水果電池實驗探究

◆湖南省宜章縣第一中學(xué) 2008 實驗組 胡佳琦 姚禹涵 彭允熙 李旭輝

世界上最早的化學(xué)電池是意大利物理學(xué)家伏特設(shè)計并制成的。他把銅和鋅作為兩個電極插入食鹽溶液，制成最簡單的化學(xué)電池。有機電池屬于有待探索的新能源，水果電池是有機電池的一種，它蘊含化學(xué)知識中的“原電池原理”，電學(xué)知識中的“電流的產(chǎn)生”、“常用電學(xué)元件的使用”、“簡單電路的連接方法”等知識。

針對化學(xué)人教版新教材必修 2 的學(xué)生實驗探究“簡易電池的設(shè)計與制作”，為了豐富實驗探究的內(nèi)容，提高實驗的趣味性，培養(yǎng)自身的探究興趣和能力，我們開展了水果電池最佳實驗條件的探究。

此外，我們還打算在實驗中嘗試用水果電池點亮 LED 燈、帶動小風(fēng)扇等，增添實驗的趣味性。

一、實驗?zāi)康?/h2>

通過改變水果的種類、電極的種類、電極的間距、電極的深度 4 個變量，探究影響水果電池電流大小的因素，得出簡易水果電池的最佳實驗條件。

二、實驗原理

原電池是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，最簡單的原電池由正負(fù)電極和電解質(zhì)溶液構(gòu)成一個閉合回路，將一個自發(fā)的氧化還原反應(yīng)劃分為兩個分開進行的半反應(yīng)，分別在正負(fù)電極上分兩處進行。再復(fù)雜的原電池反應(yīng)也必須遵循這些條件。

水果電池由水果（酸性）、兩塊金屬片和導(dǎo)線制作而成。兩塊金屬片的活動性強弱應(yīng)相差較大，比如銅片和鋅片。鋅片的活動性較強，易失電子，作為負(fù)極；相對而言，銅片的活動性較弱，不易失電子，因此作為正極。銅片和鋅片通過電解質(zhì)（即水果中富含的果酸）和導(dǎo)線構(gòu)成閉合回路，銅片置換出果酸中的氫離子產(chǎn)生正電荷，鋅片失去電子產(chǎn)生負(fù)電荷，因此閉合回路中產(chǎn)生電流。

三、實驗器材

番茄、獼猴桃、檸檬、橘子若干，導(dǎo)線、線夾若干， 電流表一個，發(fā)光二極管一根，小電動機一個，鋁片、鋅片、鐵片、銅片各一塊 ，石墨棒一根。

四、探究過程

（一）提出問題

1.水果的種類對水果電池的電流大小有影響嗎？如何影響？

2.電極的種類對水果電池的電流大小有影響嗎？如何影響？

3.電極的間距不同對水果電池的電流大小有影響嗎？如何影響？

4.電極的深度（電極與水果的接觸面積）不同對水果電池的電流大小有影響嗎？如何影響？

（二）作出假設(shè)

1.水果種類、電極種類、電極間距以及電極深度的改變均能對水果電池電流大小產(chǎn)生影響。

2.實驗水果的汁水越多，水果電池產(chǎn)生的電流越大。

3.使用的金屬電極活動性差異越大，水果電池產(chǎn)生的電流越大。

4.電極的間距越小，水果電池產(chǎn)生的電流越大。

5.電極的深度越深（即電極與水果的接觸面積越大），水果電池產(chǎn)生的電流越大。

（三）實驗過程

1.選用兩種已打磨好的電極，在電極后端連上導(dǎo)線，它們相當(dāng)于電源的正負(fù)極， 并將導(dǎo)線接在電流表的正極和負(fù)極上。

圖1 電路原理圖

2.將電極插入水果中，同時測量電極的間距及深度，可看到電流表的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，記錄電流表的示數(shù)。

3.更改兩個電極插入水果的深度，重復(fù)步驟1、2。

4.更改兩個電極之間的距離，重復(fù)步驟 1、2。

5.換用不同的電極材料，重復(fù)步驟 1、2。

6.換用不同的水果，重復(fù)步驟 1、2、3、4、5。

7.記錄結(jié)果。

（四）實驗結(jié)果

圖2 實驗成品圖（家中）

表1 最初的實驗數(shù)據(jù)

本次實驗為驗證性實驗，根據(jù)假設(shè)3，應(yīng)得出的結(jié)論是：使用 Cu-Zn、Cu-Al 電極的水果電池的電流大于使用 Cu-Fe 電極的水果電池電流。然而，我們得出的實驗結(jié)果無法驗證這一假設(shè)。為了加強實驗的完整性和有效性，我們決定重做涉及 Cu-Zn、Cu-Al電極的實驗。

（五）問題探究

1.問題分析

經(jīng)過討論，我們猜測可能是鋁片與鋅片易被氧化，導(dǎo)致其表面產(chǎn)生氧化膜，降低了反應(yīng)效率，使得電流較小。

2.解決方案

使用醋酸和氫氧化鈉分別將鋁片和鋅片表面的雜質(zhì)清除干凈后重復(fù)實驗，若得出的實驗結(jié)果與假設(shè)相符，則代入總表進行分析；若不符，則使用原電池原理的推論結(jié)合實驗數(shù)據(jù)進行原因分析。

