化学自习室移动版

问题1、如何做好铜锌原电池的实验？

在铜锌原电池中，用稀硫酸做电解质溶液，锌表面的气泡有可能比铜表面的气泡还多，有没有什么好的方法能做出铜片上有大量的气泡，而锌片上尽量不产生气泡呢？

如果用单池原电池(不用盐桥)，没有纯锌(100%)，所以不可避免地会发生自腐蚀现象，即在锌的表面会有气泡产生。但是可以通过一些办法，减少气泡的产生，例如降低酸的浓度等。

引用一位老师关于铜锌原电池的演示建议：

1、使用电流表，引导学生关注电流表的偏转，从而说明原电池的存在。该实验可以在玻璃片上，用浸泡过稀硫酸的滤纸代替烧杯所装溶液。实验经过小型化之后，可以放在实物展示台上演示，并投影出来，使电流表的偏转现象更明显。由于使用滤纸，因此，气泡比较少，可以避免气泡在锌电极上过于明显而不好说明原电池原理。

2、建议不用硫酸做电解质溶液，而改用硫酸铜溶液，虽然锌在硫酸铜溶液中也会有少量析氢现象，但是远不如硫酸中那么明显。

3、如果一定要用硫酸做电解质溶液，浓度建议不要太高(＜1mol/L)，而且可以将锌电极稍微汞齐化一下，如将锌片浸泡在HgCl₂溶液中1~2min后取出使用。如果往硫酸中滴加少量双氧水，则效果更好，可以发现铜电极上有气泡，而锌电极上几乎没有气泡。另外，还需要注意的是久置的锌表面为碱式碳酸锌，浸泡在酸溶液中，不可避免地会有CO₂气泡产生，因此实验前对锌的表面处理也非常关键。

还有，此实验也可采用双池原电池(即使用盐桥)，将锌插入硫酸锌溶液，形成负极，将铜插入硫酸铜溶液，形成正极，可以避免气泡的产生。

武汉汤老师提出可用凡士林涂抹在锌片上，气泡几乎看不到。

问题2、如何理解盐桥？

(1)盐桥的工作原理是什么？

盐桥：在U型管中装满用饱和KCl溶液和琼胶作成的冻胶。

单液电池中，负极Zn棒失去电子成为Zn^2＋进入溶液中，正极Cu^2＋获得电子沉积为Cu，反应进行一定时间后，由于阴阳离子向两极移动速度不够快又不一致，溶液会因带电离子的积累(ZnSO₄溶液中的Zn^2＋过多而带正电，CuSO₄溶液中的SO₄^2－过多而带负电)产生与原电池正负极反向的液差电势，从而使溶液不能保持电中性，继而阻止放电作用的继续进行而阻碍电子的转移。但有盐桥存在时，盐桥中饱和氯化钾提供了大量的阴阳离子，盐桥中的Cl^－会移向ZnSO₄溶液，K^＋移向CuSO₄溶液，中和过剩的电荷，这样就避免了两个烧杯中溶液的离子浓度不同产生的液差电势。且钾离子与氯离子向两极迁移速率基本一致，使ZnSO₄溶液和CuSO₄溶液继续保持电中性。于是，锌和CuSO₄的氧化还原反应继续进行，从而不断产生电流。

因此，盐桥中离子的定向迁移构成了电流通路，盐桥既可沟通两方溶液，又能阻止反应物的直接接触。

盐桥保障了电子通过外电路从锌到铜的不断转移，使锌的溶解和铜的析出过程得以继续进行。导线的作用是传递电子，沟通外电路。而盐桥的作用则是沟通内电路，补充电荷，维持电荷平衡，消除液接电势。

