劉燕

摘? ?要：針對原電池教學中對電子定向移動的解釋，外電路中電子移動的問題，內電路中離子移動的問題，能量轉化問題等出現(xiàn)的一些偏差認識進行了探討。通過生活中的原電池和必修知識的復習，引出原電池原理;通過銅鋅原電池的設計、分析，掌握單液原電池原理;從原電池的能量轉化效率出發(fā)，學習雙液原電池原理;利用原電池的形成條件，設計原電池。

關鍵詞：原電池? 工作原理? 探析

中圖分類號：G633? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（c）-0052-02

1? 電子定向移動的問題

在電光細胞教學中，解決電子定向運動問題的常見方法是使用實驗現(xiàn)象，如電流計指針的偏轉、正極下產(chǎn)生新材料等，簡單地得出電子方向運動發(fā)生的結論。至于學生感到困惑的地方，例如為什么主電池產(chǎn)生電流？為什么Zn上的電子流向Cu？電子定向運動的驅動力是什么？由于涉及的微觀機制比較復雜，一些教師普遍回避。事實上，在“化學反應原理”的教學中，可以從沉淀、溶解平衡和電氣知識中進行分析，建立“雙電層”理論模型，然后利用該模型說明。

將金屬電極插入溶液中，一些金屬離子會溶解到溶液中。同時，溶液中的金屬離子將沉積在金屬上，即。當溶解率和沉積率相等時，即達到動態(tài)均衡。金屬表面的電荷層和溶液中的相反電荷離子形成穩(wěn)定的電雙層，厚度約為10-10μm，從而產(chǎn)生電位差，即金屬電極電位。金屬電極的電位與金屬的性質有關。金屬越活躍，電位越低。對于由Cu、Zn和CuSO4溶液形成的電池，由于Zn電極電位低，Cu電極電位高，當導線連接形成閉環(huán)時，整個電路中的自由電子在電場移動的作用下定向移動。為了保持原有的雙層結構[2]，Zn電極將Zn2+重新沉淀到溶液中，同時Cu2+在溶液中沉積在Cu表面。這樣兩個電極之間產(chǎn)生電位差，使電子再次從Zn電極流向Cu電極。這個過程是連續(xù)重復的，因此Zn的溶解過程和Cu2+的沉積過程繼續(xù)，并在電路中產(chǎn)生連續(xù)電流。

2? 外部電路中電子運動的問題

對于由Cu、Zn和H2SO4解形成的主電池，一些教師結合主電池動畫引入導線中的電子轉移：Zn失去電子，電子沿導線傳輸?shù)紺u，然后H在Cu獲得的電子表面變成H2。這種解釋很容易導致學生誤以為H獲得的電子來自Zn。事實上，金屬中電子定向運動的平均速率非常小，約為10-5μm/s，通過10cm線的傳遞需要近3h。如果H+電子從Zn傳輸，則在Cu表面經(jīng)過幾個小時之前，不應觀察到氣泡。

事實上，當Cu和Zn極打開時，可以觀察到氣泡。顯然，上述對外部電路中電子運動的解釋是不合理的。在這里，可以使用“電雙層”的理論模型，借助與電相關的知識，可以做出更合理的解釋。由于Cu和Zn的兩極之間存在電位差異，因此在打開后，電場將立即在極點處建立。電場以光速傳輸。一些教師將電池內部電路中的離子運動問題描述為：在主電池中，為了形成閉合電路，電解質溶液中的陽離子移動到正極，而陽離子移動到負極，如Cu-Zn-H2SO4。對于原電池，Zn2+和H+移動到Cu電極，SO4 2-移動到Zn電極。這個解釋也有問題。在電偶電池的電解質溶液中，產(chǎn)生電離運動的主要原因是電場和化學電位。由于電極反應：（-）Zn-2e-=Zn2++，（+）2H=2e-=H2，Zn2+的濃度=靠近負極的濃度變大，H=靠近正極的濃度變小，溶液中的Zn+和H+的濃度均勻，即Zn2+和H的化學電位在任何地方都不同，因此會產(chǎn)生驅動力，導致Zn2+和H+移動到低化學電位，即小濃度。同時，由于雙極電層的存在，在溶液中建立了從Zn電極（電雙層中的正電荷）到Cu電極的電場（電雙層中的正電荷較少）。此電場還將Zn2+和H+移至Cu電極。對于SO42-溶液中，由于它不參與電極反應，濃度不變，溶液中的化學電位相等，但在電場的作用下，它會移動到Zn電極。一旦發(fā)生遷移，解決方案中的SO42-分布將不再一致。Zn電極附近的濃度高，Cu電極附近的濃度低。在化學電位的作用下，可以預測SO42-向Cu電極移動的趨勢。效果最終將達到平衡，也就是說，溶液中的SO42-不可能持續(xù)向Zn電極移動。蘇永橋認為，電池溶液中的離子符合玻爾茲曼分布規(guī)律。以Danael電池為例，計算結果表明，當電源工作正常時，溶液中的負離子具有穩(wěn)定的分布。從此角度看，負電荷沒有方向移動。Daniel 細胞內的電流由正電荷對靜態(tài)負電荷的方向運動（從宏觀角度）形成。

