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原电池工作原理的探讨

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《化学教育杂志》2015年第七期

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。

关键词

原电池;电子移动;离子移动;能量转化

虽然化学电池在生产、生活中应用广泛,但由于体系复杂,内容抽象,涉及多学科内容,查阅相关的大学物理、化学教材发现,目前对其工作原理,即使是最简单的电池———原电池的工作原理,也说法不一,还没有形成统一的、清晰的认识。在一些大学教材中,原电池的工作原理虽有定量描述,但假设、经验公式成分居多,基本还处于半定量阶段,这无疑增加了中学教学难度。而原电池工作原理又是高中化学重点学习内容,这就要求教师结合大学相关教材,主要是电磁学、物理化学等,融合各学科的观点,从中寻找合理成分,达成对原电池工作原理比较接近本质的理解。在听课及查阅文献时,发现有些教师对原电池工作原理的认识还比较模糊,甚至存在一些偏差,现提出来与大家交流探讨,以期厘清原电池工作原理的一些基本认识。

1对电子定向移动的解释

在原电池教学中,关于电子定向移动的问题,较常见的做法是通过实验现象,如电流计指针偏转,正极处产生新物质等,简单分析得出电子发生定向移动的结论。至于学生感觉比较困惑的地方,如原电池为什么会产生电流?Zn上的电子为什么会流向Cu?电子发生定向移动的驱动力是什么?由于涉及的微观机理比较复杂,有的教师一般避而不谈。实际上,在“化学反应原理”教学阶段,可以从刚学过的沉淀溶解平衡以及电学知识入手进行分析,建立“双电层”理论模型[1]72,然后利用该模型进行解释,学生比较容易接受。当把金属电极插入溶液中,有部分金属离子会溶解进入溶液;同时,溶液中金属离子又会沉积到金属上,即M(s幑幐)Mn+(aq)+ne-。当溶解和沉积的速率相等时,达到动态平衡,金属表面的电荷层与溶液中相反电荷离子形成一个厚度约10-10m的稳定双电层(如图1),产生电势差,即金属的电极电势。金属电极电势的大小与金属的性质有关,金属越活泼,电势越低。对于Cu、Zn、CuSO4溶液形成的原电池,由于Zn电极的电势低,Cu电极的电势高,当用导线连接形成闭合回路时,整个电路中的自由电子在电场作用下,发生定向移动。Zn电极上的电子经过导线流向Cu电极。Zn电极上电子减少,Cu电极上电子增多,两电极离子的溶解和沉积动态平衡均被破坏,两电极表面附近的双电层也随之被破坏。为了维持原有的双电层结构[2],Zn电极重新析出Zn2+到溶液中,同时溶液中又有Cu2+沉积到Cu表面。这样两极之间又产生电势差,使电子再由Zn电极流到Cu电极。这样的过程不断重复,使Zn的溶解和Cu2+沉积的过程持续进行,在电路中产生持续的电流。

2外电路中电子移动问题

对于Cu、Zn、H2SO4溶液形成的原电池,有的教师结合原电池动画这样介绍导线中电子转移:Zn失电子,电子沿着导线转移到Cu,然后H+在Cu表面得电子变成H2。这样的讲解很容易让学生误以为H+得的电子来源于Zn。实际上电子在金属中定向移动的平均速率很小[3],约为10-5m/s,经过10cm的导线需要近3h。如果H+得的电子是从Zn转移过来的,则在Cu表面应经过数小时后,才会观察到气泡。而实际上,在Cu和Zn两极接通瞬间,就可以观察到气泡。显然,上述对外电路中电子移动的解释不尽合理。这里可以利用“双电层”理论模型,借助电学相关知识进行较为合理地解释。因为Cu和Zn两极存在电势差,接通后,立即在两极建立电场,电场以光速进行传递,外电路中的电子随即整体定向移动,溶液中H+即在Cu表面得电子产生H2。

