学学科核心素养是高中学生发展核心素养的重要组成部分，是学生综合素质的具体表现，反映了社会主义核心价值观下化学学科育人的基本要求，全面展现了化学课程学习对学生未来发展的重要价值[2]。学生的化学学科核心素养的发展，必须通过化学学科核心内容的探究学习。

学生在课堂上对实验的探究、讨论分析的过程中，通过物理学中“电流强度”的定义，联系到化学中氧化还原反应的得失电子，进而分析出电流强度大，表示反应速率快，这个过程的学习，渗透了“宏观辨识与微观探析”素养的培养。加入浓的FeCl3溶液后，电流方向的改变，指示了反应方向的改变，使抽象的概念可视化，这是“变化观念与平衡思想”素养的渗透。

参考文献

[1]王继璋.设计电化学实验理解化学平衡及平衡移动[J].中学化学教学参考，2019（5）：48-49

[2] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程標准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

2018年广州市天河区教育科学“十三五”规划课题《数字化实验在中学化学教学中的开发与应用研究》（立项编号：2018Y005）研究成果