中學(xué)化學(xué)原電池實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

廣東深圳實(shí)驗(yàn)學(xué)校（518055）林進(jìn)太

一、問(wèn)題的提出

在中學(xué)化學(xué)課程中，原電池實(shí)驗(yàn)具有十分重要的地位和作用，對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)原電池的歷史、掌握原電池原理、感受化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程有較大的幫助。受篇幅的限制，化學(xué)教材內(nèi)容的編排略為簡(jiǎn)潔，教材中僅僅用銅鋅原電池（鋅片和銅片連接電流表浸泡在稀硫酸溶液中）來(lái)證明“化學(xué)能可轉(zhuǎn)化為電能”。但這種簡(jiǎn)易的銅鋅原電池連接用電器（小燈泡等）時(shí)難以得到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生普遍感到證據(jù)不足，說(shuō)服力不強(qiáng)，無(wú)法直觀(guān)地感受化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)化過(guò)程。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，水果電池、鹽水伏打電池等演示實(shí)驗(yàn)一直存在電壓小、電流不穩(wěn)定、現(xiàn)象不明顯等問(wèn)題，導(dǎo)致相關(guān)的實(shí)驗(yàn)不易成功。因此，創(chuàng)新設(shè)計(jì)中學(xué)化學(xué)課堂的原電池實(shí)驗(yàn)很有必要，也很有意義。

二、原電池實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

利用實(shí)驗(yàn)室和生活中常見(jiàn)的材料，筆者設(shè)計(jì)了三種可用于中學(xué)化學(xué)教學(xué)演示的原電池實(shí)驗(yàn)，即水果電池實(shí)驗(yàn)、銅鋅蘋(píng)果醋電池實(shí)驗(yàn)以及鎂空氣電池實(shí)驗(yàn)，并使用便攜的數(shù)字化傳感器，對(duì)比探究了不同原電池實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)并逐步加以改進(jìn)，最終設(shè)計(jì)出的簡(jiǎn)易電池裝置能夠使生活中多種常見(jiàn)的用電器工作（包括LED 二極管、電子手表、風(fēng)扇、玩具小車(chē)、手機(jī)等），達(dá)到了很好的實(shí)驗(yàn)演示效果。

（一）傳統(tǒng)的水果電池實(shí)驗(yàn)

選用蘋(píng)果、香蕉、橙子、檸檬等水果以及土豆，將它們均勻切成四份，每份相當(dāng)于一個(gè)電池組；銅片和鋅片作為極片，并在銅片和鋅片上標(biāo)注好分度值，以便做深度標(biāo)記。實(shí)驗(yàn)時(shí)將銅片、鋅片等深度、等寬度地插入水果及土豆中，接上用電器，形成閉合回路。采用數(shù)字化電壓傳感器測(cè)試電池組電壓，并記錄數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）。

表1 不同電池組電壓變化情況

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不同種類(lèi)的水果以及土豆串聯(lián)組成的電池組電壓略有不同，其中檸檬富含電解質(zhì)溶液其電壓最大，其余幾種水果以及土豆相差不大。因此電壓應(yīng)該與水果所含的電解質(zhì)溶液有關(guān)。檸檬中富含檸檬酸，離子濃度較其他水果大。但由于檸檬價(jià)格較貴，其余水果和土豆組成的電池組電壓差異不大，因此作演示實(shí)驗(yàn)或分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用普通的廉價(jià)土豆即可。同一種水果，電極插入越深，得到的電壓越大，這是因?yàn)殡姌O插入越深，則與電解質(zhì)溶液的接觸面積越大，電子更容易在電極上發(fā)生得失。因此，若采用水果電池作演示實(shí)驗(yàn)或分組實(shí)驗(yàn)，電極插入水果應(yīng)盡可能深，以保證有較大的電壓。

圖1 水果電池的供電情況

如圖1 所示，單個(gè)銅鋅水果電池的電壓僅為0.87 V 左右，無(wú)法達(dá)到大多數(shù)用電器的啟輝電壓，就連電子手表都無(wú)法啟動(dòng)。根據(jù)物理學(xué)知識(shí)可知，電路的串聯(lián)可以增大電壓。串聯(lián)兩個(gè)水果電池時(shí)，電壓達(dá)到1.7 V 左右，可啟動(dòng)電子手表顯示讀數(shù)。串聯(lián)4 個(gè)水果電池時(shí)，可使LED 二極管發(fā)光，此時(shí)電壓大約為3.35 V。但串聯(lián)更多水果電池并不能使LED二極管變得更亮，反而有變暗的趨勢(shì)。這是因?yàn)榇?lián)的電池?cái)?shù)越多，電池內(nèi)阻越大，導(dǎo)致電流變小。

