例析“原电池”知识

摘要：本文从中学物理的角度出发，结合例题从本质上厘清原电池装置的原理，建立对电化学过程的系統分析思路，提高学生对电化学本质的认识，促使学生认识中学电化学中电极名称、电流方向、电荷移动方向等容易混淆的问题.

关键词：电化学；原电池；高中化学

中图分类号：G632文献标识码：A文章编号：1008-0333（202301-0143-03

收稿日期：2022-10-05

作者简介：潘科（1992.11-，男，广西壮族自治区南宁人，硕士在读，从事化学教育研究.

1 原电池原理

1.1 为什么电子会发生转移？

原电池两电极存在电极电势，若要使原电池正常工作，必须一端电势低，一端电势高，形成电势差，电子在电势差的驱动下由低电势一极向高电势一极定向移动.自发的氧化还原反应这一形成原电池的前提条件，实质上正是在选用能产生电势差的反应物，即还原剂与氧化剂.还原剂主要处于低电势的一极，可以由电极本身或由外加的物质提供电子；氧化剂主要处于高电势的一极，可以由电极本身或由外加的物质得到电子.

1.2 为什么外电路中电流由正极流向负极？如何定义正极与负极？

物理学家在研究电流的初始阶段时，无法确认电路中的电流是由正电荷还是负电荷的移动产生的，所以当时规定：正电荷定向移动的方向为电流方向，负电荷向某一方向定向移动等效于正电荷向相反方向定向移动，所以负电荷定向移动的方向和电流方向相反.同时，物理学家还规定：外电路中，电流由正极流向负极.电子带负电，在定向移动的过程中，产生的电流的方向和电子移动的方向相反.如图1所示，若M为失去电子的一极，电子由M极定向移动至N，则电流方向为N极流向M极.物理学上还规定，在电源外部，电流的方向是从电源的正极流向负极的.出于这两项规定，可知真正决定电极是正还是负的关键因素，是电子定向移动的方向.通过找到自发的氧化还原反应中的还原剂，分析出电子移动的方向，可推出外电路中电流的方向，再由物理学上的规定来确定正极与负极.这样的分析方法，不仅适用常见的以金属作为电极的原电池，同样使用于其他以氧化还原反应为基础的原电池.

1.3 负极带什么电？正极带什么电？电解质中阴阳离子的移动方向以及产生的电流方向如何？

原电池工作过程中，由于负极的电子转移至正极，使得负极带正电，正极带负电.因为同性相斥，异性相吸的电学特性，电解质中带正电的阳离子受到负极区的排斥以及正极区的吸引，由负极向正极移动，所以在电解池中产生由负极流向正极的电流；电解质中带负电的阴离子受到正极区的排斥以及负极区的吸引，在电解池中产生由正极流向负极的电流.这样一来，电解质溶液中形成的电流，与外电路中的电流形成闭合回路（如图2所示）.

2 “原电池”例题解析

2.1 经典铜锌双液原电池

例1

关于如图3所示的双液原电池，下列说法不正确的是（）.

A．电子从锌电极通过电流表流向铜电极

B．铜电极发生还原反应，其电极反应是

Cu²⁺+2e^-=====Cu

C．盐桥中阳离子向硫酸铜溶液中迁移

D．电流从锌电极通过电流表流向铜电极，锌电极作正极，铜电极作负极.

解析  A．该原电池中可能发生的自发的氧化还原反应为锌与硫酸铜的反应，锌提供电子，电子流经导线与电流表，再由铜电极附近的溶液中的铜离子得到电子，故A选项正确；

B．原电池放电时，铜离子得电子发生还原反应在铜极上析出，电极反应式为：Cu²⁺+2e^-====Cu，故B选项正确；

C．原电池放电时，电子由锌片转移至铜电极区域，使得铜电极区域带负电，根据同性相斥，异性相吸的电学基本原则，带正电荷的阳离子向铜电极区域中的硫酸铜溶液中迁移，故C选项正确；

D．电子从锌电极通过电流表流向铜电极，负电荷移动的方向与电流方向相反，故产生的电流从铜电极通过电流表流向锌电极，物理学上规定，外电路中，电流由正极流出，流入负极，铜应作正极，锌作负极，故D选项错误.

