对原电池工作原理的探讨

刘燕

摘   要：针对原电池教学中对电子定向移动的解释，外电路中电子移动的问题，内电路中离子移动的问题，能量转化问题等出现的一些偏差认识进行了探讨。通过生活中的原电池和必修知识的复习，引出原电池原理;通过铜锌原电池的设计、分析，掌握单液原电池原理;从原电池的能量转化效率出发，学习双液原电池原理;利用原电池的形成条件，设计原电池。

关键词：原电池  工作原理  探析

中图分类号：G633                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）06（c）-0052-02

1  电子定向移动的问题

在电光细胞教学中，解决电子定向运动问题的常见方法是使用实验现象，如电流计指针的偏转、正极下产生新材料等，简单地得出电子方向运动发生的结论。至于学生感到困惑的地方，例如为什么主电池产生电流？为什么Zn上的电子流向Cu？电子定向运动的驱动力是什么？由于涉及的微观机制比较复杂，一些教师普遍回避。事实上，在“化學反应原理”的教学中，可以从沉淀、溶解平衡和电气知识中进行分析，建立“双电层”理论模型，然后利用该模型说明。

将金属电极插入溶液中，一些金属离子会溶解到溶液中。同时，溶液中的金属离子将沉积在金属上，即。当溶解率和沉积率相等时，即达到动态均衡。金属表面的电荷层和溶液中的相反电荷离子形成稳定的电双层，厚度约为10-10μm，从而产生电位差，即金属电极电位。金属电极的电位与金属的性质有关。金属越活跃，电位越低。对于由Cu、Zn和CuSO4溶液形成的电池，由于Zn电极电位低，Cu电极电位高，当导线连接形成闭环时，整个电路中的自由电子在电场移动的作用下定向移动。为了保持原有的双层结构[2]，Zn电极将Zn2+重新沉淀到溶液中，同时Cu2+在溶液中沉积在Cu表面。这样两个电极之间产生电位差，使电子再次从Zn电极流向Cu电极。这个过程是连续重复的，因此Zn的溶解过程和Cu2+的沉积过程继续，并在电路中产生连续电流。

2  外部电路中电子运动的问题

对于由Cu、Zn和H2SO4解形成的主电池，一些教师结合主电池动画引入导线中的电子转移：Zn失去电子，电子沿导线传输到Cu，然后H在Cu获得的电子表面变成H2。这种解释很容易导致学生误以为H获得的电子来自Zn。事实上，金属中电子定向运动的平均速率非常小，约为10-5μm/s，通过10cm线的传递需要近3h。如果H+电子从Zn传输，则在Cu表面经过几个小时之前，不应观察到气泡。

事实上，当Cu和Zn极打开时，可以观察到气泡。显然，上述对外部电路中电子运动的解释是不合理的。在这里，可以使用“电双层”的理论模型，借助与电相关的知识，可以做出更合理的解释。由于Cu和Zn的两极之间存在电位差异，因此在打开后，电场将立即在极点处建立。电场以光速传输。一些教师将电池内部电路中的离子运动问题描述为：在主电池中，为了形成闭合电路，电解质溶液中的阳离子移动到正极，而阳离子移动到负极，如Cu-Zn-H2SO4。对于原电池，Zn2+和H+移动到Cu电极，SO4 2-移动到Zn电极。这个解释也有问题。在电偶电池的电解质溶液中，产生电离运动的主要原因是电场和化学电位。由于电极反应：（-）Zn-2e-=Zn2++，（+）2H=2e-=H2，Zn2+的浓度=靠近负极的浓度变大，H=靠近正极的浓度变小，溶液中的Zn+和H+的浓度均匀，即Zn2+和H的化学电位在任何地方都不同，因此会产生驱动力，导致Zn2+和H+移动到低化学电位，即小浓度。同时，由于双极电层的存在，在溶液中建立了从Zn电极（电双层中的正电荷）到Cu电极的电场（电双层中的正电荷较少）。此电场还将Zn2+和H+移至Cu电极。对于SO42-溶液中，由于它不参与电极反应，浓度不变，溶液中的化学电位相等，但在电场的作用下，它会移动到Zn电极。一旦发生迁移，解决方案中的SO42-分布将不再一致。Zn电极附近的浓度高，Cu电极附近的浓度低。在化学电位的作用下，可以预测SO42-向Cu电极移动的趋势。效果最终将达到平衡，也就是说，溶液中的SO42-不可能持续向Zn电极移动。苏永桥认为，电池溶液中的离子符合玻尔兹曼分布规律。以Danael电池为例，计算结果表明，当电源工作正常时，溶液中的负离子具有稳定的分布。从此角度看，负电荷没有方向移动。Daniel 细胞内的电流由正电荷对静态负电荷的方向运动（从宏观角度）形成。

3  能量转换问题

原电池的化学能是指物质从高能状态释放到低能状态的能量。在这个过程中，反应物减少，产物增加，所以这是一个化学反应。从产物的总键能中减去反应物的总键能（键能的概念应该是中学所学的各种键的具体键能）。这个值存在于每种物质中。当热反应方程的系数完全相同时，得到了该量。电动势测量：根据电动势E=通过电源的电流I乘以电源的内阻R（E-U=IR）加上路端电压U。在此期间，外部电路的电阻被滑动变阻器改变。所用设备为：原电池、引线、开关、滑动变阻器、电流表、电压表。如果没有物质转换，也就是没有化学反应的话，电解质溶液适用欧姆定律。如果有了物质转换，比如说，水被电解成了氢气和氧气，电能转化成了两部分，一部分适用欧姆定律，发热了，另一部分变成了氢气和氧气之间的化学能储存起来了。当电解产生的氢气和氧气发生化学反应时，如果生成同状态的水（温度，压力），释放出来的能量，正好的电能转化成化学能的那一部分。容量与电池中电极材料的数量成正比。这就解释了为什么即使相同的化学性质，小电池的容量比大电池的容量低，即使两个电池的开路电压相同。因此，电池的电压更多地基于化学性质，而容量更多地取决于所使用的活性材料的量。容量以安培小时（A·h）为单位。对于电池，A·h是更方便的单位，因为在电力领域，能量的单位通常是瓦特小时（W·h）。电池的能量容量可以简单地通过将以伏特为单位的额定电池电压乘以以安培小时为单位的电池容量来得出。对于存储系统，通常使用往返效率 h bat  =  E out / E in，其表示为总存储输出 E out与总存储输入 E in的比率。例如，如果在充电过程中将10 kW·h泵入存储系统，但在放电过程中只能回收8 kW·h，则存储系统的往返效率为80%。电池的往返效率可分为两个效率：伏打效率（即平均放电电压与平均值之比）和库仑效率（或法拉第效率），定义为在满充电周期的充电电压下，从电池中提取的总电荷与放入电池中的总电荷之比。比较不同的存储设备时，通常会考虑这种往返效率。它包括电池中发生的不同化学和电气非理想性的所有影响。

4  结语

原电池是我们日常生活中的常见物品，通过对其工作原理的学习，能够帮助学生了解科学原理，启迪创新和发明。科学研究必须建立在无数次的实验基础上，科学研究应该从日常生活中展开，科学研究需要青少年的共同参与与学习。

参考文献

[1] 杨晓莉.基于提升学生问题解决能力的“原电池”教学设计与研究[D].四川师范大学，2017.

[2] 苏莉虹.中学化学“原电池”核心概念的进阶教学设计研究[D].江西师范大学，2016.

[3] 张福涛.“原电池的工作原理”教学设计及课堂实录[J].化学教育，2014，35（17）：13-17.