一项低技术水平的实验室练习，用于探索电化学、结合系数和电池原理

《Journal of Chemical Education》：A Low-Tech Laboratory Exercise to Explore Electrochemistry, Binding Coefficients and Batteries

开发了一种基于微流控纸张分析装置（μPAD）的实验课程，利用蜡笔制作微井和伏特计测量电位，通过Play-Doh盐桥提升精度。学生通过浓度电池测定未知铜离子浓度，计算铜-咪唑络合物结合常数，并设计电池点亮LED。实验证明能提升电化学理解与问题解决能力，适用于大二课程，成本低至0.90美元/人。

　　这个实验课程设计是针对一个中级分析化学课程的，旨在通过一种纸基微流控分析装置（μPAD）系统，结合电压计，让学生掌握电化学的基本概念。课程的重点在于让学生在实践中理解电化学原理，并将这些原理与电池设计和平衡概念联系起来。整个实验分为两个部分，分别在两天内完成，涉及浓度电池的构建和校准、铜-咪唑配合物的结合常数测定以及一个简单电池的制作，用于点亮LED灯。

实验设计的关键创新在于使用了Play-Doh作为盐桥材料。这种材料不仅成本低廉，而且在实验过程中表现出良好的导电性和离子传输性能，显著提高了实验的精确度和准确性。通过这种方式，学生能够在不依赖昂贵仪器的情况下，获得高质量的实验数据。此外，实验过程中使用蜡笔在滤纸上绘制微井，既降低了实验的复杂性，又让学生有机会参与到设备的制作中，从而增强他们的动手能力和实验技能。

在实验的第一天，学生首先制作浓度电池，用于测定未知铜溶液的浓度。他们通过绘制微井，并在滤纸上形成水不溶性区域，以确保电化学反应的稳定性。随后，他们使用不同浓度的铜溶液进行校准，绘制对数浓度与电势之间的关系曲线，以验证Nernst方程的适用性。这种做法让学生直观地看到浓度变化对电势的影响，从而加深他们对电化学原理的理解。在第二天，学生进一步利用同一装置测定铜-咪唑配合物的结合常数（Kf），并通过制作一个简易电池来点亮LED灯，这一部分不仅让学生了解电池的基本结构和工作原理，还激发了他们对实际应用的兴趣。

整个实验过程中，学生需要独立完成多个步骤，包括设备的制作、数据的收集与分析，以及问题的解决和实验结果的解释。这种自主探索的方式有助于培养学生的科学思维和实验能力。通过实验报告的分析，可以发现大多数学生能够成功完成实验，并且在实验过程中积累了丰富的经验。例如，有88%的学生能够正确地绘制浓度电池并校准其性能，其中7名学生甚至获得了超过0.99的线性相关系数。此外，有69%的学生成功制作了能够点亮LED灯的电池，这一成果为他们带来了成就感。

尽管实验在教学上取得了成功，但部分学生在操作过程中遇到了一些挑战。例如，在测定铜-咪唑配合物的结合常数时，由于铜浓度较低，学生在使用移液器进行标准溶液配制时出现了较大的误差，导致计算出的Kf值与理论值存在较大偏差。这种误差可能源于溶液的电阻较高，或者在实验过程中未能完全控制电化学反应的条件。然而，即使在这些挑战中，学生仍然能够通过实验获得对Kf概念的理解，并认识到该方法在定量分析方面的局限性。

实验的另一部分是使用铜和咪唑溶液构建一个简单的电池系统。学生需要将镁作为阳极，铜溶液作为阴极，并使用Play-Doh作为盐桥，以完成电路连接。这一过程不仅考验了学生的动手能力，还要求他们对电化学反应的原理有深入的理解。例如，学生需要知道如何正确连接电极、如何确保盐桥的有效性，以及如何调整电路参数以达到最佳的电流输出。在这一过程中，学生也表现出了良好的问题解决能力，许多学生在遇到困难后能够通过反复尝试和调整，最终成功点亮LED灯。

为了提高学生的实验体验和学习效果，课程设计中还融入了多个教学元素。例如，在实验前，学生需要自己制定实验方案，包括如何设计和优化实验步骤。这种预实验准备不仅帮助学生更好地理解实验目标，还培养了他们的科学规划能力。此外，实验报告的评估不仅关注实验数据的准确性，还特别重视学生在实验过程中所展现的思维过程和问题解决能力。通过分析学生的实验报告，可以发现他们普遍能够识别实验中出现的问题，并提出合理的解决方案。例如，有学生提到，在制作盐桥时需要精确控制材料的用量，以避免过多的Play-Doh影响电势的测量。

整个实验课程的实施背景是基于一个名为“Making Introductory Courses Real while Online”（MICRO）的项目，该项目旨在通过微流控纸基分析装置（μPADs）来支持初级化学课程的教学。μPADs具有成本低廉、安全可靠、操作简便等优点，特别适合在教学中使用。此外，该课程还结合了21世纪社会挑战的主题，例如环境保护和可持续发展，使学生能够在实验中看到化学知识的实际应用价值。

在教学过程中，学生被鼓励进行合作和交流，分享他们的实验经验和观察结果。这种互动不仅有助于提高实验的成功率，还促进了学生之间的相互学习。同时，实验报告的收集和分析也为教师提供了重要的反馈信息，帮助他们了解学生的学习进展和存在的问题。通过这些数据，教师可以进一步优化实验设计，提高课程的教学质量。

总的来说，这个实验课程在教学上取得了显著的成功。学生不仅掌握了电化学的基本概念，还培养了独立思考和解决问题的能力。此外，通过将理论知识与实际操作相结合，学生能够更深入地理解电化学在现实世界中的应用价值。实验过程中使用低成本材料和简易设备，使得课程更具可推广性和可复制性，适用于不同教学环境。未来，该实验可以进一步扩展，例如通过调整实验参数，探索不同颜色LED灯对电势的响应，或者结合其他分析技术，提高实验的精确度和适用范围。