例析“原電池”知識(shí)

摘要：本文從中學(xué)物理的角度出發(fā)，結(jié)合例題從本質(zhì)上厘清原電池裝置的原理，建立對(duì)電化學(xué)過(guò)程的系統(tǒng)分析思路，提高學(xué)生對(duì)電化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，促使學(xué)生認(rèn)識(shí)中學(xué)電化學(xué)中電極名稱(chēng)、電流方向、電荷移動(dòng)方向等容易混淆的問(wèn)題.

關(guān)鍵詞：電化學(xué)；原電池；高中化學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-0333（202301-0143-03

收稿日期：2022-10-05

作者簡(jiǎn)介：潘科（1992.11-，男，廣西壯族自治區(qū)南寧人，碩士在讀，從事化學(xué)教育研究.

1 原電池原理

1.1 為什么電子會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移？

原電池兩電極存在電極電勢(shì)，若要使原電池正常工作，必須一端電勢(shì)低，一端電勢(shì)高，形成電勢(shì)差，電子在電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下由低電勢(shì)一極向高電勢(shì)一極定向移動(dòng).自發(fā)的氧化還原反應(yīng)這一形成原電池的前提條件，實(shí)質(zhì)上正是在選用能產(chǎn)生電勢(shì)差的反應(yīng)物，即還原劑與氧化劑.還原劑主要處于低電勢(shì)的一極，可以由電極本身或由外加的物質(zhì)提供電子；氧化劑主要處于高電勢(shì)的一極，可以由電極本身或由外加的物質(zhì)得到電子.

1.2 為什么外電路中電流由正極流向負(fù)極？如何定義正極與負(fù)極？

物理學(xué)家在研究電流的初始階段時(shí)，無(wú)法確認(rèn)電路中的電流是由正電荷還是負(fù)電荷的移動(dòng)產(chǎn)生的，所以當(dāng)時(shí)規(guī)定：正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞣较?，?fù)電荷向某一方向定向移動(dòng)等效于正電荷向相反方向定向移動(dòng)，所以負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向和電流方向相反.同時(shí)，物理學(xué)家還規(guī)定：外電路中，電流由正極流向負(fù)極.電子帶負(fù)電，在定向移動(dòng)的過(guò)程中，產(chǎn)生的電流的方向和電子移動(dòng)的方向相反.如圖1所示，若M為失去電子的一極，電子由M極定向移動(dòng)至N，則電流方向?yàn)镹極流向M極.物理學(xué)上還規(guī)定，在電源外部，電流的方向是從電源的正極流向負(fù)極的.出于這兩項(xiàng)規(guī)定，可知真正決定電極是正還是負(fù)的關(guān)鍵因素，是電子定向移動(dòng)的方向.通過(guò)找到自發(fā)的氧化還原反應(yīng)中的還原劑，分析出電子移動(dòng)的方向，可推出外電路中電流的方向，再由物理學(xué)上的規(guī)定來(lái)確定正極與負(fù)極.這樣的分析方法，不僅適用常見(jiàn)的以金屬作為電極的原電池，同樣使用于其他以氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)的原電池.

1.3 負(fù)極帶什么電？正極帶什么電？電解質(zhì)中陰陽(yáng)離子的移動(dòng)方向以及產(chǎn)生的電流方向如何？

原電池工作過(guò)程中，由于負(fù)極的電子轉(zhuǎn)移至正極，使得負(fù)極帶正電，正極帶負(fù)電.因?yàn)橥韵喑?，異性相吸的電學(xué)特性，電解質(zhì)中帶正電的陽(yáng)離子受到負(fù)極區(qū)的排斥以及正極區(qū)的吸引，由負(fù)極向正極移動(dòng)，所以在電解池中產(chǎn)生由負(fù)極流向正極的電流；電解質(zhì)中帶負(fù)電的陰離子受到正極區(qū)的排斥以及負(fù)極區(qū)的吸引，在電解池中產(chǎn)生由正極流向負(fù)極的電流.這樣一來(lái)，電解質(zhì)溶液中形成的電流，與外電路中的電流形成閉合回路（如圖2所示）.

2 “原電池”例題解析

2.1 經(jīng)典銅鋅雙液原電池

例1

關(guān)于如圖3所示的雙液原電池，下列說(shuō)法不正確的是（）.

A．電子從鋅電極通過(guò)電流表流向銅電極

B．銅電極發(fā)生還原反應(yīng)，其電極反應(yīng)是

Cu²⁺+2e^-=====Cu

C．鹽橋中陽(yáng)離子向硫酸銅溶液中遷移

D．電流從鋅電極通過(guò)電流表流向銅電極，鋅電極作正極，銅電極作負(fù)極.

解析 ?A．該原電池中可能發(fā)生的自發(fā)的氧化還原反應(yīng)為鋅與硫酸銅的反應(yīng)，鋅提供電子，電子流經(jīng)導(dǎo)線與電流表，再由銅電極附近的溶液中的銅離子得到電子，故A選項(xiàng)正確；

B．原電池放電時(shí)，銅離子得電子發(fā)生還原反應(yīng)在銅極上析出，電極反應(yīng)式為：Cu²⁺+2e^-====Cu，故B選項(xiàng)正確；

C．原電池放電時(shí)，電子由鋅片轉(zhuǎn)移至銅電極區(qū)域，使得銅電極區(qū)域帶負(fù)電，根據(jù)同性相斥，異性相吸的電學(xué)基本原則，帶正電荷的陽(yáng)離子向銅電極區(qū)域中的硫酸銅溶液中遷移，故C選項(xiàng)正確；

D．電子從鋅電極通過(guò)電流表流向銅電極，負(fù)電荷移動(dòng)的方向與電流方向相反，故產(chǎn)生的電流從銅電極通過(guò)電流表流向鋅電極，物理學(xué)上規(guī)定，外電路中，電流由正極流出，流入負(fù)極，銅應(yīng)作正極，鋅作負(fù)極，故D選項(xiàng)錯(cuò)誤.