3内电路中离子移动问题

关于原电池内电路中离子移动,有的教师这样介绍:在原电池中,为了形成闭合回路,电解质溶液中阳离子移向正极,阴离子移向负极,如Cu-Zn-H2SO4原电池,Zn2+和H+移向Cu电极,SO2-4移向Zn电极。这样讲解也存在问题。在原电池的电解质溶液中,引起离子移动的原因主要是电场和化学势。由于发生电极反应:(-)Zn-2e-=Zn2+,(+)2H++2e-=H2,使负极附近Zn2+浓度变大,正极附近H+浓度变小,溶液中Zn2+和H+浓度不再均匀,即溶液各处Zn2+和H+化学势不一样,这样就产生一个驱动力,使Zn2+和H+向化学势低,即浓度小的地方移动,Zn2+和H+移向Cu电极。同时,由于两极双电层的存在,在溶液中建立了由Zn电极(双电层中正电荷多)指向Cu电极(双电层中正电荷少)的电场,该电场也使Zn2+和H+移向Cu电极。对于溶液中SO2-4,由于不参与电极反应,浓度不变,溶液中各处化学势相等,但在电场的作用下,会移向Zn电极。一旦发生迁移,溶液中SO2-4分布不再均匀,靠近Zn电极浓度高,靠近Cu电极浓度低,在化学势的作用下,SO2-4产生移向Cu电极的趋势,可以预见这2种相反的作用最终会达到平衡,即溶液中SO2-4不可能持续不断移向Zn电极。苏永乔认为电池中溶液中的离子符合玻尔兹曼分布律,以丹聂耳电池为例,计算结果表明,电源正常工作时,溶液中的负离子有一个稳定的分布,并得出如下结论:宏观上看,负电荷没有定向运动。丹聂耳电池内部的电流是由正电荷在静态的负电荷(从宏观角度说)的背景下定向运动形成的[4]。

4能量转化问题

在平时教学中,一般按如下方式描述能量转化问题:Zn与CuSO4溶液直接接触反应,是化学能转化为热能;对于Cu-Zn-CuSO4单液电池,由于Zn电极表面析出Cu,所以化学能一部分转化为电能,一部分转化为热能;对于Zn∣ZnSO4‖Cu-SO4∣Cu双液电池,是化学能转化为电能。应该明确Zn直接与CuSO4溶液反应和Zn∣ZnSO4‖CuSO4∣Cu构成双液电池,这2个能量转化过程中,能量值的大小其实是不一样的。前者是等压条件下的热效应,应用焓(ΔH)计算,后者是等温等压条件下所做电功,应根据吉布斯自由能(ΔG)计算。对于反应:Zn+Cu2+=Zn2++Cu,ΔrHm=-218.66kJ/mol,ΔrGm=-212.55kJ/mol。另外需要注意的是,只有可逆电池在接近平衡状态下工作时,才符合热力学要求,才能从热力学角度定量计算电池的能量转化[1]60。Zn∣ZnSO4‖CuSO4∣Cu双液电池未形成通路时,Cu和Zn2个电极与各自所处的电解质溶液达到平衡状态,不发生化学反应,充放电时,电极反应可向正、反2个方向进行,基本符合热力学要求。当Cu-Zn-CuSO4单液电池未形成通路时,Zn电极会与电解质溶液持续反应,不具有热力学意义。与单液电池相比,双液电池更接近可逆体系,因此化学能转化为电能的效率更高[5]。

参考文献

[1]傅献彩,沈文霞,姚天扬,等.物理化学(下册).5版.北京:高等教育出版社,2005

[2]赵凯华,陈熙谋.电磁学.北京:高等教育出版社,2003:299-301

[3]彭前程.普通高中课程标准实验教科书:物理选修3-1教师教学用书.北京:人民教育出版社,2010:113

[4]苏永乔.物理通报,2012(4):96-101

[5]李友银,范广伟,石璞.化学教育,2013,34(10):72-7

作者:周庆华 王仲如 单位:北京市大兴区第一中学

化学教育杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次
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