原电池演示实验装置改进
铜锌原电池改进实验设计
铜锌原电池改进实验设计摘要：在演示铜锌原电池实验时，由于锌片纯度不够高造成实验过程中锌片产生大量气泡，而铜片表面的现象并不明显。
针对该问题可以对课本中的实验装置进行改进，从而确保学生充分观察到实验现象，得出正确的实验结论。
高中化学教材必修二第三章第一节第二课时实验6-3关于铜锌原电池装置如图1所示，将铜片锌片直接插入到稀硫酸溶液中，或者是使用盐桥的铜锌原电池装置[1]。
然而在学生实验中，图1所示的实验装置中锌片产生大量气泡，铜片实验现象并不明显；使用盐桥可以很好地避免这些缺陷，然而在带领学生做大量实验时发现，该装置制作盐桥步骤复图1铜锌原电池实验装置杂，同时会造成药品不必要的浪费。
经过查阅文献，找到一些效果很好的锌铜原电池改进实验装置，如图2所示，该实验中通过稀氯化钠溶液与双层滤纸可以对锌片起到会很好的保护作用，从而在铜片表面观察到明显气泡现象[2]，然而在笔者尝试实验时，却发现该实验操作复杂，不利于学生操作。
为了能使同学们充分观察到实验现象，同时便于学生实验操作，笔者对铜锌原电池实验装置进行改进，实验改进如下，图2铜锌原电池改进实验装可供参考。
一、设计思路：经过查阅资料，发现工业生产的锌锰干电池中用到淀粉氯化铵胶体保护负极，并且可以形成内电路产生稳定电流[3]，于是设计了用淀粉氯化钾糊保护锌片，同淀粉糊时不影响锌片表面离子转移，经过实验可以清楚地看到铜片表面产生大量气泡，锌片几乎不产生气泡。
改进实验装置如图3所示二、改进方法：图3铜锌原电池简易装置（一）取120g氯化钾分两次加入到300ML沸水中，搅拌至完全溶解，称量42g淀粉分三次加入氯化钾溶液中，充分搅拌适当加热至呈胶状后停止加热，就得到了所需要的淀粉氯化钾糊。
（二）将锌片均匀涂上所制淀粉氯化钾糊，然后包上一层滤纸，与铜片连接电流表插入2.5mol/L的稀硫酸溶液中。
（三）观察到铜片产生气泡后，即可取出锌片。
经过以上操作，可于50S内在铜片上观察到明显气泡现象，从而证明铜的表面发生氢离子得到电子的还原反应，实验现象揭示了铜锌原电池的本质：将氧化反应和还原反应分别在不同的区域进行。
原电池实验改进
二、实验改进
1．用U型管代替教材上的装置节约硫酸用量。
2．铜丝代替铜片现象更明显。
3．在锌片表面涂凡士林消除锌极上的气泡。
4．用鳄鱼夹直接连接铜丝和锌片可减小电阻。
教 材 装 置
改 进 后 装 置
三、装置优点
1.装置简单，药品用量少、铜丝上产生气泡现 象明显。 2.装置小巧，可做分组实验，产生的臭味几乎 没有。 3.用鳄鱼夹直接连接铜丝和锌片，减小电阻使 实验现象更加明显。
一、问题的提出苏教版化学2上给出的铜锌原电源自装置作为一 个演示实验却存在一些不足：
1．该装置需要稀硫酸较多，不符合绿色化学 思想。
2．用该装置实验往往铜片和锌片同时有气泡 产生，甚至锌片产生的气泡比铜片还多。演示 实验本来是为理论知识的学习服务，在学生还 没有掌握原电池原理的情况下，显然不符合学 生的认知规律。
谢谢！
改进原电池
盐桥
Ag
某原电池装置如右图所示。下列有关叙述正 确的是 A．Fe作正极，发生氧化反应 B．负极反应： 2H+ + 2e－＝H2↑ C．工作一段时间后，NaCl溶液中c(Cl－)增大 D．工作一段时间后，两烧杯中溶液pH均不 变
作业
• 课后练习P73. 3，6
预期现象 锌片溶解 铜片上有铜析出 电流表指针偏转 实验现象 锌片上也有铜析出 铜片上有铜析出 电流表指针偏转
发现 问题
Zn片上有铜产生
1.能量转换率低
Zn含杂质，自身与硫酸铜构成原电 池，Cu2+在Zn路情况下
3.负极损耗
锌与硫酸铜直接接触
Zn－2e－=Zn2+
