关于碳、铜、硫酸原电池的深入研究オ

谢峰�オ�

一、问题的提出

学习原电池的构成条件时，在课外资料上有这样的一种说法“碳、铜、硫酸构成的装置不能供电，不能使电流计的指针偏转”，不少学生认为这种说法正确，其依据为：无论是铜还是碳，都不能和稀硫酸溶液发生自发的氧化还原反应，没有发生电子转移，故外电路并没有电子流过，因而该装置不能对外供电，电流计指针自然也不会发生偏转.在原电池中，我们已多次遇到理论和实践不一致的情况，那么这里是否也有意外情况发生呢？我们可以通过设计一组实验来进行探究.

二、实验探究

1.搭建碳铜硫酸原电池，进行实验探究

（1）实验观测

将原电池新授课使用的锌铜硫酸原电池中的锌片换成碳棒，即可得到简易碳铜硫酸原电池，为提高实验的精确度，考虑将普通电流计改换成灵敏电流计.组装好装置后，经过仔细观察，发现有如下现象：装置中液面很平静，不管是碳棒表面还是铜片表面，均无气泡产生，但灵敏电流计的指针却发生了大幅度的偏转，甚至换用普通电流计，指针也有一定角度的偏转.为避免偶然性的发生，将碳、铜两电极逐次放入不同浓度的硫酸[JP3]溶液中，结果指针无一例外地均发生大幅偏转，所得数据见表1.

（2）提出问题

究竟是什么原因导致电流计指针发生偏转呢？引导学生联系氢氧化亚铁在空气中的变质，大胆猜测指针偏转与空气中氧气有关，亦即猜测发生了吸氧腐蚀.为了验证猜想，进一步进行理论探究，小组讨论后，大家一致认为应该设计一组有氧与无氧的对比实验加以验证.

（3）进一步实验探究

为便于观察比较，考虑设计四组实验进行对比，具体方案如下.

第一组：将薄铜片电极和碳棒电极用导线相连接，插入10%稀硫酸溶液中，再将导线连接灵敏电流计，观察到电极表面无明显变化，电流计指针发生偏转，读数约为300 μA.

第二组：将薄铜片电极和碳棒电极用导线相连接，插入10%稀硫酸溶液中，再滴加少量植物油液封液面以隔绝空气中氧气，然后再将导线连接灵敏电流计，稳定后观察到电极表面仍无明显变化，电流计指针仍然发生偏转，但偏转幅度变小，读数约为100 μA.

第三组：将薄铜片电极和碳棒电极用导线相连接，插入用加热煮沸过的10%稀硫酸中，再滴加少量植物油液封液面以隔绝空气中氧气，然后再将导线连接灵敏电流计，观察发现电极表面无明显变化，且电流计指针不再发生偏转，读数为0.

第四组 将薄铜片电极和碳棒电极用导线相连接，插入10%稀硫酸溶液中，再将导线连接后放置一段时间，观察到铜片被腐蚀且在液面位置附近腐蚀最为严重，溶液颜色由无色逐渐变为蓝色.[HJ0.85mm]

（4）分析与结论

由以上实验现象和数据可得，碳铜硫酸原电池发生的是吸氧腐蚀，其中薄铜片作为负极失去电子转化为铜离子，来源于空气中的氧气和溶液中的溶解氧在碳电极上得到电子，铜片在液面附近腐蚀最严重说明参与反应的氧主要是来源于空气中的氧气，而硫酸溶液并未直接参与电极反应，主要起导电作用.那么变换硫酸溶液的浓度时，电流计测得的电流强度基本没有变化，究竟是因为电流强度大小只与吸氧腐蚀发生的快慢相关？还是因为电流计太过灵敏，而测得的电流强度又相对较大，从而使得电流计钝化导致呢？为此，有必要继续设计实验探究.

（5）再次进行实验探究

为了解决上述问题，设计两组对比实验如下：

第一组：将薄铜片电极和碳棒电极用导线相连接，插入10%氯化钠溶液中，再将导线连接灵敏电流计，观察到电极表面无明显变化，电流计指针发生偏转，读数也约为300 μA.放置一周时间后，继续观察到溶液颜色略有变蓝，且在溶液底部有黑色沉淀物产生.将黑色沉淀物滤出并向其中滴加少量10%稀硫酸溶液，发现黑色沉淀物慢慢溶解，溶液颜色也慢慢变为淡蓝色，此时并无气泡产生.

第二组：将薄铜片电极和碳棒电极用导线相连接，插入医用酒精（浓度约70%）中，再将导线连接灵敏电流计，观察到电极表面无明显变化，电流计指针发生明显偏转，读数约为100 μA左右.

第三组：将薄铜片电极和碳棒电极用导线相连接，插入无水乙醇（浓度≥99.7%）中，再将导线连接灵敏电流计，观察到电极表面无明显变化，电流计指针几乎没有偏转，读数约为0.

（6）分析与结论

将碳铜硫酸原电池换中电解质溶液替换成差不多同浓度的氯化钠溶液后，薄铜片依然发生了吸氧腐蚀，在中性条件下，慢慢生成氢氧化铜沉淀，后又转化为能溶于稀硫酸的黑色沉淀物.将稀硫酸用无水乙醇替换后，因为无水乙醇属于非电解质，并不能导电，所以薄铜片不再发生吸氧腐蚀，因而电流计指针不再发生偏转.至于医用酒精中电流计指针发生偏转，主要是因为医用酒精中存在少量弱电解质水，水的存在使得吸氧腐蚀又得以发生.

三组对比实验的结果说明电流强度的大小与电解质溶液的种类、浓度均关系不大，而主要与吸氧腐蚀的快慢程度相关.在不同浓度同种类的溶液和同浓度不同种类溶液中，吸氧腐蚀的快慢程度相当，所以电流强度的大小相当.在医用酒精溶液中，由于水属于极弱电解质，虽能导电但导电能力极弱，使得吸氧腐蚀速率减慢，从而使得电流计电流强度读数减小.

三、启发与反思

经过上述探究过程，貌似不可能实现的碳铜硫酸原电池变成了可能，而且学生还不仅知其能更知其所以能.其实这样的例子在原电池中还有很多，例如锌铜硫酸原电池中不仅在铜电极有氢气产生，而且在锌电极也有氢气产生，甚至产生的更多更快.这样的情况不是仅存在于原电池实验中，而是在许多化学反应中普遍存在的现象，总之一个实验的现象会受较多外界因素的影响，这些因素有的可以预知并可控，有的既不可预知也不可控.教师在分析相关问题时，视而不见，仅仅围绕理想情况下的结论展开分析推理，可能会出现一些科学性失误.作为为人师表的教育工作者，广大教师在平时的教学与研究过程中不能仅从理论上想当然，务必要重视实践，将理论与实践紧密融合.