（二）可串聯(lián)的銅鋅蘋(píng)果醋電池實(shí)驗(yàn)

由于單個(gè)水果電池電壓很小，而串聯(lián)多個(gè)水果電池雖然能增大電壓，但要消耗較多水果，成本較高，且多個(gè)水果電池串聯(lián)在一起，裝置笨重，不利于演示與攜帶。筆者試圖改進(jìn)電池組的串聯(lián)裝置：用市面上可購(gòu)到的蘋(píng)果醋代替水果作為電解質(zhì)溶液；使用制冰盒作為隔板；采用電壓傳感器檢測(cè)所得電壓。裝置如圖2所示。

圖2 銅鋅蘋(píng)果醋電池的供電情況

隨著串聯(lián)電池個(gè)數(shù)目的增加，電池組的電壓不斷增大。當(dāng)串聯(lián)電池達(dá)19 個(gè)時(shí)，電壓超過(guò)了12 V，此時(shí)連接LED 二極管、電子手表，均能順利啟動(dòng)。但連接普通燈泡、風(fēng)扇、手機(jī)等用電器仍無(wú)法順利工作，沒(méi)能達(dá)到預(yù)期的效果。

用靈敏電流表測(cè)得串聯(lián)20 個(gè)電池得到的電流僅為0.4 mA。盡管串聯(lián)電池組能讓電壓增大直至達(dá)到用電器的用電要求，但如果電流太小，根據(jù)物理公式：P=UI，用電器依舊無(wú)法達(dá)到工作的最小功率。

（三）新型的鎂空氣電池實(shí)驗(yàn)

電池的電壓取決于電極反應(yīng)中電極電動(dòng)勢(shì)的相對(duì)大小，而銅鋅原電池兩電極反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電極電動(dòng)勢(shì)相差僅為0.76 V，因此電壓始終太小。若想增大單個(gè)電池的電壓，必須更換電池材料或應(yīng)用其他氧化還原反應(yīng)原理。在查閱資料后，筆者設(shè)計(jì)了鎂空氣電池并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究。鎂空氣電池中，活潑金屬鎂片作負(fù)極，石墨片作正極，食鹽水做電解質(zhì)溶液。裝置如圖3所示。

圖3 鎂空氣電池的電壓和電流測(cè)試情況

采用電壓傳感器和電流傳感器分別記錄單個(gè)鎂空氣電池的電壓和電流數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，單個(gè)鎂空氣電池電壓可達(dá)到1.74 V，且電流可達(dá)到0.03 A，遠(yuǎn)大于上述的水果電池和銅鋅蘋(píng)果醋電池。此外，筆者還發(fā)現(xiàn)不同于水果電池和銅鋅蘋(píng)果醋電池，鎂空氣電池的電流不會(huì)隨串聯(lián)電池?cái)?shù)的增加而減小，反而會(huì)增大。這有利于串聯(lián)電池對(duì)用電器進(jìn)行供電。數(shù)據(jù)顯示串聯(lián)3個(gè)電池，電流增加到0.07 A；串聯(lián)5 個(gè)電池，電流增加到0.13 A；串聯(lián)4 個(gè)電池，電壓即可達(dá)到6.7 V，可以滿(mǎn)足許多USB 接口供電的用電器需求。測(cè)試情況如圖4所示。

圖4 鎂空氣電池的電壓和電流測(cè)試情況

實(shí)驗(yàn)中利用單個(gè)鎂空氣電池便可以讓電子手表、蜂鳴器、轉(zhuǎn)動(dòng)器（普通馬達(dá)）等用電器工作，如圖5所示。

圖5 單個(gè)鎂空氣電池的供電情況

由于LED 二極管和普通燈泡的啟輝電壓約為3 V，單個(gè)鎂空氣電池?zé)o法使其發(fā)光。當(dāng)串聯(lián)兩個(gè)鎂空氣電池時(shí)，其電壓約為3.5 V，可以觀(guān)察到與之相連的LED二極管和普通燈泡均發(fā)出明亮的光（如圖6），說(shuō)明功率很適合，電壓和電流也很匹配。

