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1、原电池性质的系列实验探究郑理 贺济琼 潘震 赵可嘉 北京十二中高一（ 2）班 指导教师：郑晓 红 首都师范大学附属丽泽中学 摘要： 利用数据采集器和传感器等仪器，测试了原电池中温度的 变化、电压大小 的变化，以及不同电池的使用寿命等，并对实验数据进行了分析和讨论。 关 键词： 原电池 传感器 实验探究1 问题的提出原电池是将化学能转化成电能的装置。 根据我们近来所学原电池的 相关内 容，对原电池的相关性能进行了探究。当化学能转化为电能的 过程中，温度的 变化是否明显？化学能主要转化为电能还是热能？什 么因素与原电池电压的大 小有关？通过试验能定性总结出什么相关的 规律？普通锌锰电池与碱性锌锰电
2、 池哪一种更耐用？购买时选择那种 电池更实惠？为了弄清这些问题，我们 利用数据采集器和传感器 等仪器，通过以下几个实验进行了探究。2 材料与仪器2.1 药品、材料：1 mol / L CuSO 4 溶液， 1 mol / L ZnSO 4 溶液， 1 mol / L MgCI 2 溶液， 1 mol / L FeCh 溶液， 1 mol / L AgNO ?溶液，饱和 KNO 3 溶液， Cu 片， Zn 片， Mg 粉， Mg 条， Fe 片，镀 Ag 铁片， 1.5V 、5 号普通锌锰电池 和碱性锌锰电 池（三圈牌，福建厦门产） 。2.2 仪器：计算机，威尼尔牌（ Vernier ，美国）
3、数据采集器以及电流、电压、温度传感器；磁力搅拌器等3实验方法与结果分析3.1化学反应、原电池反应中能量变化的测定3.1.1实验方法化学反应中温度变化的测定：用“温度一时间”方式采集数据。在100mL烧杯中加入60 mL的1 mol / L CuSO 4溶液，用温度传感器测温，用磁力搅拌器加以搅拌，待温度显示恒定后加入1g Mg粉。采集化学 反应过程中温度的变化情况。原电池反应中能量变化的测定：用“温度一时间”、“电流一时间”两种方式同步采集数据。在 100mL烧杯中加入60 mL的1 mol / L CuSO 4在 100mL 1 mol/L 61SO4 洛液中加入1 gMg粉ji j5（签3
4、0202D406080图1化学反应中温度变化实验测定IOL卫012040Q时间砂）=60300.6-在mL 1 mol/L CuSO4溶液中ffiACu 片 Mg片与电流怙感器形成闭合电路。J |CL Cl0r201r 1406030Q时间砂）二图2原电池反应中能量的变化实验测定溶液，用温度传感器测温；用导线将电流传感器上的正极一端与Cu片连接，用另一导线将电流传感器上的负极一端与 Mg条连接；用待温 度显示恒定后，同时将Cu片、Mg条平行插入CuSO 4溶液中。采集原电池反应中温度、电流的变化情况3.1.2结果与分析化学反应中温度变化的测定结果见图 1。由数据图可以清楚地发现：化学能与热能之
5、间通过化学反应可以直接转化。原电池反应中能量变化的测定数据见图 2。由数据图说明：在原电池反应中，化学能绝大部分转化成了电能。体系的温度只有极小的升高，说明有极少量的化学能与热能之间发生了转化。3.2探究与原电池电压大小相关的因素原电池利用氧化还原反应产生电能。利用盐桥可以将原电池装置中的 氧化反应、还原反应分离开来。 本实验利用浸有饱和 KNO 3溶液的滤 纸来代替盐桥，将原电池装置微型化，可以方便地测定不同金属电极 之 间的电压值。如果电压显示为正电压，说明与电压传感器正极端相 连的金属离子被 还原，与电压传感器负极端相连的金属被氧化；反之， 如果电压显示为负电压， 说 明与电压传感器正极
6、端相连的金属被氧化， 与电压传感器负极端相连的金属离子被 还原。比较几对金属电极的电 压值，就能得到这些金属的还原性顺序。3.2.1 实验方法采用电压传感器，采集实验数据。 取一张滤纸，裁剪成如图 3 所示的形状，放 在合适的培养皿中；在 滤纸相互间隔的位置上分别滴加 3 滴 1 mol / L CUSO 4溶 液、1 mol / L FeCI 3 溶液、 1 mol / L Zn SO 4 溶液、 1 mol / L MgCl 2 溶液、 1 mol / L AgNO 3 溶液，再分别在各自盐溶液上放上 Cu 片、 Fe 片、 Zn 片、 Mg 条、 镀 Ag 铁片（注意金属表面要打磨，金属