参考文献新课程“盐桥”知识探讨与总结

(2)有盐桥的原电池中，1个烧杯中的离子能否通过盐桥迁移到另一个烧杯中？

盐桥两边的烧杯中离子当然有迁移，但是，溶液中离子的迁移速度要远远慢于电子移动的速度！所以，单液电池两极间由于阴阳离子向两极移动速度不够快又不一致，一段时间后即会产生与原电池正负极反向的液差电势，为克服这一问题，才引入双液和盐桥装置。盐桥中饱和氯化钾提供了大量的阴阳离子，且钾离子与氯离子向两极迁移速率基本一致，这样就避免了两个烧杯中溶液的离子浓度不同产生的液差电势。但电极附近仍然是涉及电极反应的相关离子向电极迁移。当然，即使是双液电池，为了保持烧杯中溶液离子浓度的均匀，理论上还应加以强制搅拌才妥。

(3)双液电池的优点？

双液电池的优点是能够得到持续稳定的电流。单液电池为什么不可以？

以Zn—Cu组成的原电池为例，Zn—Cu之间连接电流计插入CuSO₄电解质溶液中，就构成一个Zn—Cu单液原电池。

现象1：电流计的指针发生偏移，并指示电子是由锌片流向铜片，在铜片表面有红色的铜析出。

现象2：随着时间的延续，电流计指针偏转的角度逐渐减小，直至无电流通过。同时锌片表面逐渐被铜全部覆盖。

分析：锌与CuSO₄溶液发生置换反应，溶液中的Cu^2＋在锌片表面被直接还原，析出的铜在锌片表面构成原电池，逐渐使向外输出的电流强度减弱直至无电流再产生。这就像我们要去买某件商品，近处的小卖部就有，我们肯定就不往远处的大超市去了。因此，析出的铜在锌片表面构成原电池后，向外输出的电流强度就会减弱直至无电流再产生。而构成Zn－ZnSO₄，Cu—CuSO₄的双液电池后，避免了Zn与CuSO₄溶液的直接接触，也就不会再在锌片表面析出铜，也就不会再在锌片表面构成原电池。此为原因一。

原因二：在单液电池中，电子的走向从Zn经导线流向铜，溶液中阴阳离子定向移动，共同构成一个循环的闭合回路。但是，溶液中离子的迁移速度要远远慢于电子移动的速度！所以，单液电池两极间由于阴阳离子向两极移动速度不够快又可能不一致，一段时间后，这个循环不畅就会阻碍电子的转移。就像长跑接力，有一棒的运动员体力不够，跑不动了，其它棒的运动员只好等着了。但在有盐桥存在的双液原电池中，原本溶液会因带电离子的积累(ZnSO₄溶液中的Zn^2＋过多而带正电，CuSO₄溶液中的SO₄^2－过多而带负电)而阻碍电子的转移。但盐桥中的Cl^－会移向ZnsO₄溶液，K^＋移向CuSO₄溶液，使ZnSO₄溶液和CuSO₄溶液继续保持电中性。于是，锌和CuSO₄的氧化还原反应继续进行，从而不断产生电流。同时能使两个烧杯中的溶液形成一个通路。这就像把刚才的长跑接力改为短跑接力。运动员体力够了，循环也就通畅了。

问题3、怎样利用电对的电极电势来判断原电池的正极和负极，怎样计算原电池的电动势？

在原电池中，电极电势代数值较大的电极为正极，电极电势代数值较小的电极为负极。

电对的电极电势越大，说明其氧化态得电子能力越强，电极电势越小，说明还原态还原能力越强。两电对的电极电势不同，就可组成原电池，E大的电对做正极，E小的电对做负极，原电池的电动势E＝E^＋－e^-。

做为氧化剂电对的电极电势，大于做为还原剂电对的电极电势时，可自发进行反应。也可以说：氧化还原反应总是自发地沿着电极电势大的氧化态物质氧化电极电势小的还原态物质的方向进行。

