基于電化學(xué)原理的自制銅勛章趣味實(shí)驗(yàn)

王新福 李德前 項(xiàng)佳敏

江蘇省錫山高級(jí)中學(xué)(214174) 徐州市西苑中學(xué)(221000) 南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院(210097)

1 引言

“化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化”是高中化學(xué)選修教材“化學(xué)反應(yīng)原理”中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，其涉及氧化還原反應(yīng)、電解質(zhì)溶液和物理學(xué)中相關(guān)的電學(xué)知識(shí)，認(rèn)知難度較大。

董新偉、魏銳等基于鐵及其化合物性質(zhì)設(shè)計(jì)了自制銅勛章微型實(shí)驗(yàn)，富有趣味性和教育意義。本文基于電解池和原電池原理設(shè)計(jì)了一組自制銅勛章趣味實(shí)驗(yàn)，用不同的化學(xué)原理實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的寫(xiě)入信息的效果。本實(shí)驗(yàn)的目的是：(1)用有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；(2)把已學(xué)知識(shí)遷移到新情境中，加深學(xué)生對(duì)電化學(xué)原理的理解；(3)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

2 實(shí)驗(yàn)Ⅰ

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

銅片、銅絲、砂紙、毛筆、1 mol/L硫酸銅溶液、導(dǎo)線(xiàn)、直流電源(16 V)、橡皮筋等。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)如圖1，用橡皮筋將銅絲纏繞在毛筆的筆尖附近，使銅絲隱藏在毛筆尖中(筆尖部分的銅絲長(zhǎng)度以不影響書(shū)寫(xiě)為宜)。

(2)用砂紙將銅片打磨擦凈，保證表面光潔。

(3)用導(dǎo)線(xiàn)將銅絲與電源負(fù)極相連，將銅片與電源正極相連。

(4)用毛筆蘸取硫酸銅溶液，在銅片上寫(xiě)字(例如：CHEM EDUC)。

2.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與討論

如圖1所示，當(dāng)毛筆在銅片上劃過(guò)時(shí)，會(huì)留下深淺不一的痕跡，如果寫(xiě)字或作畫(huà)的速度慢(筆尖與銅片接觸時(shí)間長(zhǎng))則顏色較深，如果寫(xiě)字或作畫(huà)的速度快(筆尖與銅片接觸時(shí)間短)，則顏色較淺。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)利用了電解池的原理，被書(shū)寫(xiě)文字的銅片作陽(yáng)極，隱藏在毛筆中的銅絲作陰極，毛筆筆尖蘸取的硫酸銅溶液作電解質(zhì)。毛筆尖與銅片接觸時(shí)發(fā)生電解反應(yīng)，銅片被腐蝕，且接觸時(shí)間越長(zhǎng)腐蝕越嚴(yán)重。

3 實(shí)驗(yàn)Ⅱ

3.1 實(shí)驗(yàn)用品

鋅片、銅片、砂紙、蠟筆、2 mol/L硫酸鋅溶液、導(dǎo)線(xiàn)、直流電源(16 V)、電解槽等。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)用砂紙將銅片擦凈，保證表面光潔。

(2)用蠟筆在銅片表面寫(xiě)字(例如：CHEM EDUC)，如圖2(a)。

(3)用一根導(dǎo)線(xiàn)連接上述銅片，并與電源負(fù)極相連；用另一根導(dǎo)線(xiàn)連接鋅片，并與電源正極相連。

(4)將銅片和鋅片同時(shí)插入2 mol/L的硫酸鋅溶液中，接通直流電源(16 V)，觀察銅片表面的變化。

3.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與討論

接通電源后，蠟筆覆蓋的部分始終保持原有字跡的顏色，但蠟筆痕跡以外的部分逐漸變成灰黑色。斷開(kāi)電源后，銅片被蠟筆覆蓋的部分呈現(xiàn)與周?chē)黠@不同的顏色，如圖2(b)。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)銅片被蠟筆痕跡覆蓋的部分不與電解質(zhì)溶液接觸，不構(gòu)成電解池，Zn2+無(wú)法在此得電子生成鋅，所以仍然保持原有的顏色。而痕跡以外的部分構(gòu)成電解池，溶液中的鋅離子不斷得電子，成為鋅原子并沉積在該部分，所以呈現(xiàn)灰黑色。

4 實(shí)驗(yàn)Ⅲ

4.1 實(shí)驗(yàn)用品

鋅片(或鋅粒)、銅片、砂紙、蠟筆、2 mol/L硫酸鋅溶液、燒杯、石棉網(wǎng)、三腳架、酒精燈等。

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)用砂紙將銅片擦凈，保證表面光潔。

(2)用蠟筆在銅片表面寫(xiě)字或作畫(huà)，與實(shí)驗(yàn)Ⅱ類(lèi)似。

(3)把覆有蠟筆痕跡的銅片和鋅片(或鋅粒)放入燒杯中，保證銅片始終與鋅片(或鋅粒)直接接觸。在燒杯中加入硫酸鋅溶液，直至完全浸沒(méi)燒杯中的金屬固體。

(4)在酒精燈上加熱燒杯，使液體接近沸騰，持續(xù)2～3 min。

4.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與討論

本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)Ⅱ類(lèi)似。加熱過(guò)程中，蠟筆覆蓋的部分始終保持原有字跡的顏色，但蠟筆痕跡以外的部分逐漸變成灰黑色。停止加熱后，顏色不再變化。

這一結(jié)果超出了高中學(xué)生的認(rèn)知范圍，引發(fā)了學(xué)生的猜測(cè)：可能因?yàn)殂~片不純，含有比鋅活潑的金屬，將Zn2+置換，在銅片表面析出鋅。但是，這一猜想很快被否定：銅片純度為99%，且如果有其它金屬雜質(zhì)(多為銀白色)，其表面的顏色本來(lái)就會(huì)改變。實(shí)際上，雖然鋅片、銅片與硫酸鋅不能發(fā)生氧化還原反應(yīng)，但仍然能形成一個(gè)特殊的原電池——濃差電池，即(-)Zn(s)|ZnSO4(aq)|Cu(s)(+)，其模型如圖3所示。

反應(yīng)時(shí)，鋅電極(負(fù)極)上的鋅原子變成鋅離子進(jìn)入溶液中，溶液中的鋅離子又變成鋅原子在銅電極(正極)上析出。電極反應(yīng)和總反應(yīng)如下(注：ZnX的下標(biāo)“X”代表電極金屬)。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)依然構(gòu)成了原電池，鋅片為負(fù)極，銅片為正極，硫酸鋅為電解質(zhì)溶液。由于Zn-Zn的金屬鍵鍵能小，Zn-Cu的金屬鍵鍵能大，所以雖然總反應(yīng)不是氧化還原反應(yīng)，但是電能的來(lái)源依然是化學(xué)能。

5 結(jié)束語(yǔ)

上述3個(gè)易于操作又富有趣味性的實(shí)驗(yàn)，允許實(shí)驗(yàn)者利用電化學(xué)原理在銅勛章上寫(xiě)入任意的信息。在教學(xué)中，本實(shí)驗(yàn)既可以作為課堂引入時(shí)的教師演示實(shí)驗(yàn)，引起學(xué)生對(duì)電化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的電化學(xué)原理；也可以作為課外拓展時(shí)的學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮想象力和創(chuàng)造性設(shè)計(jì)自己的銅勛章，并基于電化學(xué)知識(shí)探究如何改進(jìn)銅勛章的品質(zhì)(例如，如何讓鍍層牢固、不易脫落等)。