張?jiān)?/p>

摘要：簡(jiǎn)單原電池實(shí)驗(yàn)裝置是高中化學(xué)教學(xué)中最基本的實(shí)驗(yàn)裝置，這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置在揭示原電池的反應(yīng)原理時(shí)，更多地是通過(guò)電流表等電工儀表來(lái)證明化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的。將微型燈泡、微型電機(jī)、LED發(fā)光二極管、音樂(lè)IC模塊和電子手表芯等微功耗器件用于原電池實(shí)驗(yàn)，在證實(shí)原電池工作時(shí)有電流產(chǎn)生的同時(shí)，也讓原電池知識(shí)的學(xué)習(xí)生動(dòng)活潑、充滿樂(lè)趣。

關(guān)鍵詞：原電池；微功耗器件；電化學(xué)腐蝕；鹽水動(dòng)力車(chē)；實(shí)驗(yàn)研究

文章編號(hào)：1005-6629（2016）2-0063-04

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

這里所說(shuō)的簡(jiǎn)單原電池是指將金屬或石墨等電極直接與電解質(zhì)溶液接觸形成的電池裝置。這種電池雖有工作效率不高、產(chǎn)生的電壓電流有限、持續(xù)供電能力不足等缺陷，但其一目了然的簡(jiǎn)單構(gòu)造既方便實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，也有利于學(xué)生對(duì)反應(yīng)原理的分析和理解，因此是學(xué)生初學(xué)電池知識(shí)時(shí)必不可少的實(shí)驗(yàn)裝置。簡(jiǎn)單原電池裝置電壓低電流小的弱點(diǎn)，決定了用其直接驅(qū)動(dòng)一般用電器正常工作是比較困難的，因此教學(xué)中一般是用電流表或檢流計(jì)等儀表來(lái)證明其工作時(shí)有電流產(chǎn)生。然而，對(duì)于原電池實(shí)驗(yàn)來(lái)講，又有哪個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比燈泡發(fā)光、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)能讓學(xué)生更真切地感受到化學(xué)能轉(zhuǎn)化成了電能呢？也正因?yàn)槿绱?，不少教師?duì)原電池驅(qū)動(dòng)燈泡發(fā)光等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究和改進(jìn)的嘗試。這些實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思路一般是通過(guò)多組電池串聯(lián)、增加電極材料的活性或減少極化作用等措施來(lái)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果的。這些措施雖然在—定程度上克服了簡(jiǎn)單原電池裝置的某些缺陷，但由于不再單純的實(shí)驗(yàn)試劑和趨于復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置，有可能會(huì)分散學(xué)生對(duì)主體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察的注意力，還有可能帶來(lái)學(xué)生對(duì)原電池反應(yīng)原理認(rèn)知上的困難。顯然，對(duì)于初學(xué)原電池知識(shí)的學(xué)生來(lái)講，簡(jiǎn)單純粹的實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)該是教學(xué)中的首選。在這種情況下，我們還是應(yīng)該把解決問(wèn)題的著眼點(diǎn)放在去尋找工作電壓更低、驅(qū)動(dòng)電流更小的微功耗器件上。

隨著時(shí)代的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，微功耗器件日漸普及，被廣泛應(yīng)用在智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、手表和玩具等電子產(chǎn)品中，再加之網(wǎng)絡(luò)電商提供的便利條件，使得現(xiàn)在要獲得這些微功耗器件變得容易起來(lái)，有些器件在網(wǎng)店上常以“尾貨清倉(cāng)”或“閑置處理”商品出售，價(jià)格十分優(yōu)惠，因此可以批量購(gòu)買(mǎi)用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)。比如筆者購(gòu)買(mǎi)的微型燈泡（見(jiàn)圖1）最便宜的每個(gè)只要2角錢(qián)，微型電機(jī)（見(jiàn)圖2）幾角錢(qián)也可以買(mǎi)到，賀卡音樂(lè)IC（見(jiàn)圖3）和電子手表芯（見(jiàn)圖4）都不超過(guò)1元錢(qián)，LED發(fā)光二極管3分錢(qián)就買(mǎi)到了。下面向大家介紹幾個(gè)用微功耗器件做的原電池實(shí)驗(yàn)，供同行們參考。

1 金屬（碳棒）稀硫酸原電池實(shí)驗(yàn)