圖6 串聯(lián)的鎂空氣電池的供電情況

電壓傳感器顯示當(dāng)串聯(lián)4 個(gè)鎂空氣電池時(shí)，電壓便能達(dá)到5 V 以上。一般手機(jī)充電設(shè)備的電壓約為5 V。測(cè)試顯示，當(dāng)串聯(lián)4 個(gè)鎂空氣電池時(shí)，電壓雖超過(guò)5 V，但手機(jī)屏幕并沒(méi)有亮起。當(dāng)串聯(lián)數(shù)達(dá)到5 個(gè)時(shí)，手機(jī)屏幕隨即亮起，顯示手機(jī)正在充電（如圖7）。這是因?yàn)殒V空氣電池相對(duì)于普通的電源而言，電流太小，因此需要較大的電壓才能達(dá)到所需功率，使手機(jī)啟動(dòng)。

圖7 用串聯(lián)的鎂空氣電池給手機(jī)充電

為了測(cè)試鎂空氣電池對(duì)用電器的供電情況，筆者還測(cè)試了其他常見(jiàn)的用電設(shè)備，包括USB 風(fēng)扇、玩具小車(chē)。結(jié)果如圖8 所示：當(dāng)串聯(lián)5 個(gè)鎂空氣電池時(shí)，USB 風(fēng)扇順利轉(zhuǎn)動(dòng)，玩具小車(chē)則用單個(gè)鎂空氣電池便能驅(qū)動(dòng)。

圖8 鎂空氣電池為USB風(fēng)扇、玩具小車(chē)供電

為了進(jìn)一步研究鎂空氣電池放電的過(guò)程，我們將放電前后電極的表面進(jìn)行了對(duì)比。從圖9 中可以看出，作為負(fù)極的鎂片在放電前后變化較大。根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為：Mg-2e-=Mg2+，正極上發(fā)生的反應(yīng)為：O2+4e-+2H2O=4OH-。隨著電池放電的進(jìn)行，溶液堿性不斷增強(qiáng)，電解質(zhì)溶液中會(huì)有Mg（OH）2沉淀生成，有部分直接附著在鎂片的表面上，且鎂片逐漸被消耗。而石墨電極（正極）作為O2反應(yīng)的載體，基本沒(méi)有消耗，可以循環(huán)利用。電池用完后更換鎂片就可以繼續(xù)使用了。

圖9 鎂空氣電池放電前后極片表面變化圖

基于鎂空氣電池的良好性能，筆者在實(shí)驗(yàn)室找到了寬而厚的鎂片和石墨片，嘗試設(shè)計(jì)電量比較大的持久供電裝置。串聯(lián)6 個(gè)這樣的鎂空氣電池，得到一個(gè)“大電源”，其供電情況如圖10 所示。測(cè)試結(jié)果顯示，這樣的“大電源”不僅能夠?qū)σ苿?dòng)電源（充電寶）進(jìn)行充電，同時(shí)還能夠支持多個(gè)用電器同時(shí)工作。在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)裝有燈泡的電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果燈泡能夠持續(xù)發(fā)光300 個(gè)小時(shí)以上，說(shuō)明該電池在300個(gè)小時(shí)內(nèi)依舊保持較大的電量。

圖10 大容量的鎂空氣電池供電情況

三、結(jié)論

從上述三種原電池實(shí)驗(yàn)可知，水果電池和銅鋅蘋(píng)果醋電池都存在單個(gè)電池電壓小的缺點(diǎn)。雖然通過(guò)串聯(lián)多個(gè)電池可以增大電池組的電壓，但會(huì)使得電池組內(nèi)阻增大，電流變得很小，無(wú)法啟動(dòng)用電器。而單個(gè)鎂空氣電池電壓較大，且多個(gè)電池串聯(lián)不僅不會(huì)使電流變小，反而使電流增大，因此有利于為用電器供電。簡(jiǎn)易的鎂空氣電池不僅能夠使電流表偏轉(zhuǎn)、LED 二極管發(fā)光、蜂鳴器發(fā)出響聲、風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)、玩具小車(chē)行走等，還能夠給手機(jī)充電，達(dá)到很好的實(shí)驗(yàn)演示效果。同時(shí)，鎂空氣電池使用方便，放電持續(xù)穩(wěn)定，放完電后，只需要更換鎂片便可重復(fù)使用。如換用質(zhì)量、表面積、厚度都較大的鎂片，該電池裝置可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間大容量的放電，能夠給充電寶充電，給多個(gè)用電器同時(shí)供電?？梢?jiàn)，鎂空氣電池實(shí)驗(yàn)比水果電池實(shí)驗(yàn)和銅鋅蘋(píng)果醋電池實(shí)驗(yàn)的實(shí)效性、可行性更強(qiáng)，可作為中學(xué)化學(xué)教學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)。