基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的原電池效率實(shí)驗(yàn)探究

楊香濤　朱冬萍

摘要：利用數(shù)字化手持技術(shù)探究鋅與硫酸銅溶液直接反應(yīng)、鋅銅單液原電池和鋅銅雙液原電池在相同條件下工作時(shí)體系的溫度、電流和壓強(qiáng)等方面的不同，得出鋅銅雙液原電池工作時(shí)體系的溫度變化小，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能少，熱損耗小，產(chǎn)生的電流、電壓穩(wěn)定，由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能效率高。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化手持技術(shù);鋅銅單液原電池;鋅銅雙液原電池;效率

文章編號(hào)：1008-0546（2019）08-0091-04

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.08.030

一、問(wèn)題提出

原電池知識(shí)是中學(xué)電化學(xué)部分的重要知識(shí)點(diǎn)，現(xiàn)行高中化學(xué)蘇教版必修教材《化學(xué)2》將原電池定義為“將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置”[1]，并選用鋅、銅和稀硫酸構(gòu)成的鋅銅單液原電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)探討原電池的工作原理，而高中化學(xué)蘇教版選修教材《化學(xué)反應(yīng)原理》則選用由（一）Zn/ZnSO4（ aq）//CuSO4（aq）/Cu（+）構(gòu)成的鋅銅雙液原電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)原電池工作原理進(jìn)行進(jìn)一步探討。在教學(xué)中，學(xué)生經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生這樣的疑問(wèn)——同樣是探討原電池的工作原理，為什么必修教材選用鋅銅單液原電池，而選修教材則選用鋅銅雙液原電池？鋅銅單液原電池和鋅銅雙液原電池在構(gòu)造上有明顯的區(qū)別，但二者相比各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？哪種原電池的放電效率更高？我們教師對(duì)于這些問(wèn)題一般是從理論角度進(jìn)行解釋?zhuān)⑦\(yùn)用教材上的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電流的產(chǎn)生，卻忽視了教材中的2個(gè)實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)上都存在著一個(gè)明顯的缺陷，即只能根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)定性說(shuō)明裝置中有電流產(chǎn)生，卻不能定量說(shuō)明原電池工作時(shí)產(chǎn)生的電流強(qiáng)度大小、電壓和能量轉(zhuǎn)換效率高低。

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)就是基于教材中2個(gè)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和創(chuàng)新，為了便于比較，引入了鋅與硫酸銅溶液直接反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，并將鋅銅單液原電池中的電解質(zhì)溶液由稀硫酸換成CuSO4溶液，同時(shí)為了保證對(duì)反應(yīng)體系溫度測(cè)定的準(zhǔn)確性，有效防止反應(yīng)體系與外界的熱交換，將實(shí)驗(yàn)中的燒杯改成簡(jiǎn)易量熱計(jì)，并借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，利用SWR數(shù)字化信息系統(tǒng)，通過(guò)鋅與硫酸銅溶液直接反應(yīng)、鋅銅單液原電池和鋅銅雙液原電池在工作時(shí)體系的溫度、電流和壓強(qiáng)等的對(duì)比，讓學(xué)生知道不同原電池的效率高低，認(rèn)識(shí)不同原電池的優(yōu)缺點(diǎn)，幫助學(xué)生建構(gòu)原電池的概念和工作原理，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神[2]，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，

二、實(shí)驗(yàn)原理

鋅銅單液原電池和鋅銅雙液原電池的實(shí)驗(yàn)裝置不同（見(jiàn)圖1）[3]，但反應(yīng)原理相同，即負(fù)極鋅上發(fā)生氧化反應(yīng)，給出電子，正極銅上發(fā)生還原反應(yīng)，得到電子，電子由負(fù)極通過(guò)外電路流向正極，電流則由正極通過(guò)外電路流向負(fù)極，發(fā)生的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)分別為[4]：

負(fù)極：Zn-2e=Zn2+

正極：Cu2++2e= Cu

電池反應(yīng)：Cu2++Zn=Cu+Zn2+

三、實(shí)驗(yàn)探究

1.實(shí)驗(yàn)儀器和用品

燒杯、量筒、簡(jiǎn)易量熱計(jì)、鹽橋、砂紙、導(dǎo)線、溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、圖形數(shù)據(jù)采集器、手提電腦或平板電腦。

