基于傳感器的水果電池的實驗探究

摘 要：水果電池實驗是中學(xué)課程教材中常見的趣味性強(qiáng)的實踐素材，以銅鋅為電極，使用傳感器對實驗中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，實驗裝置簡單、易于操作、測量結(jié)果精確。大量實驗測量結(jié)果表明，水果汁液的多少和水果酸度對水果電池的電流和電壓并沒有必然相關(guān)，水果汁的電導(dǎo)率與電池的電流呈正相關(guān)。該水果電池實驗可作為數(shù)字化實驗的案例運用于化學(xué)教學(xué)課堂。

關(guān)鍵詞：水果電池；Vernier傳感器；水果酸度；水果汁液

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、問題提出

水果電池貼近學(xué)生的生活，簡單便捷、易于操作、趣味性強(qiáng)，融合了原電池的形成條件、氧化還原機(jī)理、能量轉(zhuǎn)換、電路連接等多種科學(xué)知識，是中學(xué)課程教材中常見的素材。人教版高中《化學(xué)2》第二章“化學(xué)反應(yīng)與能量”中第二節(jié)“化學(xué)反應(yīng)與電能”的“思考與交流”中用蘋果和銅鋅電極舉例制作了水果電池，但是水果電池中的電流使用安培表檢測，可以觀察到安培表指針只有小幅度的偏轉(zhuǎn)，在課堂上進(jìn)行演示時難以達(dá)到理想的教學(xué)效果，即使使用靈敏電流計也很難捕捉到如此微小的電流。由于電壓表的內(nèi)阻并非遠(yuǎn)大于水果電池內(nèi)阻，因此使用傳統(tǒng)電壓表測量水果電池的電壓時，測量結(jié)果會存在一定的誤差。

隨著科技的發(fā)展，傳感器技術(shù)逐漸走入教學(xué)中，使用傳感器對實驗數(shù)據(jù)測量，實驗裝置簡單、易于操作、測量結(jié)果精確，被廣泛應(yīng)用到各類數(shù)據(jù)檢測中，因此本研究運用Vernier傳感器對水果電池的電流和電壓進(jìn)行測量。

大量的實驗研究證明，影響水果電池實驗效果的因素有水果的種類、水果的狀態(tài)、電極的種類、電極間的距離、電極插入的深度、鹽橋、連接方式等[1]。在日常生活中人們常認(rèn)為水果的汁液越多、酸度越大水果電池的效果越好，但是事實真的如此嗎？本研究通過測量不同種類水果的酸度（pH）和電導(dǎo)率以及水果電池的電流和電壓，探究水果電池酸度和電導(dǎo)率對電流、電壓的影響，并著重探討以下問題：

①水果汁液的多少對水果電池的電壓、電流有影響嗎？如何影響？

②水果的酸度大小對水果電池的電壓、電流有影響嗎？如何影響？

③水果電導(dǎo)率的大小對水果電池的電壓、電流有影響嗎？如何影響？

二、實驗設(shè)計

（一）實驗原理

水果電池是一種原電池，其構(gòu)成遵循原電池的基本條件：①兩種不同電極；②電解質(zhì)溶液；③組成閉合回路；④可自發(fā)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。水果中蘊含豐富的生物酸、糖類等物質(zhì)，其中生物酸可以充當(dāng)電解質(zhì)，將不同活動性的金屬電極插入水果汁液中，并通過導(dǎo)線連接，就構(gòu)成了一個簡單的原電池。在此過程中，基于半電池還原電位和能斯特方程，更為活潑的金屬電極會與水果中的酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，置換出氫離子，同時電荷的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生了電流，便形成了水果電池。

（二）水果電池條件的選擇

影響水果電池性能的因素較多，目前的文獻(xiàn)研究已經(jīng)識別出的有：水果的種類、水果的狀態(tài)、電極的種類、電極間的距離、電極插入的深度、鹽橋、連接方式等。本實驗的自變量為水果的種類，采用控制變量法，探究不同水果汁液的多少和酸度對水果電池性能的影響。

（1）水果種類

水果電池中的酸性物質(zhì)起到電解質(zhì)的作用，是水果電池形成的關(guān)鍵原因之一。因此，有相關(guān)文獻(xiàn)指出含有豐富酸性汁液的水果作為水果電池材料效果較好，本研究對此提出疑問并且使用不同種類水果設(shè)計實驗進(jìn)行探究。

