Cu-Zn原电池反应条件探析

李培香

（信阳师范学院化学化工学院，信阳 河南 464000）

1 问题的提出

原电池不仅是电化学的基础知识,也是物理学科和化学学科的重要交叉点。在高中阶段，亦是一个非常重要且难学的知识点。其原理是利用两个电极的电极电势的不同，在电解质溶液中，用外加导线构成闭合回路，产生电势差，从而使电子流动，产生电流。属于化学电池的一种，其电化学反应不可逆。

在讲课的时候，老师会以Cu-Zn原电池为例，来讲解原电池的显著特点，进而推进对原电池的学习。然而，在做Cu-Zn原电池的实验时发现：Zn电极上气泡一直很多，而本应出现气体的Cu电极上气泡却不足，甚至Zn电极上产生的大量气泡掩盖了Cu电极上产生的气泡,这就容易引起学生对原电池原理的误解。这与预期的实验现象是不符合的，那么究竟是由什么原因造成的？在什么条件下该演示实验才能成功呢？

分析原电池实验成败的原因，不外乎以下几个条件：（1）电极固有因素的影响。（2）原电池电解质溶液的影响。（3）原电池电极材料纯度的影响。（4）电极表面积的影响。（5）外电路导线的电阻对实验的影响。下面就从这几个方面进行探究，寻求出最佳的实验条件，确保实验的成功。

2 影响因素的分析

2.1 电极固有因素的影响

原电池之所以能够导电，主要是因为所选用的电极材料存在一定的电极电势差，在该原电池中，所选用的电极材料是Cu、Zn。

由 Cu2+/Cu=0.3419V，Zn2+/Zn=-0.7618V[1]

Eθ电池=Eθ+-Eθ-

可计算出 Cu-Zn 原电池的 Eθ电池=Eθ+-Eθ-=0.3419V+0.7618V=1.1037V

说明反应进行的程度就已经相当大。

所以Cu-Zn原电池反应进行的程度是很大的。理论上Cu电极上应该有大量的气泡产生，之所以没有该现象，说明还有其他原因。

原电池所产生的电流流经电极后，会有电极极化现象，极化结果使得阴极电势值减小，阳极电势值增大，最终使原电池的电动势减小。电化学反应中，电极的极化使得该反应进行的程度大为降低[2]。为了降低这一影响，可加入去极化剂、搅拌溶液或者移动电极间的距离来弱化这一现象。搅拌溶液不利于该实验现象的观察，所以设计了如下实验：

实验一：将H2O2滴加于稀硫酸中构成电解质溶液，然后把打磨过的Cu片和Zn片，直接用导线相连，构成原电池，观察并记录现象。

实验现象：Cu片上有大量气泡产生，Zn片上气泡明显小于Cu片上产生的气泡。

实验二：把打磨过的Cu片和Zn片，直接用导线相连，插入稀硫酸溶液中，构成原电池，实验过程中移动电极来改变电极间的距离，观察并记录现象。

实验现象：当两电极距离远时，反应缓慢，电极上产生气泡不明显，Cu片上气泡比Zn片上多；当两电极距离相距2～3cm时，电极反应较快，电极上产生气泡明显，Cu片上气泡比Zn片上多；当两电极距离小于1cm时，反应剧烈，不利于现象的观察。

现象分析：加入H2O2或者改变两电极间的距离，可使Cu-Zn原电池中电极极化作用减小，电池中两电极间的电势差变大，电子更容易到达正极，所以反应会比原来的剧烈，产生的气体增多。

实验结论：原电池中电极的极化对该电化学反应有着重要的影响，通过加入去极化剂和改变电极间的距离可以使这一现象得到弱化，加入H2O2，且两电极距离在2～3cm时，实验效果最好。

2.2 原电池电解质溶液的影响

在教材中，所给的电解质溶液是稀硫酸，所以，在考虑电解质溶液对实验的影响时，主要考虑了硫酸的浓度对实验的影响，当硫酸浓度达一定程度时，由于浓硫酸的强氧化性，而使Zn表面产生致密氧化层，使反应停止，所以不用讨论浓度过大时的情况。

设计了以下实验：

实验三，分别取 0.25mol/L、0.5mol/L、1.0mol/L、2.0mol/L的稀硫酸溶液30mL作为电解质溶液，置于不同的烧杯中，用导线连好Cu片和Zn片，分别插入烧杯中构成原电池。观察并记录实验现象。

实验现象：在电解质溶液浓度为0.25mol/L、0.5mol/L时，Cu片和Zn片上有气泡产生，但现象不明显；在电解质溶液浓度为1.0mol/L时，Cu片和Zn片上有气泡产生，现象明显，容易观察到Cu片上有气体产生；在电解质溶液浓度为2.0mol/L时，Cu片和Zn片上有大量气泡产生，反应剧烈，影响实验现象的观察。

现象分析：在该原电池反应中，存在着Zn与稀硫酸、原电池反应的随竞争反应。Zn是一种活泼金属，遇到稀硫酸就会发生反应，生成H2，这也是为何Zn片总有气泡产生的主要原因。随着硫酸溶液浓度的增加,这两个竞争反应加剧。所以Cu片和Zn片上有大量气泡产生，在Zn片上始终有气泡产生，而且也随硫酸浓度增大而增多，现象越不易观察。

