原电池原理的解读及其实验探究

⌾王梦菲

原电池原理的解读及其实验探究

⌾王梦菲

介绍了原电池发生的原理是氧化还原反应,并从几个实验探究得出原电池发生的条件和实质。

原电池; 电解质溶液；氧化还原反应; 原电池的正极; 原电池的负极

锌铜原电池是根据氧化还原反应设计而成的，它由两个半电池组成，在锌铜原电池中，锌和锌盐溶液组成锌半电池，铜和铜盐溶液组成铜半电池，中间通过盐桥连接起来。构成原电池的条件有：⑴电极材料。两种金属活动性不同的金属或金属和其它导电性材料。⑵两电极必须浸没在电解质溶液中。⑶两电极之间要用导线相连形成闭合回路。一般来说，用还原性较强的物质作为负极，负极向外电路提供电子，发生的是氧化反应(但很活泼的金属单质一般不作做原电池的负极如K，Na，Ca等)；用氧化性较强的物质作为正极，正极从外电路得到电子，发生的是还原反应。

一、原电池的原理

1.原电池的电极反应式：

负极(Zn)：Zn-2e- =Zn2+(氧化反应)

正极(Cu)：Cu2++2e-=Cu (还原反应) (正负极得失电子数目相等)

2.原池反应：原电池的两个电极反应组成电池的总反应，这个总反应组成原电池的电池反应。

电池反应式：Zn+Cu2+= Zn2++Cu (离子反应方程式)

Zn+CuSO4= ZnSO4+Cu (化学方程式)

3.电子流向：由负极流出，经导线，流入正极

电流方向：由正极流出，经导线，流入负极

4.电解质溶液中：阳离子: 向阴极定向移动；阴离子:向阳极定向移动。

二、实验探究

1.实验探究一

将一Zn片、Cu片平行插入稀硫酸溶液中，Zn片上有气泡生成，原因是锌和稀硫酸发生反应生成氢气，而铜和稀硫酸不反应。如果将一Zn片、Cu片插入稀硫酸溶液中后，用一导线和电流计连接起来后发现，锌片不断溶解的同时电流表指针有偏转，铜片上有气泡产生。把稀硫酸的浓度再提高一些，发现铜片上生成气泡更多，电流计反应更快，瞬时电流更强，电流表指针偏转得更厉害。

[实验探究延伸]若将稀硫酸变换成浓硫酸，因为浓硫酸有强氧化性，可使锌表面形成致密氧化膜而发生钝化。铜与浓硫酸的反应，在体系内主要生成Cu2S、Cu2O(呈黑色)。

方程式：16Cu+2H2SO4==2Cu2S+6Cu2O+2H2O 浓硫酸含水相当少，一价铜在干态情况下较稳定，所以一定时间内在体系中溶解不完全。故体系中虽有CuSO4产生(呈白色)，但量不大，且不易生成CuSO4·5H2O及Cu2+。因此反应停止后，看不到二价铜水合物的明显蓝色。

[实验探究延伸操作]取出铜片，浸入稀硫酸中，铜丝表面的黑色固体溶解，溶液变为蓝色，即Cu丝与浓硫酸共热时被氧化为CuO；再取出试管底部的白色固体放入盛有水的烧杯中，溶液变为蓝色，证明白色固体是无水硫酸铜。

[实验探究延伸分析]铜与浓硫酸反应方程式为：

Cu + H2SO4(浓) = CuO+SO2↑+H2O (加热)

CuO + H2SO4= CuSO4+ H2O

原电池电解质溶液硫酸浓度由低到高逐渐升高，由于浓硫酸能使锌片钝化后不发生反应，而铜与浓硫酸反应，造成原电池实验现象改变：①指针方向发生偏转，即电流方向、电子移动方向均发现变化；②气泡产生部位由铜片转移至锌片，即正、负极发生变换；③气泡由无色无味气体变成无色刺激性气体，该无色刺激性气体既能使石蕊溶液褪色，也能将品红溶液褪色，即由氢气变成二氧化硫。

[实验探究延伸结论]经典Cu-H2SO4-Zn原电池，电解质溶液稀硫酸要有一个合适的浓度。

2.实验探究二

[实验操作]将锌片加入CuSO4溶液中，用温度计测量溶液温度的变化，分析能量变化的情况。

[实验现象]锌片逐渐溶解, 并出现有红色物质析出, 温度计温度迅速上升。

[实验结论]锌片在溶解过程中由于金属活泼性相对强于金属铜，生成铜单质，金属活泼性Zn>Cu；温度计温度升高说明化学能转变成热能。

3.实验探究三

用导线和小灯泡将锌片与铜片连接起来组成铜锌原电池。在铜锌原电池中, 用小灯泡来指示电流的产生时, 既要求一定的电压, 又要求一定的电流, 为了提高演示效果, 使灯泡明亮并持久些, 我们在硫酸溶液中加入了适量的饱和高锰酸钾溶液或电解质溶液(如氯化钠溶液)。如果对装置再加以改进加入盐桥：在U形管中装满用饱和KCl溶液和琼胶作成的冻胶。盐桥的作用使Cl-向锌盐方向移动，K+向铜盐方向移动，使Zn盐和Cu盐溶液一直保持电中性，从而使电子不断从Zn极流向Cu极，使电流持续传导，结果显示小灯泡比实验探究二更亮，时间更持久。

[实验探究延伸]

(1)将实验探究三中的铜片改用碳棒，用导线和小灯泡将锌片与碳棒连接起来组成C-CuSO4-Zn原电池。结果显示小灯泡同样比实验探究二更亮，时间更持久。

(2)将实验探究三中的铜片改用塑料棒，用导线和小灯泡将锌片与塑料棒连接起来组成闭合回路。结果显示小灯泡变暗。

[实验探究延伸现象]

(1)铜片改用碳棒，结果显示小灯泡同样比实验探究二更亮，时间更持久。

(2)铜片改用塑料棒，结果显示小灯泡变暗。

[实验探究延伸结论]

实验中锌片、铜片、碳棒均可导电，而塑料棒为不可导电物质，所以原电池电极的选择条件为可导电物质。

三、实验结论

构成原电池的条件：①两种活泼性不同的导电电极；②电解质溶液；③形成闭合回路。

河南省平顶山市第一高级中学 467000)