水果电池实验探究

◆湖南省宜章县第一中学 2008 实验组 胡佳琦 姚禹涵 彭允熙 李旭辉

世界上最早的化学电池是意大利物理学家伏特设计并制成的。他把铜和锌作为两个电极插入食盐溶液，制成最简单的化学电池。有机电池属于有待探索的新能源，水果电池是有机电池的一种，它蕴含化学知识中的“原电池原理”，电学知识中的“电流的产生”、“常用电学元件的使用”、“简单电路的连接方法”等知识。

针对化学人教版新教材必修 2 的学生实验探究“简易电池的设计与制作”，为了丰富实验探究的内容，提高实验的趣味性，培养自身的探究兴趣和能力，我们开展了水果电池最佳实验条件的探究。

此外，我们还打算在实验中尝试用水果电池点亮 LED 灯、带动小风扇等，增添实验的趣味性。

一、实验目的

通过改变水果的种类、电极的种类、电极的间距、电极的深度 4 个变量，探究影响水果电池电流大小的因素，得出简易水果电池的最佳实验条件。

二、实验原理

原电池是将化学能直接转化为电能的装置，最简单的原电池由正负电极和电解质溶液构成一个闭合回路，将一个自发的氧化还原反应划分为两个分开进行的半反应，分别在正负电极上分两处进行。再复杂的原电池反应也必须遵循这些条件。

水果电池由水果（酸性）、两块金属片和导线制作而成。两块金属片的活动性强弱应相差较大，比如铜片和锌片。锌片的活动性较强，易失电子，作为负极；相对而言，铜片的活动性较弱，不易失电子，因此作为正极。铜片和锌片通过电解质（即水果中富含的果酸）和导线构成闭合回路，铜片置换出果酸中的氢离子产生正电荷，锌片失去电子产生负电荷，因此闭合回路中产生电流。

三、实验器材

番茄、猕猴桃、柠檬、橘子若干，导线、线夹若干， 电流表一个，发光二极管一根，小电动机一个，铝片、锌片、铁片、铜片各一块 ，石墨棒一根。

四、探究过程

（一）提出问题

1.水果的种类对水果电池的电流大小有影响吗？如何影响？

2.电极的种类对水果电池的电流大小有影响吗？如何影响？

3.电极的间距不同对水果电池的电流大小有影响吗？如何影响？

4.电极的深度（电极与水果的接触面积）不同对水果电池的电流大小有影响吗？如何影响？

（二）作出假设

1.水果种类、电极种类、电极间距以及电极深度的改变均能对水果电池电流大小产生影响。

2.实验水果的汁水越多，水果电池产生的电流越大。

3.使用的金属电极活动性差异越大，水果电池产生的电流越大。

4.电极的间距越小，水果电池产生的电流越大。

5.电极的深度越深（即电极与水果的接触面积越大），水果电池产生的电流越大。

（三）实验过程

1.选用两种已打磨好的电极，在电极后端连上导线，它们相当于电源的正负极， 并将导线接在电流表的正极和负极上。

图1 电路原理图

2.将电极插入水果中，同时测量电极的间距及深度，可看到电流表的指针发生了偏转，记录电流表的示数。

3.更改两个电极插入水果的深度，重复步骤1、2。

4.更改两个电极之间的距离，重复步骤 1、2。

5.换用不同的电极材料，重复步骤 1、2。

6.换用不同的水果，重复步骤 1、2、3、4、5。

7.记录结果。

（四）实验结果

图2 实验成品图（家中）

表1 最初的实验数据

本次实验为验证性实验，根据假设3，应得出的结论是：使用 Cu-Zn、Cu-Al 电极的水果电池的电流大于使用 Cu-Fe 电极的水果电池电流。然而，我们得出的实验结果无法验证这一假设。为了加强实验的完整性和有效性，我们决定重做涉及 Cu-Zn、Cu-Al电极的实验。

（五）问题探究

1.问题分析

经过讨论，我们猜测可能是铝片与锌片易被氧化，导致其表面产生氧化膜，降低了反应效率，使得电流较小。

2.解决方案

使用醋酸和氢氧化钠分别将铝片和锌片表面的杂质清除干净后重复实验，若得出的实验结果与假设相符，则代入总表进行分析；若不符，则使用原电池原理的推论结合实验数据进行原因分析。