锌片表面析出铜 电流表偏转
电流表偏转更大
外电路
Zn 2+ Zn －
e－ e
－ Cl － K － Cl－ K Cl K + +Cl K + +K +－ K Cl － Cl + － － ClK ClK + + － + K KCl Cl － + K － Cl Cl K － + +
SO42－
SO4
Cu2+ 2－
盐桥的作用： (1)传递离子，使整个装置构成通路。 (2)平衡电荷，保持溶液保持电中性。
改进后的优点：
(1)在不改变反应原理的情况下，具有更高 的能量转换率，电流比较稳定 (2)原电池装置断路时，化学能不会自动释放
总结
实际应用
浆 层 纸
绝缘环，用塑料制成。能防止电池的正 负极之间因为有灰尘进入或意外短路而 漏电，能延长电池的使用时间
Cu
内 电 路
原电池装置优化探究教案
《原电池装置的优化探究》教案
成都石室中学化学组：曾艳
一、教学设计思路
【课程标准与教材分析】
(一)课程标准：新课标要求学生能从根本上了解化学能与电能之间发生转化的原因；由简单原电池的实验缺陷进行深入探讨。
(二)教材分析：本节内容是在《必修2》中第二章第二节《化学能与电能》的基础上，进一步介绍原电池的组成和工作原理，通过对电池效率的探究，引出半电池、盐桥、内电路离子定向移动等概念，从本质上了解原电池的工作原理，是在必修2基础上的深化。
二、设计思路和教学流程
设计思路：由视频的引入调动起学生学习的积极性。
并简单回忆必修2中《原电池》相关内容，预期应该得到的实验现象。
以实验为载体，创设问题情境，通过学生自主实验，发现问题，将实验探究与思考交流交替进行，充分利用学生的好奇心和求知欲。
设计层层实验和问题情境，使学生在自主实验、积极思考和相互讨论中自己发现问题、分析问题和解决问题的能力。
通过实验现象的矛盾，提出质疑，给出合理的猜想与假设，并制定计划，付诸于实践，给出合理的解释与结论，最后由盐桥原电池与普通原电池的对比，发现盐桥原电池的优势，并理解盐桥原电池的工作原理，得出反思与评价。
Zn。
异型盐桥原电池原理探究装置的设计与应用
异型盐桥原电池原理探究装置的设计与应用在人教版高中化学选修5中，介绍原电池原理的实验装置中包括一个U型盐桥，两种溶液，两支电极，这是学习原电池原理的经典装置。
学完原理之后，在后续教学中还需引导学生进行实验探究，如果仍用该装置来探究原电池原理，会遇到两个问题：一是U型管盐桥较长，其电阻较大，不利于原电池带动负载运作起来；二是每次更换电极和溶液时，就需更换一根盐桥，实验操作烦琐，盐桥使用量大。
笔者设计的两种实验装置，主要是解决上述两个问题，以便于开展实验探究。
一、实验仪器及试剂自制带孔试管、直通管、烧杯等。
含硝酸钾的琼胶（琼胶的凝度：1 L水中加入7 g琼脂粉；含盐量：100 mL 琼胶液中加入20 g硝酸钾）、饱和硝酸钾溶液等。
二、主要部件及仪器组装1.实验装置一（如图1a所示）制作方法：在一个烧杯中，倒入热的含琼胶的硝酸钾溶液至6 cm高度，插入多支下端有孔的试管，冷却，凝固；小心分离每支试管即可。
2.实验装置二（如图1b所示）制作方法：在一个烧杯中，先倒入热的含琼胶的硝酸钾溶液至3 cm高度，冷却，凝固；再倒入温热的含琼胶的硝酸钾溶液至6 cm高度，插入多支直通管，冷却，凝固；在上述烧杯与直通管之间再倒入温热的琼胶溶液至烧杯口沿附近，冷却，凝固（起固定直通管作用）。
三、实验操作1.实验装置一使用方法在上述试管的上端装入电解质溶液，插入相应的电极。
取两支上述试管（半电池）置入硝酸钾饱和溶液中，两孔相对，连通外电路，即可组成一个内阻较小的原电池。
2.实验装置二使用方法在直通管的上端分别装入不同的电解质溶液，分别插入相对应的电极。
