為何不能直接連接電池的正負(fù)極

尤小蓉

摘 要：以酸性鋅錳干電池為例介紹了實(shí)用電池的放電原理及實(shí)用電池能較長期使用和存放的原理，并在此基礎(chǔ)上說明了直接連接電池的正負(fù)極燒壞電池的原理：在短路狀態(tài)下，電池反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)同時發(fā)生，快速消耗完了電池反應(yīng)物。就電池短路燒壞電池的問題給出了初高中不同學(xué)段的教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：電池短路；放電原理；燒壞電池；教學(xué)建議

一、問題的提出

人教版義務(wù)教育教科書九年級《物理》[1]中有如下圖一。

該圖一上還配有這樣一句警示語：“不能把電池的兩端用導(dǎo)線直接連在一起！”

面對圖一及圖一上的警示語，常有學(xué)生提出這樣的疑問：為什么不能把電池的正負(fù)極用導(dǎo)線直接連在一起？這本是一個初中物理教學(xué)的問題，但初中物理老師一般難以透徹地解答該問題，所以該問題被部分學(xué)生帶到高中物理和化學(xué)學(xué)習(xí)中了。初中物理老師對此問題的回答一般是：用導(dǎo)線直接連接電池的正負(fù)極會燒壞電池。愛動腦筋的學(xué)生常常不滿足于該答案，他們會進(jìn)一步追問：用導(dǎo)線直接連接電池的正負(fù)極為什么會燒壞電池？電池是怎樣被燒壞的？為了準(zhǔn)確回答這些追問，筆者特參考有關(guān)文獻(xiàn)[2][3]，聯(lián)系實(shí)用電池的工作原理對電池的正負(fù)極不能直接用導(dǎo)線相連的問題解析如下。

二、實(shí)用電池的工作原理

在現(xiàn)代生產(chǎn)和生活中，實(shí)用電池的種類和型號很多，這些實(shí)用電池的工作原理均大致相似。在此，筆者特以最早使用、至今仍普遍使用的酸性鋅錳干電池為例談?wù)剬?shí)用電池的放電原理及實(shí)用電池能較長期使用和存放的原理。

1.酸性鋅錳干電池的放電原理

酸性鋅錳干電池的構(gòu)造示意圖如圖二所示。

2.酸性鋅錳干電池能較長期使用和存放的原理

我們都知道，用于講解原電池原理的教學(xué)用銅鋅原電池是沒有實(shí)用價值的。教學(xué)用原電池的電極是直接浸泡在電解質(zhì)溶液中的，這種原電池既難以控制電池反應(yīng)，又不便于攜帶；所以這種教學(xué)用的原電池沒有實(shí)用價值，只能臨時用于演示說明原電池的基本原理。干電池為什么具有較大的實(shí)用價值呢？干電池的實(shí)用價值主要體現(xiàn)在干電池攜帶方便、能較長期使用和較長期存放，干電池能較長期地使用和較長期地存放主要取決于干電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

在干電池中，電解質(zhì)NH4Cl溶解在近于固態(tài)的糊狀物中。在干電池內(nèi)用糊狀物代替溶液的一個作用是糊狀物的流動性較差，糊狀物能使干電池內(nèi)的各組成部分都處在相對穩(wěn)定的位置。糊狀物的另一個重要作用是使干電池內(nèi)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)⑦的速率減慢，該作用是通過如下兩個途徑來實(shí)現(xiàn)的？（1）NH4+離子在糊狀物中的運(yùn)動速率遠(yuǎn)慢于NH4+在水溶液中的運(yùn)動速率，這使得NH4+離子移向鋅筒與鋅接觸直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的機(jī)會大為減少。（2）鋅筒表面生成的[Zn（NH3）4]2+和Zn2+向糊狀物中的擴(kuò)散速率也遠(yuǎn)于慢[Zn（NH3）4]2+和Zn2+向水溶液中的擴(kuò)散速率，[Zn（NH3）4]2+和Zn2+在鋅筒表面對NH4+與鋅的接觸反應(yīng)產(chǎn)生了阻礙作用。這兩個因素的存在使得干電池內(nèi)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)⑦的速率很慢，直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)⑦的速率慢使得干電池能夠較長時間地存放。接通外電路后，干電池就可以按照上述電極反應(yīng)發(fā)生反應(yīng)對外供電。當(dāng)外電路上的用電器有足夠大的電阻時，干電池能夠持續(xù)平穩(wěn)的對外電路較長時間地提供小電流。這些因素的存在，使得干電池有很大的實(shí)用價值。

