探究化學(xué)電池內(nèi)外電壓之間關(guān)系實驗裝置改進(jìn)

蘇 航 吳春曉

湖北省教育科學(xué)研究院(430071) 四川省成都市第七中學(xué)(610041)

1 問題的提出

物理學(xué)科是以實驗探究為基礎(chǔ)的學(xué)科,2019版物理教材必修第3冊第12章“電能 能量守恒定律”中,教師在引導(dǎo)學(xué)生用實驗探究閉合電路內(nèi)外電壓關(guān)系的處理上,常采用J2365型可調(diào)內(nèi)阻電池(見圖1),兩個電極的材料分別為鉛和二氧化鉛,其中加入稀硫酸作為電解液,單體電池的電動勢約為2 V左右,通過注射器向氣室充氣改變在氣室中的電解液的橫截面積,可以使內(nèi)電阻在5～50 Ω可調(diào)。

實驗探究步驟為將電池、滑動變阻器、開關(guān)連接成閉合電路(見圖2),用電壓表V1與電源兩極相連測量外電壓;為了測量內(nèi)電壓,應(yīng)在靠近兩極內(nèi)側(cè)插入由惰性金屬如鉑金或者銅制成的探針,用電壓表V2與兩根金屬探針相連測量內(nèi)電壓,在電池內(nèi)部加入電解液,調(diào)節(jié)滑動變阻器,測量并記錄多組數(shù)據(jù),分析得出電流發(fā)生變化時,內(nèi)電壓和外電壓如何變化并得出在這一過程中內(nèi)外電壓的關(guān)系。

圖1 J2365型可調(diào)內(nèi)阻電池

圖2 教材實驗電路

1.1 使用準(zhǔn)備階段流程繁瑣同時存在安全隱患

鉛酸電池在使用的過程中,鉛和二氧化鉛會和稀硫酸反應(yīng)形成硫酸鉛,所以,在下一次使用之前,需要對電池進(jìn)行“充電”,使得硫酸鉛在電壓的作用下再轉(zhuǎn)化為鉛和二氧化鉛,從而達(dá)到重復(fù)利用的效果。這樣的“充電”過程長達(dá)24 h,由于缺乏人員值守,所以存在一定的安全風(fēng)險。除了用電安全存在隱患,學(xué)生在使用稀硫酸的過程中也有沾到皮膚或者濺入眼睛的可能。所以,鉛酸電池在使用的過程中,不僅使用準(zhǔn)備階段流程繁瑣、充電時間長、不方便運(yùn)輸,而且存在用電安全隱患和學(xué)生的人身安全隱患。

1.2 多種因素導(dǎo)致誤差過大

1.2.1 極化現(xiàn)象導(dǎo)致誤差

電池極化現(xiàn)象是由于電荷的流動而打破穩(wěn)定狀態(tài)后,實際電極電位偏離了平衡電極電位的現(xiàn)象。從而導(dǎo)致所測得的電池電壓偏離實際電壓,具體表現(xiàn)為在鉛酸放電過程中,所測電壓會隨時間變化而變化,在靜置較長時間后才能逐步趨于穩(wěn)定。

消除極化是不可能的,實驗表明,電流越大,極化現(xiàn)象越明顯,可以通過調(diào)整實驗裝置、改變工藝參數(shù)設(shè)計等方法來減輕極化現(xiàn)象的影響,例如適當(dāng)提高極片導(dǎo)電劑含量、提高電解液中溶質(zhì)含量、降低極片的涂敷量、極片壓實適中等。

1.2.2 探針與極板距離過大導(dǎo)致誤差

1.2.3 電壓表讀數(shù)導(dǎo)致誤差

測量電表一般采用2.5級電表,誤差為測量上限的2.5%,一般不在滿刻度條件使用時,相對誤差會超過2.5%。

評價指標(biāo)包含臭氧濃度、產(chǎn)量、轉(zhuǎn)化率及單位臭氧所需費(fèi)用。其中，臭氧的產(chǎn)量為臭氧濃度與出氣流量的乘積；臭氧轉(zhuǎn)化率為臭氧產(chǎn)量與進(jìn)氣氧氣質(zhì)量之比；單位臭氧所需費(fèi)用為運(yùn)行總費(fèi)用與臭氧產(chǎn)量之比。

