中学化学原电池实验的创新设计

广东深圳实验学校（518055）林进太

一、问题的提出

在中学化学课程中，原电池实验具有十分重要的地位和作用，对于学生学习原电池的历史、掌握原电池原理、感受化学能转化为电能的过程有较大的帮助。受篇幅的限制，化学教材内容的编排略为简洁，教材中仅仅用铜锌原电池（锌片和铜片连接电流表浸泡在稀硫酸溶液中）来证明“化学能可转化为电能”。但这种简易的铜锌原电池连接用电器（小灯泡等）时难以得到明显的实验现象，在实际教学中，学生普遍感到证据不足，说服力不强，无法直观地感受化学能到电能的转化过程。文献调研发现，水果电池、盐水伏打电池等演示实验一直存在电压小、电流不稳定、现象不明显等问题，导致相关的实验不易成功。因此，创新设计中学化学课堂的原电池实验很有必要，也很有意义。

二、原电池实验的创新设计

利用实验室和生活中常见的材料，笔者设计了三种可用于中学化学教学演示的原电池实验，即水果电池实验、铜锌苹果醋电池实验以及镁空气电池实验，并使用便携的数字化传感器，对比探究了不同原电池实验的优缺点并逐步加以改进，最终设计出的简易电池装置能够使生活中多种常见的用电器工作（包括LED 二极管、电子手表、风扇、玩具小车、手机等），达到了很好的实验演示效果。

（一）传统的水果电池实验

选用苹果、香蕉、橙子、柠檬等水果以及土豆，将它们均匀切成四份，每份相当于一个电池组；铜片和锌片作为极片，并在铜片和锌片上标注好分度值，以便做深度标记。实验时将铜片、锌片等深度、等宽度地插入水果及土豆中，接上用电器，形成闭合回路。采用数字化电压传感器测试电池组电压，并记录数据（见表1）。

表1 不同电池组电压变化情况

实验数据表明，不同种类的水果以及土豆串联组成的电池组电压略有不同，其中柠檬富含电解质溶液其电压最大，其余几种水果以及土豆相差不大。因此电压应该与水果所含的电解质溶液有关。柠檬中富含柠檬酸，离子浓度较其他水果大。但由于柠檬价格较贵，其余水果和土豆组成的电池组电压差异不大，因此作演示实验或分组实验时，使用普通的廉价土豆即可。同一种水果，电极插入越深，得到的电压越大，这是因为电极插入越深，则与电解质溶液的接触面积越大，电子更容易在电极上发生得失。因此，若采用水果电池作演示实验或分组实验，电极插入水果应尽可能深，以保证有较大的电压。

图1 水果电池的供电情况

如图1 所示，单个铜锌水果电池的电压仅为0.87 V 左右，无法达到大多数用电器的启辉电压，就连电子手表都无法启动。根据物理学知识可知，电路的串联可以增大电压。串联两个水果电池时，电压达到1.7 V 左右，可启动电子手表显示读数。串联4 个水果电池时，可使LED 二极管发光，此时电压大约为3.35 V。但串联更多水果电池并不能使LED二极管变得更亮，反而有变暗的趋势。这是因为串联的电池数越多，电池内阻越大，导致电流变小。

（二）可串联的铜锌苹果醋电池实验

由于单个水果电池电压很小，而串联多个水果电池虽然能增大电压，但要消耗较多水果，成本较高，且多个水果电池串联在一起，装置笨重，不利于演示与携带。笔者试图改进电池组的串联装置：用市面上可购到的苹果醋代替水果作为电解质溶液；使用制冰盒作为隔板；采用电压传感器检测所得电压。装置如图2所示。

图2 铜锌苹果醋电池的供电情况

随着串联电池个数目的增加，电池组的电压不断增大。当串联电池达19 个时，电压超过了12 V，此时连接LED 二极管、电子手表，均能顺利启动。但连接普通灯泡、风扇、手机等用电器仍无法顺利工作，没能达到预期的效果。

用灵敏电流表测得串联20 个电池得到的电流仅为0.4 mA。尽管串联电池组能让电压增大直至达到用电器的用电要求，但如果电流太小，根据物理公式：P=UI，用电器依旧无法达到工作的最小功率。

（三）新型的镁空气电池实验

电池的电压取决于电极反应中电极电动势的相对大小，而铜锌原电池两电极反应的标准电极电动势相差仅为0.76 V，因此电压始终太小。若想增大单个电池的电压，必须更换电池材料或应用其他氧化还原反应原理。在查阅资料后，笔者设计了镁空气电池并开展实验探究。镁空气电池中，活泼金属镁片作负极，石墨片作正极，食盐水做电解质溶液。装置如图3所示。

