离子交换双膜原电池装置的制作与教学思考

杜爱萍

摘要：以PP塑料板作为装置的腔体，以硅胶垫片来密封，自制耐温、耐压、可持续使用的双膜原电池装置。使用电流传感器、温度传感器对比测定单液铜锌原电池与自制双膜铜锌原电池的电流、温度，发现自制双膜原电池具有更高的能量转化率。使用氯离子检测仪、钾离子检测仪检测盐桥中的离子移动方向，使学生能直观地感受到盐桥中离子移动的方向。

关键词：双膜原电池;离子交换膜;实验探究;教学思考

文章编号：1005-6629（2021）04-0060-04

中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1问题提出

1.1教材引入双液原电池的教学意图与实际状况的矛盾

基于核心素养培育的实验教学，目标指向对真实环境下的实验事实的发现和提出有探究价值的问题，并以此为基础培养学生严谨求实的科学态度。2019人教版必修教材《化学》（第二册）中从能量转换的角度分析了单液原电池的基本概念，在2019人教版化学选择性必修1教材中，又引入了双液原电池的概念。单液原电池到双液原电池的转变，意在解决两个问题：

第一，为了克服单液原电池的电流不稳定、放电时间偏短、实验现象不明显等问题，同时也是为了更直观地表达化学电源的真实状况;第二，为了凸显能量转化的教学目标指向。化学能转化为电能的能量转换效率是研究原电池的实际意义所在，由单液原电池改为双液原电池，是希望让学生感悟到提高能量转换效率的意义。

然而，实际教学中的实验现象与我们期待的问题解决并不完全一致。笔者以化学选择性必修l教材提供的相关试剂与器材[铜片（3cm×6cm）、锌片（3cm×6cm）、1mol·L^-1的CuSO₄溶液、1mol·L^-1的ZnSO₄溶液]，采用朗威8.0电流传感器进行数据采集，同时进行单液原电池与双液原电池（U型管琼脂KCl作为盐桥）反应，所得实验数据如图1所示。

反应10分钟，双液原电池的电流一直稳定在10mA，而单液原电池的电流从174mA逐渐衰减至154mA。对比电流的变化情况，学生可以观察到双液原电池可以获得平稳的电流，而单液原电池产生的电流在逐渐衰减。因此，这个实验很好地解决了第一个教学问题，即双液原电池能获取平稳的电流。

而针对问题二，由于双液原电池的电流强度（10mA）远小于单液原电池的初始电流强度（174mA），能量转换率无法从单、双液原电池的电流强度对比上得以说明（见图1）。这一实际情况与教材的出发点背道而驰，也形成了教学上的困惑。

由于问题二的存在，致使我们在教学中只能强调引人双液原电池的目的是为了获取平稳电流而弱化能量转换的概念。由此带来一个值得思考的实验改进问题：如何在相同条件下，使双液原电池获得比单液原电池强度更高的稳定电流。

1.2关于原电池教学中内外电路带电粒子移动的可视化问题亟待解决

原电池概念教学过程中，无法回避的另一个问题是关于原电池放电过程中的带电粒子的移动。实验中，我们可以通过电流表直观地表现原电池外电路带电粒子——电子的移动;然而，对于内电路的带电粒子——离子的定向移动，只有理论表述，可视化程度不高，与现代学科背景下的教学要求相距甚远，缺失微观探析所需要的“证据推理”，由此成为学生从微观层面理解原电池原理的障碍，不利于学生对原电池工作原理的“模型建构”。

2实验改进比较分析：

2.1双液原电池的改进

U型管盐桥双液原电池之所以测定的电流（10mA）远小于单液原电池的电流（174～154mA），是因为U型管盐桥的接触面积小，路径细又长，导致电池内阻增加较多，使得作为能量表征手段之一的电流强度远低于单液原电池的电流强度。

基于此，笔者采用离子交换膜作为隔膜分开正负两极，减小内阻，替代传统U型管盐桥进行双液原电池的实验改进。采用温度传感器与电流传感器从能量转换的两个方面来体现双液原电池具有更高的能量转换率。

2.2以手持技术实现内电路离子移动的可视化

在实际教学中，原电池中阴、阳离子的定向移动缺失微观探析的直观表象，因此决定使用手持技术这种宏观、直显的表现形式将其外显，希望通过构建阴、阳离子交换膜双膜原电池，并使用氯离子、钾离子检测仪来检测溶液中Cl^-、K⁺的移动方向，让学生直观地感受原电池内电路中阴、阳离子的移动方向。

3实验改进方案

3.1阴、阳离子双膜原电池装置的制作

离子交换膜装置制作过程中存在的最大问题是密封性问题。采用热熔胶方式进行装置的密封虽比较常见，但在使用时，溶液长时间浸泡离子交换膜，会导致交换膜溶胀变形而漏水。

基于密封性考虑，笔者选用PP塑料板作为装置的腔体材料，腔体与离子交换膜之间通过硅胶垫片来密封。腔体的切割面光滑整齐，便于硅胶垫片的密封;腔体与垫片有一定的软度，便于钢板螺丝所产生的外力夹紧密封整个装置。

如图2所示。图2（a）为装置的腔体，图2（b）为装置所用的垫片，中间镂空便于溶液中的离子通过交换膜。圖3为双膜装置连接示意图。该装置耐温、耐压，密封性良好。使用一段时间后，如果离子交换膜破损，可以将螺丝拧开重新换上新的离子交换膜持续使用。

