原電池原理的解讀及其實驗探究

?王夢菲

原電池原理的解讀及其實驗探究

?王夢菲

介紹了原電池發(fā)生的原理是氧化還原反應(yīng),并從幾個實驗探究得出原電池發(fā)生的條件和實質(zhì)。

原電池; 電解質(zhì)溶液；氧化還原反應(yīng); 原電池的正極; 原電池的負極

鋅銅原電池是根據(jù)氧化還原反應(yīng)設(shè)計而成的，它由兩個半電池組成，在鋅銅原電池中，鋅和鋅鹽溶液組成鋅半電池，銅和銅鹽溶液組成銅半電池，中間通過鹽橋連接起來。構(gòu)成原電池的條件有：⑴電極材料。兩種金屬活動性不同的金屬或金屬和其它導(dǎo)電性材料。⑵兩電極必須浸沒在電解質(zhì)溶液中。⑶兩電極之間要用導(dǎo)線相連形成閉合回路。一般來說，用還原性較強的物質(zhì)作為負極，負極向外電路提供電子，發(fā)生的是氧化反應(yīng)(但很活潑的金屬單質(zhì)一般不作做原電池的負極如K，Na，Ca等)；用氧化性較強的物質(zhì)作為正極，正極從外電路得到電子，發(fā)生的是還原反應(yīng)。

一、原電池的原理

1.原電池的電極反應(yīng)式：

負極(Zn)：Zn-2e- =Zn2+(氧化反應(yīng))

正極(Cu)：Cu2++2e-=Cu (還原反應(yīng)) (正負極得失電子數(shù)目相等)

2.原池反應(yīng)：原電池的兩個電極反應(yīng)組成電池的總反應(yīng)，這個總反應(yīng)組成原電池的電池反應(yīng)。

電池反應(yīng)式：Zn+Cu2+= Zn2++Cu (離子反應(yīng)方程式)

Zn+CuSO4= ZnSO4+Cu (化學(xué)方程式)

3.電子流向：由負極流出，經(jīng)導(dǎo)線，流入正極

電流方向：由正極流出，經(jīng)導(dǎo)線，流入負極

4.電解質(zhì)溶液中：陽離子: 向陰極定向移動；陰離子:向陽極定向移動。

二、實驗探究

1.實驗探究一

將一Zn片、Cu片平行插入稀硫酸溶液中，Zn片上有氣泡生成，原因是鋅和稀硫酸發(fā)生反應(yīng)生成氫氣，而銅和稀硫酸不反應(yīng)。如果將一Zn片、Cu片插入稀硫酸溶液中后，用一導(dǎo)線和電流計連接起來后發(fā)現(xiàn)，鋅片不斷溶解的同時電流表指針有偏轉(zhuǎn)，銅片上有氣泡產(chǎn)生。把稀硫酸的濃度再提高一些，發(fā)現(xiàn)銅片上生成氣泡更多，電流計反應(yīng)更快，瞬時電流更強，電流表指針偏轉(zhuǎn)得更厲害。

[實驗探究延伸]若將稀硫酸變換成濃硫酸，因為濃硫酸有強氧化性，可使鋅表面形成致密氧化膜而發(fā)生鈍化。銅與濃硫酸的反應(yīng)，在體系內(nèi)主要生成Cu2S、Cu2O(呈黑色)。

方程式：16Cu+2H2SO4==2Cu2S+6Cu2O+2H2O 濃硫酸含水相當少，一價銅在干態(tài)情況下較穩(wěn)定，所以一定時間內(nèi)在體系中溶解不完全。故體系中雖有CuSO4產(chǎn)生(呈白色)，但量不大，且不易生成CuSO4·5H2O及Cu2+。因此反應(yīng)停止后，看不到二價銅水合物的明顯藍色。

