离子交换双膜原电池装置的制作与教学思考-《化学教学》(2021年4期).docx

龙源版权所有 离子交换双膜原电池装置的制作与教学思考作者：杜爱萍来源：《化学教学》2021年第04期 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，無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···试读结束