對原電池工作原理的探討

劉燕

摘? ?要：針對原電池教學(xué)中對電子定向移動的解釋，外電路中電子移動的問題，內(nèi)電路中離子移動的問題，能量轉(zhuǎn)化問題等出現(xiàn)的一些偏差認(rèn)識進(jìn)行了探討。通過生活中的原電池和必修知識的復(fù)習(xí)，引出原電池原理;通過銅鋅原電池的設(shè)計(jì)、分析，掌握單液原電池原理;從原電池的能量轉(zhuǎn)化效率出發(fā)，學(xué)習(xí)雙液原電池原理;利用原電池的形成條件，設(shè)計(jì)原電池。

關(guān)鍵詞：原電池? 工作原理? 探析

中圖分類號：G633? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（c）-0052-02

1? 電子定向移動的問題

在電光細(xì)胞教學(xué)中，解決電子定向運(yùn)動問題的常見方法是使用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)、正極下產(chǎn)生新材料等，簡單地得出電子方向運(yùn)動發(fā)生的結(jié)論。至于學(xué)生感到困惑的地方，例如為什么主電池產(chǎn)生電流？為什么Zn上的電子流向Cu？電子定向運(yùn)動的驅(qū)動力是什么？由于涉及的微觀機(jī)制比較復(fù)雜，一些教師普遍回避。事實(shí)上，在“化學(xué)反應(yīng)原理”的教學(xué)中，可以從沉淀、溶解平衡和電氣知識中進(jìn)行分析，建立“雙電層”理論模型，然后利用該模型說明。

將金屬電極插入溶液中，一些金屬離子會溶解到溶液中。同時(shí)，溶液中的金屬離子將沉積在金屬上，即。當(dāng)溶解率和沉積率相等時(shí)，即達(dá)到動態(tài)均衡。金屬表面的電荷層和溶液中的相反電荷離子形成穩(wěn)定的電雙層，厚度約為10-10μm，從而產(chǎn)生電位差，即金屬電極電位。金屬電極的電位與金屬的性質(zhì)有關(guān)。金屬越活躍，電位越低。對于由Cu、Zn和CuSO4溶液形成的電池，由于Zn電極電位低，Cu電極電位高，當(dāng)導(dǎo)線連接形成閉環(huán)時(shí)，整個(gè)電路中的自由電子在電場移動的作用下定向移動。為了保持原有的雙層結(jié)構(gòu)[2]，Zn電極將Zn2+重新沉淀到溶液中，同時(shí)Cu2+在溶液中沉積在Cu表面。這樣兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電位差，使電子再次從Zn電極流向Cu電極。這個(gè)過程是連續(xù)重復(fù)的，因此Zn的溶解過程和Cu2+的沉積過程繼續(xù)，并在電路中產(chǎn)生連續(xù)電流。

2? 外部電路中電子運(yùn)動的問題

對于由Cu、Zn和H2SO4解形成的主電池，一些教師結(jié)合主電池動畫引入導(dǎo)線中的電子轉(zhuǎn)移：Zn失去電子，電子沿導(dǎo)線傳輸?shù)紺u，然后H在Cu獲得的電子表面變成H2。這種解釋很容易導(dǎo)致學(xué)生誤以為H獲得的電子來自Zn。事實(shí)上，金屬中電子定向運(yùn)動的平均速率非常小，約為10-5μm/s，通過10cm線的傳遞需要近3h。如果H+電子從Zn傳輸，則在Cu表面經(jīng)過幾個(gè)小時(shí)之前，不應(yīng)觀察到氣泡。

