鹽橋的構(gòu)成及工作原理

王篤年(特級(jí)教師)

問題1為什么要把單液電池發(fā)展為雙液電池?

主要原因是單液電池不具有商品性．試想,把一個(gè)Zn-Cu-H2SO4單液電池?cái)[在商店里待售,將是一種怎樣的局面?即使在外電路斷開的狀態(tài)下,只要一天里沒有賣出,鋅電極就會(huì)反應(yīng)掉大半．電池尚未用來發(fā)電,電池材料已經(jīng)消耗得差不多了,還能夠賣出去嗎?雙液電池就不同了,只要不接通電路,待售期間是基本不會(huì)損耗電池材料的．可以對照雙液電池示意圖對此結(jié)論加以理解．至于其他的一些“貌似合理”的解釋,比如“雙液電池比單液電池的電壓穩(wěn)定、電流持久”等,這些只是理論分析的結(jié)果．通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),構(gòu)成材料接近的單液、雙液兩種電池一旦接通電路,除了雙液電池輸出電壓略低于單液電池輸出電壓外(鹽橋的存在導(dǎo)致內(nèi)阻變大),在其他方面二者并無很大差異．

問題2鹽橋中的電解質(zhì)離子會(huì)不會(huì)耗盡?

“這樣,鹽橋內(nèi)的離子豈不亂了?”的確,隨著使用時(shí)間的延長,鹽橋內(nèi)不再單純是原來溶解在瓊膠里的電解質(zhì)了,但這并不妨礙它起到平衡兩極電勢的作用，所以“亂了”又有什么關(guān)系呢?

問題3鹽橋里的電解質(zhì)一定要用KCl嗎?換別的電解質(zhì)行不行?

根據(jù)對問題2的分析可知,鹽橋內(nèi)使用什么電解質(zhì),并沒有嚴(yán)格的規(guī)定．但有些教科書里說“K+與Cl-擴(kuò)散速率差異小”，這個(gè)看似合理的解釋,其實(shí)并沒有什么科學(xué)道理．當(dāng)然,在實(shí)用性電池里,為了盡可能減小電池的內(nèi)電阻,電解質(zhì)的選擇還是非常重要的．

問題4用導(dǎo)線替代鹽橋,電路中是否仍然會(huì)有電流?

圖1

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是,一般仍會(huì)有．讓我們以銅鋅電池為例,將鹽橋更換為銅導(dǎo)線,如圖1所示.分析如下:

將鹽橋更換為Cu導(dǎo)線后,整個(gè)裝置的性質(zhì)發(fā)生了改變．左側(cè)成為一個(gè)新的銅鋅原電池——以鋅的吸氧腐蝕為基礎(chǔ)反應(yīng),負(fù)極是Zn,發(fā)生Zn-2e-=Zn2+的氧化反應(yīng);正極則發(fā)生O2+4e-+2H2O=4OH-的還原反應(yīng)．而右側(cè)則變?yōu)橐糟~為電極電解CuSO4溶液的電解池裝置．左側(cè)的銅為陽極,發(fā)生Cu-2e-=Cu2+的氧化反應(yīng),右側(cè)為陰極,發(fā)生Cu2++2e-=Cu的還原反應(yīng)．

實(shí)測的電流方向,與上述分析完全一致．將鹽橋更換為Zn導(dǎo)線的情況，請大家自行畫圖分析．

問題5為什么實(shí)用電池里沒有看到鹽橋?

的確,實(shí)用電池里并不存在鹽橋,因?yàn)辂}橋被電阻小得多的“離子交換膜”代替了．請看如圖2所示的兩個(gè)裝置．

圖2

這兩個(gè)裝置中,電極材料、電解質(zhì)溶液種類和濃度分別對應(yīng)一致,唯一不同之處就是左側(cè)使用常規(guī)的鹽橋,而右側(cè)只使用薄薄一層含KCl的瓊膠(與左側(cè)鹽橋內(nèi)成分完全一致)分隔開正、負(fù)兩極．

根據(jù)物理學(xué)原理可知,左側(cè)電池的內(nèi)阻遠(yuǎn)大于右側(cè)．這樣,在電池電動(dòng)勢相同的情況下,左側(cè)電池的輸出電壓就低于右側(cè)．人們當(dāng)然不希望浪費(fèi)電池的電動(dòng)勢,所以就設(shè)法縮短“鹽橋”、降低電池內(nèi)阻．最終鹽橋越來越薄,演變?yōu)殡x子交換膜．早期的實(shí)用電池用的是強(qiáng)度較大的牛皮紙,現(xiàn)在逐步被各種有機(jī)合成材料的薄膜替代了，這就是為什么我們在各種實(shí)用電池內(nèi)看不到鹽橋的原因．