7、的上面保持干燥） ；用饱和 KNO3 溶液 润湿滤纸的中央部分，使各电极之间连接起来。如图 3 所示。实 验测量过程中用电压传感器的两个探头分别与不同的金属表面接触，示值稳定后保存数据图3不同金属电极之间电压测定装置322结果及分析实验结果数据图见图4。通过实验可以发现，不同的金属电极之间有不同的电压值，而且具有一定的规律。将实验数据加以整理，可得到如下结论。 金属还原性由大到小的顺序是：Mg Zn FeCuAg(2)金属电极之间还原性差异越大，组成的原电池电压绝对值越大(3)不同金属电极之间的电压值可以通过相互比较来预测。实验统计数据表明预测值的相对偏差均小于士 2% ,准确度较高。表1是预
8、测与测量次数正极123456789Cu Cu Cu Cu Ag Ag Ag Fe Fe负极AgFeZnMgFeZnMg2nMgM呂测量次数电压rtft特）1-0.44020.55631 03141.67151009B1 47772.11480.47391.1111100.63610Zn实测的统计结果表1不同金属电极之间实测电压值与预测电压值的比较正极/负极预测电压（V）测得电压（V）相对偏差（ ）Ag / Fe0.556 -（-0.440 ） = 0.9961.0091.3Ag / Zn1.031 -（-0.440）= 1.4711.4770.4Ag / Mg1.671 -（-0.440）=
9、2.1112.1140.1Fe / Zn1.0310.556 = 0.4750.473-0.4Fe / Mg1.6710.556 = 1.1151.111-0.4Zn / Mg1.671-1.031 = 0.6400.636-0.6注：预测电压以各电极与 Cu电极之间形成的电压为标准。相对偏差=（测得电位-预测电位）/预测电位3.3普通锌锰电池、碱性锌锰使用电池寿命的比较5号电池的电压都是额定的1.5 V （初始的电压可能更高一点）。当 电压降到1.0V时，我们可以认为电池耗尽了。普通锌锰电池的构成：负极是Zn片，正极是MnO2,电解质是糊状的NHQI。负极：Zn 2e- = Zn 2+正极：
10、2MnO 2 + 2NH 4+ + 2e- = Mn 2O3 + 2NH 3 + 出 0总反应：Zn + 2MnO 2 + 2NH4+ = Zn2+ + Mn2O3 + 2NH 3 + H2O 碱性锌锰电池的构成：负极是Zn粉，正极是Mn。？，电解质是负极：Zn + 2OH - 2e- = Zn(0H ) 2正极：2MnO2 + 2 出 0 + 2e- = 2MnOOH + 2OH -总反应：Zn + 2MnO 2 + 2H2O = 2MnOOH + Zn(OH) 23.3.1实验方法采用“电压一时间方式，同时采集两种电池的电压变化数据。实5。KOH溶液验装置见图图6实验电路图将3个2.5伏特
11、的灯泡并联，连接成如图6所示的电路，用电压传 感器与电池两极相连。5 QA&渥整C田爭I二田席050100=时间份）二图7电池使用寿命的比较实验332结果与分析普通锌锰电池、碱性锌锰电池使用寿命的比较实验数据见图7。结果表明：在32分钟时普通锌锰电池的电压已经降到1.0V以下，而碱 性锌锰电池的电压 在100分钟时仍然在1.0V以上。说明后者的使用寿 命至少是前者的三倍以上4体会通过对原电池反应中温度变化的测定，清晰地表明了化学变化中的能量守恒规律。并且我们得知在原电池中化学能向电能的转化所占比例远大于热能，转化过程中只有极少一部分转化成热能。通过不同金属电极之间电压的测定，可以预测其它金属电
12、极之间的电压值，这一点很有意义，通过相关规律我们可以预知哪些化学反应可以自发进行，以及发生反应的程度如何。为我们今后对原电池的 相关问题做出判断提供了事实依据。另一方面，在滤纸上形成的微型 原电池也使我们大开眼界通过电池使用寿命的比较实验可以发现，碱性锌锰电池的使用寿 命是普通 锌锰电池的三倍以上。两者的电极相同，电极反应基本相似， 区别在于负极的 物理形状和电解质成分。实验表明，粉状的电极与强 碱性的电解质更有利于锌 锰电池的化学能高效转化成电能。 另一方面， 两者的市售价格分别是：碱性锌 锰电池 1.92 元/粒，普通锌锰电池 0.66 元/粒，显然购买碱性锌锰电池更实惠。 这也就是为什么现在普通锌锰 电池的市场份额越来越小的原因。总结： 在实验探究的过程中我们还深刻地体会到，数字传感器的应用使 实 验数据多角度、全方位、同步化，实验操作更加方便、快捷。同时 也进一步认 识到只有用严谨、 认真的科学态度来对待实验才能获取真 实、有效的实验数据。