3.重做实验结果

由表2可知，用打磨过的铝片和锌片做实验，仍未获得符合猜想的实验数值，其原因是我们没有条件使用强酸、强碱完全去除铝片和锌片表面的氧化膜。

表2 重做实验的数据

我们商议后决定，将新的实验数据汇入总表，用有效数据结合原电池原理的推论进行实验结果分析，得出最后的实验结论。

五、结果分析

（一）比较实验 1、实验 2、实验 3、实验 4可以得出，电极深度（电极与水果的接触面积） 不同对水果电池的电流大小有影响。

随着电极插入水果内深度的增加，电流表的示数均有不同程度的增大。这是由于随着电极插入深度的增加，电极与水果中电解质的接触面积增大，相同时间内产生的电荷转移增多，因此，增加电极的插入深度可以增大水果电池的电流。得出的规律是电极插入水果的深度越深，水果电池产生的电流越大。

（二）比较实验 4、实验 5、实验 6、实验 7 可以得出，电极间距不同对水果电池的电流大小有影响。

随着电极距离的增加，灵敏电流计的示数均有不同程度的减小，在此之前已有研究证明，理论上电极之间的距离越小，电池的内阻越小，能产生的电流越大。在实际操作过程中当电极之间的距离太近时，“鳄鱼嘴”上的金属易靠近造成短路，因此在实际操作过程中，电极之间的间隔距离以1cm左右为佳。得出的规律是电极的间距越小，水果电池产生的电流越大。

（三）比较实验 4与实验 8、实验 9与实验 13可以得出，电极种类不同对水果电池的电流大小有影响。

在此之前已有研究证明，原电池中两个电极的金属活动性不同，产生电势差而使电子流动产生电流。因此，金属的活动性差异越大，产生的电势差越大，水果电池产生的电流越大。得出的规律是两个金属电极的活动性差异越大，水果电池产生的电流越大。

（四）比较实验 9、实验 16、实验19、实验 22可以得出，水果种类不同对水果电池的电流大小有影响。

在电极种类、电极距离和插入深度相同的情况下，番茄电池产生的电流最大，能使电流表发生明显偏转，猕猴桃电池次之。而柠檬电池产生的电流较小，这与我们在日常生活中“果蔬汁液的酸度越大，制作的水果电池效果越好”的经验不符。

究其原因，水果电池的电压和电流不仅与水果自身的 pH值有关，还与水果自身的细胞结构，如细胞壁、细胞液、胞间连丝以及所含内容物，如果酸、糖分等因素有关。得出的规律是水果的果汁越丰富，水果电池产生的电流越大。

六、实验结论与改进

通过探究活动，我们得出简易水果电池的最佳实验条件如下。

（一）水果种类

选用果汁丰富的水果，因为果汁是非常好的电解质，考虑到降低成本、使实验现象更明显，可选用番茄做水果电池。

图3 实验结论思维导图

（二）电极种类

两个电极材料金属活动性相差越大，制成的水果电池的电流越大。

（三）电极间距

两个电极间的距离越近越好，但又不能靠得太近，以免发生短路，电极的间距以0.5～1cm较为合适。

（四）电极深度

电极插入水果的深度越深，与水果汁液的接触面积增大，则水果电池产生的电流也增大。查阅文献后我们得知，可自制“盐桥”代替导线导电可增大水果电池的电流，还能采用不同的电池组装方式（串联、并联）增大水果电池的电流或电压，点亮发光二极管，带动小电动机。

图4 作者进行水果电池实验

七、实验反思

在实验过程中我们发现，水果电池的电流会随着时间流逝缓慢下降，但未能想出办法排除这一干扰。受实验条件限制，未能完全去除铝和锌表面的氧化膜，对此实验产生了干扰，而且没有多次实验测量取平均值，缺乏用更多的数据证明猜想，对此，我们深感遗憾。

专家点评

小作者们以课本已有的实验为基础，通过改进实验，提出制作简易水果电池的最优条件。

在实验设计的每一个环节，小作者们都发现了问题，然后运用所学或从文献中获得的知识分析问题，并提出解决问题的方案。实验过程中数据记载详细，能通过对比实验，利用数据推导实验结论，验证实验假设。在总结阶段，能利用思维导图总结知识点之间的联系。实验设计合理，实验结果可信，实验分析有理有据，论文写作规范。

建议利用现代技术手段，例如手持技术等进行实验，实验效果会更明显。