实验结论：在做Cu-Zn原电池的实验时，硫酸溶液的浓度选1.0mol/L时，效果最好。

2.3 原电池电极材料纯度的影响

在该原电池所用的电极材料中，影响其纯度的有两个，一是受空气中氧气的作用，在电极材料的表面生成了氧化物；二是电极材料本身所含有的杂质。

对于第一种情况，设计实验如下：

实验四：把不经打磨的Cu片和Zn片，直接用导线相连，用1.0mol/L的稀硫酸做电解质溶液构成原电池观察并记录现象。

实验现象：在Cu电极上观察不到气泡或者很少，在Zn电极上开始一小段时间没有气泡，之后有大量气泡产生。

实验五：把打磨过的Cu片和Zn片，直接用导线相连，用1.0mol/L的稀硫酸做电解质溶液构成原电池观察并记录现象。

实验现象：在Cu片和Zn片上明显观察到气泡的产生。

现象分析：Cu片和Zn片若未经打磨，用导线连接，因氧化物的原因，没有完全形成回路，所以在Cu电极上观察不到气泡。Cu片和Zn片经打磨后，用导线连接，可以和稀硫酸构成原电池，所以在Cu片和Zn片上均明显观察到气泡的产生。

结论：电极材料表面有氧化物时，不利于原电池反应的进行；实验时，除去电极材料表面的氧化物为宜。

对于第二种情况，由于Cu电极是正极，只要能导电，不影响实验的效果，所以主要针对Zn片的不同纯度来考虑对实验的影响，实验设计如下：

实验六：把打磨过的Cu片与实验纯Zn片，直接用导线相连，用1.0mol/L的稀硫酸做电解质溶液构成原电池观察并记录现。

实验现象; 两个电极上均有气泡产生,Zn片上产生的气泡要远多于Cu片上所产生的气泡。

实验七：把打磨过的Cu片与优级纯Zn片，直接用导线相连，用1.0mol/L的稀硫酸做电解质溶液构成原电池观察并记录现象。

实验现象：两个电极上均有气泡产生，但Zn片上产生的气泡要远少于Cu片上所产生的气泡。

现象分析：Zn片不纯，其中所含Fe、C、S等杂质与Zn易形成微小的原电池，使得大部分电子直接在Zn电极上发生得失，而只有极少量电子经导线流向Cu电极，所以Zn电极上会有大量气泡产生。提高Zn片的纯度，可使大部分电子经导线流向Cu电极，H+得电子后，在Cu电极上产生大量的气泡。实验结论：锌片的纯度越高，实验效果越好。

2.4 电极表面积的影响

物质的存在状态，对化学反应的进行有一定的影响。那么电极的状态对电化学反应的进行也应有一定的影响。设计实验如下：

实验八：分别用表面平滑的优级纯Zn片与表面粗糙的Cu片；表面粗糙的优级纯Zn片与表面平滑的Cu片；表面粗糙的优级纯Zn片与表面粗糙的Cu片；组成原电池的正负极，用1.0mol/L的稀硫酸做电解质溶液构成原电池，观察并记录现象。

实验现象：现象均为Cu片上有大量气泡产生，反应剧烈，Zn片上只有少量的气泡。电极表面不平的铜片与电极表面不平的优级纯锌组成的原电池,Zn片上产生的气泡更少。

实验结论：电极的表现状态对该实验有较大影响，电极表面粗糙的铜与电极表面粗糙的优级纯锌组成的原电池效果最好。

2.5 外电路导线的电阻对实验的影响

在实验中偶然发现，在Cu片上产生气泡很少的情况下，把Cu片与Zn片直接用手捏在一起，可以极大地加快反应的进行，Cu片上产生的气泡明显增多。说明连接电极的导线对实验有影响。设计了如下的实验：

实验九：把打磨过的Cu片与打磨过的Zn片，用连有滑动变阻器的导线连接起来，插入1.0mol/L的稀硫酸做电解质溶液构成原电池，实验中滑动变阻器，观察并记录现象。

实验现象：导线中电阻越大，Cu片上产生的气泡越少。

现象分析：如果导线上电阻太大,锌片上失去的电子无法完全转移到铜片上，所以Cu片上产生的气泡会随导线中电阻的增大而越少。

实验结论：导线中的电阻会阻碍电子的转移。

3 结论

由上面的实验可以得出结论，原电池实验顺利进行的条件是：（1）减弱电极间的电极极化作用：电极间的距离为2-3cm，去极化剂用H2O2。（2）稀硫酸的浓度1.0mol/L左右。（3）电极材料Zn的纯度越高越好。（4）电极的材料的表面要求粗糙。（5）导线尽量用导电能力好的，或者是新的导线，或者将两电极的末端直接接触。

若想起到更好的演示效果，可在导线中连接一个彩色的小灯泡，根据灯泡的亮度观察原电池中电流的变化情况。