在各种电极中任选两个，连通外电路，即可组成一个内阻较小的原电池。
实验效果如图2所示。
四、装置改进的意义异型盐桥是实用、简单、宜推广的实验探究装置，装置一较适合演示实验，装置二较适合学生实验。
在实验探究活动中，利用异型盐桥不仅能够简化实验步骤，提高原电池的工作效率，减少盐桥用量，增加更多用于思考的时间，更重要的是可以启示学生利用化学原理，采用更加灵活、多样的实验方法来开展探究活动。
原电池电动势测定实验的改进
原电池电动势测定实验的改进摘要从原电池的结构装置和硝酸亚汞的浓度选择2方面对原电池电动势测定实验进行了一些的改进，从而克服了实验中经常出现溶液渗漏的现象，并且减少了对环境的污染。
关键词电池装置硝酸亚汞误差1电池结构的改进原电池电动势的测定实验是传统的物理化学实验之一，应用十分广泛,如平衡常数、活度系数、解离常数、溶度积、络合常数以及某些热力学函数的改变量等均可通过原电池电动势的测定来求得[1~4]。
现行实验教材中的电池体系多为用铜、锌、饱和甘汞电极及相应电解液组成的电池[3~5]。
目前所采用的电池装置及电极处理仍有需改进。
文献中报道的电极制备方法,要么制作麻烦，虹吸管电极的管中控制较难，不易操作；要么制成的盐桥，长期使用容易使两边溶液相互渗漏[6,7]，影响实验结果。
为此，我们设计了一种简单、易行的测定装置，如图1所示，盐桥与电池管分开，这样做琼脂不会像三管电池装置中的那样，出现溶液渗漏，并且盐桥易制易洗，我们装置的电池管口径为2 cm，高为7 cm~8 cm，中间为玻棒连接，适宜对原电池在恒温下进行测量，学生操作简单，具有通用性。
在锌电极的汞齐化制备中，一般实验教材中用饱和硝酸亚汞或汞，锌电极要在其中浸3 s~5 s，学生难以控制，且时间长了，则使锌片断裂，我们通过不同浓度的对比，观察锌片表面的情况见表1，最后选择0.025 mol/L的硝酸亚汞溶液，浸入时间为15 s~20 s，这样易于学生操作。
同时由于硝酸亚汞浓度的降低，也有利于减少对环境的污染。
3电极的处理电极的制备方法很多[3～5]，这里我们介绍一种简单易行，且效果较好的制备及处理方法：（1）铜电极用铜导线自制的电极，先用砂纸打磨，再在 6 mol/L 的硝酸中浸洗，以除去表面的氧化物，待表面呈紫红色，取出洗净，放入0.025 mol/L 硝酸亚汞溶液中汞齐化 20 s~30 s ，取出，洗净擦干，立即放入铜盐中。
（2）锌电极用锌片（纯度为99.99％）自制的电极，用砂纸打磨后，先用6 mol/L的硫酸除去表面的氧化物，并用水洗净，再在0.025 mol/L硝酸亚汞溶液中汞齐化15 s~20 s，取出，洗净擦干，立即放入锌盐中。
锌铜原电池实验的改进
·实验教学研究·一、问题提出人教版化学《必修2》在化学能与电能这一节中安排了“锌-铜-硫酸”原电池的实验。
学生在实验中观察到的现象是锌片上有大量气泡，而铜片上几乎看不到气泡。
这样的现象不利于学生深刻认识原电池的原理。
二、问题分析锌片上之所以会产生气泡，其一是因为锌片与稀硫酸直接接触，若使用带有盐桥的双液电池则可以解决问题，但是双液电池增加了学生的理解难度，必修课程中不宜采用。
其二是因为锌片不纯，氢气在不同的金属上析出的超电势不同，粗锌中的一些杂质使得析氢超电势降低，导致氢气在锌片上析出。
三、问题解决方法一：模仿双液电池的构造，将盐桥隐形化处理。
具体措施如下：1.配制氯化锌饱和溶液；2.在氯化锌饱和溶液中加入淀粉，将溶液加热，使之呈糊状；3.将淀粉糊均匀涂抹在锌片表面。
如此处理后的锌片不能与硫酸直接接触，既起到了双液电池的效果，又避免了装置的复杂化。
在演示实验时，可以观察到锌片上无气泡，而铜片上有大量的气泡产生。
