例析“原電池”知識

摘要：本文從中學物理的角度出發，結合例題從本質上厘清原電池裝置的原理，建立對電化學過程的系統分析思路，提高學生對電化學本質的認識，促使學生認識中學電化學中電極名稱、電流方向、電荷移動方向等容易混淆的問題.

關鍵詞：電化學；原電池；高中化學

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（202301-0143-03

收稿日期：2022-10-05

作者簡介：潘科（1992.11-，男，廣西壯族自治區南寧人，碩士在讀，從事化學教育研究.

1 原電池原理

1.1 為什么電子會發生轉移？

原電池兩電極存在電極電勢，若要使原電池正常工作，必須一端電勢低，一端電勢高，形成電勢差，電子在電勢差的驅動下由低電勢一極向高電勢一極定向移動.自發的氧化還原反應這一形成原電池的前提條件，實質上正是在選用能產生電勢差的反應物，即還原劑與氧化劑.還原劑主要處于低電勢的一極，可以由電極本身或由外加的物質提供電子；氧化劑主要處于高電勢的一極，可以由電極本身或由外加的物質得到電子.

1.2 為什么外電路中電流由正極流向負極？如何定義正極與負極？

物理學家在研究電流的初始階段時，無法確認電路中的電流是由正電荷還是負電荷的移動產生的，所以當時規定：正電荷定向移動的方向為電流方向，負電荷向某一方向定向移動等效于正電荷向相反方向定向移動，所以負電荷定向移動的方向和電流方向相反.同時，物理學家還規定：外電路中，電流由正極流向負極.電子帶負電，在定向移動的過程中，產生的電流的方向和電子移動的方向相反.如圖1所示，若M為失去電子的一極，電子由M極定向移動至N，則電流方向為N極流向M極.物理學上還規定，在電源外部，電流的方向是從電源的正極流向負極的.出于這兩項規定，可知真正決定電極是正還是負的關鍵因素，是電子定向移動的方向.通過找到自發的氧化還原反應中的還原劑，分析出電子移動的方向，可推出外電路中電流的方向，再由物理學上的規定來確定正極與負極.這樣的分析方法，不僅適用常見的以金屬作為電極的原電池，同樣使用于其他以氧化還原反應為基礎的原電池.

1.3 負極帶什么電？正極帶什么電？電解質中陰陽離子的移動方向以及產生的電流方向如何？

原電池工作過程中，由于負極的電子轉移至正極，使得負極帶正電，正極帶負電.因為同性相斥，異性相吸的電學特性，電解質中帶正電的陽離子受到負極區的排斥以及正極區的吸引，由負極向正極移動，所以在電解池中產生由負極流向正極的電流；電解質中帶負電的陰離子受到正極區的排斥以及負極區的吸引，在電解池中產生由正極流向負極的電流.這樣一來，電解質溶液中形成的電流，與外電路中的電流形成閉合回路（如圖2所示）.

2 “原電池”例題解析

2.1 經典銅鋅雙液原電池

例1

關于如圖3所示的雙液原電池，下列說法不正確的是（）.

A．電子從鋅電極通過電流表流向銅電極

B．銅電極發生還原反應，其電極反應是

Cu²⁺+2e^-=====Cu

C．鹽橋中陽離子向硫酸銅溶液中遷移

D．電流從鋅電極通過電流表流向銅電極，鋅電極作正極，銅電極作負極.

解析 ?A．該原電池中可能發生的自發的氧化還原反應為鋅與硫酸銅的反應，鋅提供電子，電子流經導線與電流表，再由銅電極附近的溶液中的銅離子得到電子，故A選項正確；

B．原電池放電時，銅離子得電子發生還原反應在銅極上析出，電極反應式為：Cu²⁺+2e^-====Cu，故B選項正確；

C．原電池放電時，電子由鋅片轉移至銅電極區域，使得銅電極區域帶負電，根據同性相斥，異性相吸的電學基本原則，帶正電荷的陽離子向銅電極區域中的硫酸銅溶液中遷移，故C選項正確；

D．電子從鋅電極通過電流表流向銅電極，負電荷移動的方向與電流方向相反，故產生的電流從銅電極通過電流表流向鋅電極，物理學上規定，外電路中，電流由正極流出，流入負極，銅應作正極，鋅作負極，故D選項錯誤.

