探索铜锌原电池实验中硫酸的最佳浓度及不同酸导电能力的比较

许迦南       06化三      学号：20062401103

（合作者：刘  云）

一、 实验目的：

1. 探索铜锌原电池反应原理实验中硫酸的最佳浓度；

2. 探索比较相同氢离子浓度下HNO3、HCl、HAc、H2SO4 的导电能力；

3. 熟悉原电池的操作，掌握其中的实验技巧。

二、 实验原理：

原电池是化学能转化为电能的装置。把锌板和铜板平行放入盛有稀硫酸的烧杯里，用连有电流计的导线连接两极时，可以观察到三个重要的现象：锌片溶解，铜片上有气体逸出，导线中有电流通过。透锌电极发生的电极反应式是： 

                   锌片 Zn－2e-＝Zn2＋ （氧化反应） 

锌失去的电子沿导线经电流计流入铜片，溶液里的在铜电极上得到电子变为氢原子，进而结合为氢分子，铜电极发生的电极反应式是： 

                   铜片 2H＋＋2e-=H2↑ （还原反应） 

    由于在锌、铜两个电极上不断发生的氧化还原反应，使化学能转变为电能。锌片是给出电子的一极，是电池的负极，铜片是电子流入的一极，是电池的正极。电流的方向同电子流的方向相反，从正极铜流向负极锌。因此电路中有电流产生，我们用电流计测量碘量中电流的大小从而得到最佳的硫酸的浓度。电流最大者，硫酸浓度最佳。

同理，通过测量不同酸中的电流也可以比较出相同氢离子浓度下HNO3、HCl、HAc、H2SO4 的导电能力的大小，电流越大，导电能力越强。

图1　Cu—Zn原电池的原理分析

图２　Cu—Zn原电池的微观原理分析

三、实验用品：

【仪器与材料】

烧杯（250ml、100ml）      各1个       量筒（100ml）       1个

滴管                       1支         玻璃棒              1支 

滤纸                       若干         铜导线              若干

铜片（2cm*5cm）           2片         锌片（2cm*5cm）    2片

电流表                    1个

【药品】

浓硫酸、稀（6mol/L）、盐酸（6mol/L）、醋酸（6mol/L）                     

四、实验装置：

五、实验步骤：

1. 检查药品、仪器是否完备；

2. 如装置图3组装好实验装置，并检查是否正确安装；

3. 向100ml的烧杯中加入80ml浓硫酸，组成原电池，待电流表读数稳定后读取电流表读数；

4. 取出Zn、Cu电极，从烧杯中取出浓硫酸32ml，并加入32ml水，搅匀，插入电极，搅拌，待电流表读数稳定后读取电流表读数；

5. 同步骤4依次从烧杯中取出硫酸溶液13.3ml，16ml，20ml，26.7ml，40ml，并加入相应的取水量的水，搅匀，插入电极，搅拌，待电流表读数稳定后读取电流表读数；

6. 清洗烧杯，用10ml左右的稀硫酸（0.5mol/L）润洗，然后倒入80ml此稀硫酸，用剩余的此浓度的硫酸清洗电极，插入电极于烧杯中，搅拌，待电流表读数稳定后读取电流表读数；

7. 剩余的酸均按步骤7操作，并记录数据；

8. 清洗仪器，回收药品，清理桌面；

9. 实验报告，数据处理，实验小结与反思。

六、数据处理：

表一、硫酸最佳浓度探究

【结论】原电池中硫酸溶液的最佳配比为浓H2SO4：H2O=3:2，此时产生最大电流。

        相同浓度下HNO3、HCl、HAc、(1/2H2SO4) 的导电能力HCl最强。

七、实验讨论

“如果没有好奇心和纯粹的求知欲为动力，就不可能产生那些对社会和人类具有巨大价值的发明创造。”本探究实验的内容是根据现行高中化学试验修订本第二册第四章第四节的内容，对原电池实验进行扩展探究。本实验的设计融合了氧化还原反应、金属的性质、电解质溶液等知识，并彼此结合、渗透，期待在教学过程中引入，在学生学习完原电池的知识后，引导学生探索铜锌原电池反应原理实验中硫酸的最佳浓度，比较相同氢离子浓度下HNO3、HCl、HAc、H2SO4 的导电能力，并通过小组讨论作出相应的解释，熟悉原电池的操作，掌握其中的实验技巧。进一步培养学生利用实验发现问题、探究问题、解决问题的能力。现将我在实验过程中的观察和思考归纳如下。

