为何不能直接连接电池的正负极

尤小蓉

摘 要：以酸性锌锰干电池为例介绍了实用电池的放电原理及实用电池能较长期使用和存放的原理，并在此基础上说明了直接连接电池的正负极烧坏电池的原理：在短路状态下，电池反应和化学反应同时发生，快速消耗完了电池反应物。就电池短路烧坏电池的问题给出了初高中不同学段的教学建议。

关键词：电池短路；放电原理；烧坏电池；教学建议

一、问题的提出

人教版义务教育教科书九年级《物理》[1]中有如下图一。

该图一上还配有这样一句警示语：“不能把电池的两端用导线直接连在一起！”

面对图一及图一上的警示语，常有学生提出这样的疑问：为什么不能把电池的正负极用导线直接连在一起？这本是一个初中物理教学的问题，但初中物理老师一般难以透彻地解答该问题，所以该问题被部分学生带到高中物理和化学学习中了。初中物理老师对此问题的回答一般是：用导线直接连接电池的正负极会烧坏电池。爱动脑筋的学生常常不满足于该答案，他们会进一步追问：用导线直接连接电池的正负极为什么会烧坏电池？电池是怎样被烧坏的？为了准确回答这些追问，笔者特参考有关文献[2][3]，联系实用电池的工作原理对电池的正负极不能直接用导线相连的问题解析如下。

二、实用电池的工作原理

在现代生产和生活中，实用电池的种类和型号很多，这些实用电池的工作原理均大致相似。在此，笔者特以最早使用、至今仍普遍使用的酸性锌锰干电池为例谈谈实用电池的放电原理及实用电池能较长期使用和存放的原理。

1.酸性锌锰干电池的放电原理

酸性锌锰干电池的构造示意图如图二所示。

2.酸性锌锰干电池能较长期使用和存放的原理

我们都知道，用于讲解原电池原理的教学用铜锌原电池是没有实用价值的。教学用原电池的电极是直接浸泡在电解质溶液中的，这种原电池既难以控制电池反应，又不便于携带；所以这种教学用的原电池没有实用价值，只能临时用于演示说明原电池的基本原理。干电池为什么具有较大的实用价值呢？干电池的实用价值主要体现在干电池携带方便、能较长期使用和较长期存放，干电池能较长期地使用和较长期地存放主要取决于干电池的结构特点。

在干电池中，电解质NH4Cl溶解在近于固态的糊状物中。在干电池内用糊状物代替溶液的一个作用是糊状物的流动性较差，糊状物能使干电池内的各组成部分都处在相对稳定的位置。糊状物的另一个重要作用是使干电池内直接发生化学反应⑦的速率减慢，该作用是通过如下两个途径来实现的？（1）NH4+离子在糊状物中的运动速率远慢于NH4+在水溶液中的运动速率，这使得NH4+离子移向锌筒与锌接触直接发生化学反应的机会大为减少。（2）锌筒表面生成的[Zn（NH3）4]2+和Zn2+向糊状物中的扩散速率也远于慢[Zn（NH3）4]2+和Zn2+向水溶液中的扩散速率，[Zn（NH3）4]2+和Zn2+在锌筒表面对NH4+与锌的接触反应产生了阻碍作用。这两个因素的存在使得干电池内直接发生化学反应⑦的速率很慢，直接发生化学反应⑦的速率慢使得干电池能够较长时间地存放。接通外电路后，干电池就可以按照上述电极反应发生反应对外供电。当外电路上的用电器有足够大的电阻时，干电池能够持续平稳的对外电路较长时间地提供小电流。这些因素的存在，使得干电池有很大的实用价值。

另外，我们还应该明确，尽管干电池内直接发生化学反应⑦的速率很慢，但干电池内的化学反应⑦从干电池制成的那一刻就开始了，所以干电池的使用和存放时间都不是很长，干电池在长期存放后会自然报废。

三、电路短路烧坏电池的原理

用导线直接连接电池的正负极时，为什么会烧坏电池呢？

电池反应都是氧化还原反应，氧化还原反应的基本特点是有电子的转移。当氧化还原反应的电子转移受到各种因素的阻碍时，氧化还原反应的速率就会变慢。当氧化还原反应的电子转移很顺畅时，氧化还原反应的速率就会很快。未接通外电路时，电池内的氧化还原反应速率受糊状物的制约而很慢。接通外电路后，若外电路中有电阻较大的用电器或电子元件的话，氧化还原反应的电子转移也就不会很顺畅，此时的氧化还原反应也不会很快。若用导线直接连接电池的正负极的话，电池内氧化还原反应的电子转移速率就会因为外界导線的电阻很小而变得很顺畅，电池两极的电极反应就会相应加快。电极反应快本身既会在短时间内消耗大量的反应物Zn和NH4+，又会导致电池内H2和NH3的大量积累。H2的大量积累是由于反应②远慢于反应①，NH3的大量积累是由于NH3是在正极生成、却要在移向负极的慢扩散中与Zn2+结合成[Zn（NH3）4]2+。H2和NH3的大量积累会导致电池的内阻显著增大，从而导致电池发热升温。电池发热升温后，电池内直接发生化学反应⑦的速率就会相应加快。电极反应和直接的化学反应同时快速进行会很快将电池反应物Zn和NH4+消耗殆尽，电池反应物Zn和NH4+消耗完了，电池也就烧坏了。因此，所谓的电池被烧坏其实就是电池反应物在短时间内反应完了。

四、电池短路烧坏电池问题的教学建议

明白了不能用导线直接连接电池正负极的原因，就比较容易在教学中回答学生提出的相关问题了。针对学生在初高中阶段理化基础的实际，笔者在此提出一些教学建议。

在初中阶段，老师一般可以从如下几个方面向学生说明不能用导线直接连接电池正负极的原因。（1）用导线直接连接电池的正负极会导致电极反应加快，电极反应加快会导致电池反应物的快速消耗。（2）电极反应加快会导致电池内阻增大，电池内阻增大会导致电池发热升温，电池发热升温会加快电池内的化学反应，电池内化学反应的加快也会导致电池反应物的快速消耗。电池反应物的快速消耗会使电池在短时间内被“烧坏”而报废。

在高中阶段，当学生学习了原电池的基本原理后，化学老师或物理老师就可以直接利用原电池基本原理和干电池的工作原理向学生解析不能用导线直接连接电池正负极的原因了。endprint