（2）水果的狀態(tài)

文獻(xiàn)表明，同種水果在果汁和固態(tài)兩種狀態(tài)下都可以產(chǎn)生電流，但是在果汁狀態(tài)下與在水果本身（固態(tài)）狀態(tài)下差距不大。但也有研究發(fā)現(xiàn)，水果電池的電流、電壓與水果本身的細(xì)胞結(jié)構(gòu)有關(guān)，果肉組織的電導(dǎo)率在研磨后顯著增加，越軟的果實細(xì)胞越容易被破壞，因此會釋放出更多的離子，完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)對水果電池的電流、電壓起抑制作用，榨成汁后的電流電壓會明顯提高。同時，細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的破裂會導(dǎo)致離子遷移率增加，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率增加[2]。因此，為了得到明顯的實驗效果，本研究選擇果汁狀態(tài)下的水果。

（3）電極的種類

水果電池本質(zhì)上是一種原電池，其工作原理基于兩極金屬活動性之間的差異。金屬活動性差異越大的電極對，產(chǎn)生的電流越大。在常見的電極對中，銅與鋅組成的電極實驗效果較好。有研究以菠蘿原汁和菠蘿濃縮液為電解質(zhì)，分別以碳-碳、銅-銅、鋅-鋅、銅-鋅、碳-銅等為電極組成原電池，發(fā)現(xiàn)銅-鋅電極的電位差遠(yuǎn)高于其他電極。也有研究發(fā)現(xiàn)，碳-鋅、碳-鐵的電極組合也較令人滿意，但是碳棒會導(dǎo)致電路的電阻偏大，實驗效果不如銅-鋅電極[3]。因此綜合來看，銅-鋅電極對的表現(xiàn)最優(yōu)，本實驗選擇銅鋅電極對。

（4）電極間的距離

研究表明，在相同的電極材料的條件下，電極間的距離越小，電流越大，這是因為電極距離較遠(yuǎn)，H+離子和Zn2+離子等活性物質(zhì)的去除需要較長的時間才能到達(dá)電極，產(chǎn)生的電流和電壓較小[4]。但值得注意的是，電極間的距離過小易導(dǎo)致短路，因此需要將電極控制在合適的距離內(nèi)。綜合各種情況而言，本實驗電極間距離設(shè)定為2cm。

（5）電解質(zhì)溶液的選擇

水果中的氫離子屬于方程中的氧化態(tài)，因此氫離子濃度越大，電動勢越高，表現(xiàn)為水果的酸度越高，電動勢越高。但是也有研究指出，水果電池的電壓和電流不僅和水果的酸度有關(guān)，還與自身的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、所含內(nèi)容物、能量分子有關(guān)。不同水果自身的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、所含內(nèi)容物不同，有效氫離子濃度也不同。因此本實驗選取不同種類的水果探究水果的酸度是否真的對水果電池的電流電壓有影響。

（三）實驗材料及儀器

（1）實驗材料

鋅片（長度12. 8cm、寬度2. 5cm）、銅片（長度12. 8cm、寬度2. 5cm）；蘋果、西紅柿、橘子、香蕉、獼猴桃、檸檬、柿子、橙子若干。

（2）實驗儀器

Vernier 電導(dǎo)率傳感器、Vernier pH 傳感器、Vernier 電流傳感器、Vernier 電壓傳感器；100mL、200mL、400mL 燒杯若干；分析天平、研磨棒、稱量紙。

三、實驗操作

（一）電解質(zhì)溶液（水果汁）的制備

用分析天平稱取相同質(zhì)量（50g）的去皮后的水果（如圖1）；接著轉(zhuǎn)移到100mL燒杯中，使用研磨棒將它們研磨成汁，即獲得電解質(zhì)溶液。

（二）pH值及電導(dǎo)率的測量

用pH傳感器和電導(dǎo)率傳感器分別測量不同水果汁的pH值和電導(dǎo)率，測量時間為5min，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)的平均值，如表1所示。

