關于高中化學教材中原電池構成條件的深層次剖析

但世輝 李茂熾

一、問題的提出

對于原電池的構成條件這一重要內容，中學階段各版本教材均未給出固定的結論，均是要求開展自主實踐活動進行探究。大學階段各版本的教材也沒有給出具體的構成條件，更沒有相應的實驗探究，只是在講述原電池的基本知識中提到了部分構成元素（見表1）。針對這一空白，結合中學階段的實驗條件，多年來廣大中學教師基本達成了一個共識性的經驗規律，原電池的構成條件不外乎以下4個方面：

（1）要有活性不同的2個電極;

（2）要有合適的電解質溶液;

（3）要形成閉合的回路;

（4）要有能自發進行的氧化還原反應。

這種共識性的規律是否完全可靠？是否能適應教學要求？筆者結合中學階段的教學實際和歷年高考試題進行了剖析。

二、深度剖析

1.關于“2個活性不同的電極”

在原電池裝置中，電極的作用有2種，一種是參與反應兼起導電的作用，比如最簡單的銅鋅稀硫酸原電池，較活潑的鋅電極除了導電之外，還需要和稀硫酸反應，從而建立氧化還原反應。另一種作用是電極在原電池工作的過程中只起導電作用，不需要參與具體的反應，很有代表性的是燃料電池，這在不同版本的教材中均有介紹。以教材中的氫氧燃料電池為例，電極是用鉑金屬來壓制成可以透過氣體的多孔雙導電的特殊材料制作的，氫氣和氧氣源源不斷地通過電極里的微孔進入電池體系，并分別在各自的電極上受到電極材料的催化而發生反應產生電流，其電極被稱作氣體電極，原電池的正、負極由其通入的氣體的性質

來決定，與電極的活性無關，電極主要起導電和催化作用。實際上除了氫氧燃料電池之外，大多數燃料電池都采用相同的電極來制作，經常使用的包括金屬鉑、鎳、石墨等，這是因為這些材質的電極吸附氣體的能力很強并且性質穩定，這在高考試題中屢見不鮮。以2012年海南高考第16題為例，考查的是甲烷氧氣燃料電池，正、負極均使用金屬鉑作電極。因此，不論是從教材角度還是從高考的要求考慮，原電池關于電極的構成條件應當擴大為：需要2個導體作電極，導體的材料和活性可以相同也可以不同，只要是導體便能滿足導電的要求，至于是否需要活性不同，是否要和電解質反應，則應該視具體的原電池種類而定。

2. 關于“電解質溶液”

在原電池中，電解質溶液構成裝置的內電路，利用離子的定向移動來導電，從而和外電路一起構成一個閉合的回路，實現化學能向電能的轉化。當然有的電解質溶液還需要參與原電池反應。總的來說，不管電解質是否參與反應，其必須要提供可導電的離子。根據電解質的定義：在水溶液或熔融狀態下能導電的化合物叫做電解質，很顯然，除了電解質的水溶液狀態之外，熔融狀態也可構成內電路，因為熔融狀態也可提供自由移動的離子，常見的有熔融態的鈉鹽（NaCl、Na2CO3等）和鋰鹽（LiCl、LiClO4等），以及熔融態的固體氧化物電解質（Y2O3、ZrO2等）。這些熔融狀態的電解質電池雖然在中學階段教材中未做詳細介紹，但在高考試題中反復出現。比如，2015年江蘇高考第15題一氧化碳—氫氣燃料電池中采用的便是熔融碳酸鹽電解質，2013年安徽高考第11題熱激活電池采用的是熔融LiCl-KCl混合物電解質，2005年廣東高考第15題丁烷燃料電池采用的是摻雜了Y2O3的ZrO2晶體，在熔融狀態下傳導O2-來導電。綜上，“要有合適的電解質溶液”這一原電池的構成條件，應當換成“要有合適的電解質（溶液或熔融狀態均可）”，則更能適應高考的要求，這和南京大學編制的《物理化學》（下冊）中關于原電池構成條件中電解質的敘述一致（見表1），該教材中只表述為“相應電解質（例如電解質溶液）”，“例如”一詞說明既可以是溶液狀態也可以是熔融狀態。

3.關于“閉合的回路”

