1、原電池性質的系列實驗探究原電池性質的系列實驗探究鄭理 賀濟瓊 潘震 趙可嘉 北京十二中高一（ 2）班 指導教師：鄭曉紅 首都師范大學附屬麗澤中學 摘要： 利用數據采集器和傳感器等儀器，測試了原電池中溫度的變化、電壓大小 的變化，以及不同電池的使用壽命等，并對實驗數據進行了分析和討論。 關鍵詞： 原電池 傳感器 實驗探究1 問題的提出原電池是將化學能轉化成電能的裝置。 根據我們近來所學原電池的 相關內容，對原電池的相關性能進行了探究。當化學能轉化為電能的 過程中，溫度的變化是否明顯？化學能主要轉化為電能還是熱能？什 么因素與原電池電壓的大小有關？通過試驗能定性總結出什么相關的 規律？普通鋅錳電池

2、與堿性鋅錳電池哪一種更耐用？購買時選擇那種 電池更實惠？為了弄清這些問題，我們利用數據采集器和傳感器 等儀器，通過以下幾個實驗進行了探究。2 材料與儀器2.1 藥品、材料：1 mol / L CuSO4 溶液，1 mol / L ZnSO4 溶液，1 mol / L MgCI 2 溶液， 1 mol / L FeCh溶液，1 mol / L AgNO?溶液，飽和 KNO3溶液，Cu 片， Zn片，Mg粉，Mg條，Fe片，鍍Ag鐵片，1.5V、5號普通鋅錳電池 和堿性鋅錳電池（三圈牌，福建廈門產） 。2.2 儀器：計算機，威尼爾牌（Vernier，美國）數據采集器以及電流、電壓、JIJI J J

3、 - - - - - - - - J J 302030200 0 (匕，簽 O溫度傳感器；磁力攪拌器等。3實驗方法與結果分析3.1化學反應、原電池反應中能量變化的測定3.1.1實驗方法化學反應中溫度變化的測定：用“溫度一時間”方式采集數據。在100mL燒杯中加入 60 mL的1 mol / L CuSO4溶液，用溫度傳感器測溫， 用磁力攪拌器加以攪拌，待溫度顯示恒定后加入 1g Mg粉。采集化學 反應過程中溫度的變化情況。原電池反應中能量變化的測定：用“溫度一時間”、“電流一時間”兩種方式同步采集數據。在100mL燒杯中加入60 mL的1 mol / L CuSO42D406080圖1 化學反

4、應中溫度變化實驗測定在 100mL 1 mol/L 61SO4洛液 中加入1 gMg粉3 30 02 20 0204060Q 時間砂）=300.6-& -4 4 衛IOLIOL0101在mL 1 mol/L CuSO4溶液中ffiACu 片、Mg片，與電流怙感器形成閉合電路。J u |CL Cl-r-1 -r -1 -1020406030Q 時間砂）二圖2原電池反應中能量的變化實驗測定溶液，用溫度傳感器測溫；用導線將電流傳感器上的正極一端與 Cu片 連接，用另一導線將電流傳感器上的負極一端與 Mg條連接；用待溫 度顯示恒定后，同時將Cu片、Mg條平行插入CuSO4溶液中。采集原 電池反應中溫度

5、、電流的變化情況。3.1.2結果與分析化學反應中溫度變化的測定結果見圖1。由數據圖可以清楚地發現： 化學能與熱能之間通過化學反應可以直接轉化。原電池反應中能量變化的測定數據見圖 2。由數據圖說明：在原電池反應中，化學能絕大部分轉化成了電能。體系的溫度只有極小的升 高，說明有極少量的化學能與熱能之間發生了轉化。3.2 探究與原電池電壓大小相關的因素 原電池利用氧化還原反應產生電能。利用鹽橋可以將原電池裝置中的 氧化反應、還原反應分離開來。本實驗利用浸有飽和 KNO3 溶液的濾 紙來代替鹽橋，將原電池裝置微型化，可以方便地測定不同金屬電極 之間的電壓值。如果電壓顯示為正電壓，說明與電壓傳感器正極端

6、相 連的金屬離子被還原，與電壓傳感器負極端相連的金屬被氧化；反之， 如果電壓顯示為負電壓， 說明與電壓傳感器正極端相連的金屬被氧化， 與電壓傳感器負極端相連的金屬離子被還原。比較幾對金屬電極的電 壓值，就能得到這些金屬的還原性順序。3.2.1實驗方法采用電壓傳感器，采集實驗數據。 取一張濾紙，裁剪成如圖 3 所示的形狀，放在合適的培養皿中；在 濾紙相互間隔的位置上分別滴加 3滴1 mol / L CUSO4溶液、1 mol / L FeCI3 溶液、1 mol / L Zn SO4 溶液、1 mol / L MgCl 2 溶液、1 mol / L AgNO3 溶液，再分別在各自鹽溶液上放上 C

