Cu-Zn原電池反應(yīng)條件探析

李培香

（信陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，信陽(yáng) 河南 464000）

1 問(wèn)題的提出

原電池不僅是電化學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí),也是物理學(xué)科和化學(xué)學(xué)科的重要交叉點(diǎn)。在高中階段，亦是一個(gè)非常重要且難學(xué)的知識(shí)點(diǎn)。其原理是利用兩個(gè)電極的電極電勢(shì)的不同，在電解質(zhì)溶液中，用外加導(dǎo)線構(gòu)成閉合回路，產(chǎn)生電勢(shì)差，從而使電子流動(dòng)，產(chǎn)生電流。屬于化學(xué)電池的一種，其電化學(xué)反應(yīng)不可逆。

在講課的時(shí)候，老師會(huì)以Cu-Zn原電池為例，來(lái)講解原電池的顯著特點(diǎn)，進(jìn)而推進(jìn)對(duì)原電池的學(xué)習(xí)。然而，在做Cu-Zn原電池的實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：Zn電極上氣泡一直很多，而本應(yīng)出現(xiàn)氣體的Cu電極上氣泡卻不足，甚至Zn電極上產(chǎn)生的大量氣泡掩蓋了Cu電極上產(chǎn)生的氣泡,這就容易引起學(xué)生對(duì)原電池原理的誤解。這與預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是不符合的，那么究竟是由什么原因造成的？在什么條件下該演示實(shí)驗(yàn)才能成功呢？

分析原電池實(shí)驗(yàn)成敗的原因，不外乎以下幾個(gè)條件：（1）電極固有因素的影響。（2）原電池電解質(zhì)溶液的影響。（3）原電池電極材料純度的影響。（4）電極表面積的影響。（5）外電路導(dǎo)線的電阻對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。下面就從這幾個(gè)方面進(jìn)行探究，尋求出最佳的實(shí)驗(yàn)條件，確保實(shí)驗(yàn)的成功。

2 影響因素的分析

2.1 電極固有因素的影響

原電池之所以能夠?qū)щ?，主要是因?yàn)樗x用的電極材料存在一定的電極電勢(shì)差，在該原電池中，所選用的電極材料是Cu、Zn。

由 Cu2+/Cu=0.3419V，Zn2+/Zn=-0.7618V[1]

Eθ電池=Eθ+-Eθ-

可計(jì)算出 Cu-Zn 原電池的 Eθ電池=Eθ+-Eθ-=0.3419V+0.7618V=1.1037V

說(shuō)明反應(yīng)進(jìn)行的程度就已經(jīng)相當(dāng)大。

所以Cu-Zn原電池反應(yīng)進(jìn)行的程度是很大的。理論上Cu電極上應(yīng)該有大量的氣泡產(chǎn)生，之所以沒(méi)有該現(xiàn)象，說(shuō)明還有其他原因。

原電池所產(chǎn)生的電流流經(jīng)電極后，會(huì)有電極極化現(xiàn)象，極化結(jié)果使得陰極電勢(shì)值減小，陽(yáng)極電勢(shì)值增大，最終使原電池的電動(dòng)勢(shì)減小。電化學(xué)反應(yīng)中，電極的極化使得該反應(yīng)進(jìn)行的程度大為降低[2]。為了降低這一影響，可加入去極化劑、攪拌溶液或者移動(dòng)電極間的距離來(lái)弱化這一現(xiàn)象。攪拌溶液不利于該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，所以設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)一：將H2O2滴加于稀硫酸中構(gòu)成電解質(zhì)溶液，然后把打磨過(guò)的Cu片和Zn片，直接用導(dǎo)線相連，構(gòu)成原電池，觀察并記錄現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：Cu片上有大量氣泡產(chǎn)生，Zn片上氣泡明顯小于Cu片上產(chǎn)生的氣泡。

實(shí)驗(yàn)二：把打磨過(guò)的Cu片和Zn片，直接用導(dǎo)線相連，插入稀硫酸溶液中，構(gòu)成原電池，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中移動(dòng)電極來(lái)改變電極間的距離，觀察并記錄現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)兩電極距離遠(yuǎn)時(shí)，反應(yīng)緩慢，電極上產(chǎn)生氣泡不明顯，Cu片上氣泡比Zn片上多；當(dāng)兩電極距離相距2～3cm時(shí)，電極反應(yīng)較快，電極上產(chǎn)生氣泡明顯，Cu片上氣泡比Zn片上多；當(dāng)兩電極距離小于1cm時(shí)，反應(yīng)劇烈，不利于現(xiàn)象的觀察。

