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摘 要:铜锌原电池理论与实验差别比较大,有的教师很难给学生解释清楚产生这种差别的原因。经过几年的教学、数次实验和查阅有关资料发现,影响这个实验的因素是Zn片和Cu片的纯度、两极之间的电阻大小、两极的表面积大小和粗糙程度、电解质(H2SO4)的浓度,别外,实验温度、接触面积和接触的良好程度对实验也有影响。在教学中,最好从Zn片的纯度和两极之间电阻的大小这两个方面去给学生解释此实验现象。
关键词:铜锌原电池 实验 影响因素
在人教版高中化学(必修加选修)第二册[实验4-15]和高中新课标化学必修2[实验2-4]中,以铜和锌作两极,稀H2SO4溶液作电解质,并用若干导线连接铜片和锌片,在导线中间接入一个电流表。课本和一些资料对此实验现象的描述是:锌片逐渐溶解,铜片上有气泡产生,电流表指针发生偏转。在人教版高中化学(必修加选修)第二册第97页还给出了该原电池的示意图。从示意图上看,锌片上并没有气泡产生,而在实验过程中,我们观察到铜片和锌片上都有气泡产生,而且有时实验时锌片上产生气泡的速率比铜片上的还要大得多。难道是该示意图画错了吗?不是的,该图表示的是理想条件下Cu—Zn原电池的反应情况。
铜片上有气泡产生是因为Zn失去的电子转移到Cu片上,Cu片表面的H+得到电子被还原而形成H2。如果Zn失去的电子全部转移到Cu片上,那么Zn片上将不会有H2生成。但是为什么实验过程中Zn失去的电子不能全部转移到Cu片上呢?经过几年的教学、数次实验和查阅有关资料发现,影响这个实验的因素有以下几个方面:
一、Zn片和Cu片的纯度
实验室中使用的Zn片通常是不纯的,Zn及Zn片中的杂质和稀H2SO4溶液就构成了很多微小的原电池。在反应过程中失去的电子根本不需要经过导线转移,而是直接被Zn片表面的H+获得,H+被还原而形成了H2。而且经过多次实验发现,Zn的纯度越低(当然不能太低),Zn片上产生H2的速度越快(因为Zn片表面形成的原电池越多)。如果使用粗Zn,那么Cu片上几乎没有H2产生。Zn片不纯是这个原电池中Zn片上产生H2的主要原因,大多数教师给学生解释此实验现象时也是这样解释的。
实验过程中,在其它条件相同的情况下,分别使用不同纯度的Cu片,结果发现,纯度不同,实验现象也不同。这又是什么原因呢?原来是纯度不同时,与Zn片的电势之差就不同,也就是说电池的电动势不同。电势之差越大,电子转移越快,Cu片表面产生的H2的速率越大,反之越小。
二、两极之间电阻的大小和两极之间的距离
在实验过程中,使其它条件相同,使用不同材料的导线做实验发现,使用电阻小的导线时,电流强度大(不是很明显,需用比较精确的电流表测量),使用电阻大的导线时,电流强度小,这是什么原因呢?我们都知道使用的导线是有电阻的,电阻小的导电能力强,电子容易通过,反之则不易通过。Zn片失去的电子,由于导线有电阻,不能及时转移到Cu片上,被Zn片表面的H+获得,H+被还原而形成H2。
另外,在其它条件相同的情况下,当减小Zn片和Cu片之间距离时,电流强度增大,当增大Zn片和Cu片之间距离时,电流强度减小(此实验现象非常明显)。其原因是,溶液也有电阻,当减小两极之间的距离时,溶液电阻减小了,所以电流强度增大了,反之,电阻增大,电流强度则减小了。
三、电解质(H2SO4溶液)的浓度
