原电池“趣话”

原电池“趣话”

王新淼 程军华

宁阳第一中学 山东省泰安市 271400

摘要：在化学教学过程中，需要对化学知识进行细致的整理、归纳和系统，使高中化学知识形成知识树、进一步深化形成知识网。特别是化学基本原理的教学，还要灵活运用、巧妙借用趣味知识，并且加以美化，结合化学史内容，方能达到事半功倍的效果。

关键词：伏打电池 原电池工作原理 盐桥电池

现在，中国的大地上，电动自行车和电动轿车川流不息，为世界环保和中国节能减排，为“碳达峰”和“碳中和”作出了中国贡献，这既体现出了中国智慧，又提供了中国方案。这些交通工具的动力系统，就是原电池。下面，我就说说原电池的由来和发展。

1. 原电池的发现和发明：

1、世界上的第一个发明原电池的科学家是伏特。亚历山德罗.伏特（1745年2月18日——1827年3月5日）是意大利科学家，他于1800年发明伏打电堆。传说，伏特是大资本家的儿子，但是他酷爱科学，他发明（发现）伏打电池是意外获得的。[1]

伏特研究领域是物理的电学部分，像物理上的电路的功率分配等内容都有他的贡献。他研究物理内容时遇到了难题，便茶不思、饭不想。他家的佣人端来了水果和蕃茄（西红柿），没有胃口，但总得吃点水果。他拿起铜片和锌片，向西红柿排解心中的不快，当他将铜片和锌片同时插向西红柿的时候，手被麻了一下，和触电的感觉一样，他又做了几次，得到了相同的感觉和现象，这时，他欣喜若狂，他意识到自己有了重大发现。他取了只烧杯，加入稀硫酸，将铜片和锌片浸入其中，连接好电流表，电流表指针发生了偏转，产生了电流。当天夜晚，他失眠了。一是他被突然的发明惊喜鼓舞着；二是锌片在硫酸里泡着，反应放出气体和热传递的声音令他无法入睡。他将锌片和铜片从硫酸溶液里取出，放到了实验台上，没有了干扰的声音，他睡了个踏实觉。

2. 他起床后就进行了进一步的研究，他画出了以下三个装置图并逐个进行了细致的研究：

按照图（I）记录现象：锌片逐渐溶解：Zn－2e^－===Zn^2＋；锌片表面有大量气泡冒出；气泡冒出速度是先快，后迅速变慢；锌片表面发烫。

图（II）记录现象：铜片表面没有明显现象；溶液不变蓝色。

图（III）记录现象：锌片溶解加快：Zn－2e^－===Zn^2＋；锌片表面有少量气泡冒出；铜片表面有大量气泡冒出；电流表指针发生偏转；溶液无蓝色出现。

针对研究记录的实验现象，他对图（1）的气体产生速度先快后迅速变慢的解释是：2H^＋＋2e^－===H₂↑；后续的H^＋再得电子，需到锌片的表面，须冲破Zn^2＋的包围层，Zn^2＋对H^＋有排斥力，所以，产生气体的速度，迅速变慢。

针对研究记录的实验现象，他对图（3）的锌片上有少量气泡，铜片上有大量气泡的解释是：铜片上有经导线传递过来的电子，H^＋受锌片周围的Zn^2＋的排斥，自然向铜片移动、并在铜片上得到电子，生成H₂↑而放出。

2. 伏特对原电池的定义：将氧化反应和还原反应分别设置在两个不同的电极上，从而在两极间产生电流的装置，就是原电池。

3. 伏特的两个规定：（1）负极：电子流出的电极；正极：电子流入的电极。（2）阴极：电势低的电极；阳极：电势高的电极。

4. 伏特对原电池工作原理的解释是：①外电路：负极流出电子经用电器到正极；②两极：负极失去电子发生氧化反应、正极上得到电子发生还原反应；③电解质溶液中：阴、阳离子的定向移动。接入电键开关控制闭合回路，就能控制电流的流动，控制原电池的发生和结束。

5. 通过大量的实验，伏特归纳原电池的构成条件是：⑴活泼性不同的两极，（其中负极很易失去电子，发生氧化反应）；⑵电解质溶液；⑶闭合的电路；⑷自发地氧化还原反应。

负极的下半部分（泡在电解质溶液中的部分）是阳极（电势高）；正极的下半部分（泡在电解质溶液中的部分）是阴极(电势低）。负极（阳极）上发生氧化反应，正极（阴极）上发生还原反应。并且，“电子不下水，离子不上岸”。

