Cu-Zn原電池反應條件探析

李培香

（信陽師范學院化學化工學院，信陽 河南 464000）

1 問題的提出

原電池不僅是電化學的基礎知識,也是物理學科和化學學科的重要交叉點。在高中階段，亦是一個非常重要且難學的知識點。其原理是利用兩個電極的電極電勢的不同，在電解質溶液中，用外加導線構成閉合回路，產生電勢差，從而使電子流動，產生電流。屬于化學電池的一種，其電化學反應不可逆。

在講課的時候，老師會以Cu-Zn原電池為例，來講解原電池的顯著特點，進而推進對原電池的學習。然而，在做Cu-Zn原電池的實驗時發現：Zn電極上氣泡一直很多，而本應出現氣體的Cu電極上氣泡卻不足，甚至Zn電極上產生的大量氣泡掩蓋了Cu電極上產生的氣泡,這就容易引起學生對原電池原理的誤解。這與預期的實驗現象是不符合的，那么究竟是由什么原因造成的？在什么條件下該演示實驗才能成功呢？

分析原電池實驗成敗的原因，不外乎以下幾個條件：（1）電極固有因素的影響。（2）原電池電解質溶液的影響。（3）原電池電極材料純度的影響。（4）電極表面積的影響。（5）外電路導線的電阻對實驗的影響。下面就從這幾個方面進行探究，尋求出最佳的實驗條件，確保實驗的成功。

2 影響因素的分析

2.1 電極固有因素的影響

原電池之所以能夠導電，主要是因為所選用的電極材料存在一定的電極電勢差，在該原電池中，所選用的電極材料是Cu、Zn。

由 Cu2+/Cu=0.3419V，Zn2+/Zn=-0.7618V[1]

Eθ電池=Eθ+-Eθ-

可計算出 Cu-Zn 原電池的 Eθ電池=Eθ+-Eθ-=0.3419V+0.7618V=1.1037V

說明反應進行的程度就已經相當大。

所以Cu-Zn原電池反應進行的程度是很大的。理論上Cu電極上應該有大量的氣泡產生，之所以沒有該現象，說明還有其他原因。

原電池所產生的電流流經電極后，會有電極極化現象，極化結果使得陰極電勢值減小，陽極電勢值增大，最終使原電池的電動勢減小。電化學反應中，電極的極化使得該反應進行的程度大為降低[2]。為了降低這一影響，可加入去極化劑、攪拌溶液或者移動電極間的距離來弱化這一現象。攪拌溶液不利于該實驗現象的觀察，所以設計了如下實驗：

實驗一：將H2O2滴加于稀硫酸中構成電解質溶液，然后把打磨過的Cu片和Zn片，直接用導線相連，構成原電池，觀察并記錄現象。

實驗現象：Cu片上有大量氣泡產生，Zn片上氣泡明顯小于Cu片上產生的氣泡。

實驗二：把打磨過的Cu片和Zn片，直接用導線相連，插入稀硫酸溶液中，構成原電池，實驗過程中移動電極來改變電極間的距離，觀察并記錄現象。

實驗現象：當兩電極距離遠時，反應緩慢，電極上產生氣泡不明顯，Cu片上氣泡比Zn片上多；當兩電極距離相距2～3cm時，電極反應較快，電極上產生氣泡明顯，Cu片上氣泡比Zn片上多；當兩電極距離小于1cm時，反應劇烈，不利于現象的觀察。

現象分析：加入H2O2或者改變兩電極間的距離，可使Cu-Zn原電池中電極極化作用減小，電池中兩電極間的電勢差變大，電子更容易到達正極，所以反應會比原來的劇烈，產生的氣體增多。

實驗結論：原電池中電極的極化對該電化學反應有著重要的影響，通過加入去極化劑和改變電極間的距離可以使這一現象得到弱化，加入H2O2，且兩電極距離在2～3cm時，實驗效果最好。

2.2 原電池電解質溶液的影響

在教材中，所給的電解質溶液是稀硫酸，所以，在考慮電解質溶液對實驗的影響時，主要考慮了硫酸的濃度對實驗的影響，當硫酸濃度達一定程度時，由于濃硫酸的強氧化性，而使Zn表面產生致密氧化層，使反應停止，所以不用討論濃度過大時的情況。

設計了以下實驗：

實驗三，分別取 0.25mol/L、0.5mol/L、1.0mol/L、2.0mol/L的稀硫酸溶液30mL作為電解質溶液，置于不同的燒杯中，用導線連好Cu片和Zn片，分別插入燒杯中構成原電池。觀察并記錄實驗現象。

實驗現象：在電解質溶液濃度為0.25mol/L、0.5mol/L時，Cu片和Zn片上有氣泡產生，但現象不明顯；在電解質溶液濃度為1.0mol/L時，Cu片和Zn片上有氣泡產生，現象明顯，容易觀察到Cu片上有氣體產生；在電解質溶液濃度為2.0mol/L時，Cu片和Zn片上有大量氣泡產生，反應劇烈，影響實驗現象的觀察。

現象分析：在該原電池反應中，存在著Zn與稀硫酸、原電池反應的隨競爭反應。Zn是一種活潑金屬，遇到稀硫酸就會發生反應，生成H2，這也是為何Zn片總有氣泡產生的主要原因。隨著硫酸溶液濃度的增加,這兩個競爭反應加劇。所以Cu片和Zn片上有大量氣泡產生，在Zn片上始終有氣泡產生，而且也隨硫酸濃度增大而增多，現象越不易觀察。