首先，观察到铜片和锌片上都有气泡产生。按书本【实验3－9】的要求实验室很容易做成原电池，产生的实验现象正如教材上所说的铜片上有气泡产生。实际上锌片上也有气泡产生。但仔细观察书本图示，发现锌片上没有任何气泡而铜片上出现大量的气泡，难道该图画错了？不是的，图表示的是在理想条件下Cu－Zn原电池的反应情况，而实际实验中锌片上之所以也产生H2，主要原因有：实验所用的锌片不纯，使得整片锌浸入稀硫酸中时其表面已形成许许多多的原电池； Zn片和Cu片之间电阻较大，Zn上的电子难以转移到Cu片上；有部分实验所用的硫酸溶液浓度过高。根据参考文献,在锌电极上同时存在锌电极溶解反应(即Zn - 2e→Zn2 + )与氢离子形成氢气反应(即2H+ + 2e→H2 )的竟争。前者是由于锌本身的活泼性而使得锌溶解变成离子;而后者则是由于氢离子具有氧化性捕获滞留在锌表面的电子所致。如果实验条件掌握得好,如外电路中电阻较小,铜电极表面较粗糙,使得氢离子在铜电极表面能很快获得电子形成氢气,从而使在锌电极表面的电子能迅速转移到铜电极上。这样氢离子在锌电极表面获得电子的可能性减小,锌电极表面就难产生气泡。但是,要使锌电极表面一点气泡都没有,即氢离子在锌电极表面一个电子也捕获不到从而不能形成氢气,这几乎也是不可能的。

从表一的实验结果可看出,随着硫酸溶液浓度的增加,两电极上反应加剧,对外供给的电流增大。但在Zn负极上始终有气泡产生,而且也随硫酸浓度增大而增多。当硫酸浓度达60%以上时,由于浓硫酸的强氧化性,而使Zn表面产生致密氧化层,两极反应停止。从表二看出，相同浓度下HNO3、HCl、HAc、(1/2H2SO4) 的导电能力HCl最强。HNO3为电解液，观察到物色溶液变为浅绿色溶液，有刺激性气味气体生成，这是因为有氧化性。按常理，醋酸为弱电解质，溶于水时，分子中只有一部分成水合离子，另一部分还是以醋酸分子的形式存在，故电流应较小，但实验中却比硫酸（强电解质）的导电能力强，分析原因，应是反应条件不平行，例如温度、电极与电解液接触面积，电极距离等。

另外，还可设计以下探究性实验，供学生按兴趣选择，丰富课堂教学。

1.如图所示安装简单实验装置，在盛有烧杯中，铁圈和银圈的连接处吊着一根绝缘的细线，使之平衡，小心地从烧杯滴入CuSO4溶液。

【分析】这是一个典型的原电的装置图，铁做负极，变为Fe2+进入溶液中；银做为正极，Cu2+得电子变为Cu而附着在银圈上。导致铁圈质量降低，银圈质量增加，银圈向下倾斜。

2. 银器里日久表面逐渐变黑，这是由于生成硫化银（Ag2S）的缘故，学生可设计了如下方法加以除：将一定浓度的食盐水放入一个铝制容器中，再将变黑的银器浸入溶液中，放置一段时间后，黑色褪去而银不会损失。

【分析】铝做负极，Ag2S做为正极。正极电极反应为Ag2S+2e2Ag+S2－，负极发生的化学反应应为Al－3eAl3+，而Al3+与S2－在水浓液相遇恰发生彻底的双水解反应2Al3++3S2－2Al(OH)3↓+3H2S↑，这个反应在电池总反应中应有所体现。

3. 取长的Al片、Mg片各一片，分别固定于一块塑料板上，将Mg片用导线与教学电流计的“—”极相接，Al片与“+”极相接。取两个烧杯，分别注入稀硫酸和氢氧化钠溶液。先将Mg、Al插入稀硫酸中观察电流计指针偏向，判断电极，将稀硫酸烧杯换成氢氧化钠溶液的烧杯，重复上述实验，观察电流计指针偏向，判断电极。

【分析】金属Mg 、Al在酸性溶液中Mg的活动性强于Al，在强碱性溶液中Al的活动性强于Mg，当它们分别在稀硫酸和烧碱溶液中形成原电池时电极应相反，外界导线上产生的电流也就相反。

4. Fe和Cu、浓HNO3进行原电池实验时，往烧杯中逐渐加水，观察电流计指针的变化。

八、 参考文献：

[1] 李广洲, 陆真. 化学教学论实验. 北京: 科学出版社, 1999.7

[2] 肖常磊, 钱扬义.中学化学实验教学论. 北京: 化学工业出版社, 2007.9

[3] 王春. 关于原电池的原理及形成条件的探究教学设计. 课例解释. 2007:54～56

[4] 吴俊明. 中学化学实验研究导论. 江苏：江苏教育出版社， 1999.12

[5] 原电池装置图http://images.google. cn/images?hl=zh-CN&q=%E5%8E% 9 F%E7%94%B5%E6%B1%A0%E8%A3%85%E7%BD%AE%E5%9B%BE&rlz=1W1GPCK_zh-CN&um=1&ie=UTF-8&sa=N&tab=wi