答案選D.

2.2 經典燃料電池

例2某種氫氧燃料電池的內部結構如圖4所示，下列有關該裝置的說法不正確的是（）.

A．工作時，電子由電極a通過導線流向電極b

B．電極a為電池的負極

C．電極b上發生的反應為

O₂-4e^-+4H⁺====2H₂O

D．工作時，電流由電極b流向電極a

解析該裝置為氫氧燃料電池，工作過程中，自發的氧化還原反應為2H₂+O₂===2H₂O，由氫分子在電極a處提供電子，電子流經導線后，氧分子在電極b處得到電子，可知電流由電極b流出，通過導線由電極a流入，電極b作正極，電極a作負極.結合原電池原理作答.

A．電極a氫分子提供電子，電極b氧分子得到電子，工作時電子由電極a通過導線流向電極b，A項正確；

B．電極a為電池的負極，物理學上規定，外電路中，電流由b極流出，通過導線由電極a流入，電極b作正極，電極a作負極.B項正確；

C．電極b為正極，應得到電子，電極b上發生的反應為O₂+4e^-+4H⁺===2H₂O，C項錯誤；

D．電子由電極a流向電極b，負電荷移動的方向和電流方向相反，故電流由電極b流向電極a，D項正確.

答案選C.

2.3 新型電池

例3某種利用垃圾滲透液實現發電的裝置原理如圖5所示.當該裝置工作時，下列說法不正確的是（ ??）.

A.電子由電極X通過導線流向電極Y

B.外電路中電流由電極Y流向電極X

C.電極X作正極，發生還原反應

D.鹽橋中的Cl-向電極X移動

解析該原電池為不涉及金屬元素的新型電池，由圖可知，電極X區域氮元素由-3價變為0價，價態升高失電子，電極Y區域氮元素由+5價變為0價，價態降低得到電子，電子由X流向Y，電流由Y流向X，根據物理學上的規定，電極X為負極，電極Y極為正極.

A.電子由電極X通過導線流向電極Y，A正確；

B．外電路中電流由電極Y流向電極X，B正確；

C．電池工作時，電流由電極Y沿導線流向電極X，根據物理學上的規定，電極X作負極，氨分子失去電子，發生氧化反應，故C錯誤；

D．電子流出電極X，電極X帶正電，Cl-帶負電，根據異性相吸的電學基本性質，Cl-向電極X移動，D正確.

答案選C.

2.4 濃差電池

例4某實驗小組設計了如圖6所示裝置，可觀察到與銅導線連接的靈敏電流計指針明顯偏轉，燒杯a中裸露線頭周邊溶液藍色逐漸加深，下列說法錯誤的是（）.

A.b中導線與硫酸銅濃溶液構成正極區，發生還原反應

B.若a中滴加幾滴稀NaOH溶液，降低溶液中Cu2+濃度，則有利于電極反應進行

C.當兩側溶液中Cu2+濃度相等時，靈敏電流計指針停止偏轉

D.鹽橋中的陰離子向燒杯b移動

解析該電池為不依賴氧化還原反應的濃度差電池，題目中給出關鍵條件為a中裸露線頭周邊溶液藍色逐漸加深，說明a中發生的變化為：Cu-2e-Cu2+，電子由a通過導線流向b，電流由b流向a，根據規定，b為正極，a為負極.

A.電子由a通過導線流向b，根據規定，b為正極，b處的硫酸銅濃溶液中的銅離子獲得電子，發生還原反應，A選項正確；

B.向a中滴加稀NaOH溶液，增加了兩個燒杯中硫酸銅的濃度差，有利于電極反應的進行，B選項正確；

C.當兩側溶液中Cu2+濃度相等時，電子不再發生轉移，便不會產生電流，C選項正確；

D.電極b獲得電子，帶負電，鹽橋中的陽離子向燒杯b移動，陰離子向燒杯a移動，D選項錯誤.

答案選D.

參考文獻：

[1]包琴.高中物理與化學學科交叉內容的教學設計研究[D].蘭州：西北師范大學，2021.

[2]徐敏，張建文.深入原電池原理本質 促進學生觀念和能力的發展[J].化學教育，2015（9）：27-31.

[3]張玲，陳磊磊.有關原電池的概念及原理[J].化學教學，2010（4）：1-4.

[責任編輯：季春陽]