原電池工作原理的探討范文

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《化學教育雜志》2015年第七期

摘要

針對原電池教學中對電子定向移動的解釋，外電路中電子移動的問題，內電路中離子移動的問題，能量轉化問題等出現的一些偏差認識進行了探討。

關鍵詞

原電池；電子移動；離子移動；能量轉化

雖然化學電池在生產、生活中應用廣泛，但由于體系復雜，內容抽象，涉及多學科內容，查閱相關的大學物理、化學教材發現，目前對其工作原理，即使是最簡單的電池———原電池的工作原理，也說法不一，還沒有形成統一的、清晰的認識。在一些大學教材中，原電池的工作原理雖有定量描述，但假設、經驗公式成分居多，基本還處于半定量階段，這無疑增加了中學教學難度。而原電池工作原理又是高中化學重點學習內容，這就要求教師結合大學相關教材，主要是電磁學、物理化學等，融合各學科的觀點，從中尋找合理成分，達成對原電池工作原理比較接近本質的理解。在聽課及查閱文獻時，發現有些教師對原電池工作原理的認識還比較模糊，甚至存在一些偏差，現提出來與大家交流探討，以期厘清原電池工作原理的一些基本認識。

1對電子定向移動的解釋

在原電池教學中，關于電子定向移動的問題，較常見的做法是通過實驗現象，如電流計指針偏轉，正極處產生新物質等，簡單分析得出電子發生定向移動的結論。至于學生感覺比較困惑的地方，如原電池為什么會產生電流？Zn上的電子為什么會流向Cu？電子發生定向移動的驅動力是什么？由于涉及的微觀機理比較復雜，有的教師一般避而不談。實際上，在“化學反應原理”教學階段，可以從剛學過的沉淀溶解平衡以及電學知識入手進行分析，建立“雙電層”理論模型［1］72，然后利用該模型進行解釋，學生比較容易接受。當把金屬電極插入溶液中，有部分金屬離子會溶解進入溶液；同時，溶液中金屬離子又會沉積到金屬上，即M（s幑幐）Mn＋（aq）＋ne－。當溶解和沉積的速率相等時，達到動態平衡，金屬表面的電荷層與溶液中相反電荷離子形成一個厚度約10－10m的穩定雙電層（如圖1），產生電勢差，即金屬的電極電勢。金屬電極電勢的大小與金屬的性質有關，金屬越活潑，電勢越低。對于Cu、Zn、CuSO4溶液形成的原電池，由于Zn電極的電勢低，Cu電極的電勢高，當用導線連接形成閉合回路時，整個電路中的自由電子在電場作用下，發生定向移動。Zn電極上的電子經過導線流向Cu電極。Zn電極上電子減少，Cu電極上電子增多，兩電極離子的溶解和沉積動態平衡均被破壞，兩電極表面附近的雙電層也隨之被破壞。為了維持原有的雙電層結構［2］，Zn電極重新析出Zn2＋到溶液中，同時溶液中又有Cu2＋沉積到Cu表面。這樣兩極之間又產生電勢差，使電子再由Zn電極流到Cu電極。這樣的過程不斷重復，使Zn的溶解和Cu2＋沉積的過程持續進行，在電路中產生持續的電流。

2外電路中電子移動問題

對于Cu、Zn、H2SO4溶液形成的原電池，有的教師結合原電池動畫這樣介紹導線中電子轉移：Zn失電子，電子沿著導線轉移到Cu，然后H＋在Cu表面得電子變成H2。這樣的講解很容易讓學生誤以為H＋得的電子來源于Zn。實際上電子在金屬中定向移動的平均速率很小［3］，約為10－5m／s，經過10cm的導線需要近3h。如果H＋得的電子是從Zn轉移過來的，則在Cu表面應經過數小時后，才會觀察到氣泡。而實際上，在Cu和Zn兩極接通瞬間，就可以觀察到氣泡。顯然，上述對外電路中電子移動的解釋不盡合理。這里可以利用“雙電層”理論模型，借助電學相關知識進行較為合理地解釋。因為Cu和Zn兩極存在電勢差，接通后，立即在兩極建立電場，電場以光速進行傳遞，外電路中的電子隨即整體定向移動，溶液中H＋即在Cu表面得電子產生H2。