3.重做實驗結(jié)果

由表2可知，用打磨過的鋁片和鋅片做實驗，仍未獲得符合猜想的實驗數(shù)值，其原因是我們沒有條件使用強酸、強堿完全去除鋁片和鋅片表面的氧化膜。

表2 重做實驗的數(shù)據(jù)

我們商議后決定，將新的實驗數(shù)據(jù)匯入總表，用有效數(shù)據(jù)結(jié)合原電池原理的推論進行實驗結(jié)果分析，得出最后的實驗結(jié)論。

五、結(jié)果分析

（一）比較實驗 1、實驗 2、實驗 3、實驗 4可以得出，電極深度（電極與水果的接觸面積） 不同對水果電池的電流大小有影響。

隨著電極插入水果內(nèi)深度的增加，電流表的示數(shù)均有不同程度的增大。這是由于隨著電極插入深度的增加，電極與水果中電解質(zhì)的接觸面積增大，相同時間內(nèi)產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移增多，因此，增加電極的插入深度可以增大水果電池的電流。得出的規(guī)律是電極插入水果的深度越深，水果電池產(chǎn)生的電流越大。

（二）比較實驗 4、實驗 5、實驗 6、實驗 7 可以得出，電極間距不同對水果電池的電流大小有影響。

隨著電極距離的增加，靈敏電流計的示數(shù)均有不同程度的減小，在此之前已有研究證明，理論上電極之間的距離越小，電池的內(nèi)阻越小，能產(chǎn)生的電流越大。在實際操作過程中當(dāng)電極之間的距離太近時，“鱷魚嘴”上的金屬易靠近造成短路，因此在實際操作過程中，電極之間的間隔距離以1cm左右為佳。得出的規(guī)律是電極的間距越小，水果電池產(chǎn)生的電流越大。

（三）比較實驗 4與實驗 8、實驗 9與實驗 13可以得出，電極種類不同對水果電池的電流大小有影響。

在此之前已有研究證明，原電池中兩個電極的金屬活動性不同，產(chǎn)生電勢差而使電子流動產(chǎn)生電流。因此，金屬的活動性差異越大，產(chǎn)生的電勢差越大，水果電池產(chǎn)生的電流越大。得出的規(guī)律是兩個金屬電極的活動性差異越大，水果電池產(chǎn)生的電流越大。

（四）比較實驗 9、實驗 16、實驗19、實驗 22可以得出，水果種類不同對水果電池的電流大小有影響。

在電極種類、電極距離和插入深度相同的情況下，番茄電池產(chǎn)生的電流最大，能使電流表發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，獼猴桃電池次之。而檸檬電池產(chǎn)生的電流較小，這與我們在日常生活中“果蔬汁液的酸度越大，制作的水果電池效果越好”的經(jīng)驗不符。

究其原因，水果電池的電壓和電流不僅與水果自身的 pH值有關(guān)，還與水果自身的細胞結(jié)構(gòu)，如細胞壁、細胞液、胞間連絲以及所含內(nèi)容物，如果酸、糖分等因素有關(guān)。得出的規(guī)律是水果的果汁越豐富，水果電池產(chǎn)生的電流越大。

六、實驗結(jié)論與改進

通過探究活動，我們得出簡易水果電池的最佳實驗條件如下。

（一）水果種類

選用果汁豐富的水果，因為果汁是非常好的電解質(zhì)，考慮到降低成本、使實驗現(xiàn)象更明顯，可選用番茄做水果電池。

圖3 實驗結(jié)論思維導(dǎo)圖

（二）電極種類

兩個電極材料金屬活動性相差越大，制成的水果電池的電流越大。

（三）電極間距

兩個電極間的距離越近越好，但又不能靠得太近，以免發(fā)生短路，電極的間距以0.5～1cm較為合適。

（四）電極深度

電極插入水果的深度越深，與水果汁液的接觸面積增大，則水果電池產(chǎn)生的電流也增大。查閱文獻后我們得知，可自制“鹽橋”代替導(dǎo)線導(dǎo)電可增大水果電池的電流，還能采用不同的電池組裝方式（串聯(lián)、并聯(lián)）增大水果電池的電流或電壓，點亮發(fā)光二極管，帶動小電動機。

圖4 作者進行水果電池實驗

七、實驗反思

在實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)，水果電池的電流會隨著時間流逝緩慢下降，但未能想出辦法排除這一干擾。受實驗條件限制，未能完全去除鋁和鋅表面的氧化膜，對此實驗產(chǎn)生了干擾，而且沒有多次實驗測量取平均值，缺乏用更多的數(shù)據(jù)證明猜想，對此，我們深感遺憾。

專家點評

小作者們以課本已有的實驗為基礎(chǔ)，通過改進實驗，提出制作簡易水果電池的最優(yōu)條件。

在實驗設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)，小作者們都發(fā)現(xiàn)了問題，然后運用所學(xué)或從文獻中獲得的知識分析問題，并提出解決問題的方案。實驗過程中數(shù)據(jù)記載詳細，能通過對比實驗，利用數(shù)據(jù)推導(dǎo)實驗結(jié)論，驗證實驗假設(shè)。在總結(jié)階段，能利用思維導(dǎo)圖總結(jié)知識點之間的聯(lián)系。實驗設(shè)計合理，實驗結(jié)果可信，實驗分析有理有據(jù)，論文寫作規(guī)范。

建議利用現(xiàn)代技術(shù)手段，例如手持技術(shù)等進行實驗，實驗效果會更明顯。