基于以上問題,筆者考慮從安全性、科學(xué)性和可操作性角度對該實驗進(jìn)行改進(jìn)。

2 實驗裝置的改進(jìn)

2.1 實驗裝置選材的更換

2.1.1 極板材質(zhì)的更換

由于電荷分布不均就會產(chǎn)生電勢差,所以單電極就能產(chǎn)生微弱的電動勢[1],但如果采用單電極,則不能準(zhǔn)確連接正極負(fù)極,且內(nèi)電壓無法測量,于是實驗裝置還是沿用了雙電極的結(jié)構(gòu)。按照金屬活性排列,選擇活性較弱的電解銅作為陽極,選擇其他的活性金屬如鋁、鐵、鋅等作為陰極,其電動勢受到電極材料、電解液的pH值[2]、溫度[3-4]等諸多因素的影響,金屬極板被氫離子去極化腐蝕[2]也會影響電動勢的大小。同時考慮到金屬中雜質(zhì)較多會影響到實驗的準(zhǔn)確性,所以極板采用了電解銅和高純度金屬。倒入pH值為2.63的磷酸作為電解液,經(jīng)過多次實驗,經(jīng)過10 min左右,測得電池電動勢趨于穩(wěn)定(見表1)。

表1 不同電極的原電池穩(wěn)定時電動勢大小

2.1.2 電解液種類的更換

筆者最初嘗試在鉛酸電池的電解液稀硫酸中加入重鉻酸鉀、高錳酸鉀或雙氧水等強(qiáng)氧化劑,這樣可以使電池電極金屬部分形成一層氧化膜,實驗發(fā)現(xiàn),這樣雖然減弱了極化現(xiàn)象,但極化電壓依然較大。

出于安全性考慮,筆者放棄了用稀硫酸、稀鹽酸、氫氧化鈉溶液作為電解液,嘗試使用濃度很低的氯化銨溶液、氯化鈉溶液進(jìn)行實驗;后來受到蘋果、梨、橙子等水果電池的啟發(fā),也嘗試采用市面上常見的碳酸飲料和果汁類飲料作為電解液,這些電解液共同的特點是因為溶液濃度低所以內(nèi)阻較大,一般能達(dá)到10 kΩ～12 kΩ,所以在實驗過程中電流極小,這樣極化現(xiàn)象就基本可以忽略了,表2為不同電解液的原電池穩(wěn)定時電動勢大小。

表2 不同電解液的原電池穩(wěn)定時電動勢大小

2.2 裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

2.2.1 極板和探針裝配方式的改進(jìn)

由于電源的電動勢并不隨著電極之間的間距或者電極插入電解液的深度而變化[5],所以應(yīng)該讓電極和探針盡可能接近以避免出現(xiàn)較大誤差。這里有兩種解決方案,一種是采用體積較大的化學(xué)電池,可以在電池內(nèi)部溶液中極板的正上方的位置放置探針,因為在電解液中電流是橫向流動的,所以實驗所測量在同一個橫截面上的電勢是相等的。另一種方案就是讓探針無限接近極板且又不互相接觸,可以裁切電路板作為探針,電路板又叫覆銅板,基板是由高分子合成樹脂和增強(qiáng)材料組成的絕緣層板,在基板的表面覆蓋著一層導(dǎo)電率較高、焊接性良好的純銅箔,總厚度僅有1.0 mm左右,有效地避免了二者之間距離過大而導(dǎo)致部分電壓無法測量的情況。

理論和實驗表明,探針的表面積越大,極化現(xiàn)象越弱,筆者首先選擇面積與金屬板等大的兩片銅板作為探針,準(zhǔn)確地說,此時探針已經(jīng)演變?yōu)椤疤狡?但是可能會導(dǎo)致學(xué)生很難區(qū)分作為電極的金屬和作為探針的金屬,另一個原因是實驗發(fā)現(xiàn)使用面積較大的“探片”會影響內(nèi)電壓的測量,圖3為筆者僅用兩片銅“探片”放入電解液中實驗測量過程,可以看到,兩片銅“探片”分別放到兩邊的電池槽后,會形成3.37 V電勢差,隨著時間的推移,電勢差逐漸變小為0.62 V,但并未消除。所以筆者采取的折中方案是將探針更換為銅的“探條”,并更改了圖1中極板和電極的擺放位置(見圖4)。