答案选D.

2.2 经典燃料电池

例2某种氢氧燃料电池的内部结构如图4所示，下列有关该装置的说法不正确的是（）.

A．工作时，电子由电极a通过导线流向电极b

B．电极a为电池的负极

C．电极b上发生的反应为

O₂-4e^-+4H⁺====2H₂O

D．工作时，电流由电极b流向电极a

解析该装置为氢氧燃料电池，工作过程中，自发的氧化还原反应为2H₂+O₂===2H₂O，由氢分子在电极a处提供电子，电子流经导线后，氧分子在电极b处得到电子，可知电流由电极b流出，通过导线由电极a流入，电极b作正极，电极a作负极.结合原电池原理作答.

A．电极a氢分子提供电子，电极b氧分子得到电子，工作时电子由电极a通过导线流向电极b，A项正确；

B．电极a为电池的负极，物理学上规定，外电路中，电流由b极流出，通过导线由电极a流入，电极b作正极，电极a作负极.B项正确；

C．电极b为正极，应得到电子，电极b上发生的反应为O₂+4e^-+4H⁺===2H₂O，C项错误；

D．电子由电极a流向电极b，负电荷移动的方向和电流方向相反，故电流由电极b流向电极a，D项正确.

答案选C.

2.3 新型电池

例3某種利用垃圾渗透液实现发电的装置原理如图5所示.当该装置工作时，下列说法不正确的是（   ）.

A.电子由电极X通过导线流向电极Y

B.外电路中电流由电极Y流向电极X

C.电极X作正极，发生还原反应

D.盐桥中的Cl-向电极X移动

解析该原电池为不涉及金属元素的新型电池，由图可知，电极X区域氮元素由-3价变为0价，价态升高失电子，电极Y区域氮元素由+5价变为0价，价态降低得到电子，电子由X流向Y，电流由Y流向X，根据物理学上的规定，电极X为负极，电极Y极为正极.

A.电子由电极X通过导线流向电极Y，A正确；

B．外电路中电流由电极Y流向电极X，B正确；

C．电池工作时，电流由电极Y沿导线流向电极X，根据物理学上的规定，电极X作负极，氨分子失去电子，发生氧化反应，故C错误；

D．电子流出电极X，电极X带正电，Cl-带负电，根据异性相吸的电学基本性质，Cl-向电极X移动，D正确.

答案选C.

2.4 浓差电池

例4某实验小组设计了如图6所示装置，可观察到与铜导线连接的灵敏电流计指针明显偏转，烧杯a中裸露线头周边溶液蓝色逐渐加深，下列说法错误的是（）.

A.b中导线与硫酸铜浓溶液构成正极区，发生还原反应

B.若a中滴加几滴稀NaOH溶液，降低溶液中Cu2+浓度，则有利于电极反应进行

C.当两侧溶液中Cu2+浓度相等时，灵敏电流计指针停止偏转

D.盐桥中的阴离子向烧杯b移动

解析该电池为不依赖氧化还原反应的浓度差电池，题目中给出关键条件为a中裸露线头周边溶液蓝色逐渐加深，说明a中发生的变化为：Cu-2e-Cu2+，电子由a通过导线流向b，电流由b流向a，根据规定，b为正极，a为负极.

A.电子由a通过导线流向b，根据规定，b为正极，b处的硫酸铜浓溶液中的铜离子获得电子，发生还原反应，A选项正确；

B.向a中滴加稀NaOH溶液，增加了两个烧杯中硫酸铜的浓度差，有利于电极反应的进行，B选项正确；

C.当两侧溶液中Cu2+浓度相等时，电子不再发生转移，便不会产生电流，C选项正确；

D.电极b获得电子，带负电，盐桥中的阳离子向烧杯b移动，阴离子向烧杯a移动，D选项错误.

答案选D.

参考文献：

[1]包琴.高中物理与化学学科交叉内容的教学设计研究[D].兰州：西北师范大学，2021.

[2]徐敏，张建文.深入原电池原理本质 促进学生观念和能力的发展[J].化学教育，2015（9）：27-31.

[3]张玲，陈磊磊.有关原电池的概念及原理[J].化学教学，2010（4）：1-4.

[责任编辑：季春阳]