3內電路中離子移動問題

關于原電池內電路中離子移動，有的教師這樣介紹：在原電池中，為了形成閉合回路，電解質溶液中陽離子移向正極，陰離子移向負極，如Cu－Zn－H2SO4原電池，Zn2＋和H＋移向Cu電極，SO2－4移向Zn電極。這樣講解也存在問題。在原電池的電解質溶液中，引起離子移動的原因主要是電場和化學勢。由于發生電極反應：（－）Zn－2e－＝Zn2＋，（＋）2H＋＋2e－＝H2，使負極附近Zn2＋濃度變大，正極附近H＋濃度變小，溶液中Zn2＋和H＋濃度不再均勻，即溶液各處Zn2＋和H＋化學勢不一樣，這樣就產生一個驅動力，使Zn2＋和H＋向化學勢低，即濃度小的地方移動，Zn2＋和H＋移向Cu電極。同時，由于兩極雙電層的存在，在溶液中建立了由Zn電極（雙電層中正電荷多）指向Cu電極（雙電層中正電荷少）的電場，該電場也使Zn2＋和H＋移向Cu電極。對于溶液中SO2－4，由于不參與電極反應，濃度不變，溶液中各處化學勢相等，但在電場的作用下，會移向Zn電極。一旦發生遷移，溶液中SO2－4分布不再均勻，靠近Zn電極濃度高，靠近Cu電極濃度低，在化學勢的作用下，SO2－4產生移向Cu電極的趨勢，可以預見這2種相反的作用最終會達到平衡，即溶液中SO2－4不可能持續不斷移向Zn電極。蘇永喬認為電池中溶液中的離子符合玻爾茲曼分布律，以丹聶耳電池為例，計算結果表明，電源正常工作時，溶液中的負離子有一個穩定的分布，并得出如下結論：宏觀上看，負電荷沒有定向運動。丹聶耳電池內部的電流是由正電荷在靜態的負電荷（從宏觀角度說）的背景下定向運動形成的［4］。

4能量轉化問題

在平時教學中，一般按如下方式描述能量轉化問題：Zn與CuSO4溶液直接接觸反應，是化學能轉化為熱能；對于Cu－Zn－CuSO4單液電池，由于Zn電極表面析出Cu，所以化學能一部分轉化為電能，一部分轉化為熱能；對于Zn∣ZnSO4‖Cu－SO4∣Cu雙液電池，是化學能轉化為電能。應該明確Zn直接與CuSO4溶液反應和Zn∣ZnSO4‖CuSO4∣Cu構成雙液電池，這2個能量轉化過程中，能量值的大小其實是不一樣的。前者是等壓條件下的熱效應，應用焓（ΔH）計算，后者是等溫等壓條件下所做電功，應根據吉布斯自由能（ΔG）計算。對于反應：Zn＋Cu2＋＝Zn2＋＋Cu，ΔrHm＝－218．66kJ／mol，ΔrGm＝－212．55kJ／mol。另外需要注意的是，只有可逆電池在接衡狀態下工作時，才符合熱力學要求，才能從熱力學角度定量計算電池的能量轉化［1］60。Zn∣ZnSO4‖CuSO4∣Cu雙液電池未形成通路時，Cu和Zn2個電極與各自所處的電解質溶液達到平衡狀態，不發生化學反應，充放電時，電極反應可向正、反2個方向進行，基本符合熱力學要求。當Cu－Zn－CuSO4單液電池未形成通路時，Zn電極會與電解質溶液持續反應，不具有熱力學意義。與單液電池相比，雙液電池更接近可逆體系，因此化學能轉化為電能的效率更高［5］。

參考文獻

［1］傅獻彩，沈文霞，姚天揚，等．物理化學（下冊）．5版．北京：高等教育出版社，2005

［2］趙凱華，陳熙謀．電磁學．北京：高等教育出版社，2003：299－301

［3］彭前程．普通高中課程標準實驗教科書：物理選修3－1教師教學用書．北京：人民教育出版社，2010：113

［4］蘇永喬．物理通報，2012（4）：96－101

［5］李友銀，范廣偉，石璞．化學教育，2013，34（10）：72－7

作者：周慶華 王仲如 單位：北京市大興區第一中學