利用濃差電池鍍銅的實驗探究

李桂林 李國興 陸艷

摘要： 若電池中總的過程僅僅是一種物質(zhì)（包括單質(zhì)或離子）從高濃度狀態(tài)向低濃度狀態(tài)轉(zhuǎn)移，這類電池稱為濃差電池。本實驗利用銅與硝酸銅制作的濃差電池來鍍銅，并自制教具利用DIS探頭測量該濃差電池的電流與電壓，探究不同的濃度比與電流和電壓的關(guān)系。

關(guān)鍵詞： 濃差電池; 鍍銅; DIS探頭實驗; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2019）11-0061-03? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： B

化學(xué)電源是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，是高等學(xué)校本科生《物理化學(xué)》課程電化學(xué)的重要內(nèi)容之一?；瘜W(xué)電源已經(jīng)進入人們的日常生活，因此學(xué)生能夠親身體會到化學(xué)電源的重要性?；瘜W(xué)電源主要包括一次電池和二次電池。一次電池是指電池中的電化學(xué)反應(yīng)只能進行一次放電反應(yīng)，而不能進行充電。二次電池即蓄電池，指的是電池中的電化學(xué)反應(yīng)能夠進行可逆的充放電反應(yīng)，而且充放電過程可以進行多次，即電池具有較長的壽命[1]。

若電池中總的過程僅僅是一種物質(zhì)（包括單質(zhì)或離子）從高濃度狀態(tài)向低濃度狀態(tài)轉(zhuǎn)移，這類電池我們稱之為濃差電池。簡而言之，濃差電池之所以能夠?qū)ν廨敵鲭娔苁怯捎陔姵伢w系中存在物質(zhì)的濃度梯度。濃差電池可以分為兩類，即電極濃差電池和電解質(zhì)濃差電池。電極濃差電池指的是由于電極本身活性物質(zhì)濃度的差別而引起的電勢差，這種濃差電池中只包含一種電解質(zhì)溶液;電解質(zhì)濃差電池指的是由于電池中電解質(zhì)濃度的差異所引起的電極電勢的差異，這種濃差電池中包含至少兩種不同濃度的電解質(zhì)溶液，而且電極電勢的大小與電解質(zhì)溶液的濃度有關(guān)[2， 3]。

1? 硝酸銅的濃差電池鍍銅

1.1? 實驗用品

銅棒、硝酸銅（AR）、試管、橡皮塞、燒杯、玻璃棒、容量瓶、電子天平、長頸漏斗、滴管、容量瓶

1.2? 制作硝酸銅的濃差電池的步驟

（1） 先配制兩種不同濃度的硝酸銅溶液。一種是濃度較大，為1mol/L的硝酸銅溶液;另一種濃度較稀，為0.25mol/L的硝酸銅溶液。注意，在配制硝酸銅溶液時再加入2～3滴濃硝酸防止水解。

（2） 取一支試管（容積為70～80毫升），配上一個橡皮塞或軟木塞，塞子的中央鉆一個細孔，再在孔內(nèi)插入一根粗銅絲（可用刮掉漆膜的銅質(zhì)漆包線代替）。銅絲要稍粗一點，太細了在溶液中立不起來。

（3） 在試管中先裝入20毫升0.25mol/L硝酸銅溶液，然后，用長頸漏斗往溶液底部加入20毫升1mol/L硝酸銅溶液。實驗成敗關(guān)鍵： 切勿使這兩種濃度不同的溶液混合起來。濃的硝酸銅溶液密度大，下沉在試管的下半部;稀的硝酸銅溶液密度小，在試管的上半部，我們應(yīng)該能夠清楚地看到它們之間有明顯的分界面。

（4） 把帶有塞子的粗銅絲小心地插到試管中。注意動作要輕而慢，不要把兩種濃度不同的硝酸銅溶液攪混起來。

（5） 片刻后觀察兩層溶液中的銅絲表面的顏色變化。

1.3? 實驗原理

該濃差電池因電解質(zhì)硝酸銅溶液濃度不同而形成，屬于電解質(zhì)濃差電池，兩極硝酸銅濃度的差異所引起的電極電勢的差異，負極和正極都是由同一種金屬（銅絲）做成的，而且銅絲還代替導(dǎo)線，起著傳導(dǎo)電流的作用。總的電極方程式為：

（-）Cu|CuSO4（c1）||CuSO4（c2）|Cu（+）， c1

Cu2+濃度較大端則該電極的電極電勢高，在電池中做正極，Cu2+濃度較小端則該電極的電極電勢低，在電池中做負極。即上面的銅絲是負極，電子從它流出，負極上的金屬銅失去電子，變成銅離子溶解在溶液中： CuCu2++2e。電子經(jīng)過銅絲流入下面的正極（它也是銅絲），附近溶液中的銅離子得到電子，并在正極上沉積為金屬銅： Cu2++2eCu。從正極和負極的半反應(yīng)看來，負極的銅在減少，正極有銅析出。