图3 镁空气电池的电压和电流测试情况

采用电压传感器和电流传感器分别记录单个镁空气电池的电压和电流数据，结果显示，单个镁空气电池电压可达到1.74 V，且电流可达到0.03 A，远大于上述的水果电池和铜锌苹果醋电池。此外，笔者还发现不同于水果电池和铜锌苹果醋电池，镁空气电池的电流不会随串联电池数的增加而减小，反而会增大。这有利于串联电池对用电器进行供电。数据显示串联3个电池，电流增加到0.07 A；串联5 个电池，电流增加到0.13 A；串联4 个电池，电压即可达到6.7 V，可以满足许多USB 接口供电的用电器需求。测试情况如图4所示。

图4 镁空气电池的电压和电流测试情况

实验中利用单个镁空气电池便可以让电子手表、蜂鸣器、转动器（普通马达）等用电器工作，如图5所示。

图5 单个镁空气电池的供电情况

由于LED 二极管和普通灯泡的启辉电压约为3 V，单个镁空气电池无法使其发光。当串联两个镁空气电池时，其电压约为3.5 V，可以观察到与之相连的LED二极管和普通灯泡均发出明亮的光（如图6），说明功率很适合，电压和电流也很匹配。

图6 串联的镁空气电池的供电情况

电压传感器显示当串联4 个镁空气电池时，电压便能达到5 V 以上。一般手机充电设备的电压约为5 V。测试显示，当串联4 个镁空气电池时，电压虽超过5 V，但手机屏幕并没有亮起。当串联数达到5 个时，手机屏幕随即亮起，显示手机正在充电（如图7）。这是因为镁空气电池相对于普通的电源而言，电流太小，因此需要较大的电压才能达到所需功率，使手机启动。

图7 用串联的镁空气电池给手机充电

为了测试镁空气电池对用电器的供电情况，笔者还测试了其他常见的用电设备，包括USB 风扇、玩具小车。结果如图8 所示：当串联5 个镁空气电池时，USB 风扇顺利转动，玩具小车则用单个镁空气电池便能驱动。

图8 镁空气电池为USB风扇、玩具小车供电

为了进一步研究镁空气电池放电的过程，我们将放电前后电极的表面进行了对比。从图9 中可以看出，作为负极的镁片在放电前后变化较大。根据氧化还原反应原理，负极上发生的反应为：Mg-2e-=Mg2+，正极上发生的反应为：O2+4e-+2H2O=4OH-。随着电池放电的进行，溶液碱性不断增强，电解质溶液中会有Mg（OH）2沉淀生成，有部分直接附着在镁片的表面上，且镁片逐渐被消耗。而石墨电极（正极）作为O2反应的载体，基本没有消耗，可以循环利用。电池用完后更换镁片就可以继续使用了。

图9 镁空气电池放电前后极片表面变化图

基于镁空气电池的良好性能，笔者在实验室找到了宽而厚的镁片和石墨片，尝试设计电量比较大的持久供电装置。串联6 个这样的镁空气电池，得到一个“大电源”，其供电情况如图10 所示。测试结果显示，这样的“大电源”不仅能够对移动电源（充电宝）进行充电，同时还能够支持多个用电器同时工作。在实验中，对装有灯泡的电池进行监测，结果灯泡能够持续发光300 个小时以上，说明该电池在300个小时内依旧保持较大的电量。

图10 大容量的镁空气电池供电情况

三、结论

从上述三种原电池实验可知，水果电池和铜锌苹果醋电池都存在单个电池电压小的缺点。虽然通过串联多个电池可以增大电池组的电压，但会使得电池组内阻增大，电流变得很小，无法启动用电器。而单个镁空气电池电压较大，且多个电池串联不仅不会使电流变小，反而使电流增大，因此有利于为用电器供电。简易的镁空气电池不仅能够使电流表偏转、LED 二极管发光、蜂鸣器发出响声、风扇转动、玩具小车行走等，还能够给手机充电，达到很好的实验演示效果。同时，镁空气电池使用方便，放电持续稳定，放完电后，只需要更换镁片便可重复使用。如换用质量、表面积、厚度都较大的镁片，该电池装置可以实现长时间大容量的放电，能够给充电宝充电，给多个用电器同时供电。可见，镁空气电池实验比水果电池实验和铜锌苹果醋电池实验的实效性、可行性更强，可作为中学化学教学的演示实验。