老式手電筒上用的1.5V 0.3A（或2.5V 0.3A）小電珠比較容易找到，所以常被用作原電池實(shí)驗(yàn)的電光源。為了讓學(xué)生看到小電珠發(fā)光，在鋅一銅一稀硫酸原電池實(shí)驗(yàn)中，較普遍的一種做法是向稀硫酸中加入KMnO₄、H₂O₂或K₂Cr₂O₇等去極化試劑。這種做法雖然能讓小燈泡在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)光，但去極化試劑的添加也增加了學(xué)生的疑惑，而對(duì)電池的極化問(wèn)題，又不是三言兩語(yǔ)能給學(xué)生解釋清楚的，因此選用功耗足夠小的燈泡，讓原電池裝置中的電解質(zhì)溶液簡(jiǎn)單一些效果應(yīng)該更好。筆者通過(guò)對(duì)購(gòu)得的幾種微型燈泡測(cè)量發(fā)現(xiàn)，它們?cè)陔妷哼_(dá)到1～1.5V時(shí)就可以被點(diǎn)亮，電流大多小于100mA，其中一種微型燈泡在1.2V發(fā)光時(shí)的電流只有25mA左右。微型燈泡如此低的發(fā)光功耗條件，鋅一銅一稀硫酸等原電池裝置是可以滿足的，以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，在不添加去極化試劑的情況下，某些簡(jiǎn)單原電池裝置是可以讓微型燈泡持續(xù)發(fā)光的。

將微型燈泡的兩根導(dǎo)線分別與7.5cm×1.5cm鋅片和銅片（或碳棒）連接，然后將鋅片和銅片（或碳棒）插入0.5 mol·L^-1稀硫酸中，可以看到微型燈泡發(fā)光（見(jiàn)圖5）。將鋅片換成用砂紙打磨過(guò)的鋁箔、鎂條等，微型燈泡亦可以發(fā)光。把微型燈泡換成微型電機(jī)，可以看到電機(jī)帶動(dòng)槳葉飛快旋轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖6）。

筆者對(duì)手頭上的幾款微型電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，它們的啟動(dòng)電壓都在0.4～0.6V之間，電流小于30mA，最小的只有15mA左右。微型電機(jī)的啟動(dòng)電壓和工作電流甚至比微型燈泡更低。使用經(jīng)驗(yàn)也表明，能夠驅(qū)動(dòng)微型電機(jī)工作的簡(jiǎn)單原電池裝置更多，實(shí)驗(yàn)效果也更好。

LED發(fā)光二極管也是一種常見(jiàn)的微功耗電子元器件。紅、黃發(fā)光二極管的工作電壓一般只有1.8～2.2V，低電流LED發(fā)光二極管的工作電流在2mA以下，有的僅零點(diǎn)幾毫安即可發(fā)光。筆者指導(dǎo)學(xué)生用鎂條、碳棒和稀硫酸原電池與紅色LED發(fā)光二極管連接，發(fā)光效果不錯(cuò)（見(jiàn)圖7）。另外，實(shí)驗(yàn)時(shí)提示學(xué)生將LED發(fā)光二極管連接的兩個(gè)電極進(jìn)行對(duì)調(diào)，看看實(shí)驗(yàn)效果是否相同，以此來(lái)確認(rèn)原電池的正負(fù)極，這也是LED發(fā)光二極管用于原電池實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

以上簡(jiǎn)單而又生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)，是值得讓每一名學(xué)生都親自去做一做的。讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中領(lǐng)悟原電池的奧秘，在探究活動(dòng)中學(xué)習(xí)原電池的反應(yīng)原理，這樣的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和感受是教師用電流表演示給學(xué)生看所難以獲得的。

2 水果電池實(shí)驗(yàn)

用銅導(dǎo)電線（或銅硬幣、銅鑰匙）、碳棒（或繪圖用2mm鉛筆芯）、鋅片（取自干電池）、鐵釘?shù)炔牧献麟姌O，與檸檬、西紅柿、柑橘、獼猴桃等水果制作電池，是趣味性和啟發(fā)性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。水果電池產(chǎn)生的電壓和電流大小與水果的品種、電極材料的種類(lèi)、電極之間的距離以及電極與果汁的接觸面積等多種因素有關(guān)。在極板間距1.5cm，極板有效面積為4.5c㎡的情況下，大多數(shù)水果電池的開(kāi)路電壓不超過(guò)1V，短路電流不超過(guò)0.5mA，因此單組水果電池很難讓微型燈泡發(fā)光或微型電機(jī)工作，大多數(shù)單組水果電池甚至不能點(diǎn)亮LED發(fā)光二極管，這時(shí)賀卡音樂(lè)IC和電子手表芯等功耗更低的電路模塊便有了用武之地。這些電路模塊的工作電壓不高，只要有微弱的電流通過(guò)就可以發(fā)出悅耳的音樂(lè)（見(jiàn)圖8）或在液晶屏上顯示數(shù)字（見(jiàn)圖9），實(shí)驗(yàn)效果令人滿意。endprint

筆者測(cè)試的一種賀卡音樂(lè)IC在電壓0.8V時(shí)便可發(fā)聲，電流僅為50μA左右。測(cè)試的一種電子手表芯在電壓1.2V時(shí)便可正常顯示數(shù)字，電流更是低到不足1μA，以至于筆者將鎂條和銅片搭在舌尖上、浸在自來(lái)水或礦泉水中，電子手表芯仍能正常顯示數(shù)字。

3 鎂空氣電池實(shí)驗(yàn)

