中學(xué)化學(xué)原電池實驗的創(chuàng)新設(shè)計

廣東深圳實驗學(xué)校（518055）林進(jìn)太

一、問題的提出

在中學(xué)化學(xué)課程中，原電池實驗具有十分重要的地位和作用，對于學(xué)生學(xué)習(xí)原電池的歷史、掌握原電池原理、感受化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程有較大的幫助。受篇幅的限制，化學(xué)教材內(nèi)容的編排略為簡潔，教材中僅僅用銅鋅原電池（鋅片和銅片連接電流表浸泡在稀硫酸溶液中）來證明“化學(xué)能可轉(zhuǎn)化為電能”。但這種簡易的銅鋅原電池連接用電器（小燈泡等）時難以得到明顯的實驗現(xiàn)象，在實際教學(xué)中，學(xué)生普遍感到證據(jù)不足，說服力不強(qiáng)，無法直觀地感受化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)化過程。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，水果電池、鹽水伏打電池等演示實驗一直存在電壓小、電流不穩(wěn)定、現(xiàn)象不明顯等問題，導(dǎo)致相關(guān)的實驗不易成功。因此，創(chuàng)新設(shè)計中學(xué)化學(xué)課堂的原電池實驗很有必要，也很有意義。

二、原電池實驗的創(chuàng)新設(shè)計

利用實驗室和生活中常見的材料，筆者設(shè)計了三種可用于中學(xué)化學(xué)教學(xué)演示的原電池實驗，即水果電池實驗、銅鋅蘋果醋電池實驗以及鎂空氣電池實驗，并使用便攜的數(shù)字化傳感器，對比探究了不同原電池實驗的優(yōu)缺點(diǎn)并逐步加以改進(jìn)，最終設(shè)計出的簡易電池裝置能夠使生活中多種常見的用電器工作（包括LED 二極管、電子手表、風(fēng)扇、玩具小車、手機(jī)等），達(dá)到了很好的實驗演示效果。

（一）傳統(tǒng)的水果電池實驗

選用蘋果、香蕉、橙子、檸檬等水果以及土豆，將它們均勻切成四份，每份相當(dāng)于一個電池組；銅片和鋅片作為極片，并在銅片和鋅片上標(biāo)注好分度值，以便做深度標(biāo)記。實驗時將銅片、鋅片等深度、等寬度地插入水果及土豆中，接上用電器，形成閉合回路。采用數(shù)字化電壓傳感器測試電池組電壓，并記錄數(shù)據(jù)（見表1）。

表1 不同電池組電壓變化情況

實驗數(shù)據(jù)表明，不同種類的水果以及土豆串聯(lián)組成的電池組電壓略有不同，其中檸檬富含電解質(zhì)溶液其電壓最大，其余幾種水果以及土豆相差不大。因此電壓應(yīng)該與水果所含的電解質(zhì)溶液有關(guān)。檸檬中富含檸檬酸，離子濃度較其他水果大。但由于檸檬價格較貴，其余水果和土豆組成的電池組電壓差異不大，因此作演示實驗或分組實驗時，使用普通的廉價土豆即可。同一種水果，電極插入越深，得到的電壓越大，這是因為電極插入越深，則與電解質(zhì)溶液的接觸面積越大，電子更容易在電極上發(fā)生得失。因此，若采用水果電池作演示實驗或分組實驗，電極插入水果應(yīng)盡可能深，以保證有較大的電壓。

圖1 水果電池的供電情況

如圖1 所示，單個銅鋅水果電池的電壓僅為0.87 V 左右，無法達(dá)到大多數(shù)用電器的啟輝電壓，就連電子手表都無法啟動。根據(jù)物理學(xué)知識可知，電路的串聯(lián)可以增大電壓。串聯(lián)兩個水果電池時，電壓達(dá)到1.7 V 左右，可啟動電子手表顯示讀數(shù)。串聯(lián)4 個水果電池時，可使LED 二極管發(fā)光，此時電壓大約為3.35 V。但串聯(lián)更多水果電池并不能使LED二極管變得更亮，反而有變暗的趨勢。這是因為串聯(lián)的電池數(shù)越多，電池內(nèi)阻越大，導(dǎo)致電流變小。