另外，我們還應(yīng)該明確，盡管干電池內(nèi)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)⑦的速率很慢，但干電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)⑦從干電池制成的那一刻就開始了，所以干電池的使用和存放時間都不是很長，干電池在長期存放后會自然報廢。

三、電路短路燒壞電池的原理

用導(dǎo)線直接連接電池的正負(fù)極時，為什么會燒壞電池呢？

電池反應(yīng)都是氧化還原反應(yīng)，氧化還原反應(yīng)的基本特點(diǎn)是有電子的轉(zhuǎn)移。當(dāng)氧化還原反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移受到各種因素的阻礙時，氧化還原反應(yīng)的速率就會變慢。當(dāng)氧化還原反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移很順暢時，氧化還原反應(yīng)的速率就會很快。未接通外電路時，電池內(nèi)的氧化還原反應(yīng)速率受糊狀物的制約而很慢。接通外電路后，若外電路中有電阻較大的用電器或電子元件的話，氧化還原反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移也就不會很順暢，此時的氧化還原反應(yīng)也不會很快。若用導(dǎo)線直接連接電池的正負(fù)極的話，電池內(nèi)氧化還原反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移速率就會因?yàn)橥饨鐚?dǎo)線的電阻很小而變得很順暢，電池兩極的電極反應(yīng)就會相應(yīng)加快。電極反應(yīng)快本身既會在短時間內(nèi)消耗大量的反應(yīng)物Zn和NH4+，又會導(dǎo)致電池內(nèi)H2和NH3的大量積累。H2的大量積累是由于反應(yīng)②遠(yuǎn)慢于反應(yīng)①，NH3的大量積累是由于NH3是在正極生成、卻要在移向負(fù)極的慢擴(kuò)散中與Zn2+結(jié)合成[Zn（NH3）4]2+。H2和NH3的大量積累會導(dǎo)致電池的內(nèi)阻顯著增大，從而導(dǎo)致電池發(fā)熱升溫。電池發(fā)熱升溫后，電池內(nèi)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)⑦的速率就會相應(yīng)加快。電極反應(yīng)和直接的化學(xué)反應(yīng)同時快速進(jìn)行會很快將電池反應(yīng)物Zn和NH4+消耗殆盡，電池反應(yīng)物Zn和NH4+消耗完了，電池也就燒壞了。因此，所謂的電池被燒壞其實(shí)就是電池反應(yīng)物在短時間內(nèi)反應(yīng)完了。

四、電池短路燒壞電池問題的教學(xué)建議

明白了不能用導(dǎo)線直接連接電池正負(fù)極的原因，就比較容易在教學(xué)中回答學(xué)生提出的相關(guān)問題了。針對學(xué)生在初高中階段理化基礎(chǔ)的實(shí)際，筆者在此提出一些教學(xué)建議。

在初中階段，老師一般可以從如下幾個方面向?qū)W生說明不能用導(dǎo)線直接連接電池正負(fù)極的原因。（1）用導(dǎo)線直接連接電池的正負(fù)極會導(dǎo)致電極反應(yīng)加快，電極反應(yīng)加快會導(dǎo)致電池反應(yīng)物的快速消耗。（2）電極反應(yīng)加快會導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大，電池內(nèi)阻增大會導(dǎo)致電池發(fā)熱升溫，電池發(fā)熱升溫會加快電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的加快也會導(dǎo)致電池反應(yīng)物的快速消耗。電池反應(yīng)物的快速消耗會使電池在短時間內(nèi)被“燒壞”而報廢。

在高中階段，當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)了原電池的基本原理后，化學(xué)老師或物理老師就可以直接利用原電池基本原理和干電池的工作原理向?qū)W生解析不能用導(dǎo)線直接連接電池正負(fù)極的原因了。endprint