方法二：运用析氢超电势对电极进行改造，加大负极金属的析氢超电势，同时减小正极材料的析氢超电势。
一些金属的析氢超电势如表1所示。
超电势（V）电极HgZnCuPt（光滑的）Pt（镀黑的）H2（1mol·dm-3H2SO4溶液）电流密度（A·m-2）100.80.48—0.00.01000.930.750.350.160.03表1298.15K时H2在不同金属上的超电势由表中数据可知，Hg的析氢超电势较大，因此用锌汞齐代替锌片作负极可以减少氢气在负极上析出。
用Pt代替铜作正极可以极大地降低正极的析氢超电势，有利于氢气生成；或者用锉刀将铜片的表面处理成凹凸不平状，增大铜和硫酸的接触面积，加快了氢离子在铜表面的吸附速率，因而降低铜的析氢超电势［1］。
四、实验改进说明原电池的原理是一个难点，需要通过电流表指针的偏转和铜片上的气泡，来认识电路中有电子的转移以及电子的流动方向。
氢氧燃料电池演示装置的改进
氢氧燃料电池演示装置的改进真正的实用型燃料电池的制作工艺对于大多数人包括我们中学化学老师来说都是陌生的，学生对燃料电池的了解则更是仅限于课本及参考书对燃料电池基本原理的介绍。
许多同学问过这样的问题：氢气和氧气互不接触竟然反应生成水且产生电流，太不可思议了，老师能否给我们做做这个实验?看来我们很有必要利用简易装置给学生演示一下氢氧燃料电池的工作原理。
图1是许多习题中出现的装置。
使用时先用直流电源电解NaOH溶液，当收集到一定量氢气和氧气时停止电解，将电源换成灵敏电流计，电流计指针出现偏转。
我按图1所示做了一遍，发现实验现象倒是令人满意，电流计指针偏转很明显；但同时也发现，该装置有2个明显的缺点，(1)需要用大量的NaOH溶液。
(2)不便往玻璃管中加NaOH溶液。
如果先将塞子打开，让液体从玻璃管下口流进，只能流进一半；要灌满就必须将塞好塞子的玻璃管整体平放在碱液中，碱液灌满以后再将其竖直。
但由于玻璃管沾满了强腐蚀性的烧碱溶液，所以后面的操作会很不便。
经过反复实验后，我设计了图2所示的实验装置，使用方便，效果很好。
1实验用品滴定架、小型干燥管、长颈漏斗、三通管、氢氧化钠溶液、碳棒、直流电源、灵敏电流计。
2使用方法(1)按如图2所示将干燥管、长颈漏斗、三通管连接起来并固定在滴定架上。
(2)添加碱液。
先将干燥管的塞子松动透气，再从长颈漏斗注入NaOH溶液，当干燥管中液面接近胶塞时停止，然后塞紧塞子(不要加满碱液，否则塞紧塞子时碱液会溢出)，从滴定架上取下干燥管，使其小口向上，用手挤压或抖动胶管使干燥管中残留气体逸出，然后再往长颈漏斗中加碱液至漏斗下面的玻璃管加满为止，然后把干燥管重新固定在滴定架上。
(3)用16～24V直流电源电解NaOH溶液，生成少量气体后停止，将电源换成灵敏电流计，电流计指针偏转明显，电流最初可达100μA，然后逐渐减弱，最后稳定在25μA。
这是由于电解时碳棒表面吸附了许多微小的氢气与氧气的气泡，碳棒附近溶液中气体的活度较大，所以原电池开始放电时的电流较大；随着气泡的消耗，电流迅速减小，当电流稳定在25μA时，电流大小主要取决于表层溶液中氧气和氧气的浓度，液面上气柱的高低对电流影响不大，因此只要电解几分钟气体就足够了。
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【提出问题】
在人教版《普通高中课程标准实验教科书·化学2》“化学能与电能”中学习了原电池的原理，我们认识了电池的实质，同学们能否自己动手，运用生活中的材料制作简易电池，如何制作呢？又如何检验原电池是否正常工作？如果根据实践活动“利用水果如苹果、柠檬或番茄等制作原电池”。
那么, 如何才能做成一个效果较好的水果电池呢? 影响水果电池的电流的因素究竟有哪些呢?