（二）可串聯(lián)的銅鋅蘋果醋電池實驗

由于單個水果電池電壓很小，而串聯(lián)多個水果電池雖然能增大電壓，但要消耗較多水果，成本較高，且多個水果電池串聯(lián)在一起，裝置笨重，不利于演示與攜帶。筆者試圖改進(jìn)電池組的串聯(lián)裝置：用市面上可購到的蘋果醋代替水果作為電解質(zhì)溶液；使用制冰盒作為隔板；采用電壓傳感器檢測所得電壓。裝置如圖2所示。

圖2 銅鋅蘋果醋電池的供電情況

隨著串聯(lián)電池個數(shù)目的增加，電池組的電壓不斷增大。當(dāng)串聯(lián)電池達(dá)19 個時，電壓超過了12 V，此時連接LED 二極管、電子手表，均能順利啟動。但連接普通燈泡、風(fēng)扇、手機(jī)等用電器仍無法順利工作，沒能達(dá)到預(yù)期的效果。

用靈敏電流表測得串聯(lián)20 個電池得到的電流僅為0.4 mA。盡管串聯(lián)電池組能讓電壓增大直至達(dá)到用電器的用電要求，但如果電流太小，根據(jù)物理公式：P=UI，用電器依舊無法達(dá)到工作的最小功率。

（三）新型的鎂空氣電池實驗

電池的電壓取決于電極反應(yīng)中電極電動勢的相對大小，而銅鋅原電池兩電極反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電極電動勢相差僅為0.76 V，因此電壓始終太小。若想增大單個電池的電壓，必須更換電池材料或應(yīng)用其他氧化還原反應(yīng)原理。在查閱資料后，筆者設(shè)計了鎂空氣電池并開展實驗探究。鎂空氣電池中，活潑金屬鎂片作負(fù)極，石墨片作正極，食鹽水做電解質(zhì)溶液。裝置如圖3所示。

圖3 鎂空氣電池的電壓和電流測試情況

采用電壓傳感器和電流傳感器分別記錄單個鎂空氣電池的電壓和電流數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，單個鎂空氣電池電壓可達(dá)到1.74 V，且電流可達(dá)到0.03 A，遠(yuǎn)大于上述的水果電池和銅鋅蘋果醋電池。此外，筆者還發(fā)現(xiàn)不同于水果電池和銅鋅蘋果醋電池，鎂空氣電池的電流不會隨串聯(lián)電池數(shù)的增加而減小，反而會增大。這有利于串聯(lián)電池對用電器進(jìn)行供電。數(shù)據(jù)顯示串聯(lián)3個電池，電流增加到0.07 A；串聯(lián)5 個電池，電流增加到0.13 A；串聯(lián)4 個電池，電壓即可達(dá)到6.7 V，可以滿足許多USB 接口供電的用電器需求。測試情況如圖4所示。

圖4 鎂空氣電池的電壓和電流測試情況

實驗中利用單個鎂空氣電池便可以讓電子手表、蜂鳴器、轉(zhuǎn)動器（普通馬達(dá)）等用電器工作，如圖5所示。

圖5 單個鎂空氣電池的供電情況

由于LED 二極管和普通燈泡的啟輝電壓約為3 V，單個鎂空氣電池?zé)o法使其發(fā)光。當(dāng)串聯(lián)兩個鎂空氣電池時，其電壓約為3.5 V，可以觀察到與之相連的LED二極管和普通燈泡均發(fā)出明亮的光（如圖6），說明功率很適合，電壓和電流也很匹配。