伏特做完这些工作，写好论文材料，他又去研究他的物理工作去了。他至死也没有解决断开电键，电流表不偏转了（电路中没有电流了），锌片仍然在硫酸中反应，化学能不转化为电能了，但是化学能仍然转化为热能等问题。【2】

2. 原电池的第一次革命-----爱迪生发明了盐桥电池

爱迪生（1847年2月11日--1931年10月18日），举世闻名的美国科学家和发明家。他通过了解伏打电池的工作原理，并通过大量的实践探索，于1902年5月28日宣布发明了一种新式蓄电池--盐桥电池。

这个电池，接入电键后，用时，合上电键，电池工作；不用的时候，断开电键，电池终止工作。锌片与硫酸溶液不接触，反应停止。做到了随用随停，开关自如。并具有使用时间长，电容量大，电流稳定等优点。

爱迪生总结出了盐桥的作用：①平衡（中和）两个半电池中的电荷，使两个半电池中的电势差减小；②形成闭合电路；③减小内电阻。

爱迪生发现：左边半电池的反应是Zn－2e^－===Zn^2＋，随着反应的进行，左边电池的正电荷越来越多，电势越来越高；而右边的半电池中的反应是2H^＋＋2e^－===H₂↑，随着反应的进行，右边电池的负电荷越来越多，电势越来越低。这样，这个电池中，从左边拿出电子，经导线向右边输出电子形成电流将变得更加困难。盐桥中的离子的作用变得异常突出，它成了“和事佬”，调和了两边半电池的电势差。

如果用一台戏形容原电池的工作：戏剧的男、女主角是氧化剂H₂SO₄和还原剂Zn，主要事件（情节）是氧化还原反应；盐桥便是配角；像ZnSO₄溶液、Cu棒、导线、开关等都算是跑龙套的（群众演员、路人甲和乙等）。

爱迪生还介绍了盐桥的制法：将玻璃管用酒精灯烤热，软化后弯成“桥”的模样，在里面装入淀粉糊，不能出现间断现象。待干燥后放在KCl溶液里浸泡，放在两个烧杯形成的半电池的中间，形成“桥”的模样即可。

爱迪生盐桥电池尽管比伏打电池性能、容量、使用时间等方面都有了大幅度的改进，但是还是有不少缺点：使用性不强，玻璃仪器易碎，时间长了，淀粉水解，夏天腐败变味等问题突出。所以，它只是爱迪生的一个发明创造而已，在实践中没有更广阔的使用。尽管后来人们把淀粉糊改为琼脂（成分为纤维素，水解时间加长了），电池的使用时间和性能都有了进步，但是使用的范围还是不普遍。【3】

3. 原电池的第二次革命----天能（超威）电池及展望

现在，电池的种类和型号已经丰富多彩，特别是手机电池和大功率电池的革新，在我国更是飞速猛进的发展。我国原来的电池行业靠进口才能完成，现在，我国自主知识产业的发展已经走出国门。电池的制造和革新，使我国的“长跑王”电动车在祖国的大地上驰骋。特别是我们国家倡导的电动汽车行业，为国家的绿色出行、低碳生活活动做出了巨大贡献。他们的动力系统来自于铅蓄电池，上图就是硫酸铅蓄电池的原理示意图。据资料记载：盐桥已由玻璃管改为塑料管、盐桥内用硅胶填注、中间加入石墨烯和超导材料，极大程度的降低了内电阻。有些电池的盐桥，已经改为膜结构来代替。这样，原电池的结构变得更简接，容量和功率更大，持久耐用。天能（超威）电池就是杰出的代表，废旧电池的回收和利用技术也突飞猛进，使电池的生产成本和回收利用成本大大降低。中国的科学工作者和技术人员，为环境保护和节能减排、低碳生活，做出了表率，为全世界的环境保护提供了中国智慧和中国方案。【4】

作者简介：

姓名:王新淼；出生年月：1968.05.26；性别：男；民族：汉族；籍贯：山东省宁阳县东疏镇；学历 ：大学; 职称:中学正高级教师；职务：无；研究方向：化学教学、教学研究。

姓名:程军华；出生年月：1977.01.002；性别：男；民族：汉族；籍贯：山东省宁阳县蒋集镇；学历 ：大学; 职称:中学一级教师；职务：化学教研室主任；研究方向：化学教学、教学研究。

参考文献：

【1】刘坤 揭开电学帷幕之人——伏打 青苹果 2008年02期

【2】高峰 伏特的来历——记杰出的电学先驱者伏打 中学生数理化(八年级物理)(人教版) 2008年Z1期

【3】管成学 赵骥民 世界发明之王：爱迪生的故事 吉林科学技术出版社

【4】贺坚 铅酸蓄电池的工作原理与维护方法 通讯世界

2016年12期