我们知道浓度对反应速率有影响。在这个实验中,电解质(H2SO4)的浓度对实验有较大的影响。实验发现,在其它条件相同的情况下,用不同浓度的H2SO4溶液作电解质,随着H2SO4溶液浓度的增大,电流强度也增大,当原电池中H2SO4溶液的浓度约为45%时,产生最大的电流。当H2SO4溶液的浓度大于45%时,电流强度反而减小。当H2SO4溶液的浓度大于60%以上时,由于浓H2SO4的强氧化性而使Zn表面产生致密氧化层,两极反应停止了。
四、Zn片和Cu片表面积的大小和粗糙程度
实验发现,当其它条件不变时,增大两电极与电解液的接触面积,Zn片和Cu片上H2的生成速率增大,因为接触面积大了,H+与Zn片和Cu片碰撞的机会增多,H+得电子的机会增大。用比较粗糙的Zn片和Cu片做实验也发现,此时Zn片和Cu片上H2的生成速率也增大,原因是粗糙的Zn片和Cu片表面积比较大。
五、温度对实验也有影响
在其它条件相同的情况下,在不同温度下做这个实验发现,溶液温度越高(不能太高),Zn片和Cu片上H2的生成速率越大。其原因是溶液温度升高,H+的运动加剧,与Zn片和Cu片表面碰撞的机会增多,H+得电子的机会增多,所以产生的H2速率将加快。实验过程中,如果我们仔细观察会发现,最开始时虽然稀H2SO4的浓度是最大的,但Zn片上H2的生成速率却不是最大的,而是过一小段时间才是最大的。其原因是,这个反应是一个放热反应,开始反应放出的热使原电池中Zn片附近溶液温度升高。
我认为影响铜锌原电池实验的因素除了上述五个方面之外,还有一些其它的因素,如Cu片和Zn片与导线的接触是否良好等。
在教学中,最好从Zn片的纯度和两极之间电阻的大小这两个方面去给学生解释此实验现象。这样既容易把问题解释清楚,又让学生易于理解,并且有利今后原电池的教学。
参考文献:
[1] 武永兴,胡美玲.全日制普通高级中学教科书《化学》第二册.人民教育出版社,2003.97~98
[2] 宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书《化学》必修2,2007
[3] 傅献彩等主编.《物理化学》北京:高等教育出版社,1990.578~597
[4] 北京师范大学无机教研室主编.《无机化学》北京: 高等教育出版社,2002.356~370
关键词:铜锌原电池 实验 影响因素
在人教版高中化学(必修加选修)第二册[实验4-15]和高中新课标化学必修2[实验2-4]中,以铜和锌作两极,稀H2SO4溶液作电解质,并用若干导线连接铜片和锌片,在导线中间接入一个电流表。课本和一些资料对此实验现象的描述是:锌片逐渐溶解,铜片上有气泡产生,电流表指针发生偏转。在人教版高中化学(必修加选修)第二册第97页还给出了该原电池的示意图。从示意图上看,锌片上并没有气泡产生,而在实验过程中,我们观察到铜片和锌片上都有气泡产生,而且有时实验时锌片上产生气泡的速率比铜片上的还要大得多。难道是该示意图画错了吗?不是的,该图表示的是理想条件下Cu—Zn原电池的反应情况。
铜片上有气泡产生是因为Zn失去的电子转移到Cu片上,Cu片表面的H+得到电子被还原而形成H2。如果Zn失去的电子全部转移到Cu片上,那么Zn片上将不会有H2生成。但是为什么实验过程中Zn失去的电子不能全部转移到Cu片上呢?经过几年的教学、数次实验和查阅有关资料发现,影响这个实验的因素有以下几个方面:
一、Zn片和Cu片的纯度
实验室中使用的Zn片通常是不纯的,Zn及Zn片中的杂质和稀H2SO4溶液就构成了很多微小的原电池。在反应过程中失去的电子根本不需要经过导线转移,而是直接被Zn片表面的H+获得,H+被还原而形成了H2。而且经过多次实验发现,Zn的纯度越低(当然不能太低),Zn片上产生H2的速度越快(因为Zn片表面形成的原电池越多)。如果使用粗Zn,那么Cu片上几乎没有H2产生。Zn片不纯是这个原电池中Zn片上产生H2的主要原因,大多数教师给学生解释此实验现象时也是这样解释的。