1.4? 實驗結(jié)果

實驗結(jié)束，把銅絲從溶液中取出，用水沖洗后，現(xiàn)象更為清晰可見了： 有一段銅絲在原來銅的表面鍍上了一層新銅。在整個實驗過程中，根據(jù)兩極的方程式，從結(jié)果來看，只是上面的銅轉(zhuǎn)移到下面了。硝酸銅的質(zhì)量不發(fā)生任何改變。所以，我們可以制作一個銅和硝酸銅的濃差電池，并且可以利用這個濃差電池“零能耗”鍍銅。濃差電池之所以能夠?qū)ν廨敵鲭娔苁怯捎陔姵伢w系中存在物質(zhì)的濃度梯度[4]。

2? 利用DIS實驗測銅-硝酸銅濃差電池的電流和電壓

2.1? 實驗用品

帶蓋塑料試管一支、熱熔膠棒、打火機、銅棒、硫酸銅（AR）、試管、橡皮塞、燒杯、玻璃棒、容量瓶、電子天平、長頸漏斗、滴管

2.2? 利用微電流傳感器和電壓傳感器測量電流和電壓

為了證明前面我們制作的是濃差電池，最好的辦法是測量該電池的電流或者電壓。電池的濃溶液端的銅為正極，電池稀溶液端的銅為負極。筆者自制了一個儀器： 在一個塑料試管的下端鉆一個洞，把銅棒穿過洞口并用棒膠密封好。再在塑料試管的蓋子上打一個洞。試管下面加入較濃的硝酸銅溶液，上面加入較稀的硝酸銅溶液。按圖1所示連接好微電流傳感器，調(diào)零，測量該濃

圖1? 自制的濃差電池測定電流

圖2? 自制的濃差電池測定電壓

差電池的電流。若把微電流傳感器改為電壓傳感器（如圖2所示），可以測量該濃差電池的電壓。

2.3? 不同濃度比的電流與電壓

按2.2實驗裝置連接好，改變濃硝酸銅或稀硝酸銅溶液的濃度，從而改變其濃度比值，測量不同濃度比值時的電流與電壓。如表1所示，得出不同濃度比值與電池電壓及電流的關(guān)系。

表1? 不同濃度比值與電壓、電流的關(guān)系

濃硝酸銅濃度（mol/L）11111

稀硝酸銅濃度（mol/L）10.50.250.1250.062

濃度比值1∶12∶14∶18∶116∶1

電壓（mV）019283139

電流（mA）00.070.130.130.15

3? 探討幾個問題

如果把硝酸銅溶液換成硫酸銅溶液或氯化銅溶液會有什么現(xiàn)象呢？按同樣的步驟和方法進行上述實驗。銅放在濃、稀不同的硫酸銅溶液中進行實驗，溶液無變化，銅絲上無法鍍上新銅。銅放在濃、稀不同的氯化銅溶液中進行實驗，銅會和濃的氯化銅反應(yīng)生成氯化亞銅，銅絲上也無法鍍上新銅。其中的原因有待今后進一步的探究。

4? 展望

通過濃差電池鍍銅的小實驗，對濃差電池的應(yīng)用進行了探索，可在中學(xué)生化學(xué)實驗課上進行展示，有利于激發(fā)學(xué)生對濃差電池的研究興趣。

能源是關(guān)系到人類社會發(fā)展的最主要問題之一。目前全球大部分的能量需求來源于化石燃料。由于化石燃料具有不可再生性，最終必將導(dǎo)致其枯竭。而且化石燃料的大量使用也將會導(dǎo)致嚴重的環(huán)境污染。因此，有關(guān)新型化學(xué)電源的研究越來越受到人們的重視。濃差電池這一古老的原型器件也被推向了研究前沿。普遍的觀點認

為，自然界中存在大量的濃度梯度。如在黃河、長江及其他河流的入?？诰痛嬖诤Ｋc淡水之間的鹽（如氯化鈉等）的濃度梯度。如果能夠?qū)⑦@些儲存在濃度梯度里的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，就能夠為人類社會提供大量的能源。美國和以色列等國家非常重視濃差電池的研究。中國、瑞典和日本等也開展了一些研究?？傮w上，有關(guān)濃差電池的研究仍還處于實驗階段，離大規(guī)模應(yīng)用還有漫長的路程[5，6]。

參考文獻：

[1]傅獻彩， 沈文霞， 姚天揚， 侯文華. 物理化學(xué)（下冊）（第五版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2006.

[2][4]劉兆閱. 化學(xué)中濃差電池的概念及器件化[J]. 教育教學(xué)論壇， 2016， 4（15）： 164～166.

[3][5]徐衛(wèi)， 趙琦. 微型氧濃差電池的制作與分析[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2013， （12）： 54～55.

[6]諸佳丹， 丁偉. 原電池法探究金屬鋁在濃硝酸中的鈍化行為[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （9）： 59～60.