基于數字化實驗的原電池效率實驗探究

楊香濤　朱冬萍

摘要：利用數字化手持技術探究鋅與硫酸銅溶液直接反應、鋅銅單液原電池和鋅銅雙液原電池在相同條件下工作時體系的溫度、電流和壓強等方面的不同，得出鋅銅雙液原電池工作時體系的溫度變化小，化學能轉化為熱能少，熱損耗小，產生的電流、電壓穩定，由化學能轉化為電能效率高。

關鍵詞：數字化手持技術;鋅銅單液原電池;鋅銅雙液原電池;效率

文章編號：1008-0546（2019）08-0091-04

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.08.030

一、問題提出

原電池知識是中學電化學部分的重要知識點，現行高中化學蘇教版必修教材《化學2》將原電池定義為“將化學能轉變為電能的裝置”[1]，并選用鋅、銅和稀硫酸構成的鋅銅單液原電池進行實驗來探討原電池的工作原理，而高中化學蘇教版選修教材《化學反應原理》則選用由（一）Zn/ZnSO4（ aq）//CuSO4（aq）/Cu（+）構成的鋅銅雙液原電池進行實驗對原電池工作原理進行進一步探討。在教學中，學生經常會產生這樣的疑問——同樣是探討原電池的工作原理，為什么必修教材選用鋅銅單液原電池，而選修教材則選用鋅銅雙液原電池？鋅銅單液原電池和鋅銅雙液原電池在構造上有明顯的區別，但二者相比各有什么優缺點？哪種原電池的放電效率更高？我們教師對于這些問題一般是從理論角度進行解釋，并運用教材上的實驗驗證電流的產生，卻忽視了教材中的2個實驗在設計上都存在著一個明顯的缺陷，即只能根據實驗過程中電流計的偏轉定性說明裝置中有電流產生，卻不能定量說明原電池工作時產生的電流強度大小、電壓和能量轉換效率高低。

本文設計的實驗就是基于教材中2個實驗的改進和創新，為了便于比較，引入了鋅與硫酸銅溶液直接反應的實驗，并將鋅銅單液原電池中的電解質溶液由稀硫酸換成CuSO4溶液，同時為了保證對反應體系溫度測定的準確性，有效防止反應體系與外界的熱交換，將實驗中的燒杯改成簡易量熱計，并借助數字化實驗技術，利用SWR數字化信息系統，通過鋅與硫酸銅溶液直接反應、鋅銅單液原電池和鋅銅雙液原電池在工作時體系的溫度、電流和壓強等的對比，讓學生知道不同原電池的效率高低，認識不同原電池的優缺點，幫助學生建構原電池的概念和工作原理，培養學生的辯證思維能力、實踐能力和創新精神[2]，發展學生的化學學科核心素養，

二、實驗原理

鋅銅單液原電池和鋅銅雙液原電池的實驗裝置不同（見圖1）[3]，但反應原理相同，即負極鋅上發生氧化反應，給出電子，正極銅上發生還原反應，得到電子，電子由負極通過外電路流向正極，電流則由正極通過外電路流向負極，發生的電極反應和電池反應分別為[4]：

負極：Zn-2e=Zn2+

正極：Cu2++2e= Cu

電池反應：Cu2++Zn=Cu+Zn2+

三、實驗探究

1.實驗儀器和用品

燒杯、量筒、簡易量熱計、鹽橋、砂紙、導線、溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、圖形數據采集器、手提電腦或平板電腦。

2.實驗藥品

銅片、鋅片、l.Omol.L^-1的CuSO4溶液、l.Omol.L^-1的ZnSO4溶液。

3.實驗步驟

（1）準確配制1.Omol.L^-1的CuS04溶液和1.Omol.L^-1的ZnSO4溶液各500mL備用。

（2）用砂紙打磨幾片銅片和鋅片。

（3）組裝如圖2所示的實驗裝置，注意連接好溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器和數據采集器。

圖2實驗裝置圖

（4）將數據采集器與電腦連接，并進行調試（數據采集器設置為Is測定10個數據，測定時間為600s）。

（5）量取lOOmL l.Omol.L^-1的CuSO4溶液于簡易量熱計中，將溫度傳感器探頭插入到溶液中2min左右，使探頭溫度和溶液溫度保持一致，取一片打磨過的鋅片置予CuSO4溶液中。

（6）連接數據采集器與電腦，測定隨著時間的變化反應體系的溫度和電流，采集數據。

（7）同理，量取lOOmL l.Omol.L-1的CuSO4溶液于簡易量熱計中，將溫度傳感器探頭插入到溶液中2min左右，使探頭溫度和溶液溫度保持一致，在簡易量熱計中同時插入打磨過的銅片和鋅片，用導線連接，并連接數據采集器與電腦，測定隨著時間的變化反應體系的溫度、電流和電壓，采集數據。

（8）同理，分別量取lOOmL l.Omol.L^-1的CuSO4溶液和lOOmL l.Omol.L^-1的ZnSO4溶液于2個簡易量熱計中，將溫度傳感器探頭分別插入到2種溶液中2mln左右，使探頭溫度和溶液溫度保持一致，在盛CuS04溶液的量熱計中插入一片打磨過的銅片，在盛ZnSO4溶液的量熱計中插入一片打磨過的鋅片，并分別用導線連接，2個量熱計之間用鹽橋相連，連接數據采集器與電腦，測定隨著時間的變化反應體系的溫度、電流和電壓，采集數據。

（9）保存數據。

（10）整理儀器，回收、處理藥品。

四、實驗結果與分析

1.鋅與硫酸銅溶液直接反應和鋅銅單液原電池工作時的溫度和電流比較

圖3是鋅與硫酸銅溶液直接反應時體系的溫度和電流隨時間變化曲線，其中“1”表示電流變化曲線，“0”表示溫度變化曲線。從曲線的變化可以看出，隨著時間的變化鋅與硫酸銅溶液直接反應時電流的變化幾乎為0，說明在鋅置換銅的反應中幾乎無電流產生。事實上當置換反應發生后，由于鋅置換的銅會覆蓋在鋅的表面，并在鋅的表面形成了若干個微小的原電池，電子在這些微小的原電池內部定向移動會產生微弱的電流，但由于產生的電流過于微弱，在測定的曲線上反映不明顯，導致測出的電流近似為0。另外由曲線上的數據還可以看出，反應時CuSO4溶液的溫度從28.5℃左右上升到了30℃左右，說明鋅與硫酸銅溶液反應時能量的轉化形式主要表現為化學能轉化為熱能。