实验过程中,在其它条件相同的情况下,分别使用不同纯度的Cu片,结果发现,纯度不同,实验现象也不同。这又是什么原因呢?原来是纯度不同时,与Zn片的电势之差就不同,也就是说电池的电动势不同。电势之差越大,电子转移越快,Cu片表面产生的H2的速率越大,反之越小。
二、两极之间电阻的大小和两极之间的距离
在实验过程中,使其它条件相同,使用不同材料的导线做实验发现,使用电阻小的导线时,电流强度大(不是很明显,需用比较精确的电流表测量),使用电阻大的导线时,电流强度小,这是什么原因呢?我们都知道使用的导线是有电阻的,电阻小的导电能力强,电子容易通过,反之则不易通过。Zn片失去的电子,由于导线有电阻,不能及时转移到Cu片上,被Zn片表面的H+获得,H+被还原而形成H2。
另外,在其它条件相同的情况下,当减小Zn片和Cu片之间距离时,电流强度增大,当增大Zn片和Cu片之间距离时,电流强度减小(此实验现象非常明显)。其原因是,溶液也有电阻,当减小两极之间的距离时,溶液电阻减小了,所以电流强度增大了,反之,电阻增大,电流强度则减小了。
三、电解质(H2SO4溶液)的浓度
我们知道浓度对反应速率有影响。在这个实验中,电解质(H2SO4)的浓度对实验有较大的影响。实验发现,在其它条件相同的情况下,用不同浓度的H2SO4溶液作电解质,随着H2SO4溶液浓度的增大,电流强度也增大,当原电池中H2SO4溶液的浓度约为45%时,产生最大的电流。当H2SO4溶液的浓度大于45%时,电流强度反而减小。当H2SO4溶液的浓度大于60%以上时,由于浓H2SO4的强氧化性而使Zn表面产生致密氧化层,两极反应停止了。
四、Zn片和Cu片表面积的大小和粗糙程度
实验发现,当其它条件不变时,增大两电极与电解液的接触面积,Zn片和Cu片上H2的生成速率增大,因为接触面积大了,H+与Zn片和Cu片碰撞的机会增多,H+得电子的机会增大。用比较粗糙的Zn片和Cu片做实验也发现,此时Zn片和Cu片上H2的生成速率也增大,原因是粗糙的Zn片和Cu片表面积比较大。
五、温度对实验也有影响
在其它条件相同的情况下,在不同温度下做这个实验发现,溶液温度越高(不能太高),Zn片和Cu片上H2的生成速率越大。其原因是溶液温度升高,H+的运动加剧,与Zn片和Cu片表面碰撞的机会增多,H+得电子的机会增多,所以产生的H2速率将加快。实验过程中,如果我们仔细观察会发现,最开始时虽然稀H2SO4的浓度是最大的,但Zn片上H2的生成速率却不是最大的,而是过一小段时间才是最大的。其原因是,这个反应是一个放热反应,开始反应放出的热使原电池中Zn片附近溶液温度升高。
我认为影响铜锌原电池实验的因素除了上述五个方面之外,还有一些其它的因素,如Cu片和Zn片与导线的接触是否良好等。
在教学中,最好从Zn片的纯度和两极之间电阻的大小这两个方面去给学生解释此实验现象。这样既容易把问题解释清楚,又让学生易于理解,并且有利今后原电池的教学。
参考文献:
[1] 武永兴,胡美玲.全日制普通高级中学教科书《化学》第二册.人民教育出版社,2003.97~98
[2] 宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书《化学》必修2,2007
[3] 傅献彩等主编.《物理化学》北京:高等教育出版社,1990.578~597
[4] 北京师范大学无机教研室主编.《无机化学》北京: 高等教育出版社,2002.356~370