【附】：判断一个反应是否自发进行的步骤：

1、 根据反应式中氧化值的变化找出氧化剂、还原剂，并写出对应的电对。

2、 分别查出两电对的标准电极电势，标准电极电势是可逆电极在标准状态及平衡态时的电势，也就是标准态时的电极电势，记作、或，上标表示标准态。标准状态意味着：溶质的有效浓度为1mol/L，气体压强为100 KPa，温度一般为298K。虽然电池的电动势可以直接测定，但单一可逆电极的标准电极电势却只有相对值没有绝对值，而且它随着温度、浓度和压强而发生变化。电极电势的基准是标准氢电极：标准状态下H^＋/H₂电极的电势被定为0.00V，即，其它电极电势的值在此基础上获得。当某半电池和标准氢电池电极相连时为负极，该半电池的半反应的标准电极电势为负值，且绝对值与电池电动势相等；若为正极则相反。这样求得的值称作还原电势，总反应的标准电极电势也就是两个半反应标准电极电势的差，E^θ大于零时反应自发。

任何温度下标准氢电极的标准电极电势值都为0，但其它电极电势值会受到温度影响。

标准电极电势可以通过实验或热力学计算获得。标准电极电势不随半反应的方向和计量系数改变，但它受到浓度和反应物形态的影响。

若处于非标准态，则须根据能斯特方程式，计算非标准态的电极电势。

3、 判断电动势是否大于0。应说明的是：只有标准电极电势差别不大的电对之间的反应，才可能因浓度的改变而发生逆转；电极电势的大小，不仅取决于电极的性质，还与温度和溶液中离子的浓度、气体的分压有关。

参考文献无机化学(上册)(第四版).北京师范大学、华中师范大学、南京师范大学无机化学教研室编，高等教育出版社.357－371

问题4、电化学知识教学中，电流表指针偏向方向是不是规定一定是正极，还是负极？

只要电流表接线方向没有错，电流表指针偏向方向一定是偏向正极的。

问5、有关电化学腐蚀中的几个问题：

(1)、析氢腐蚀和吸氧腐蚀能同时进行吗？

在很多实验文献和金属腐蚀书籍中，均有介绍“析氢和吸氧可以同时发生”，而且一般情况下都是同时发生的，只是程度不同。在pH＜3时，氢离子浓度比较大不容易发生浓差极化，而氧气由于在水中溶解度不大容易发生浓差极化，因而即使氧气的氧化性(电极电势)大于氢离子的氧化性(电极电势)，却主要观察到析氢腐蚀。需要注意的是，观察到析氢，不能说明没有吸氧发生。同理，pH＞3的时候，氢离子可能会发生浓差极化，特别是当pH较高的时候，氧气的氧化性强的优势才能体现，主要观察到吸氧，但有文献发现，也会有析氢同时发生。

参考文献刘怀乐.对一道实验试题的再思考.化学教学.2011.(9).

(2)、化学反应原理电化学腐蚀一节：铁粉，碳粉，稀醋酸的量分别如何把握才能较明显的看到析氢腐蚀。醋酸多了，本以为可以看到较明显的析氢腐蚀，结果做出来是很快就发生吸氧。

析氢腐蚀还是吸氧腐蚀哪个是主要的，要看介质的酸碱性、氧气的浓度大小等因素。

有的研究认为，当pH≤2时，发生析氢腐蚀，当pH≥4时，发生吸氧腐蚀。

因此，该实验成败的关键应还是pH值控制的问题。

(3)、原电池的吸氧腐蚀中，正极放电顺序为氧气大于氢离子，而电解池的阴极放电顺序为氢离子大于氧气，为什么?

