化学自习室移动版

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，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、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。