探究原电池中以离子为载荷体部分的电特性

摘要

采取控制变量等方法，探究不同盐桥对原电池电动势及输出性能的影响，并分析了电池内部的电压分布与内阻特性。实验结果表明，在锌-硫酸原电池中，锌片是主要的放能部分。同时，探讨了盐桥浓度、凝胶强度等因素对盐桥电阻的影响。在实验过程中，还观察并记录了一些未知的特殊现象，以及讨论了离子电流可能的发展前景。

关键词

锌-硫酸原电池 / 盐桥 / 电压

在课堂学习原电池原理^［1］时，我们关注到教材范畴之外的一类电流。经初步探究，发现这类电流有一个极其特殊的地方——以阴阳离子为载荷体。这一特性与传统的电子电流存在本质差异，具有独特的物理性质与应用潜力，值得深入探究。以下研究旨在通过系统的实验，揭示其基本规律，并探索其潜在的实际应用价值。

1 研究过程与分析

1.1 实验原理

（1） 盐桥形成原理。

参加反应的物质间有电子转移或偏移的化学反应称为氧化还原反应。在氧化还原反应中，还原剂失去电子被氧化，其对应元素的氧化值增大；氧化剂得到电子被还原，其对应元素的氧化值减小。物质氧化还原能力的强弱可以根据相应电对的电极电势大小来判断：电极电势越大，电对中氧化型的氧化能力越强；电极电势越小，电对中还原型的还原能力越强。

根据电极电势的大小，可以判断氧化还原反应的方向。当氧化剂电对的电极电势大于还原剂电对的电极电势时，即E=φ（氧化剂）-φ（还原剂）>0时，反应能正向自发进行。

（2） 磁场促使结晶实验原理。

外加磁场会对载荷体产生洛伦兹力，且洛伦兹力不做功，故而磁场会改变电流流动的方向，进而改变电流的通路，这一过程不会改变电路的总电压，但可能会影响电路的有效电阻以及电路中电压的分配情况。

盐桥当中由于同时存在阴离子与阳离子构成的电流，故当某一电性的载荷体偏向于导体的某一方向时，另一种相反电性的载荷体会受到同向的洛伦兹力与库仑力作用，也向同一方向迁移，从而抵消电荷分配不均产生的电压，此时离子密集于某一处使该处的离子浓度过高，可能会打破沉淀溶解平衡，产生结晶现象。

1.2 实验器材和实验药品

（1） 实验器材：烧杯2只、电压表2个、原电池实验器、导线若干、磁铁2块、锌片（Zn）、铜片（Cu）、电键1个、砂纸。

（2） 实验药品：硫酸溶液（H₂SO₄）、硫酸锌溶液（ZnSO₄）、氯化钾盐桥、氯化钠盐桥（两盐桥中电解质浓度相同）。

1.3 实验结果与分析

（1） 实验一：探究影响盐桥电阻的可能因素及原电池各组分电压的分布情况。

【实验步骤】①盐桥的制备：量取30 mL（根据U形管体积确定）饱和KCl溶液（或等浓度NaCl溶液）并放入烧杯中，加入0.75 g琼脂，加热至近沸腾，用玻璃棒搅拌均匀。待琼脂溶解变成清亮状态时，停止加热，趁热将溶液倒入U形管中并装满。静置，冷却至室温后备用。

②在50 mL烧杯中加入25 mL 1 mol/L ZnSO₄溶液，插入用砂纸打磨过的锌片。在另一个50 mL烧杯中加入25 mL 0.005 mol/L H₂SO₄溶液，插入用砂纸打磨过的铜片，与锌片组成原电池，两烧杯间用饱和KCl盐桥连接。