放电顺序只是一种能力，发生“析氢腐蚀”还是“吸氧腐蚀”，其主要依据是电极电势，标准电极电势：E(O₂/H₂O)﹥ E( H^＋/H₂)，因此放电顺序都是氧气大于氢离子。但是实际观察到的明显现象，却不一定是理论上所说的这种顺序。由于氧气在水溶液中溶解度很小，所以容易发生浓差极化，因此pH=0的溶液中，更容易观察到氢离子得电子产生气泡(放电)。但随着pH的升高，氢离子也逐渐开始出现浓差极化，因此，大约在pH=4左右，开始吸氧的现象明显于析氢。因此，可见主要现象并不是固定不变的。而在电解池中，同样的道理，氧气溶解度很小，而电解池的反应速率一般都比较快，所以基本上容易观察到的主要现象都是产生气泡(H₂)。

问题6、燃料电池发光二极管的实验，如何操做实验效果比较好？

该电池实验成功的关键在于电极，即氢、氧电极的产生。而解决该问题的关键就落在碳棒上，如果电解水产生的氢气和氧气能够更多地吸附在多孔碳棒中，那么燃料电池的现象就越明显。因此，前期的准备工作很重要，要保证碳电极多孔，因为孔越多越细，电解时附着于其上的氢气和氧气泡才越多，保证形成足够的电势差。而所谓看到明显有气泡，不是要看到气泡大量放出，而是要附着在电极上才行。因为此实验电压不要太高，做实验时往往容易着急。毕竟是气液两相，电极电势是比较难以控制的。因此不要考虑教材所谓半分钟，应以自己实际所试的结果为准。二极管可就按课本要求配置。

问题7、铜锌原电池为什么能加快锌与稀硫酸反应生成氢气的速率？

铜锌原电池为什么能加快锌与稀硫酸反应生成氢气的速率？高中化学教学中，为使学生易理解、易接受，通常解释为如果锌棒插入稀硫酸中直接与氢离子反应的话，锌生成的锌离子从锌棒上下来，遇到氢离子，同性离子相斥。会对锌与氢离子的交换造成阻碍，反应减慢。而铜锌原电池中，氢离子在铜棒上得电子，避免了与锌离子的相斥作用，因此反应速率加快。

那么，铜锌原电池到底为什么能加快锌与稀硫酸反应生成氢气的速率呢？

有文献指出，当H^＋在正极(某种金属)上析出时，电极反应为

2H^＋＋2e^-=H₂↑目前人们认为其反应机理有四步：

①H^＋【本体溶液】→H^＋【金属表面】

②H^＋【金属表面】＋e^-→H【吸附在金属表面的氢原子】

③2 H【吸附在金属表面的氢原子】→H₂【吸附在金属表面的氢分子】

④H₂【吸附在金属表面的氢分子】→H₂(g)↑【离开金属表面的氢气】

以上所设想的四个步骤，当然不会是唯一可能的电极反应机理，例如吸附的氢也可以直接与金属表面的H^＋发生反应(H^＋ H^＋＋e^-→H₂)

从上述反应机理可以看出：H^＋被还原成H₂并使氢气放出，不仅是H^＋得到电子形成H₂分子，还需要经历H原子在金属表面的吸附和H₂分子的脱附过程。这一过程是需要消耗能量的，这就是人们通常所说的析氢超电势。不同金属的析氢超电势是不同的。(部分金属的析氢超电势见下表)

表部分金属电极上的析氢超电势(25℃，电流密度100～1000A/m²)

锌与稀硫酸反应制备氢气时，在反应中，加入少量的硫酸铜溶液可以加快氢气的生成速率，其本质原因就是铜表面析氢超电势比较小。

锌与稀硫酸反应的氧化还原电对的标准电极电位分别为(Zn^2＋/Zn)=－0.76V，(H^＋/H₂)=0.0V，在实际反应中，H₂在锌表面的析出超电势η锌=0.75V，反应的实际电动势为

E=(H^＋/H₂)－(Zn^2＋/Zn)－ηZn=0.0V－(－0.76V)－0.75V=0.01V

虽然E＞0，但其电动势值较小，反应进行缓慢。若在稀硫酸中加入硫酸铜溶液，反应后构成了Cu－Zn原电池，H₂在铜表面析出，铜表面析氢超电势较小，(η铜=0.35V)，构成Cu－Zn原电池后，锌与稀硫酸反应的实际电动势为

