一、问题提出原电池知识是中学电化学部分的重要知识点，现行高中化学苏教版必修教材《化学2》将原电池定义为“将化学能转变为电能的装置”［1］，并选用锌、铜和稀硫酸构成的锌铜单液原电池进行实验来探讨原电池的工作原理，而高中化学苏教版选修教材《化学反应原理》则选用由（－）Zn／ZnSO4（aq）∥CuSO4（aq）／Cu（+）构成的锌铜双液原电池进行实验对原电池工作原理进行进一步探讨。在教学中，学生经常会产生这样的疑问——同样是探讨原电池的工作原理，为什么必修教材选用锌铜单液原电池，而选修教材则选用锌铜双液原电池？锌铜单液原电池和锌铜双液原电池在构造上有明显的区别，但二者相比各有什么优缺点？哪种原电池的放电效率更高？我们教师对于这些问题一般是从理论角度进行解释，并运用教材上的实验验证电流的产生，却忽视了教材中的2个实验在设计上都存在着一个明显的缺陷，即只能根据实验过程中电流计的偏转定性说明装置中有电流产生，却不能定量说明原电池工作时产生的电流强度大小、电压和能量转换效率高低。 本文设计的实验就是基于教材中2个实验的改进和创新，为了便于比较，引入了锌与硫酸铜溶液直接反应的实验，并将锌铜单液原电池中的电解质溶液由稀硫酸换成CuSO4溶液，同时为了保证对反应体系温度测定的准确性，有效防止反应体系与外界的热交换，将实验中的烧杯改成简易量热计，并借助数字化实验技术，利用SWR数字化信息系统，通过锌与硫酸铜溶液直接反应、锌铜单液原电池和锌铜双液原电池在工作时体系的温度、电流和压强等的对比，让学生知道不同原电池的效率高低，认识不同原电池的优缺点，帮助学生建构原电池的概念和工作原理，培养学生的辩证思维能力、实践能力和创新精神［2］，发展学生的化学学科核心素养。 二、实验原理锌铜单液原电池和锌铜双液原电池的实验装置不同（见图1）［3］，但反应原理相同，即负极锌上发生氧化反应，给出电子，正极铜上发生还原反应，得到电子，电子由负极通过外电路流向正极，电流则由正极通过外电路流向负极，发生的电极反应和电池反应分别为［4］：  图1 单液锌铜原电池和双液锌铜原电池示意图  三、实验探究1.实验仪器和用品烧杯、量筒、简易量热计、盐桥、砂纸、导线、温度传感器、电流传感器、电压传感器、图形数据采集器、手提电脑或平板电脑。 2.实验药品铜片、锌片、1.0mol·L-1的 CuSO4溶液、1.0mol·L-1的ZnSO4溶液。 3.实验步骤（1）准确配制1.0mol·L-1的CuSO4溶液和1.0mol·L-1的ZnSO4溶液各500mL备用。 8年前，宋娟大学毕业后回到了位于浙江西部一个小镇上的老家，准备休息一段时间后再出去找工作。小镇盛产柚子，宋娟家里也和大家一样，种着一大片柚子。 （2）用砂纸打磨几片铜片和锌片。 该篇阅读材料以古埃及王国为背景，蕴含不同的宗教、历史、习俗等背景知识，若缺乏了解会导致理解偏差。为帮助学生进入阅读情境，可借助多媒体展示一些金字塔、狮身人面像的图片，通过感性认知激发学生的兴趣，接着放映Seven Wonders of Ancient Egypt等展现古希腊文明历程的纪录片实现视听说同步，使学生处于三维空间，多感官获取信息。虚拟实景可以使阅读内容故事化、情景化，学生可以是剧中人，也可是观光者或作者本人，为理解文章打下基础。 中国非金融企业部门的杠杆率走势和中国总体相一致，2008年之后杠杆率快速上升，从2008年的95.2%提高到2015年的151.2%。直到2017年，非金融企业部门的杠杆率才开始下降，2017年年底中国非金融企业部门的杠杆率为156.9%，相比2016年降低了1.3%。虽然非金融企业部门的杠杆率呈现出下降趋势，但是非金融企业部门仍然存在结构性高杠杆风险。 （3）组装如图2所示的实验装置，注意连接好温度传感器、电流传感器、电压传感器和数据采集器。  图2 实验装置图 （4）将数据采集器与电脑连接，并进行调试（数据采集器设置为1s测定10个数据，测定时间为600s）。 临沂市城区段水系发达，有沂河、祊河、柳青河、小涑河、李公河、南涑河、陷泥河、青龙河等八条河流从城区穿过。但是由于垃圾乱倒、违章建设等原因，使这些河道的防洪排涝、改善生态、美化环境等多种能力大大降低。在实施层层拦蓄、梯级开发，为临沂城提供充足水源的基础上，为进一步减轻临沂城的防洪压力、保障人民群众的生命财产安全，以及改善城市居民的生活环境、生活质量和健康水平，恢复、重建并完善城市河流的生态系统和生态环境，使城区内的河道连接成网，使水充分循环运动起来，临沂市在城区段实施涑祊双向调水工程、引涑入陷工程、引涑入青工程、开辟环城景观河等调水工程。 （5）量取100mL 1.0mol·L-1的 CuSO4溶液于简易量热计中，将温度传感器探头插入到溶液中2min左右，使探头温度和溶液温度保持一致，取一片打磨过的锌片置于CuSO4溶液中。 （6）连接数据采集器与电脑，测定随着时间的变化反应体系的温度和电流，采集数据。 （7）同理，量取100mL 1.0mol·L-1的CuSO4溶液于简易量热计中，将温度传感器探头插入到溶液中2min左右，使探头温度和溶液温度保持一致，在简易量热计中同时插入打磨过的铜片和锌片，用导线连接，并连接数据采集器与电脑，测定随着时间的变化反应体系的温度、电流和电压，采集数据。 宋朝时期饮茶方式更加细腻化，仪式化，当时较流行的打茶，具有28道工序，斗笠形状以大碗为打茶器皿（称之为茶盏），茶饼磨成细粉，放置碗内冲进开水调成泥糊膏状，再用竹制打茶器（形状像精细扫把）顺时针、逆时针不断在茶盏中旋转抹打。使盏中泛起汤花，以比较茶汤的色、香、味。最后再品尝汤花，俱佳者获胜。是以“斗茶”来比赛茶叶的质量，比赛茶汤的色、香、味，比赛斗茶者的茶技、茶艺。宋朝打茶仪式感观赏性很强，是东方茶文化的代表。在宋朝通过打茶来斗茶是非常流行，上至皇宫贵族，下至平民百姓都喜爱斗茶。 （8）同理，分别量取100mL 1.0mol·L-1的CuSO4溶液和100mL 1.0mol·L-1的ZnSO4溶液于2个简易量热计中，将温度传感器探头分别插入到2种溶液中2min左右，使探头温度和溶液温度保持一致，在盛CuSO4溶液的量热计中插入一片打磨过的铜片，在盛ZnSO4溶液的量热计中插入一片打磨过的锌片，并分别用导线连接，2个量热计之间用盐桥相连，连接数据采集器与电脑，测定随着时间的变化反应体系的温度、电流和电压，采集数据。 （9）保存数据。 （10）整理仪器，回收、处理药品。 四、实验结果与分析1.锌与硫酸铜溶液直接反应和锌铜单液原电池工作时的温度和电流比较图3是锌与硫酸铜溶液直接反应时体系的温度和电流随时间变化曲线，其中“1”表示电流变化曲线，“0”表示温度变化曲线。从曲线的变化可以看出，随着时间的变化锌与硫酸铜溶液直接反应时电流的变化几乎为0，说明在锌置换铜的反应中几乎无电流产生。事实上当置换反应发生后，由于锌置换的铜会覆盖在锌的表面，并在锌的表面形成了若干个微小的原电池，电子在这些微小的原电池内部定向移动会产生微弱的电流，但由于产生的电流过于微弱，在测定的曲线上反映不明显，导致测出的电流近似为0。另外由曲线上的数据还可以看出，反应时CuSO4溶液的温度从28.5℃左右上升到了30℃左右，说明锌与硫酸铜溶液反应时能量的转化形式主要表现为化学能转化为热能。  图3 锌与硫酸铜溶液直接反应时体系的温度和电流随时间变化曲线 图4是锌铜单液原电池工作时体系的温度和电流随时间变化曲线，其中“1”表示电流变化曲线，“0”表示温度变化曲线。从曲线上的数据可以看出，随着时间的变化锌铜单液原电池工作时产生的电流由起始的56mA左右最后减小到50mA左右，反应体系的温度由28.5℃左右上升到了31℃左右，说明锌铜单液原电池工作时，不仅有化学能转化为热能，而且也有化学能转化为电能，其中能量的转化形式主要表现为化学能转化为电能。  图4 锌铜单液原电池工作时体系的温度和电流随时间变化曲线 为了更好地对比2组实验中体系的温度和电流变化，笔者根据实验的原始数据绘制了如下2幅图（见图5、图6）。图5是2组实验中温度随时间变化曲线，其中“a”表示锌铜单液原电池工作时体系的温度变化曲线，“b”表示锌与硫酸铜溶液直接反应时体系的温度变化曲线。从曲线的变化可以看出，锌铜单液原电池工作时单位时间内比锌与硫酸铜溶液直接反应有更多的化学能转化为热能。图6是2组实验中电流随时间变化曲线，其中“c”表示锌铜单液原电池工作时的电流变化曲线，“d”表示锌与硫酸铜溶液直接反应的电流变化曲线，从曲线的变化可以看出，锌铜单液原电池工作时能量的转化形式不仅有化学能转化为热能，更有化学能转化为电能，同时也说明锌铜单液原电池不仅是化学能转化为电能的一种装置，而且也是加快化学反应速率的一种方法和手段，但缺点是反应过程中放出的热量多，热损耗大。  图5 2组实验中温度随时间变化曲线  图6 2组实验中电流随时间变化曲线 2.锌铜单液原电池和锌铜双液原电池工作时体系的温度、电流和压强比较图7是3组实验中温度随时间变化曲线，其中“a”表示锌与硫酸铜溶液直接反应时体系的温度变化曲线，“b”表示锌铜单液原电池工作时体系的温度变化曲线，“e”表示锌铜双液原电池工作时体系的温度变化曲线。