3? 能量轉換問題

原電池的化學能是指物質從高能狀態(tài)釋放到低能狀態(tài)的能量。在這個過程中，反應物減少，產(chǎn)物增加，所以這是一個化學反應。從產(chǎn)物的總鍵能中減去反應物的總鍵能（鍵能的概念應該是中學所學的各種鍵的具體鍵能）。這個值存在于每種物質中。當熱反應方程的系數(shù)完全相同時，得到了該量。電動勢測量：根據(jù)電動勢E=通過電源的電流I乘以電源的內阻R（E-U=IR）加上路端電壓U。在此期間，外部電路的電阻被滑動變阻器改變。所用設備為：原電池、引線、開關、滑動變阻器、電流表、電壓表。如果沒有物質轉換，也就是沒有化學反應的話，電解質溶液適用歐姆定律。如果有了物質轉換，比如說，水被電解成了氫氣和氧氣，電能轉化成了兩部分，一部分適用歐姆定律，發(fā)熱了，另一部分變成了氫氣和氧氣之間的化學能儲存起來了。當電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣發(fā)生化學反應時，如果生成同狀態(tài)的水（溫度，壓力），釋放出來的能量，正好的電能轉化成化學能的那一部分。容量與電池中電極材料的數(shù)量成正比。這就解釋了為什么即使相同的化學性質，小電池的容量比大電池的容量低，即使兩個電池的開路電壓相同。因此，電池的電壓更多地基于化學性質，而容量更多地取決于所使用的活性材料的量。容量以安培小時（A·h）為單位。對于電池，A·h是更方便的單位，因為在電力領域，能量的單位通常是瓦特小時（W·h）。電池的能量容量可以簡單地通過將以伏特為單位的額定電池電壓乘以以安培小時為單位的電池容量來得出。對于存儲系統(tǒng)，通常使用往返效率 h bat? =? E out / E in，其表示為總存儲輸出 E out與總存儲輸入 E in的比率。例如，如果在充電過程中將10 kW·h泵入存儲系統(tǒng)，但在放電過程中只能回收8 kW·h，則存儲系統(tǒng)的往返效率為80%。電池的往返效率可分為兩個效率：伏打效率（即平均放電電壓與平均值之比）和庫侖效率（或法拉第效率），定義為在滿充電周期的充電電壓下，從電池中提取的總電荷與放入電池中的總電荷之比。比較不同的存儲設備時，通常會考慮這種往返效率。它包括電池中發(fā)生的不同化學和電氣非理想性的所有影響。

4? 結語

原電池是我們日常生活中的常見物品，通過對其工作原理的學習，能夠幫助學生了解科學原理，啟迪創(chuàng)新和發(fā)明。科學研究必須建立在無數(shù)次的實驗基礎上，科學研究應該從日常生活中展開，科學研究需要青少年的共同參與與學習。

參考文獻

[1] 楊曉莉.基于提升學生問題解決能力的“原電池”教學設計與研究[D].四川師范大學，2017.

[2] 蘇莉虹.中學化學“原電池”核心概念的進階教學設計研究[D].江西師范大學，2016.

[3] 張福濤.“原電池的工作原理”教學設計及課堂實錄[J].化學教育，2014，35（17）：13-17.