答案選D.

2.2 經(jīng)典燃料電池

例2某種氫氧燃料電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，下列有關(guān)該裝置的說(shuō)法不正確的是（）.

A．工作時(shí)，電子由電極a通過(guò)導(dǎo)線流向電極b

B．電極a為電池的負(fù)極

C．電極b上發(fā)生的反應(yīng)為

O₂-4e^-+4H⁺====2H₂O

D．工作時(shí)，電流由電極b流向電極a

解析該裝置為氫氧燃料電池，工作過(guò)程中，自發(fā)的氧化還原反應(yīng)為2H₂+O₂===2H₂O，由氫分子在電極a處提供電子，電子流經(jīng)導(dǎo)線后，氧分子在電極b處得到電子，可知電流由電極b流出，通過(guò)導(dǎo)線由電極a流入，電極b作正極，電極a作負(fù)極.結(jié)合原電池原理作答.

A．電極a氫分子提供電子，電極b氧分子得到電子，工作時(shí)電子由電極a通過(guò)導(dǎo)線流向電極b，A項(xiàng)正確；

B．電極a為電池的負(fù)極，物理學(xué)上規(guī)定，外電路中，電流由b極流出，通過(guò)導(dǎo)線由電極a流入，電極b作正極，電極a作負(fù)極.B項(xiàng)正確；

C．電極b為正極，應(yīng)得到電子，電極b上發(fā)生的反應(yīng)為O₂+4e^-+4H⁺===2H₂O，C項(xiàng)錯(cuò)誤；

D．電子由電極a流向電極b，負(fù)電荷移動(dòng)的方向和電流方向相反，故電流由電極b流向電極a，D項(xiàng)正確.

答案選C.

2.3 新型電池

例3某種利用垃圾滲透液實(shí)現(xiàn)發(fā)電的裝置原理如圖5所示.當(dāng)該裝置工作時(shí)，下列說(shuō)法不正確的是（ ??）.

A.電子由電極X通過(guò)導(dǎo)線流向電極Y

B.外電路中電流由電極Y流向電極X

C.電極X作正極，發(fā)生還原反應(yīng)

D.鹽橋中的Cl-向電極X移動(dòng)

解析該原電池為不涉及金屬元素的新型電池，由圖可知，電極X區(qū)域氮元素由-3價(jià)變?yōu)?價(jià)，價(jià)態(tài)升高失電子，電極Y區(qū)域氮元素由+5價(jià)變?yōu)?價(jià)，價(jià)態(tài)降低得到電子，電子由X流向Y，電流由Y流向X，根據(jù)物理學(xué)上的規(guī)定，電極X為負(fù)極，電極Y極為正極.

A.電子由電極X通過(guò)導(dǎo)線流向電極Y，A正確；

B．外電路中電流由電極Y流向電極X，B正確；

C．電池工作時(shí)，電流由電極Y沿導(dǎo)線流向電極X，根據(jù)物理學(xué)上的規(guī)定，電極X作負(fù)極，氨分子失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，故C錯(cuò)誤；

D．電子流出電極X，電極X帶正電，Cl-帶負(fù)電，根據(jù)異性相吸的電學(xué)基本性質(zhì)，Cl-向電極X移動(dòng)，D正確.

答案選C.

2.4 濃差電池

例4某實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)了如圖6所示裝置，可觀察到與銅導(dǎo)線連接的靈敏電流計(jì)指針明顯偏轉(zhuǎn)，燒杯a中裸露線頭周邊溶液藍(lán)色逐漸加深，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）.

A.b中導(dǎo)線與硫酸銅濃溶液構(gòu)成正極區(qū)，發(fā)生還原反應(yīng)

B.若a中滴加幾滴稀NaOH溶液，降低溶液中Cu2+濃度，則有利于電極反應(yīng)進(jìn)行

C.當(dāng)兩側(cè)溶液中Cu2+濃度相等時(shí)，靈敏電流計(jì)指針停止偏轉(zhuǎn)

D.鹽橋中的陰離子向燒杯b移動(dòng)

解析該電池為不依賴(lài)氧化還原反應(yīng)的濃度差電池，題目中給出關(guān)鍵條件為a中裸露線頭周邊溶液藍(lán)色逐漸加深，說(shuō)明a中發(fā)生的變化為：Cu-2e-Cu2+，電子由a通過(guò)導(dǎo)線流向b，電流由b流向a，根據(jù)規(guī)定，b為正極，a為負(fù)極.

A.電子由a通過(guò)導(dǎo)線流向b，根據(jù)規(guī)定，b為正極，b處的硫酸銅濃溶液中的銅離子獲得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，A選項(xiàng)正確；

B.向a中滴加稀NaOH溶液，增加了兩個(gè)燒杯中硫酸銅的濃度差，有利于電極反應(yīng)的進(jìn)行，B選項(xiàng)正確；

C.當(dāng)兩側(cè)溶液中Cu2+濃度相等時(shí)，電子不再發(fā)生轉(zhuǎn)移，便不會(huì)產(chǎn)生電流，C選項(xiàng)正確；

D.電極b獲得電子，帶負(fù)電，鹽橋中的陽(yáng)離子向燒杯b移動(dòng)，陰離子向燒杯a移動(dòng)，D選項(xiàng)錯(cuò)誤.

答案選D.

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯：季春陽(yáng)]