E=(H^＋/H₂)－(Zn^2＋/Zn)－ηCu=0.0V－(－0.76V)－0.35V=0.41V

构成了Cu－Zn原电池后，H₂在铜表面析出，氧化还原电动势由原来的0.01V增加到0.41V，反应速率显著增大了。

但是，我们不能笼统地说“原电池能加快锌与稀硫酸反应生成氢气的速率”，因为如果是构成Hg－Zn原电池，若氢气在Hg表面析出，由于Hg的析氢超电势比锌的析氢超电势大，使锌与稀硫酸反应的氧化还原电动势减小，反应放出氢气的速度会减慢。

E=(H^＋/H₂)－(Zn^2＋/Zn)－ηHg=0.0V－(－0.76V)－0.93V=－0.17V

还有初中化学部分教师提法为“铜是锌与稀硫酸反应的催化剂。”虽然从初中化学中所给的催化剂的定义看似乎是正确的，但催化剂加快化学反应速率的机理一定是参与化学反应并形成过渡状态，从而降低反应的活化能。铜在锌与稀硫酸反应中的作用是为H₂提供了吸附和脱附的载体，跟锌与氢离子的反应没有关系，因而不能说铜是锌与稀硫酸反应的催化剂。

参考文献吴星.《中学化学疑难辨析》.江苏教育出版社.75－77

问题8、如何解释干电池的自放电现象？

电池自放电的概念：指电池在停止工作的状态(即没有接通外电路)下活性物质消耗的现象。最早使用的化学电池是锌锰电池，即大家熟悉的干电池。干电池存在自放电的原因，主要是锌负极的自放电，而引起锌负极自放电的原因主要是电池内部形成腐蚀微电池，我们知道溶液中的H^＋由于受Zn^2＋排斥不容易直接从锌极上得电子，但仍有少量的H被Zn置换成H₂，这主要是作为电解质的NH₄Cl的水溶液会水解使溶液显酸性的缘故。

问题9、如何理解比能量？

“电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少【单位(W.H)/kg，(W.H)/L】

“通常以燃烧反应放出的热为100%计算燃料电池的效率。利用热力学理论不难计算出燃料电池的理论效率——燃烧反应放出的热在理论上相当于电池反应的焓变ΔH，燃料电池理论最大电功相当于电池反应的自由能变化ΔG，因此，燃料电池的理论效率为ΔG/ΔH。”“在理论上燃料电池释放的最大电能并不等于同量反应物在相同温度压力等条件下发生燃烧反应释放的热量，因为，燃烧反应释放热，而燃料电池做电功。有的人误认为原电池把化学能转化为电能，跟通常的化学反应释放的热量必然相等，这是忘记了热力学第二定律。(热力学第二定律：在不引起其它任何变化的条件下，热不能全部转化为功。)燃料电池的效率，不仅跟它的工作温度有关，而且也与电池反应本身的特征有关。

例1：己知参与电极反应的电极材料单位质量放出电能的大小称为该电池的比能量。关于二甲醚碱性燃料电池与乙醇碱性燃料电池，下列说法正确的是(填字母)

A．两种燃料互为同分异构体，分子式和摩尔质量相同，比能量相同

B．两种燃料所含共价键数目相同，断键时所需能量相同，比能量相同

C．两种燃料所含共价键类型不同，断键时所需能量不同，比能量不同

错例：甲醇、二甲醚均可用作燃料电池的燃料。当二者提供的电能相同时，理论上两种燃料电池消耗的氧气质量比为1:1

参考文献【1】、高中人教版选修四《化学反应原理》74页【2】、无机化学(上册)(第四版).北京师范大学、华中师范大学、南京师范大学 无机化学教研室编，高等教育出版社.374－375