采用该设计思路，教师可以设计任意的离子交换膜装置。根据离子交换膜的个数来选择腔体的个数，从而根据实际需要来设计装置。如果把腔体→垫片→交换膜→垫片看做一个整体，记为A，则单膜装置的连接顺序为A→腔体;双膜装置的连接顺序为A→A→腔体;三膜装置则为A→A→A→腔体。装置搭建好后，最末端的腔体用7 cru×7cm的垫片、7cm×7 cm×1cm的pp板连接，然后再用钢板以及螺丝将整个装置固定（如图3所示）。

图4为笔者设计的双膜装置示意图，盛有硫酸锌溶液的腔体构成负极区域，盛有KCl溶液的腔体构成盐桥区域，盛有硫酸铜溶液的腔体构成正极区域。阴离子交换膜分开负极区域与盐桥区域，而阳离子交换膜分开正极区域与盐桥区域。

3.2实验步骤与结果分析

实验仪器：电脑、朗威8.0数据采集器、电流传感器（2个）、温度传感器（2个）、数据采集器、氯离子检测仪、钾离子检测仪、自制的阴阳离子交换膜双膜原电池装置

实验药品：铜片（3cm×6cm）、锌片（3cm×6cm）、1mol·L^-1的CuSO₄溶液、1mol·L^-1的ZnSO₄溶液、饱和KCl溶液、0.5mol·L^-1的BaCl，溶液、0.5 lnol·L^-1的NaOH溶液

3.2.1实验一的步骤与结果

（1）实验步骤：将铜片、锌片分别放入双膜原电池装置的硫酸铜溶液、硫酸锌溶液中，组成双膜原电池。同时将铜片、锌片都放人硫酸铜溶液中，组成单液铜锌原电池。将单液、双膜铜锌原电池同时连接电流传感器。测得电流随时间变化的对比图，如图5所示。

反应10分钟后，將温度传感器分别放人双膜原电池、单液原电池锌片附近，同时进行温度、电流的测定，测得的结果如表1所示。

（2）实验结果：反应10分钟后，双膜原电池的电流一直稳定在200mA，而单液原电池的电流在154mA上下浮动。

对比电流的变化情况，学生可以观察到双膜原电池可以获得平稳的电流，而单液原电池产生的电流不稳定。双膜原电池很好地解决了第一个教学问题，即双膜原电池能获取平稳电流。

改进后的双膜原电池的电流强度（20HDmA）远大于单液原电池的电流强度（从174mA逐渐下降），从电流强度的数据可以看出，双膜原电池中的化学能转换成电能的效率远高于单液原电池，有较高的能量转换率。

反应10分钟后，双膜原电池的温度为25.0℃，单液原电池的温度为29.3℃。可以看出，双膜原电池中化学能转换成热能的部分远小于单液原电池。从能量的角度再一次说明双膜原电池较单液原电池具有更高的能量转换率。

（3）改进优点：第一，改进实验很好地解决了单液原电池到双液原电池转换过程中存在的问题：即获取平稳电流和较高的能量转换率。第二，自制双膜原电池装置的创新，潜移默化中培养了学生实验探究与创新意识的能力。第三，手持技术的应用，将抽象的能量转换效率问题以电流、温度数据变化的形式直观地显现出来，体现了化学核心素养中宏观辨识与微观探析的有效结合。

3.2.2实验二的步骤与结果

（1）反应一段时间后，将氯离子检测仪分别放入硫酸铜区域、硫酸锌区域。由图6随反应时间的增加负极区（ZnSO₄溶液）中c（Cl^-）在逐渐增加，说明中间盐桥区域的Cl经过阴离子交换膜移动到负极区;而正极区（CuSO₄溶液）c（Cl^-）浓度为0，而且随时间的增长是一条直线，说明Cl^-没有移动到正极区。

（2）将钾离子检测仪分别放人硫酸铜区域、硫酸锌区域。由图7可以看出随反应时间的增加，负极区（ZnSO₄溶液）中c（K⁺）浓度为0，而且随时间的增长是一条直线，说明K⁺没有移动到负极区。而正极区（CuSO₄溶液）中K⁺浓度在逐渐增大，说明中间盐桥区域的K⁺经过阳离子交换膜移动到正极区。

（3）取出少许（盐桥）KCl区域溶液，分别滴加BaCl₂、NaOH溶液。

实验现象：溶液仍然澄清。

（4）实验优点：第一，该实验操作直观、简单、方便，重现性强，在实际教学中能很好地激发学生的学习兴趣。第二，采用钾离子传感器和氯离子传感器手持技术，使学生直观地感受到盐桥中钾离子、氯离子的移动方向。将抽象的理论知识以直显的形式呈现给学生，降低了学习难度，同时为电解池中阴阳离子交换膜的使用奠定了基础。第三，手持技术的应用提高了学生证据推理能力，同时建立了原电池溶液中离子定向移动的认识模型。第四，离子检测仪测定结果与定性的离子检测结果完全吻合，体现了现代化学研究的一个发展方向，即定量或半定量的化学研究将逐步取代传统的定性研究。

4结语

以化学课堂为载体，培养学生实验探究与创新能力是提升学生的化学学科核心素养的关键。手持技术的应用是对高中典型实验的创新，双膜原电池的设计与制作，以及在实际教学中所呈现的宏观现象、曲线表征等就是对微观探析的有力支撑，充分体现了化学学科特有的宏观辨识、微观探析、曲线（符号）三重表征的学习特点。

在教学过程中，充分利用现代实验手段（如手持技术），以定量的曲线表征增加宏观体验，这不仅仅是提高微观表征的可视化，以易于理解的方式传授给学生，更是体现了现代化学研究从“定性解释转向定量解释”，从“描述化学转入到理论化学，并建立理论模型”的发展方向，让高中化学课堂真正成为提升学生学科素养的场所。