2.實(shí)驗(yàn)藥品

銅片、鋅片、l.Omol.L^-1的CuSO4溶液、l.Omol.L^-1的ZnSO4溶液。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）準(zhǔn)確配制1.Omol.L^-1的CuS04溶液和1.Omol.L^-1的ZnSO4溶液各500mL備用。

（2）用砂紙打磨幾片銅片和鋅片。

（3）組裝如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置，注意連接好溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器和數(shù)據(jù)采集器。

圖2實(shí)驗(yàn)裝置圖

（4）將數(shù)據(jù)采集器與電腦連接，并進(jìn)行調(diào)試（數(shù)據(jù)采集器設(shè)置為Is測(cè)定10個(gè)數(shù)據(jù)，測(cè)定時(shí)間為600s）。

（5）量取lOOmL l.Omol.L^-1的CuSO4溶液于簡(jiǎn)易量熱計(jì)中，將溫度傳感器探頭插入到溶液中2min左右，使探頭溫度和溶液溫度保持一致，取一片打磨過(guò)的鋅片置予CuSO4溶液中。

（6）連接數(shù)據(jù)采集器與電腦，測(cè)定隨著時(shí)間的變化反應(yīng)體系的溫度和電流，采集數(shù)據(jù)。

（7）同理，量取lOOmL l.Omol.L-1的CuSO4溶液于簡(jiǎn)易量熱計(jì)中，將溫度傳感器探頭插入到溶液中2min左右，使探頭溫度和溶液溫度保持一致，在簡(jiǎn)易量熱計(jì)中同時(shí)插入打磨過(guò)的銅片和鋅片，用導(dǎo)線連接，并連接數(shù)據(jù)采集器與電腦，測(cè)定隨著時(shí)間的變化反應(yīng)體系的溫度、電流和電壓，采集數(shù)據(jù)。

（8）同理，分別量取lOOmL l.Omol.L^-1的CuSO4溶液和lOOmL l.Omol.L^-1的ZnSO4溶液于2個(gè)簡(jiǎn)易量熱計(jì)中，將溫度傳感器探頭分別插入到2種溶液中2mln左右，使探頭溫度和溶液溫度保持一致，在盛CuS04溶液的量熱計(jì)中插入一片打磨過(guò)的銅片，在盛ZnSO4溶液的量熱計(jì)中插入一片打磨過(guò)的鋅片，并分別用導(dǎo)線連接，2個(gè)量熱計(jì)之間用鹽橋相連，連接數(shù)據(jù)采集器與電腦，測(cè)定隨著時(shí)間的變化反應(yīng)體系的溫度、電流和電壓，采集數(shù)據(jù)。

（9）保存數(shù)據(jù)。

（10）整理儀器，回收、處理藥品。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.鋅與硫酸銅溶液直接反應(yīng)和鋅銅單液原電池工作時(shí)的溫度和電流比較

圖3是鋅與硫酸銅溶液直接反應(yīng)時(shí)體系的溫度和電流隨時(shí)間變化曲線，其中“1”表示電流變化曲線，“0”表示溫度變化曲線。從曲線的變化可以看出，隨著時(shí)間的變化鋅與硫酸銅溶液直接反應(yīng)時(shí)電流的變化幾乎為0，說(shuō)明在鋅置換銅的反應(yīng)中幾乎無(wú)電流產(chǎn)生。事實(shí)上當(dāng)置換反應(yīng)發(fā)生后，由于鋅置換的銅會(huì)覆蓋在鋅的表面，并在鋅的表面形成了若干個(gè)微小的原電池，電子在這些微小的原電池內(nèi)部定向移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生微弱的電流，但由于產(chǎn)生的電流過(guò)于微弱，在測(cè)定的曲線上反映不明顯，導(dǎo)致測(cè)出的電流近似為0。另外由曲線上的數(shù)據(jù)還可以看出，反應(yīng)時(shí)CuSO4溶液的溫度從28.5℃左右上升到了30℃左右，說(shuō)明鋅與硫酸銅溶液反應(yīng)時(shí)能量的轉(zhuǎn)化形式主要表現(xiàn)為化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。