③测量内外电路电压：将外电路直接接入电压表与电键，闭合电键，待指针稳定后读数，断开电键；将电压表的两个接线柱连接锌接线柱与铜接线柱，闭合电键，待指针稳定后读数，断开电键，撤去电压表；将电压表的两个接线柱与锌接线柱和铜片相连，闭合电键，待指针稳定后读数，断开电键，撤去电压表；将电压表的两个接线柱接入铜片与锌片，闭合电键，待指针稳定后读数，断开电键。

④更换盐桥：将氯化钾盐桥改为氯化钠盐桥，重复以上操作。

【实验结果】不同电路中各组分电压如表1所示。

【结果分析】锌片两端的电压为其他部分电压之和，铜片两端电压几乎不变，故原电池中锌电极的反应为放能反应，氢气生成反应几乎无能量变化。更换盐桥后内外电路电压发生明显变化，可见等浓度氯化钠盐桥导电性强于氯化钾盐桥，从而揭示了离子荷质比是影响盐桥电阻的因素之一。

（2） 实验二：探究外加磁场对原电池电流电压的影响。

【实验步骤】①盐桥的制备：量取30 mL（根据U形管体积确定）饱和KCl溶液（或等浓度NaCl溶液）并放入烧杯中，加入0.75 g琼脂，加热至近沸腾，用玻璃棒搅拌均匀。待琼脂溶解变成清亮状态时，停止加热，趁热将溶液倒入U形管中并装满，静置，冷却至室温后备用。

②在50 mL烧杯中加入25 mL 1mol/L ZnSO₄溶液，插入用砂纸打磨过的锌片。在另一个50 mL烧杯中加入25 mL 0.005 mol/L H₂SO₄溶液，插入用砂纸打磨过的铜片，与锌电极组成原电池，两烧杯间用饱和KCl盐桥连接。

③外加磁场：将磁铁放在盐桥的两端，并在外电路接线柱两端接入电压表，观察现象。

【实验结果】各表指针没有明显变动，4 min内盐桥内部没有任何变化。

【结果分析】外加磁场对盐桥内部的电流没有产生任何影响或者影响可忽略不计。对于实验二没有明显的结果，作出的可能分析：笔者基于高二学习水平理论考虑欠佳，有未考虑到的部分；实验中的电流太过微弱，导致结果不明显。

2 实验反思

2.1 实验中的注意事项

（1） 在制备盐桥时要注意均匀混合与充分冷却，也要注意盐桥中电解质浓度不要过高，否则将无法构成原电池。

（2） 盐桥相对脆弱，在实验中当小心对待，避免高速移动或磕碰引起琼脂从中间断裂，使其无法构成原电池。

（3） 注意实验时间，长时间实验会导致原电池电压减小，从而影响实验结果。

笔者希望能以该实验为引子，引起人们对离子电流的关注并将其应用于社会实践当中。

2.2 实验中的异常现象

（1） 在测量电压时，将导线在溶液内任意移动，内电路与外电路电压表指针均未发生任何变化。

（2） 在电键闭合时，将灵敏电流计两端接入溶液中，电流计有示数，但外电路电压表指针无可观变化。

（3） 在实验时，将电压表作为理想电压表，但可计量原电池的内阻约为200 Ω，而经查询电压表内阻仅1 000 Ω左右，这时的电压表不可视为理想电压表。因为理论计算对应的结果与实际数据产生较大出入，具体表现为：在接入电压表改变电路电阻时，外电路电压表示数不变，接入溶液中的电压表示数明显高于理论数值。

2.3 潜在应用价值

（1） 在原电池的反应池与盐桥当中，电流的载荷体为离子，且不同离子对电路影响不同，此性质可用于对特殊离子的分辨。

（2） 如上所述的结晶可能用于分离纯化物质与表面附层等。

（3） 若对该电流外加电场，就会导致正负离子的分离，可用于离子电容的制备、阴阳离子的单独分析等。

（4） 若以交流电激发离子电流，甚至可以排除物质损耗问题。

参考文献

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书化学选择性必修1·化学反应原理［M］.北京：人民教育出版社，2019.