由图7可以看出，锌铜双液原电池的温度曲线近似为一条直线，说明锌铜双液原电池工作时由化学能转化成的热能较少，热损耗较小。 通过对坝址区地质条件的分析研究，可知坝址区坝基、坝肩稳定性较好，主要存在坝基渗漏、绕坝渗漏等问题，建议加强施工地质工作。  图7 3组实验中温度随时间变化曲线  图8 锌铜单液原电池工作时电流、电压随时间变化曲线 图8是锌铜单液原电池工作时电流、电压随时间变化曲线，其中“0”表示电流变化曲线，“1”表示电压变化曲线，从曲线的变化可以看出，随着时间的变化锌铜单液原电池工作时电流、电压变化走势均为先升高后降低，这是因为当锌与CuSO4溶液接触时，部分锌会置换出溶液中的铜并覆盖在锌的表面，从而在锌表面形成若干微小的原电池，使反应速率加快，即锌给出电子的速度加快，电流和电压增大，导致电流、电压曲线开始阶段上升，随后由于多种因素的影响，特别是随着反应的进一步进行，锌置换出的铜覆盖在锌的表面及若干微小原电池的形成，使电极表面温度升高，2个电极之间液接电势差逐渐增大［5］，导致电流、电压降低，所以电流、电压曲线又逐渐下降。图9是锌铜双液原电池工作时电流、电压随时间变化曲线，其中“0”表示电压变化曲线，“1”表示电流变化曲线，从曲线的变化可以看出，随着时间的变化锌铜双液原电池的电流、电压总体保持稳定。而通过对比图8和图9的曲线变化还可以看出，锌铜双液原电池较锌铜单液原电池工作时产生的电流和电压稳定，由化学能转化为电能效率高。  图9 锌铜双液原电池工作时电流、电压随时间变化曲线 3.实验结论通过对锌与硫酸铜溶液直接反应、锌铜单液原电池和锌铜双液原电池在相同条件下工作时体系的温度、电流和压强的对比，可以得出结论——在相同条件下，锌铜双液原电池工作时体系的温度变化小，化学能转化为热能少，热损耗小，产生的电流、电压稳定，由化学能转化为电能效率高。 五、实验反思必修教材选用锌铜单液原电池进行实验，是因为锌铜单液原电池的实验装置较为简单，操作简便，易于说明原电池的工作原理，而选修教材选用锌铜双液原电池进行实验，是因为学生经过了必修内容的学习，对原电池已经有了基本的了解和认识，选用锌铜双液原电池这样一个较为复杂的实验，有利于学生对原电池工作原理作深入探讨，也有利于学生理解原电池反应中涉及到的半电池反应这一概念，使学生对原电池的认识能上升到一个新的高度，学生的认知发展是一个从简单到复杂的过程，教材进行这样的编排充分体现了学生的认知发展规律。虽然锌铜双液原电池较锌铜单液原电池工作时体系的温度变化小，热损耗小，产生的电流、电压稳定，化学能转化为电能的效率高，但对比图8和图9中2种原电池电流和电压数据，我们还可以看出锌铜双液原电池工作时产生的电流为1.8～1.9mA左右、电压为4.4～4.8mV左右，锌铜单液原电池工作时产生的电流为50～58mA左右、电压为35～41mV左右，说明在相同条件下锌铜双液原电池工作时产生的电流、电压远低于锌铜单液原电池，可以说2种原电池各有优缺点，我们不能简单地说明哪种原电池更好，应该依据实验引导学生用比较的观点来看待问题，如从电能转化效率上来看锌铜双液原电池优于锌铜单液原电池，而从产生的电流强度和电压大小上来看锌铜单液原电池又优于锌铜双液原电池。 在教学中我们要善于借助于手持技术，利用数字化信息系统为学生创设一个丰富多彩的学习情境，为学生后续学习原电池知识，进一步探讨和设计创造更为符合生活实际的新型电池奠定知识基础，同时也为我们教师在教学中对学生进行证据推理意识的培养提供有效的方法和手段，为化学实验探究与创新提供技术支持。 参考文献 ［1］ 王祖浩.普通高中课程标准实验教科书：化学2（必修）（6版）［M］.南京：江苏教育出版社，2015（6）：40-41 ［2］ 中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（2017年版）［M］.北京：人民教育出版社，2018（1）：2 ［3］［5］ 盛晓婧，林建芬，钱扬义.利用数字化手持技术探究原电池电流和温度的变化［J］.化学教育（中英文），2016，37（5）：61-65 ［4］ 王祖浩.普通高中课程标准实验教科书：化学反应原理（选修）（5版）［M］.南京：江苏教育出版社，2014（5）：13-14 |
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