（三）電流和電壓的測量

將鋅片和銅片插入水果汁中，使得電極間距離為2cm，電極插入水果汁的深度為2. 5cm。在實驗過程中，保持電極距離、電極插入深度不變，用電流傳感器和電壓傳感器測出其電流和電壓值，測量時間為5min，將采集到的數(shù)據(jù)取平均值，將數(shù)據(jù)記錄在表2中。

四、實驗結(jié)果分析探討

（一）水果汁液含量對電池電流、電壓的影響

表2數(shù)據(jù)顯示，由八種水果制作的水果電池產(chǎn)生的電流大小排序為：檸檬>香蕉>獼猴桃>橘子>西紅柿>橙子>柿子>蘋果，其中檸檬、香蕉的水果電池電流較大；相較而言，由柿子和蘋果組成的水果電池產(chǎn)生的電流較小。一般來說西紅柿、橙子的汁液較多，香蕉汁液較少，但是西紅柿、橙子產(chǎn)生的電流反而低于香蕉的電流，可見，水果汁液的多少和水果電池的電流并無必然相關(guān)。

以上八種水果產(chǎn)生的電勢大小相當(dāng)，這與前人的研究結(jié)果一致，均會產(chǎn)生約1 V的電壓[5]。蘋果、柿子產(chǎn)生的電勢略高，香蕉、獼猴桃產(chǎn)生的電動勢略低。綜上，通過實驗數(shù)據(jù)反映出水果汁液的多少與電池的性能并沒有必然相關(guān)。

（二）水果汁的電導(dǎo)率對水果電池、電流電壓的影響

電導(dǎo)率用于測量溶液中總電解質(zhì)的量。水果電導(dǎo)率的測量可以反映水果中離子濃度的大小，影響電導(dǎo)率的一個重要因素是水果中的總離子含量，包括水果中的鹽類和糖類。

電導(dǎo)率高代表了離子濃度高，離子遷移率高，水果汁液傳導(dǎo)電流能力強(qiáng)。表1數(shù)據(jù)顯示，八種水果的電導(dǎo)率大小排序為：檸檬>香蕉>獼猴桃>橘子>西紅柿>橙子>柿子>蘋果。蘋果電導(dǎo)率最低，這與文獻(xiàn)結(jié)果一致[6]。有研究指出蘋果電導(dǎo)率低可能是由于其較高的孔隙率，蘋果組織中存在大量的空氣因此導(dǎo)致了較低的電導(dǎo)率。

通過對水果汁電導(dǎo)率與水果電池電流作圖（見圖2）顯示，隨著電導(dǎo)率的增加，水果電池電流有逐漸遞增的趨勢。這可能因為水果電池是通過水果中的有機(jī)物質(zhì)（如檸檬酸、蘋果酸等）與金屬電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流，在此過程中，電極間的電子轉(zhuǎn)移需要介質(zhì)，即水果汁液中的離子。當(dāng)水果汁液中的離子濃度較高時，這些離子可以更有效地攜帶電荷，從而增強(qiáng)電流的傳導(dǎo)能力。而較高的電導(dǎo)率代表著較高的離子濃度，離子濃度高，水果汁液傳導(dǎo)電流能力加強(qiáng)，表現(xiàn)為電流遞增。

圖3數(shù)據(jù)顯示，八種水果產(chǎn)生的電勢大小相當(dāng)，水果汁電導(dǎo)率與水果電池電勢沒有必然相關(guān)，可能是由于電勢和電導(dǎo)率受到不同的因素影響。電勢主要取決于水果中的化學(xué)成分，特別是那些參與電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的活性，如果這些水果中的活性物質(zhì)相似，那么它們產(chǎn)生的電勢可能會相近。電導(dǎo)率取決于溶液中離子的濃度、種類以及溶液的溫度和粘度等因素。即使水果產(chǎn)生的電勢相同，水果汁中的離子濃度、種類和溶液的其他特性可能會有所不同，這些差異會導(dǎo)致電導(dǎo)率的變化。

因此，實驗中觀察到的電勢相似性可能是因為水果的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電動勢一致，而電導(dǎo)率的差異則可能由果汁中離子的不同濃度和種類造成。電勢和電導(dǎo)率之間的不相關(guān)性顯示了水果電池性能的復(fù)雜性，說明了在設(shè)計和測試這類電池時需要考慮多個因素。

