關于原電池電極選擇對測量誤差影響的研究

江文韜

【摘 要】本文探究簡易實驗環境下原電池電極選擇對測量誤差的影響。實驗利用氧化還原反應原理制作電池，探究分析將化學能轉化為電能的原理以及影響理論電壓與實驗電壓差異的主要因素。實驗過程采用理論分析、分場景實驗、控制變量法等研究方法，區別水果及蔬菜種類、電極金屬活動性強弱、電極接觸電解液表面積大小、電極間距離等因素研究原電池實驗測量電壓與理論電壓差異。

【關鍵詞】原電池；電極；測量誤差

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】1671-8437（2019）16-0127-02

使用家庭常見物品及植物塊莖、果實研究原電池原理，便于學生提高動手能力，加深對知識的理解和感性認識。本文旨在研究學生家庭簡易環境下研究原電池原理中影響測量誤差的主要因素，從電極材料選擇、接觸面積、電極間距、測量方式等方面為學生規避實驗誤區，提高實驗精度，快速得出正確結論提供參考。

1 實驗構想

原電池中金屬的氧化還原反應中的氧化反應與還原反應分別在負極和正極上發生。較活潑的金屬為負極，失去電子，發生氧化反應；電子經外部導線傳導至正極，電解液中的陽離子向正極移動，正極得到電子，發生還原反應。以鐵絲和銅絲電極組成的原電池為例，實驗中鐵絲的金屬活潑性強于銅絲，作為負極失去電子置換出水果及塊莖類蔬菜汁液中酸性物質的氫離子；而溶液中的氫離子移動至銅絲正極得到電子，生成氫氣而析出。

從理論上來說，電壓高低與兩種電極金屬活潑性差異有關，電流大小和植物汁液中酸性物質濃度及電阻大小相關，負極發生氧化反應，正極發生還原反應。

2 實驗步驟

2.1 實驗儀器及用品準備

實驗儀表：多用電表。

2.2 實驗操作

實驗①：首先用砂紙清潔金屬絲電極表面至潔凈光亮無銹跡（每次使用電極前重新清潔，下同），然后用直尺量出距金屬絲末端1厘米處位置，用水彩筆做好標記。用比金屬絲稍細的牙簽分別插入各待測水果及塊莖類蔬菜，每個樣品各做出垂直于樣品表面、深度1厘米、間距1厘米的小孔，做為金屬絲電極插入點。

將銅絲和鐵絲末端插入樣品上的小孔至1厘米標記處與樣品表面持平，并使用導線將銅絲和鐵絲的另一端分別與電壓表正負極相聯，數值穩定不變后記錄測量電壓值。之后換成銅絲和鋁絲及鐵絲和鋁絲，重復以上操作，記錄所得電壓值。

實驗②：調整電極插入深度、間距分別為2厘米和1厘米，重復以上步驟。

實驗③：調整電極插入深度、間距分別為3厘米和1厘米，重復以上步驟。

實驗④：調整電極插入深度、間距分別為2厘米和3厘米，重復以上步驟。

實驗⑤：調整電極插入深度、間距分別為2厘米和6厘米，重復以上步驟。

2.3 電極與電解液接觸面積影響

實驗數據分析：在電極材料、原電池介質、正負電極間距保持不變時，原電池發電效率與電極插入深度（正負電極與電解液接觸面積）成正比。

2.4 測量方式對比分析

由于實驗選取了易于找到的銅絲、鐵絲等材料和精度較低的家用電壓表和電流表等器材，測量出電流較小（實驗中僅0.06毫安左右），測量誤差對實驗結論有較大影響。而使用電壓表功能測量時，由于測量值相對較大（約0.5～1.3伏之間），對測量誤差容忍度較高，可確保簡易條件下實驗

效果。

2.5 測量誤差分析

由于實驗選取了易于找到的銅絲、鐵絲等材料和精度較低的家用電壓表和電流表等器材，電極與樣品汁液接觸面積較小，產生的電流較小，制作的原電池內電阻較大，使用電流表或多用電表毫安檔電流表功能，測量出電流較小（實驗中僅0.06毫安左右），測量誤差對實驗結論有較大影響。而使用電壓表功能測量時，由于測量值相對較大（約0.5～1.3伏之間），對測量誤差容忍度較高，可確保簡易條件下實驗效果[1-2]。

3 實驗結論

實驗研究的以下四個因素均能影響原電池的發電效率。（1）電解液濃度影響：在檸檬、橙子、蘋果幾種樣品中，用檸檬做電池的發電效果最好，其次橙子，然后是蘋果，最后是柑橘（將以上樣品汁液滴在PH試紙檢驗，PH值依次遞增）。（2）金屬活潑性強弱影響：當正電極不變時，負電極的金屬越活潑，原電池發電效率越高。當負電極不變時，正電極金屬越不活潑，原電池發電效率越高。（3）電極與電解液接觸面積影響：電極插入樣品越深，電極與電解液接觸的表面積越大，當電極材料與電解液體不變是時，電極插入得越深，原電池發電效率越高。（4）電極之間的距離的影響：電極間的距離越小，原電池發電效率越高。

【參考文獻】

[1]黃清輝，張賢金，吳新建.基于實驗探究促進學生化學深度學習——以魯科版“原電池的工作原理”為例[J].化學教與學， 2016（6）.

[2]張會娟.以“原電池”概念教學為例談概念的深度學習[J].中學化學教學參考，2017（22）.