現(xiàn)象分析：加入H2O2或者改變兩電極間的距離，可使Cu-Zn原電池中電極極化作用減小，電池中兩電極間的電勢(shì)差變大，電子更容易到達(dá)正極，所以反應(yīng)會(huì)比原來(lái)的劇烈，產(chǎn)生的氣體增多。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：原電池中電極的極化對(duì)該電化學(xué)反應(yīng)有著重要的影響，通過(guò)加入去極化劑和改變電極間的距離可以使這一現(xiàn)象得到弱化，加入H2O2，且兩電極距離在2～3cm時(shí)，實(shí)驗(yàn)效果最好。

2.2 原電池電解質(zhì)溶液的影響

在教材中，所給的電解質(zhì)溶液是稀硫酸，所以，在考慮電解質(zhì)溶液對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響時(shí)，主要考慮了硫酸的濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，當(dāng)硫酸濃度達(dá)一定程度時(shí)，由于濃硫酸的強(qiáng)氧化性，而使Zn表面產(chǎn)生致密氧化層，使反應(yīng)停止，所以不用討論濃度過(guò)大時(shí)的情況。

設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)三，分別取 0.25mol/L、0.5mol/L、1.0mol/L、2.0mol/L的稀硫酸溶液30mL作為電解質(zhì)溶液，置于不同的燒杯中，用導(dǎo)線連好Cu片和Zn片，分別插入燒杯中構(gòu)成原電池。觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在電解質(zhì)溶液濃度為0.25mol/L、0.5mol/L時(shí)，Cu片和Zn片上有氣泡產(chǎn)生，但現(xiàn)象不明顯；在電解質(zhì)溶液濃度為1.0mol/L時(shí)，Cu片和Zn片上有氣泡產(chǎn)生，現(xiàn)象明顯，容易觀察到Cu片上有氣體產(chǎn)生；在電解質(zhì)溶液濃度為2.0mol/L時(shí)，Cu片和Zn片上有大量氣泡產(chǎn)生，反應(yīng)劇烈，影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。

現(xiàn)象分析：在該原電池反應(yīng)中，存在著Zn與稀硫酸、原電池反應(yīng)的隨競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)。Zn是一種活潑金屬，遇到稀硫酸就會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成H2，這也是為何Zn片總有氣泡產(chǎn)生的主要原因。隨著硫酸溶液濃度的增加,這兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)加劇。所以Cu片和Zn片上有大量氣泡產(chǎn)生，在Zn片上始終有氣泡產(chǎn)生，而且也隨硫酸濃度增大而增多，現(xiàn)象越不易觀察。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在做Cu-Zn原電池的實(shí)驗(yàn)時(shí)，硫酸溶液的濃度選1.0mol/L時(shí)，效果最好。

2.3 原電池電極材料純度的影響

在該原電池所用的電極材料中，影響其純度的有兩個(gè)，一是受空氣中氧氣的作用，在電極材料的表面生成了氧化物；二是電極材料本身所含有的雜質(zhì)。

對(duì)于第一種情況，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如下：

實(shí)驗(yàn)四：把不經(jīng)打磨的Cu片和Zn片，直接用導(dǎo)線相連，用1.0mol/L的稀硫酸做電解質(zhì)溶液構(gòu)成原電池觀察并記錄現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在Cu電極上觀察不到氣泡或者很少，在Zn電極上開(kāi)始一小段時(shí)間沒(méi)有氣泡，之后有大量氣泡產(chǎn)生。

實(shí)驗(yàn)五：把打磨過(guò)的Cu片和Zn片，直接用導(dǎo)線相連，用1.0mol/L的稀硫酸做電解質(zhì)溶液構(gòu)成原電池觀察并記錄現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在Cu片和Zn片上明顯觀察到氣泡的產(chǎn)生。

現(xiàn)象分析：Cu片和Zn片若未經(jīng)打磨，用導(dǎo)線連接，因氧化物的原因，沒(méi)有完全形成回路，所以在Cu電極上觀察不到氣泡。Cu片和Zn片經(jīng)打磨后，用導(dǎo)線連接，可以和稀硫酸構(gòu)成原電池，所以在Cu片和Zn片上均明顯觀察到氣泡的產(chǎn)生。

結(jié)論：電極材料表面有氧化物時(shí)，不利于原電池反應(yīng)的進(jìn)行；實(shí)驗(yàn)時(shí)，除去電極材料表面的氧化物為宜。

對(duì)于第二種情況，由于Cu電極是正極，只要能導(dǎo)電，不影響實(shí)驗(yàn)的效果，所以主要針對(duì)Zn片的不同純度來(lái)考慮對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