（三）水果汁的酸度對水果電池電流、電勢的影響

表1數(shù)據(jù)顯示，八種水果的pH值大小排序為：柿子>香蕉>西紅柿>橙子>橘子>蘋果>獼猴桃>檸檬（同一水果不同品種在不同環(huán)境下所測的pH值略有差異），研究發(fā)現(xiàn)檸檬、獼猴桃、蘋果的酸度較高，柿子、香蕉的酸度較低。但圖4中，酸度較高的蘋果產(chǎn)生的電流卻不如酸度較低的橘子、橙子、西紅柿和香蕉產(chǎn)生的電流大。圖5顯示八種水果的pH值與其電池的電動勢無關(guān)，與之前其他學(xué)者的文獻(xiàn)中水果的酸度越大，電動勢越大的結(jié)論不同。結(jié)論有差異的原因可能是因為實驗方法和實驗步驟的差異，本研究使用傳感器測量，相較于pH試紙，誤差更小，結(jié)論更精確[7]。

對于酸度較低的香蕉卻能產(chǎn)生較大的電流，有文獻(xiàn)給出了合理的解釋[8]，水果電池的電流、電壓與能量分子（ATP）利用有關(guān)；香蕉對于能量分子利用率較高，香蕉泥損壞的細(xì)胞結(jié)構(gòu)不會抑制水果電池的電流和電壓。究其本源，不僅水果的pH值影響水果電池的電流和電壓大小，而且水果自身的細(xì)胞壁、細(xì)胞液等的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，以及果酸、糖分等物質(zhì)含量的多少也會對其造成影響[9]。綜上，并不是酸度越高的水果其水果電池性能越好，而是與其水果中有機(jī)酸含量等密切相關(guān)。

五、總結(jié)

通過以上的實驗探究發(fā)現(xiàn)水果汁液的多少、水果的酸度與水果電池性能并沒有必然聯(lián)系，水果汁的電導(dǎo)率與電流呈正相關(guān)，而與電壓沒有必然聯(lián)系。因此并不能簡單得出水果汁液越豐富，水果電池性能越好或者水果越酸，水果電池性能越好的結(jié)論。關(guān)于水果的酸度對電池電流電壓的影響，也要關(guān)注水果自身的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、水果中有機(jī)酸的含量，并不是酸度越高的水果水果電池的性能越好。

在水果電池實驗中，水果汁的電導(dǎo)率與電池的電流呈正相關(guān)。電池的電勢是由果汁中的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，而電流則是電勢推動下的電荷流動，當(dāng)水果的電導(dǎo)率較大時，說明相應(yīng)水果汁中的離子濃度較高，而較高離子濃度能使電流傳導(dǎo)效果更好，從而使得水果電池的電流較大。因此，電導(dǎo)率的大小直接影響了電池的輸出電流。教師可以在教學(xué)過程中設(shè)計水果電池實驗讓學(xué)生實踐，使學(xué)生通過觀察和記錄實驗數(shù)據(jù)，理解電導(dǎo)率與電流之間的關(guān)系，從而加深對電化學(xué)原理的理解。這種實驗方法不僅能夠提高學(xué)生的實驗技能，還能夠激發(fā)他們對科學(xué)探究的興趣。

實驗研究結(jié)果與傳統(tǒng)的“水果自身的酸度越大，制作的水果電池效果越好”經(jīng)驗不一致，這為教師提供了一個極佳的案例，可以以此為例在教材中培養(yǎng)學(xué)生批判質(zhì)疑的科學(xué)精神，也能夠促進(jìn)他們對電化學(xué)等相關(guān)知識的理解。本實驗采用了精度較高的傳感器，拓展了探究內(nèi)容，極大地提升了實驗的趣味性。同時還可以加強(qiáng)科學(xué)與社會生活之間的聯(lián)系。在水果電池實驗中，學(xué)生們需要動手制作水果汁，并和金屬電極組合構(gòu)成原電池。通過親自動手實驗，學(xué)生們可以將例如“電子從一個金屬電極流向另一個金屬電極的過程”等抽象的基本概念形象化。這樣的實驗不僅鞏固了他們的理論知識，還培養(yǎng)了他們的實踐操作能力，使他們能夠在實踐中學(xué)習(xí)和成長。

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（責(zé)任編輯：加順花）