原電池由導線構成的外電路和電解質構成的內電路組成閉合的回路，內電路前已敘述，那構成原電池是否必需一條連通外電路的導線構成閉合回路？

目前有兩個觀點，一種是張玲等老師提出的（觀點一）：原電池未構成閉合回路時，仍然是原電池，正如一個干電池未工作時，人們仍然認為它是電池，因此認定形成閉合回路是原電池必須工作的條件，而非構成原電池的必要條件。另一種來自北師大版教材《無機化學》（上冊）（觀點二）：無論電極和溶液都必須連通，組成電的回路，保持電路各點電流強度相同，原電池的反應才能持續不斷地發生，導線中的電流才能持續，切斷這個回路中的任何一點都不再是原電池了。觀點一認為不需要閉合回路只要能提供電能即可，就如日常使用電池的雛形，可以提供電能但沒有工作。后一種觀點認為必需要有閉合的回路才能提供電能，才能構成原電池，就如日常使用的電池處于工作狀態時，

不僅能提供電能而且已經提供電能并開始工作。這兩種觀點看似互相矛盾，爭議點在于原電池是否已經工作，這就需要回歸教材中原電池的定義（各版本教材均相同）：將化學能轉變為電能的裝置叫做原電池。根據定義，原電池不僅需要儲存化學能，還需要將化學能釋放出來轉化為電能，也就是使負載工作起來，這就需要有導線并且連接負載構成外電路，再加上電解質構成的內電路，形成閉合的電的回路，才能使電流持續產生。綜上，觀點一雖不嚴謹但并無不妥，只是一種比較通俗的關于原電池的說法，就像教材中（中學、大學教材均是如此）習慣性地把干電池、鉛蓄電池、鋰離子電池等均稱為電池一樣。觀點二更符合原電池的定義，一方面是針對溶液而言，若溶液不導電，裝置不能構成閉合的回路，當然不能構成原電池，另外一方面主要是想通過閉合的回路來揭示原電池的工作原理，只有形成了閉合的回路，才能明確原電池中電子的移動方向（由負極經導線流向正極），也更便于教學的開展，因此建議使用觀點二：“外接導線和負載構成閉合的回路”是原電池構成的必需條件。

4.關于“自發進行的氧化還原反應”

一般認為只有氧化還原反應才會有電子的轉移，進而構成原電池，因此中學階段幾乎所有的原電池設計原理都是利用氧化還原反應。實際上并非只有氧化還原反應才能設計成原電池，一些非氧化還原反應，比如沉淀反應，一樣可以設計成原電池，此類電極被稱作難溶鹽電極，即將金屬表面覆蓋一層該金屬的難溶鹽，然后再浸入含有難溶鹽陰離子的溶液中構成。以反應

Ag++Cl-AgCl（s）

為例，設計成雙液原電池，金屬銀（表面覆蓋一層氯化銀）為負極，浸泡在鹽酸溶液中，正極直接用金屬銀作電極，浸泡在硝酸銀溶液中。負極反應為：

Cl--e-+Ag（s）AgCl（s）

正極反應為：

Ag++ e-Ag （s）

整個反應的凈結果（總反應）為化學反應但不屬于氧化還原反應。雖然中學階段不涉及該類原電池，但從知識的完整性來講，構成原電池的條件應將氧化還原反應擴大為化學反應，這也更符合原電池的定義：將化學能轉變成電能的裝置，其化學能既可以來源于氧化還原反應，也可來源于非氧化還原反應，但必須能自發進行。因為根據熱力學的基本原理和電化學電動勢之間的關系：吉布斯自由能ΔrGm=-nEF，公式中E為可逆電動勢，n是電極反應中轉移電子的物質的量，F是法拉第常數。只有電池總反應在熱力學上是自發進行的，ΔrGm才會小于0，此時電池電動勢E才為正值，該電池才能做有用功（非體積功，即電功），反之，如果是非自發反應，則不可能對外做電功，自然不可能設計成原電池。

三、教學反思

對于原電池的構成條件，由于各種版本教材均未給出明確的結論，目前使用的只是教師自我總結的共識性經驗性規律，但不論從中學教材原電池的定義去解讀，還是從高考試題已經出現的原電池裝置去深究，抑或是從大學教材的相關敘述去判斷，均可從不同角度證明經驗性規律并不完善，亟待做出如下更新則更為合適：

1.要有2個導體作電極。導體材料活性可以相同也可以不同，電極可以參與反應也可只起導電作用。

2.要有合適的電解質（溶液或熔融狀態均可），可參與反應也可只起導電作用。

3.要由導線和負載構成閉合的回路來保持電流暢通，進而將化學能轉變成電能。

4.要有自發進行的化學反應，可以是氧化還原反應也可是非氧化還原反應。

（收稿日期：2021-08-15）