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关于电池原理的问与答

来源:未知作者:玉素甫 点击:所属专题: 化学电源
一、为什么电子要“曲折”的到另一极放电? 【通常的解释】:两极是活泼性不同的材料。 【追问】:为什么活性不同就构成电池? 【通常的解释】:电极材料可以部分溶解,例如 Zn→Zn 2+ + e - ;Cu→Cu 2+ + e - 。溶液中的Zn 2+ 与电极材料表面的电子构成双电层,铜极也

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一、为什么电子要“曲折”的到另一极放电?

【通常的解释】:两极是活泼性不同的材料。

【追问】:为什么活性不同就构成电池?

【通常的解释】:电极材料可以部分溶解,例如Zn→Zn2+ + e-;Cu→Cu2+ + e-。溶液中的Zn2+与电极材料表面的电子构成双电层,铜极也是如此;两极都存在金属离子溶解和析出的平衡。因为Zn比较活泼,溶解的程度会大一些,电子富集的更多,可以跑到Cu极反应。

【追问】:按此模型,双电层中Zn2+与固体表面的e-电荷数是相等的,铜极亦然。若Zn极的电子跑到Cu极,必然引起Cu极负电荷增多,Cu2+与电子的电荷平衡就会被打破,Cu2+难道不会阻碍电子过来吗?

【回答】:好像的确如此?那怎么办呢?

【我们的解释】:对于锌酸电池,H+有向Zn要电子的趋势,这种争夺可以在Zn表面上发生,因为Zn与Cu的连接是导体,电子可以自由传递,H+在Zn-Cu连接体的各个部位获取电子都有可能,于是H+在Cu表面上获取一些电子也不足为奇了。

【衍生的教学价值】:H+向Zn-Cu都可以要电子,向Zn直接要电子,发生的是直接氧化还原;从Cu表面得电子,发生的是电池反应。这样,Zn表面仍然有气泡就不必恐慌,很正常,也不必担心学生看到这一副现象。还可告诉学生,若要求描述电池反应时,就是Cu表面有气泡,因为Zn表面的气泡不是电池反应,这样与考试也不矛盾。

二、为什么这种“曲折”的放电速率还更快?

【通常的解释】:Zn→Zn2+ + e-,生成的正电荷会阻碍H+在Zn表面放电,而H+在Cu表面放电是没有障碍的“绿色通道”。

【追问1】:在钢铁的电化学腐蚀中,O2不带电荷,不会受排斥,为什么在碳颗粒表面放电,腐蚀速度会加快呢?

【追问2】:电池是要供电的,为什么这种“曲折”的放电还能驱动电器工作?仅靠电荷迁移之间的排斥作用有这么强的效果吗?

【我们的解释】:任何反应都不是两种物质分子一接触就直接发生,要经过复杂的历程,期间还要跨越能量的障碍(能垒,关于电池原理的问与答活化能),或者说有“动力”,也有“阻力”。电极反应也是如此,H+在金属表面获得电子也会遇到一定的“阻力”,在不同的金属表面遇到的“阻力”大小不同。一般情况下,金属越惰性,“阻力”越小,于是H+就优先在Cu或C表面放电了。金属腐蚀中O2的放电也是类似。

但是“一般情况下”也有例外,尽管Hg比Zn等惰性,但“阻力”却大很多,因此Zn-Hg连接体就不会构成电池,H+优先选择直接接触放电了。这种“阻力”其实就是关于电池原理的问与答超电势

【衍生的教学价值】:建立的模型更具有通用性,不必强调活性不同的电极材料,因为的确很多反应不需要活性不同的电极材料,例如氢氧燃料电池。抓氧化剂与还原剂之间的电子竞争,才是抓住了电池原理的核心。

三、为什么氢气与氧气燃烧不能自动发生,而在电池中可直接进行?

【通常的解释】:不点燃,反应也能发生,但是速率太慢了。

【追问】:燃料电池是如何改变速率的呢?

【我们的解释】:空气中的燃烧反应,是关于电池原理的问与答关于电池原理的问与答自由基反应,由分子变成自由基(孤立原子或者分子片段)所需的能量较高,不引发很难进行。但一旦引发,后续反应可不断进行。在电池中,反应机理不同,H2变成H+(水合氢离子),O2变成OH-。H+和OH-在水溶液中都是可以稳定存在的,越稳定说明其能量状态越低(自由基不稳定,所以能量高)。这样来看,由分子变成溶液中的离子,所需要的能量就比变成自由基低多了,以至于在室温下就可以发生。

如果没有水,设想H2变成H+(气态离子),那得需要多少的能量?反应也不能发生。——水是H+和O2放电的场所。

【衍生的教学价值】:(1)电池的另一构成条件,放电的场所,给H+以去处,这个场所就是水。(2)化学变化的机理是复杂的,改变机理可以改变速率,改变反应发生的条件。(3)催化剂之所以能够改变速率,就是因为改变反应历程,优化催化剂是改进氢氧燃料电池的重要途径。

四、关于电池原理的问与答盐桥有什么实用价值?

【常见的解释】:如果把Zn跟H+放在一个烧杯里,必然有Zn与H+的副反应,这样的电池能量转化率不高,用盐桥可以把氧化剂和还原剂隔开,提高能量转化率?

【追问】:实用盐桥是提高能量转化率的常见措施吗?

【我们的解释】:盐桥是一个大电阻,因此有盐桥的电池内阻很大,测其电压还可以,测电流非常微弱。因此带盐桥的电池没有实用价值,不是用来减少副反应的,实用电池也没有带盐桥的。盐桥电池只是一个理想模型,用于测关于电池原理的问与答电极电势的。(盐桥提供离子通道,连通电路,消除液接电势,使电极电势的测量更准确,参见课程文本。)

【衍生的教学价值】:带盐桥的电池虽然装置比较复杂,但从思维上讲其实是一个简单的模型。它把氧化剂,还原剂分开,互补干扰,不搅和在一起。这样建立的电池模型就是:氧化剂和还原剂电子竞争,外电路-导线,内电路-离子。更符合电池模型的本质,想想也不复杂。

五、电解质溶液是否必需?

【常见的解释】:必须的,没有离子就无法导电。

【追问】:为什么氢氧燃料电池用纯水就可以了?手机的锂离子电池也需要电解质溶液吗?

【我们的解释】:它们用的是离子交换膜,可让某种离子选择性透过。例如氢氧燃料电池中用的是质子交换膜,可以让H+穿过;锂离子电池中用的是Li+可以透过的膜。它们不是靠电解质溶液中的离子迁移导电,而是电极反应生成的离子直接穿过膜形成通路。

【衍生的教学价值】:可以将电解质溶液这个条件改造为“离子通道”。

六、建立怎样的电池模型?

1)氧还反应:氧化剂、还原剂竞争电子——反应动力

2)放电载体:H+和O2的放电都需要在水体系存在,碳棒起到放电载体(在其表面得失电子)和汇集电子的作用。Zn片放电,其本身就是电子汇集体。

3)闭合电路:外电路——电子通道,内电路——离子通道(电解质溶液、膜材料)

【衍生的教学价值】:更体现本质,不容易使学生形成对电池原理的错误认识;更具有通用性,据此进行电池拆解和设计也更容易;思维过程也并不复杂,便教利学。

(责任编辑:化学自习室)
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