為何不能直接連接電池的正負極

尤小蓉

摘 要：以酸性鋅錳干電池為例介紹了實用電池的放電原理及實用電池能較長期使用和存放的原理，并在此基礎上說明了直接連接電池的正負極燒壞電池的原理：在短路狀態下，電池反應和化學反應同時發生，快速消耗完了電池反應物。就電池短路燒壞電池的問題給出了初高中不同學段的教學建議。

關鍵詞：電池短路；放電原理；燒壞電池；教學建議

一、問題的提出

人教版義務教育教科書九年級《物理》[1]中有如下圖一。

該圖一上還配有這樣一句警示語：“不能把電池的兩端用導線直接連在一起！”

面對圖一及圖一上的警示語，常有學生提出這樣的疑問：為什么不能把電池的正負極用導線直接連在一起？這本是一個初中物理教學的問題，但初中物理老師一般難以透徹地解答該問題，所以該問題被部分學生帶到高中物理和化學學習中了。初中物理老師對此問題的回答一般是：用導線直接連接電池的正負極會燒壞電池。愛動腦筋的學生常常不滿足于該答案，他們會進一步追問：用導線直接連接電池的正負極為什么會燒壞電池？電池是怎樣被燒壞的？為了準確回答這些追問，筆者特參考有關文獻[2][3]，聯系實用電池的工作原理對電池的正負極不能直接用導線相連的問題解析如下。

二、實用電池的工作原理

在現代生產和生活中，實用電池的種類和型號很多，這些實用電池的工作原理均大致相似。在此，筆者特以最早使用、至今仍普遍使用的酸性鋅錳干電池為例談談實用電池的放電原理及實用電池能較長期使用和存放的原理。

1.酸性鋅錳干電池的放電原理

酸性鋅錳干電池的構造示意圖如圖二所示。

2.酸性鋅錳干電池能較長期使用和存放的原理

我們都知道，用于講解原電池原理的教學用銅鋅原電池是沒有實用價值的。教學用原電池的電極是直接浸泡在電解質溶液中的，這種原電池既難以控制電池反應，又不便于攜帶；所以這種教學用的原電池沒有實用價值，只能臨時用于演示說明原電池的基本原理。干電池為什么具有較大的實用價值呢？干電池的實用價值主要體現在干電池攜帶方便、能較長期使用和較長期存放，干電池能較長期地使用和較長期地存放主要取決于干電池的結構特點。

在干電池中，電解質NH4Cl溶解在近于固態的糊狀物中。在干電池內用糊狀物代替溶液的一個作用是糊狀物的流動性較差，糊狀物能使干電池內的各組成部分都處在相對穩定的位置。糊狀物的另一個重要作用是使干電池內直接發生化學反應⑦的速率減慢，該作用是通過如下兩個途徑來實現的？（1）NH4+離子在糊狀物中的運動速率遠慢于NH4+在水溶液中的運動速率，這使得NH4+離子移向鋅筒與鋅接觸直接發生化學反應的機會大為減少。（2）鋅筒表面生成的[Zn（NH3）4]2+和Zn2+向糊狀物中的擴散速率也遠于慢[Zn（NH3）4]2+和Zn2+向水溶液中的擴散速率，[Zn（NH3）4]2+和Zn2+在鋅筒表面對NH4+與鋅的接觸反應產生了阻礙作用。這兩個因素的存在使得干電池內直接發生化學反應⑦的速率很慢，直接發生化學反應⑦的速率慢使得干電池能夠較長時間地存放。接通外電路后，干電池就可以按照上述電極反應發生反應對外供電。當外電路上的用電器有足夠大的電阻時，干電池能夠持續平穩的對外電路較長時間地提供小電流。這些因素的存在，使得干電池有很大的實用價值。

另外，我們還應該明確，盡管干電池內直接發生化學反應⑦的速率很慢，但干電池內的化學反應⑦從干電池制成的那一刻就開始了，所以干電池的使用和存放時間都不是很長，干電池在長期存放后會自然報廢。

三、電路短路燒壞電池的原理

用導線直接連接電池的正負極時，為什么會燒壞電池呢？

電池反應都是氧化還原反應，氧化還原反應的基本特點是有電子的轉移。當氧化還原反應的電子轉移受到各種因素的阻礙時，氧化還原反應的速率就會變慢。當氧化還原反應的電子轉移很順暢時，氧化還原反應的速率就會很快。未接通外電路時，電池內的氧化還原反應速率受糊狀物的制約而很慢。接通外電路后，若外電路中有電阻較大的用電器或電子元件的話，氧化還原反應的電子轉移也就不會很順暢，此時的氧化還原反應也不會很快。若用導線直接連接電池的正負極的話，電池內氧化還原反應的電子轉移速率就會因為外界導線的電阻很小而變得很順暢，電池兩極的電極反應就會相應加快。電極反應快本身既會在短時間內消耗大量的反應物Zn和NH4+，又會導致電池內H2和NH3的大量積累。H2的大量積累是由于反應②遠慢于反應①，NH3的大量積累是由于NH3是在正極生成、卻要在移向負極的慢擴散中與Zn2+結合成[Zn（NH3）4]2+。H2和NH3的大量積累會導致電池的內阻顯著增大，從而導致電池發熱升溫。電池發熱升溫后，電池內直接發生化學反應⑦的速率就會相應加快。電極反應和直接的化學反應同時快速進行會很快將電池反應物Zn和NH4+消耗殆盡，電池反應物Zn和NH4+消耗完了，電池也就燒壞了。因此，所謂的電池被燒壞其實就是電池反應物在短時間內反應完了。

四、電池短路燒壞電池問題的教學建議

明白了不能用導線直接連接電池正負極的原因，就比較容易在教學中回答學生提出的相關問題了。針對學生在初高中階段理化基礎的實際，筆者在此提出一些教學建議。

在初中階段，老師一般可以從如下幾個方面向學生說明不能用導線直接連接電池正負極的原因。（1）用導線直接連接電池的正負極會導致電極反應加快，電極反應加快會導致電池反應物的快速消耗。（2）電極反應加快會導致電池內阻增大，電池內阻增大會導致電池發熱升溫，電池發熱升溫會加快電池內的化學反應，電池內化學反應的加快也會導致電池反應物的快速消耗。電池反應物的快速消耗會使電池在短時間內被“燒壞”而報廢。

在高中階段，當學生學習了原電池的基本原理后，化學老師或物理老師就可以直接利用原電池基本原理和干電池的工作原理向學生解析不能用導線直接連接電池正負極的原因了。endprint