圖3 用兩片銅“探片”的實驗測量過程

2.2.2 溢水槽結(jié)構(gòu)的改裝

J2365可調(diào)內(nèi)阻電池可以通過向氣室注入空氣來改變液體通道的縱截面積S(見圖5),在實驗過程中發(fā)現(xiàn),因為不可避免的漏氣而導(dǎo)致液體通道縱截面積緩慢發(fā)生變化,增大了實驗誤差。于是,筆者將蓋板、極板、探針做了一體化設(shè)計,極板、探針用可拆卸螺絲固定在蓋板上,蓋板中間用藍(lán)色的占位填充物來控制液體通道的縱截面積S,在加注電解液完成后,將整體緩慢插入電池槽,便完成了電池的組裝(見圖6)。

圖4 改進(jìn)后的極板和探針裝配方式

圖5 向氣室注入空氣

圖6 蓋板、極板、探針一體化設(shè)計

2.3 實驗所需電壓表種類的改進(jìn)

電壓表可以采用指針式電壓表、數(shù)字電壓表以及電壓傳感器。指針式電壓表內(nèi)阻約為幾kΩ,數(shù)字電壓表的內(nèi)阻一般都在10 MΩ以上,電壓傳感器的內(nèi)阻在1 MΩ左右;前文中提到,因從安全性和減小極化現(xiàn)象的角度考慮,采用了內(nèi)阻在kΩ級別的氯化銨溶液、可樂、雪碧或者橙汁作為電解液,所以外電路的可調(diào)電阻必然也要采用能在kΩ級別可以調(diào)節(jié)的電阻箱或者滑動變阻器,此種情況下,若采用指針式電壓表,勢必會在測量過程中,因電壓表和電阻箱阻值相當(dāng),電壓表分流明顯而產(chǎn)生較大的測量誤差。所以,很多研究者[5-6]采用數(shù)字電壓表或者電壓傳感器的方式,相較于磁電式電壓表更接近于理想電壓表,讀數(shù)和數(shù)據(jù)測量也更加準(zhǔn)確和方便。

本實驗改進(jìn)方案的原電池俯視圖如圖7所示,在原電池的兩極和探針處預(yù)留了接線柱,標(biāo)注電源的正負(fù)極,正視圖如圖8所示。將電壓傳感器、開關(guān)、電阻箱串聯(lián)成的閉合電路如圖9所示,為方便連接,筆者將所有接線柱改裝成香蕉插頭,即插即連。實驗時,閉合開關(guān),調(diào)整電阻箱的阻值,分別從兩個電壓表顯示屏上讀出內(nèi)外電壓的多組數(shù)值(見表3),從數(shù)值變化可以看到,隨著外電阻的增大,內(nèi)電壓減小,外電壓增大,內(nèi)外電壓之和在實驗誤差允許的范圍內(nèi)不變。

圖7 改裝原電池俯視圖

圖8 改裝原電池正視圖

圖9 整體實驗裝置

表3 改進(jìn)裝置內(nèi)外電壓值

3 使用注意事項

為了達(dá)到最好的實現(xiàn)效果,在使用器材的過程中需要做一定的準(zhǔn)備,前一次實驗后反應(yīng)產(chǎn)物會附著在極板和探針上,所以在下次實驗前,需要取下極板和探針進(jìn)行打磨。首先用粗砂紙打、再用細(xì)砂紙打,直至將極板和探針表面打磨至光亮,之后放入清水中清洗干凈。同時注意,因為手汗中含有鹽分,所以在打磨的過程中需要帶手套操作。

4 總結(jié)

本實驗儀器改進(jìn)方案通過重選電解液、重選電極、重構(gòu)電極和探針的位置改良了使用傳統(tǒng)鉛酸電池的一些不便之處。同時闡述了實驗器材使用的注意事項和使用步驟,老師們還可以從電化學(xué)原理上進(jìn)一步研究。希望能夠通過這樣的改進(jìn),進(jìn)一步優(yōu)化學(xué)生物理觀念的建立和科學(xué)探究精神的培養(yǎng)。