實驗結論：在做Cu-Zn原電池的實驗時，硫酸溶液的濃度選1.0mol/L時，效果最好。

2.3 原電池電極材料純度的影響

在該原電池所用的電極材料中，影響其純度的有兩個，一是受空氣中氧氣的作用，在電極材料的表面生成了氧化物；二是電極材料本身所含有的雜質。

對于第一種情況，設計實驗如下：

實驗四：把不經打磨的Cu片和Zn片，直接用導線相連，用1.0mol/L的稀硫酸做電解質溶液構成原電池觀察并記錄現象。

實驗現象：在Cu電極上觀察不到氣泡或者很少，在Zn電極上開始一小段時間沒有氣泡，之后有大量氣泡產生。

實驗五：把打磨過的Cu片和Zn片，直接用導線相連，用1.0mol/L的稀硫酸做電解質溶液構成原電池觀察并記錄現象。

實驗現象：在Cu片和Zn片上明顯觀察到氣泡的產生。

現象分析：Cu片和Zn片若未經打磨，用導線連接，因氧化物的原因，沒有完全形成回路，所以在Cu電極上觀察不到氣泡。Cu片和Zn片經打磨后，用導線連接，可以和稀硫酸構成原電池，所以在Cu片和Zn片上均明顯觀察到氣泡的產生。

結論：電極材料表面有氧化物時，不利于原電池反應的進行；實驗時，除去電極材料表面的氧化物為宜。

對于第二種情況，由于Cu電極是正極，只要能導電，不影響實驗的效果，所以主要針對Zn片的不同純度來考慮對實驗的影響，實驗設計如下：

實驗六：把打磨過的Cu片與實驗純Zn片，直接用導線相連，用1.0mol/L的稀硫酸做電解質溶液構成原電池觀察并記錄現。

實驗現象; 兩個電極上均有氣泡產生,Zn片上產生的氣泡要遠多于Cu片上所產生的氣泡。

實驗七：把打磨過的Cu片與優級純Zn片，直接用導線相連，用1.0mol/L的稀硫酸做電解質溶液構成原電池觀察并記錄現象。

實驗現象：兩個電極上均有氣泡產生，但Zn片上產生的氣泡要遠少于Cu片上所產生的氣泡。

現象分析：Zn片不純，其中所含Fe、C、S等雜質與Zn易形成微小的原電池，使得大部分電子直接在Zn電極上發生得失，而只有極少量電子經導線流向Cu電極，所以Zn電極上會有大量氣泡產生。提高Zn片的純度，可使大部分電子經導線流向Cu電極，H+得電子后，在Cu電極上產生大量的氣泡。實驗結論：鋅片的純度越高，實驗效果越好。

2.4 電極表面積的影響

物質的存在狀態，對化學反應的進行有一定的影響。那么電極的狀態對電化學反應的進行也應有一定的影響。設計實驗如下：

實驗八：分別用表面平滑的優級純Zn片與表面粗糙的Cu片；表面粗糙的優級純Zn片與表面平滑的Cu片；表面粗糙的優級純Zn片與表面粗糙的Cu片；組成原電池的正負極，用1.0mol/L的稀硫酸做電解質溶液構成原電池，觀察并記錄現象。

實驗現象：現象均為Cu片上有大量氣泡產生，反應劇烈，Zn片上只有少量的氣泡。電極表面不平的銅片與電極表面不平的優級純鋅組成的原電池,Zn片上產生的氣泡更少。

實驗結論：電極的表現狀態對該實驗有較大影響，電極表面粗糙的銅與電極表面粗糙的優級純鋅組成的原電池效果最好。

2.5 外電路導線的電阻對實驗的影響

在實驗中偶然發現，在Cu片上產生氣泡很少的情況下，把Cu片與Zn片直接用手捏在一起，可以極大地加快反應的進行，Cu片上產生的氣泡明顯增多。說明連接電極的導線對實驗有影響。設計了如下的實驗：

實驗九：把打磨過的Cu片與打磨過的Zn片，用連有滑動變阻器的導線連接起來，插入1.0mol/L的稀硫酸做電解質溶液構成原電池，實驗中滑動變阻器，觀察并記錄現象。

實驗現象：導線中電阻越大，Cu片上產生的氣泡越少。

現象分析：如果導線上電阻太大,鋅片上失去的電子無法完全轉移到銅片上，所以Cu片上產生的氣泡會隨導線中電阻的增大而越少。

實驗結論：導線中的電阻會阻礙電子的轉移。

3 結論

由上面的實驗可以得出結論，原電池實驗順利進行的條件是：（1）減弱電極間的電極極化作用：電極間的距離為2-3cm，去極化劑用H2O2。（2）稀硫酸的濃度1.0mol/L左右。（3）電極材料Zn的純度越高越好。（4）電極的材料的表面要求粗糙。（5）導線盡量用導電能力好的，或者是新的導線，或者將兩電極的末端直接接觸。

若想起到更好的演示效果，可在導線中連接一個彩色的小燈泡，根據燈泡的亮度觀察原電池中電流的變化情況。