空氣電池是化學(xué)電池中的一種，其氧化劑來(lái)源于空氣中的氧氣。鎂空氣電池是以鎂或鎂合金作為負(fù)極材料，以氧氣作為正極活性物質(zhì)的電池，在水溶液體系中的電池反應(yīng)為2Mg+O₂+2H₂O=2Mg（OH）₂，在非水體系中的電池反應(yīng)為2Mg+O₂=2MgO。這種電池具有成本低、無(wú)污染、放電穩(wěn)定、容量大和比能量高等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為未來(lái)最具發(fā)展和應(yīng)用前景的新能源。有文獻(xiàn)報(bào)道，日本正在推進(jìn)鎂空氣電池的大容量化研究。

鎂空氣電池的工作原理并不復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)材料很容易找到，制作方法和步驟也非常簡(jiǎn)單。將碳棒用食鹽水濕潤(rùn)后，在活性炭粉中滾一下，讓碳棒表面沾滿活性炭粉，用紙巾將碳棒包裹兩層，一端露出用于接線。剪一段長(zhǎng)約20cm的鎂帶，在碳棒一端用長(zhǎng)尾夾固定，剩余鎂條繼續(xù)向碳棒另一端螺旋纏繞，每圈間留少許縫隙并纏緊，在碳棒另一端用長(zhǎng)尾夾將鎂條固定，留出一段鎂條用于接線。將微型燈泡的兩根導(dǎo)線分別與鎂條和碳棒連接，然后向碳棒的紙巾上滴少量濃度約為10%～20%的食鹽水，可以看到微型燈泡在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)光（見(jiàn)圖10），若將微型燈泡換成微型電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)槳葉飛陜旋轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖11）。

鎂空氣電池實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)原電池知識(shí)、認(rèn)識(shí)化學(xué)電源構(gòu)造的一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。引導(dǎo)學(xué)生嘗試制作一個(gè)鎂空氣電池，讓他們?cè)诨顒?dòng)中理解原電池反應(yīng)的本質(zhì)，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)成功的喜悅。

4 鹽水動(dòng)力車(chē)實(shí)驗(yàn)

最近一種叫“鹽水動(dòng)力車(chē)”的玩具在市場(chǎng)和網(wǎng)店銷(xiāo)售，賣(mài)家宣稱只需幾滴鹽水便可讓小車(chē)跑20分鐘。驅(qū)動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的是一個(gè)微型電機(jī)，電機(jī)的動(dòng)力來(lái)自一小片鎂空氣電池，該電池由5個(gè)部件組成（見(jiàn)圖12），電池組裝并不復(fù)雜（見(jiàn)圖13），將組裝好的電池插入小車(chē)，讓電池的電極與電機(jī)接線簧片接觸，再向電池上滴幾滴濃度約為10%～20%的食鹽水，小車(chē)就會(huì)奔跑起來(lái)（見(jiàn)圖14）。筆者是在講“金屬的電化學(xué)腐蝕”之前，讓學(xué)生“玩”這種小車(chē)的，當(dāng)學(xué)生看到搭載著自己組裝的電池的小車(chē)在地面上奔跑時(shí)，課堂氣氛頓時(shí)活躍起來(lái)，同學(xué)們由衷地感嘆：想不到制作一個(gè)電池竟然如此地簡(jiǎn)單，更想不到如此簡(jiǎn)單的電池還能驅(qū)動(dòng)小車(chē)奔跑！ 接下來(lái)與學(xué)生一起對(duì)鎂空氣電池的反應(yīng)原理進(jìn)行分析，判斷電池的正負(fù)極并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，寫(xiě)出了電池的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)：

負(fù)極反應(yīng)：

正極反應(yīng)：

電池反應(yīng)：

然后追問(wèn)：將鎂空氣電池中的鎂片換成鐵片，電池還會(huì)工作嗎？如果能，電池的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)是怎樣的？討論后學(xué)生再通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的判斷，并寫(xiě)出電池的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)式，教學(xué)活動(dòng)逐步過(guò)渡到對(duì)鋼鐵電化學(xué)腐蝕原理分析的環(huán)節(jié)（見(jiàn)圖15）。

鋼鐵電化學(xué)腐蝕的反應(yīng)原理：

負(fù)極反應(yīng)：

正極反應(yīng)：

電池反應(yīng)：

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者在開(kāi)始階段的反應(yīng)原理極其相似。因此，通過(guò)對(duì)鎂空氣電池反應(yīng)原理的分析，將原電池知識(shí)遷移到對(duì)金屬腐蝕原理的理解上來(lái)，讓新知在學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上自然生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了原電池知識(shí)與金屬腐蝕原理的自然對(duì)接。這一邏輯嚴(yán)謹(jǐn)而又充滿情趣的教學(xué)設(shè)計(jì)，在加深學(xué)生對(duì)原電池反應(yīng)原理理解的同時(shí)，也讓“金屬的電化學(xué)腐蝕”的教學(xué)活動(dòng)自然流暢，結(jié)論水到渠成。endprint