【探究目的】
1. 巩固原电池的原理及形成形成;
2. 认识影响水果电池产生电流大小的因素;
3. 形成多角度思考问题的习惯;
4. 加强化学与生活的联系。
【实验设计方案】
1. 实验思路
水果中含有大量糖类、蛋白质、生物酸等物质, 其中的生物酸起到电解质的作用。
许多水果(如番茄)的汁液显酸性,若在这些水果里平行地插入铜片和锌片即可形成原电池。
理科教材中的探究活动通常将两个半熟的番茄相连,再用铜片和锌片作电极,构成原电池,同时使用检流计来检验原电池，该实验在理论上是可行的,但实际操作过程中往往收不到理想的效果。
原因在于通过此种方式形成的电路中,电压太小,电阻却较大,即便是灵敏电流计在很多时候也很难测出如此微小的电流。
故而本实验利用音乐贺卡和发光二级管来检验原电池是否正常工作，同时探究水果电池所产生的电流大小与电压与水果电池个数，电极材料及电极之间的关系。
2．实验原理
运用生活中常见的水果作为电解质，用两种极性不同的金属，铜片和锌片做为电极，锌片做负极，铜做正极，运用检流表，电压表，发光二级管以及音乐贺卡来检验原电池是否正常工作，以及电流、电压大小。
原电池是将一个能自发进行的氧化还原反应的氧化反应和还原反应分别在原
电池的负极和正极上发生，从而在外电路中产生电流。
水果电池是利用两种金属片的电化学活性是不一样的，其中更=较活泼的金属片能置换出水果中的酸性物质的氢离子，这样，从理论上来说电流大小直接和果酸浓度相关，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。
本实验所设计原电池正负极反应如下：铜锌原电池电池反应方程式：Zn+2H+=Zn2++H2
负极(Zn)：Zn-2e-＝Zn2+
正极(Cu）：2H+＋2e-＝H2
锌电极失去电子，从导线经过电流表到达铜表面，电流表指针发生偏转，电流方向与电子转移的方向相反。
锌失电子成为Zn2+进入溶液，溶液中阴离子移向负极，即Zn极。
阳离子移向正极Cu。
实验装置简图
3．实验用品
仪器：导线、万用表、电压表、灵敏电流计、发光二级管、音乐贺卡
药品：番茄、金属电极（铜片、锌片）
4.实验步骤
（1）音乐贺卡处理：购买音乐贺卡一张，拆除音乐贺卡的纽扣电池，在原来纽扣电池的正负极短焊接出两个带有铁夹的导线，用于连接水果电池的正负极。
（2）通过查阅文献，番茄是一种酸味较强，性价比较好的水果。
买三个番茄，分别用小刀切成两半，用一定宽度的铜片和锌片平行插入一片番茄中，电极插入的高度和宽度（Cu:0.7*3.0，Zn：1.2*3.0）用导线连接到灵敏电流计、电
压表、发光二极管、音乐贺卡上，检验电流的产生。
（3）改变铜电极宽度，捣碎番茄，和改用番茄汁，以及串联不同个数的番茄重复步骤（2）中操作。
（4）收拾仪器整理台面
【实验过程记录】
实验1图片
实验2图片
实验3图片
实验4图片
实验5图片
实验6图片（三个番茄串联，发光二级管发光，音乐贺卡不仅发光而且小灯泡也亮了）
实验7图片（五个番茄串联，发光二级管发光，音乐贺卡响起，小灯泡亮了）
实验8图片（用番茄汁做电解液，音乐贺卡响起）
1.番茄是否捣碎对水果电池电流电压的影响
的番茄相比，电流明显增大，电压升高，音乐贺卡都响起，这可能是因为番茄捣
碎，番茄中的电解质流动性增强，导电能力增强，所以电流和电压都增大，这也从次面说明，本次实验成功的关键要选用新鲜，个大多汁的番茄进行实验，同时本次实验也为中学实验提供一定的实验建议，对于导电性能交差的水果可以捣碎水果以增强水果电池的导电性。