7、u 片、 Fe 片、 Zn 片、 Mg 條、鍍 Ag 鐵片（注意金屬表面要打磨，金屬的上面保持干燥） ；用飽和 KNO3 溶液潤濕濾紙的中央部分，使各電極之間連接起來。如圖 3 所示。實 驗測量過程中用電壓傳感器的兩個探頭分別與不同的金屬表面接觸， 示值穩定后保存數據。圖3不同金屬電極之間電壓測定裝置322結果及分析實驗結果數據圖見圖4。通過實驗可以發現，不同的金屬電極之間 有不同的電壓值，而且具有一定的規律。將實驗數據加以整理，可得 到如下結論。(1)金屬還原性由大到小的順序是：Mg Zn FeCuAg(2)金屬電極之間還原性差異越大，組成的原電池電壓絕對值越大(3)不同金屬電極之間的電壓值

8、可以通過相互比較來預測。實驗統計測量次數正極測量次數正極1Cu2Cu345678910CuCuAgAgAgFeFeZn負極負極AgFeZnMgFeZnMg2nMgM呂測量次數電壓 rtft特）1-0.44020.55631 03141.67151009B1 47772.11480.47391.1111100.636數據表明預測值的相對偏差均小于士 2% ,準確度較高。表1是預測與實測的統計結果表1不同金屬電極之間實測電壓值與預測電壓值的比較正極/負極預測電壓（V）測得電壓（V）相對偏差（）Ag / Fe0.556 -（ -0.440）= 0.9961.0091.3Ag / Zn1.031 -（

9、 -0.440）= 1.4711.4770.4Ag / Mg1.671 -（ -0.440）= 2.1112.1140.1Fe / Zn1.031 0.556 = 0.4750.473-0.4Fe / Mg1.671 0.556 = 1.1151.111-0.4Zn / Mg1.671 - 1.031 = 0.6400.636-0.6注：預測電壓以各電極與 Cu電極之間形成的電壓為標準。 相對偏差=（測得電位-預測電位）/預測電位3.3普通鋅錳電池、堿性鋅錳使用電池壽命的比較5號電池的電壓都是額定的1.5 V （初始的電壓可能更高一點）。當 電壓降到1.0V時，我們可以認為電池耗盡了。普通鋅錳

10、電池的構成：負極是Zn片，正極是MnO2，電解質是糊狀的NH4CI。負極：Zn 2e- = Zn2+正極：2MnO2 + 2NH4+ + 2e- = Mn2O3 + 2NH3 + 出0總反應：Zn + 2MnO2 + 2NH4+ = Zn2+ + Mn2O3 + 2NH3 + H2O堿性鋅錳電池的構成：負極是Zn粉，正極是Mn。？,電解質是KOH 溶液。負極：Zn + 2OH- 2e- = Zn(0H)2正極：2MnO2 + 2出0 + 2e- = 2MnOOH + 2OH-總反應：Zn + 2MnO2 + 2H2O = 2MnOOH + Zn(OH) 23.3.1實驗方法采用“電壓一時間”方

11、式，同時采集兩種電池的電壓變化數據。實 驗裝置見圖5。將3個2.5伏特的燈泡并聯，連接成如圖6所示的電路，用電壓傳5.5.O.O11 .1.1& 渥整C田爭【 二田tf,5,5D.D.05050100100= 時間份）二圖7電池使用壽命的比較實驗332結果與分析普通鋅錳電池、堿性鋅錳電池使用壽命的比較實驗數據見圖 7。結 果表明：在32分鐘時普通鋅錳電池的電壓已經降到 1.0V以下，而堿 性鋅錳電池的電壓在100分鐘時仍然在1.0V以上。說明后者的使用壽 命至少是前者的三倍以上。4體會通過對原電池反應中溫度變化的測定，清晰地表明了化學變化中的能量守恒規律。并且我們得知在原電池中化學能向電能的轉化所占比 例遠大于熱能，轉化過程中只有極少一部分轉化成熱能。通過不同金屬電極之間電壓的測定，可以預測其它金屬電極之間的電壓值，這一點很有意義，通過相關規律我們可以預知哪些化學反 應可以自發進行，以及發生反應的程度如何。為我們今后對原電池的 相關問題做出判斷提供了事實依據。另一方面，在濾紙上形成的微型 原電池也使我們大開眼界。通過電池使用壽命的比較實驗可以發現，堿性鋅錳電池的使用壽 命是普通鋅錳電池的三倍以上。兩者的電極相同，電極反應基本相似， 區別在于負極的物理形狀和電解質成分。實驗表明，粉狀的電極與強 堿性的電解質更有利于鋅錳電池的化學能高效轉化成電能。 另一方面， 兩者的