盐桥知多少

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  在高二化学<<原电池>>这一节中出现了盐桥这一装置。盐桥在原电池中的作用,盐桥的使用技巧等等,作为新生事物,给学生造成的困惑不少。要想对盐桥形成全面的认识,笔者以为就要从引入盐桥的目的进行探讨。
  对没有盐桥的以硫酸铜为电解质的铜-锌原电池为例,装置如图a。接通电路后可观察到的主要现象是:锌片溶解,铜片上有红色物质生成,导线中有电流通过。但细心的同学还会观察到,原电池工作一段时间后,锌电极也开始产生红色物质,导线中的电流越来越小,用纯度很高的锌做电极依然如此,那锌电极为什么会有铜生成呢?从理论上看,铜应该只在铜电极生成,但由于锌电极浸泡在硫酸铜溶液中,不可避免会有少量铜离子直接在锌片上获得电子,这样这部分锌失去的电子就没有通过导线,使一部分化学能没有转变为电能,,且生成的铜覆盖在锌表面,直接与锌构成许多微小的原电池,这将加快锌的溶解,而溶解的锌失去的电子没有通过导线,直接被铜离子获得,使锌上析出更多的铜,这种循环会促使电路中电流不断减小,电池效率进一步降低,因此这样的电池工作时间短,不能持续供电,不具有使用价值。要解决这个问题,关键是不能让负极金属与参与反应的电解质接触,既电池反应的还原剂与氧化剂不能接触。因此有人提出如图b的方案,很显然电池没有构成闭合回路,它是不能工作的。在此基础上,如果使用盐桥,设计成图c的装置,实验结果表明电路中有持续电流,且锌电极不再有铜生成,有效的克服了前述电池效率低,不能持续工作的问题。
  那么盐桥是怎样构成的?在这里又起了什么作用呢?教材中使用的盐桥是装有饱和KCl琼脂溶胶的U形管,由于KCl溶液包含在凝胶中,离子可以在其中自由移动,但不致使溶液流出来。盐桥在图c中既实现锌电极与硫酸铜中铜离子的隔离,又建立了内电路的离子通道,使电路闭合。其电池工作原理如下,锌失去电子成为Zn2+进入溶液中,使ZnSO4溶液中Zn2+过多,使溶液带正电,从而阻止锌继续失去电子进入溶液,但有盐桥后,盐桥中氯离子会向ZnSO4溶液中移动,中和过多的Zn2+所带的正电荷,保证锌可不断失去电子成为Zn2+进入溶液。同理硫酸铜溶液因铜离子不断减少而带负电,盐桥中钾离子移向硫酸铜溶液也可中和过多的负电荷。因此,盐桥在电池中另一个作用是保持溶液的电中性,使电池能持续工作。
  盐桥作用如此之多,那么其使用有哪些需要注意的地方呢?1、用作盐桥的溶液应符合以下条件:(1)阴阳离子的迁移速度相近;(2)盐桥溶液的浓度要大,盐桥溶液不与电解质发生反应或不干扰原电池反应。从盐桥的工作原理看,它能不能无限使用下去呢?从上面盐桥分析知,其钾离子氯离子不但移向电解质溶液,使KCl浓度减小,工作一段时间后,要对盐桥修复。对KCl盐桥的修复,就是把它放在饱和KCl溶液中浸泡即可。
  对含盐桥的原电池探讨中,有同学可能还有以下疑问。问题1、电解质溶液的阳离子通常要与电极材料的阳离子相同?如Zn极对应的是硫酸锌,能不能是氯化锌或者氯化钠呢?从上面分析知,只要锌半电池中的电解质不与锌直接反应,锌能以Zn2+进入溶液,其失去的电子通过导线到达正极即可,因此用氯化锌或者氯化钠做电解质也可以,但用氯化铜,硝酸银等可与锌直接反应的电解质就不行。问题2、为使电路闭合,能用铜导线代替盐桥吗?我们知道,盐桥的作用不仅使整个装置构成通路,还能保持溶液的电中性。若用金属代替盐桥,要使溶液保持电中性,那就不是一个简单的原电池问题,此装置原理复杂,了解此点即可,这里不予深究。
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