事實(shí)上，當(dāng)Cu和Zn極打開時(shí)，可以觀察到氣泡。顯然，上述對外部電路中電子運(yùn)動的解釋是不合理的。在這里，可以使用“電雙層”的理論模型，借助與電相關(guān)的知識，可以做出更合理的解釋。由于Cu和Zn的兩極之間存在電位差異，因此在打開后，電場將立即在極點(diǎn)處建立。電場以光速傳輸。一些教師將電池內(nèi)部電路中的離子運(yùn)動問題描述為：在主電池中，為了形成閉合電路，電解質(zhì)溶液中的陽離子移動到正極，而陽離子移動到負(fù)極，如Cu-Zn-H2SO4。對于原電池，Zn2+和H+移動到Cu電極，SO4 2-移動到Zn電極。這個(gè)解釋也有問題。在電偶電池的電解質(zhì)溶液中，產(chǎn)生電離運(yùn)動的主要原因是電場和化學(xué)電位。由于電極反應(yīng)：（-）Zn-2e-=Zn2++，（+）2H=2e-=H2，Zn2+的濃度=靠近負(fù)極的濃度變大，H=靠近正極的濃度變小，溶液中的Zn+和H+的濃度均勻，即Zn2+和H的化學(xué)電位在任何地方都不同，因此會產(chǎn)生驅(qū)動力，導(dǎo)致Zn2+和H+移動到低化學(xué)電位，即小濃度。同時(shí)，由于雙極電層的存在，在溶液中建立了從Zn電極（電雙層中的正電荷）到Cu電極的電場（電雙層中的正電荷較少）。此電場還將Zn2+和H+移至Cu電極。對于SO42-溶液中，由于它不參與電極反應(yīng)，濃度不變，溶液中的化學(xué)電位相等，但在電場的作用下，它會移動到Zn電極。一旦發(fā)生遷移，解決方案中的SO42-分布將不再一致。Zn電極附近的濃度高，Cu電極附近的濃度低。在化學(xué)電位的作用下，可以預(yù)測SO42-向Cu電極移動的趨勢。效果最終將達(dá)到平衡，也就是說，溶液中的SO42-不可能持續(xù)向Zn電極移動。蘇永橋認(rèn)為，電池溶液中的離子符合玻爾茲曼分布規(guī)律。以Danael電池為例，計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)電源工作正常時(shí)，溶液中的負(fù)離子具有穩(wěn)定的分布。從此角度看，負(fù)電荷沒有方向移動。Daniel 細(xì)胞內(nèi)的電流由正電荷對靜態(tài)負(fù)電荷的方向運(yùn)動（從宏觀角度）形成。

3? 能量轉(zhuǎn)換問題

原電池的化學(xué)能是指物質(zhì)從高能狀態(tài)釋放到低能狀態(tài)的能量。在這個(gè)過程中，反應(yīng)物減少，產(chǎn)物增加，所以這是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)。從產(chǎn)物的總鍵能中減去反應(yīng)物的總鍵能（鍵能的概念應(yīng)該是中學(xué)所學(xué)的各種鍵的具體鍵能）。這個(gè)值存在于每種物質(zhì)中。當(dāng)熱反應(yīng)方程的系數(shù)完全相同時(shí)，得到了該量。電動勢測量：根據(jù)電動勢E=通過電源的電流I乘以電源的內(nèi)阻R（E-U=IR）加上路端電壓U。在此期間，外部電路的電阻被滑動變阻器改變。所用設(shè)備為：原電池、引線、開關(guān)、滑動變阻器、電流表、電壓表。如果沒有物質(zhì)轉(zhuǎn)換，也就是沒有化學(xué)反應(yīng)的話，電解質(zhì)溶液適用歐姆定律。如果有了物質(zhì)轉(zhuǎn)換，比如說，水被電解成了氫氣和氧氣，電能轉(zhuǎn)化成了兩部分，一部分適用歐姆定律，發(fā)熱了，另一部分變成了氫氣和氧氣之間的化學(xué)能儲存起來了。當(dāng)電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，如果生成同狀態(tài)的水（溫度，壓力），釋放出來的能量，正好的電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的那一部分。容量與電池中電極材料的數(shù)量成正比。這就解釋了為什么即使相同的化學(xué)性質(zhì)，小電池的容量比大電池的容量低，即使兩個(gè)電池的開路電壓相同。因此，電池的電壓更多地基于化學(xué)性質(zhì)，而容量更多地取決于所使用的活性材料的量。容量以安培小時(shí)（A·h）為單位。對于電池，A·h是更方便的單位，因?yàn)樵陔娏︻I(lǐng)域，能量的單位通常是瓦特小時(shí)（W·h）。電池的能量容量可以簡單地通過將以伏特為單位的額定電池電壓乘以以安培小時(shí)為單位的電池容量來得出。對于存儲系統(tǒng)，通常使用往返效率 h bat? =? E out / E in，其表示為總存儲輸出 E out與總存儲輸入 E in的比率。例如，如果在充電過程中將10 kW·h泵入存儲系統(tǒng)，但在放電過程中只能回收8 kW·h，則存儲系統(tǒng)的往返效率為80%。電池的往返效率可分為兩個(gè)效率：伏打效率（即平均放電電壓與平均值之比）和庫侖效率（或法拉第效率），定義為在滿充電周期的充電電壓下，從電池中提取的總電荷與放入電池中的總電荷之比。比較不同的存儲設(shè)備時(shí)，通常會考慮這種往返效率。它包括電池中發(fā)生的不同化學(xué)和電氣非理想性的所有影響。

4? 結(jié)語

原電池是我們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｒ娢锲罚ㄟ^對其工作原理的學(xué)習(xí)，能夠幫助學(xué)生了解科學(xué)原理，啟迪創(chuàng)新和發(fā)明?？茖W(xué)研究必須建立在無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，科學(xué)研究應(yīng)該從日常生活中展開，科學(xué)研究需要青少年的共同參與與學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)

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