[實驗探究延伸操作]取出銅片，浸入稀硫酸中，銅絲表面的黑色固體溶解，溶液變?yōu)樗{色，即Cu絲與濃硫酸共熱時被氧化為CuO；再取出試管底部的白色固體放入盛有水的燒杯中，溶液變?yōu)樗{色，證明白色固體是無水硫酸銅。

[實驗探究延伸分析]銅與濃硫酸反應(yīng)方程式為：

Cu + H2SO4(濃) = CuO+SO2↑+H2O (加熱)

CuO + H2SO4= CuSO4+ H2O

原電池電解質(zhì)溶液硫酸濃度由低到高逐漸升高，由于濃硫酸能使鋅片鈍化后不發(fā)生反應(yīng)，而銅與濃硫酸反應(yīng)，造成原電池實驗現(xiàn)象改變：①指針方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即電流方向、電子移動方向均發(fā)現(xiàn)變化；②氣泡產(chǎn)生部位由銅片轉(zhuǎn)移至鋅片，即正、負極發(fā)生變換；③氣泡由無色無味氣體變成無色刺激性氣體，該無色刺激性氣體既能使石蕊溶液褪色，也能將品紅溶液褪色，即由氫氣變成二氧化硫。

[實驗探究延伸結(jié)論]經(jīng)典Cu-H2SO4-Zn原電池，電解質(zhì)溶液稀硫酸要有一個合適的濃度。

2.實驗探究二

[實驗操作]將鋅片加入CuSO4溶液中，用溫度計測量溶液溫度的變化，分析能量變化的情況。

[實驗現(xiàn)象]鋅片逐漸溶解, 并出現(xiàn)有紅色物質(zhì)析出, 溫度計溫度迅速上升。

[實驗結(jié)論]鋅片在溶解過程中由于金屬活潑性相對強于金屬銅，生成銅單質(zhì)，金屬活潑性Zn>Cu；溫度計溫度升高說明化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能。

3.實驗探究三

用導(dǎo)線和小燈泡將鋅片與銅片連接起來組成銅鋅原電池。在銅鋅原電池中, 用小燈泡來指示電流的產(chǎn)生時, 既要求一定的電壓, 又要求一定的電流, 為了提高演示效果, 使燈泡明亮并持久些, 我們在硫酸溶液中加入了適量的飽和高錳酸鉀溶液或電解質(zhì)溶液(如氯化鈉溶液)。如果對裝置再加以改進加入鹽橋：在U形管中裝滿用飽和KCl溶液和瓊膠作成的凍膠。鹽橋的作用使Cl-向鋅鹽方向移動，K+向銅鹽方向移動，使Zn鹽和Cu鹽溶液一直保持電中性，從而使電子不斷從Zn極流向Cu極，使電流持續(xù)傳導(dǎo)，結(jié)果顯示小燈泡比實驗探究二更亮，時間更持久。

[實驗探究延伸]

(1)將實驗探究三中的銅片改用碳棒，用導(dǎo)線和小燈泡將鋅片與碳棒連接起來組成C-CuSO4-Zn原電池。結(jié)果顯示小燈泡同樣比實驗探究二更亮，時間更持久。

(2)將實驗探究三中的銅片改用塑料棒，用導(dǎo)線和小燈泡將鋅片與塑料棒連接起來組成閉合回路。結(jié)果顯示小燈泡變暗。

[實驗探究延伸現(xiàn)象]

(1)銅片改用碳棒，結(jié)果顯示小燈泡同樣比實驗探究二更亮，時間更持久。

(2)銅片改用塑料棒，結(jié)果顯示小燈泡變暗。

[實驗探究延伸結(jié)論]

實驗中鋅片、銅片、碳棒均可導(dǎo)電，而塑料棒為不可導(dǎo)電物質(zhì)，所以原電池電極的選擇條件為可導(dǎo)電物質(zhì)。

三、實驗結(jié)論

構(gòu)成原電池的條件：①兩種活潑性不同的導(dǎo)電電極；②電解質(zhì)溶液；③形成閉合回路。

河南省平頂山市第一高級中學(xué) 467000)