鹽橋的構成及工作原理

王篤年(特級教師)

問題1為什么要把單液電池發展為雙液電池?

主要原因是單液電池不具有商品性．試想,把一個Zn-Cu-H2SO4單液電池擺在商店里待售,將是一種怎樣的局面?即使在外電路斷開的狀態下,只要一天里沒有賣出,鋅電極就會反應掉大半．電池尚未用來發電,電池材料已經消耗得差不多了,還能夠賣出去嗎?雙液電池就不同了,只要不接通電路,待售期間是基本不會損耗電池材料的．可以對照雙液電池示意圖對此結論加以理解．至于其他的一些“貌似合理”的解釋,比如“雙液電池比單液電池的電壓穩定、電流持久”等,這些只是理論分析的結果．通過實際實驗可以發現,構成材料接近的單液、雙液兩種電池一旦接通電路,除了雙液電池輸出電壓略低于單液電池輸出電壓外(鹽橋的存在導致內阻變大),在其他方面二者并無很大差異．

問題2鹽橋中的電解質離子會不會耗盡?

“這樣,鹽橋內的離子豈不亂了?”的確,隨著使用時間的延長,鹽橋內不再單純是原來溶解在瓊膠里的電解質了,但這并不妨礙它起到平衡兩極電勢的作用，所以“亂了”又有什么關系呢?

問題3鹽橋里的電解質一定要用KCl嗎?換別的電解質行不行?

根據對問題2的分析可知,鹽橋內使用什么電解質,并沒有嚴格的規定．但有些教科書里說“K+與Cl-擴散速率差異小”，這個看似合理的解釋,其實并沒有什么科學道理．當然,在實用性電池里,為了盡可能減小電池的內電阻,電解質的選擇還是非常重要的．

問題4用導線替代鹽橋,電路中是否仍然會有電流?

圖1

實驗的結果是,一般仍會有．讓我們以銅鋅電池為例,將鹽橋更換為銅導線,如圖1所示.分析如下:

將鹽橋更換為Cu導線后,整個裝置的性質發生了改變．左側成為一個新的銅鋅原電池——以鋅的吸氧腐蝕為基礎反應,負極是Zn,發生Zn-2e-=Zn2+的氧化反應;正極則發生O2+4e-+2H2O=4OH-的還原反應．而右側則變為以銅為電極電解CuSO4溶液的電解池裝置．左側的銅為陽極,發生Cu-2e-=Cu2+的氧化反應,右側為陰極,發生Cu2++2e-=Cu的還原反應．

實測的電流方向,與上述分析完全一致．將鹽橋更換為Zn導線的情況，請大家自行畫圖分析．

問題5為什么實用電池里沒有看到鹽橋?

的確,實用電池里并不存在鹽橋,因為鹽橋被電阻小得多的“離子交換膜”代替了．請看如圖2所示的兩個裝置．

圖2

這兩個裝置中,電極材料、電解質溶液種類和濃度分別對應一致,唯一不同之處就是左側使用常規的鹽橋,而右側只使用薄薄一層含KCl的瓊膠(與左側鹽橋內成分完全一致)分隔開正、負兩極．

根據物理學原理可知,左側電池的內阻遠大于右側．這樣,在電池電動勢相同的情況下,左側電池的輸出電壓就低于右側．人們當然不希望浪費電池的電動勢,所以就設法縮短“鹽橋”、降低電池內阻．最終鹽橋越來越薄,演變為離子交換膜．早期的實用電池用的是強度較大的牛皮紙,現在逐步被各種有機合成材料的薄膜替代了，這就是為什么我們在各種實用電池內看不到鹽橋的原因．