圖6 串聯(lián)的鎂空氣電池的供電情況

電壓傳感器顯示當(dāng)串聯(lián)4 個鎂空氣電池時，電壓便能達(dá)到5 V 以上。一般手機(jī)充電設(shè)備的電壓約為5 V。測試顯示，當(dāng)串聯(lián)4 個鎂空氣電池時，電壓雖超過5 V，但手機(jī)屏幕并沒有亮起。當(dāng)串聯(lián)數(shù)達(dá)到5 個時，手機(jī)屏幕隨即亮起，顯示手機(jī)正在充電（如圖7）。這是因為鎂空氣電池相對于普通的電源而言，電流太小，因此需要較大的電壓才能達(dá)到所需功率，使手機(jī)啟動。

圖7 用串聯(lián)的鎂空氣電池給手機(jī)充電

為了測試鎂空氣電池對用電器的供電情況，筆者還測試了其他常見的用電設(shè)備，包括USB 風(fēng)扇、玩具小車。結(jié)果如圖8 所示：當(dāng)串聯(lián)5 個鎂空氣電池時，USB 風(fēng)扇順利轉(zhuǎn)動，玩具小車則用單個鎂空氣電池便能驅(qū)動。

圖8 鎂空氣電池為USB風(fēng)扇、玩具小車供電

為了進(jìn)一步研究鎂空氣電池放電的過程，我們將放電前后電極的表面進(jìn)行了對比。從圖9 中可以看出，作為負(fù)極的鎂片在放電前后變化較大。根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為：Mg-2e-=Mg2+，正極上發(fā)生的反應(yīng)為：O2+4e-+2H2O=4OH-。隨著電池放電的進(jìn)行，溶液堿性不斷增強(qiáng)，電解質(zhì)溶液中會有Mg（OH）2沉淀生成，有部分直接附著在鎂片的表面上，且鎂片逐漸被消耗。而石墨電極（正極）作為O2反應(yīng)的載體，基本沒有消耗，可以循環(huán)利用。電池用完后更換鎂片就可以繼續(xù)使用了。

圖9 鎂空氣電池放電前后極片表面變化圖

基于鎂空氣電池的良好性能，筆者在實驗室找到了寬而厚的鎂片和石墨片，嘗試設(shè)計電量比較大的持久供電裝置。串聯(lián)6 個這樣的鎂空氣電池，得到一個“大電源”，其供電情況如圖10 所示。測試結(jié)果顯示，這樣的“大電源”不僅能夠?qū)σ苿与娫矗ǔ潆妼殻┻M(jìn)行充電，同時還能夠支持多個用電器同時工作。在實驗中，對裝有燈泡的電池進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果燈泡能夠持續(xù)發(fā)光300 個小時以上，說明該電池在300個小時內(nèi)依舊保持較大的電量。

圖10 大容量的鎂空氣電池供電情況

三、結(jié)論

從上述三種原電池實驗可知，水果電池和銅鋅蘋果醋電池都存在單個電池電壓小的缺點(diǎn)。雖然通過串聯(lián)多個電池可以增大電池組的電壓，但會使得電池組內(nèi)阻增大，電流變得很小，無法啟動用電器。而單個鎂空氣電池電壓較大，且多個電池串聯(lián)不僅不會使電流變小，反而使電流增大，因此有利于為用電器供電。簡易的鎂空氣電池不僅能夠使電流表偏轉(zhuǎn)、LED 二極管發(fā)光、蜂鳴器發(fā)出響聲、風(fēng)扇轉(zhuǎn)動、玩具小車行走等，還能夠給手機(jī)充電，達(dá)到很好的實驗演示效果。同時，鎂空氣電池使用方便，放電持續(xù)穩(wěn)定，放完電后，只需要更換鎂片便可重復(fù)使用。如換用質(zhì)量、表面積、厚度都較大的鎂片，該電池裝置可以實現(xiàn)長時間大容量的放電，能夠給充電寶充電，給多個用電器同時供電。可見，鎂空氣電池實驗比水果電池實驗和銅鋅蘋果醋電池實驗的實效性、可行性更強(qiáng)，可作為中學(xué)化學(xué)教學(xué)的演示實驗。