實(shí)驗(yàn)六：把打磨過(guò)的Cu片與實(shí)驗(yàn)純Zn片，直接用導(dǎo)線相連，用1.0mol/L的稀硫酸做電解質(zhì)溶液構(gòu)成原電池觀察并記錄現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象; 兩個(gè)電極上均有氣泡產(chǎn)生,Zn片上產(chǎn)生的氣泡要遠(yuǎn)多于Cu片上所產(chǎn)生的氣泡。

實(shí)驗(yàn)七：把打磨過(guò)的Cu片與優(yōu)級(jí)純Zn片，直接用導(dǎo)線相連，用1.0mol/L的稀硫酸做電解質(zhì)溶液構(gòu)成原電池觀察并記錄現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：兩個(gè)電極上均有氣泡產(chǎn)生，但Zn片上產(chǎn)生的氣泡要遠(yuǎn)少于Cu片上所產(chǎn)生的氣泡。

現(xiàn)象分析：Zn片不純，其中所含F(xiàn)e、C、S等雜質(zhì)與Zn易形成微小的原電池，使得大部分電子直接在Zn電極上發(fā)生得失，而只有極少量電子經(jīng)導(dǎo)線流向Cu電極，所以Zn電極上會(huì)有大量氣泡產(chǎn)生。提高Zn片的純度，可使大部分電子經(jīng)導(dǎo)線流向Cu電極，H+得電子后，在Cu電極上產(chǎn)生大量的氣泡。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：鋅片的純度越高，實(shí)驗(yàn)效果越好。

2.4 電極表面積的影響

物質(zhì)的存在狀態(tài)，對(duì)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行有一定的影響。那么電極的狀態(tài)對(duì)電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行也應(yīng)有一定的影響。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如下：

實(shí)驗(yàn)八：分別用表面平滑的優(yōu)級(jí)純Zn片與表面粗糙的Cu片；表面粗糙的優(yōu)級(jí)純Zn片與表面平滑的Cu片；表面粗糙的優(yōu)級(jí)純Zn片與表面粗糙的Cu片；組成原電池的正負(fù)極，用1.0mol/L的稀硫酸做電解質(zhì)溶液構(gòu)成原電池，觀察并記錄現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：現(xiàn)象均為Cu片上有大量氣泡產(chǎn)生，反應(yīng)劇烈，Zn片上只有少量的氣泡。電極表面不平的銅片與電極表面不平的優(yōu)級(jí)純鋅組成的原電池,Zn片上產(chǎn)生的氣泡更少。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：電極的表現(xiàn)狀態(tài)對(duì)該實(shí)驗(yàn)有較大影響，電極表面粗糙的銅與電極表面粗糙的優(yōu)級(jí)純鋅組成的原電池效果最好。

2.5 外電路導(dǎo)線的電阻對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

在實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)，在Cu片上產(chǎn)生氣泡很少的情況下，把Cu片與Zn片直接用手捏在一起，可以極大地加快反應(yīng)的進(jìn)行，Cu片上產(chǎn)生的氣泡明顯增多。說(shuō)明連接電極的導(dǎo)線對(duì)實(shí)驗(yàn)有影響。設(shè)計(jì)了如下的實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)九：把打磨過(guò)的Cu片與打磨過(guò)的Zn片，用連有滑動(dòng)變阻器的導(dǎo)線連接起來(lái)，插入1.0mol/L的稀硫酸做電解質(zhì)溶液構(gòu)成原電池，實(shí)驗(yàn)中滑動(dòng)變阻器，觀察并記錄現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：導(dǎo)線中電阻越大，Cu片上產(chǎn)生的氣泡越少。

現(xiàn)象分析：如果導(dǎo)線上電阻太大,鋅片上失去的電子無(wú)法完全轉(zhuǎn)移到銅片上，所以Cu片上產(chǎn)生的氣泡會(huì)隨導(dǎo)線中電阻的增大而越少。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：導(dǎo)線中的電阻會(huì)阻礙電子的轉(zhuǎn)移。

3 結(jié)論

由上面的實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論，原電池實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行的條件是：（1）減弱電極間的電極極化作用：電極間的距離為2-3cm，去極化劑用H2O2。（2）稀硫酸的濃度1.0mol/L左右。（3）電極材料Zn的純度越高越好。（4）電極的材料的表面要求粗糙。（5）導(dǎo)線盡量用導(dǎo)電能力好的，或者是新的導(dǎo)線，或者將兩電極的末端直接接觸。

若想起到更好的演示效果，可在導(dǎo)線中連接一個(gè)彩色的小燈泡，根據(jù)燈泡的亮度觀察原電池中電流的變化情況。