后续实验为使现象更明显都选用捣碎的番茄进行实验。
2.铜电极宽度对水果电池电流电压的影响
通过实验1、实验2和实验3可以发现在相同的实验条件下，改变过铜电极宽度，电流明显增大，电流从0.8mA增大到3.4mA,这是因为铜电极宽度增大，而插入深度不变，铜电极与水果接触面积大，离子传递速度加快，增大了原电池的电流。
因为在实验室未能做成不同宽度的锌片，故而无法完成不同锌片宽度对原电池的性能的影响，但是可以预测随着锌片宽度的增大，水果电池电流会逐渐增大。
所以在做原电池的水果实验时应选用宽度适中的铜片宽度和锌片宽度，以获得较好电流和电压，本实验综合考虑电流、电压和铜片宽度的大小对插入番茄的方便性，选用了铜片宽度为2cm的铜电极继续后续实验。
3.番茄串联个数对水果电池电流电压的影响
通过实验3、5、6、7可以发现，在保持其他条件不变的情况下，随着串联个数的增加，电流基本上逐渐减小，电压基本上逐渐增大，音乐贺卡基本能响起，并随着串联个数的增加，音乐声音明显增大，发光二极管在串联两个番茄是就可以发光，但是及其微弱，是一闪一闪的亮光，值得注意的是串联5个番茄时，灵敏电流计的显示值为0，说明电流可能很小，小到灵敏电流计检测不出来，但是发光二级管的亮度却是最好的，音乐贺卡的发声比较大，能完整的唱出整首音乐。
而电压随着串联个数增大，但是电流却减小主要是因为随着串联个数增加，两电极间距离增大，同时导线增多，所设计原电池电阻增大，故而电压增大电流却减小。
4.番茄汁对水果电池电流电压的影响
通过实验1、2、8的对比发现，使用番茄汁，电池的电流显著增大，但是电压增大并不明显，这可能是因为番茄汁流动性强，导电能力强，所以电流和电压都增大。
【实验反思】
通过以上实验探究，说明水果本身，电极材料宽度，水果串联个数都对水果电池产生影响：
1．捣碎水果电池或者用水果汁可以增大原电池电流，这主要是因为捣碎水果和使用水果汁都能使得水果中电解质流动性增强，导电能力增大，故而电流电压都增大。
2．随着电极浸入水果中电解质的表面积增大，水果电池电流增大。
3．随着串联个数的增加，电压增大，两电极间距离增大，电阻增大，电流减小。
4．对于中学化学演示实验可以选取音乐贺卡进行改装实验，因为音乐贺卡实验现象明显，且在较低的电压和电流下均能发声，实验较为有趣，能较好吸引同学们参与，提高学生实验积极性，故而适合中学做演示实验或者学生探究性实验。
本文虽对影响水果电池电压和电流的因素通过数据进行了分析，但仍存在不足之处。
在探究电解质与电压及电流大小的关系时，选择水果种类较少，未对电解质进行pH值和含水量的测量，是本实验的不足之处。
在探究电极材料宽度与电压及电流大小的关系时，无法进行锌电极的实验对比，无法由实验数据推断出普遍性结论。
同时在实验中因为水果本身形状的影响，无法准确量取两电极间距离，故而原来设计的探究两电极间距离对水果电池电流电压的影响没法继续实施，也因为前期准备的电极材料有限，没法完成不同电极种类对水果电池电流电压和实验现象的影响。
【参考文献】
[1] 肖常磊,钱扬义,中学化学实验教学论,化学工业出版社, 2007, 174-177.
[2] 袁淼，巧用音乐贺卡制作两款原电池，中学化学教学参考，2010（2）
[3]祝炎，吴先强，王程杰，水果电池实验效果影响因素分析及案例设计，教学仪器与实验，2009,25（9），13-14.。