手持技术在简易化学电池与水果电池的比较研究

-1-手持技术在简易化学电池与水果电池的比较研究黄海清(华南师范大学化学教学与资源研究所广东广州510006)摘要化学电池是使化学能转化为电能的装置，其本质是氧化还原反应。教材中从普通实验到探究实验再到生活实验，本研究利用现代化的测量技术手持技术探究比较简易化学电池与水果电池的一些基本性质，通过测量温度的变化来比较化学电池与水果电池的能量变化；同时测量它们的电压变化。结合教材结合生活从一定程度加深对原电池原理的应用与理解。关键词手持技术化学电池水果电池1研究背景化学电池是使化学能转化为电能的装置，其本质是氧化还原反应。在人教版必修2第二章的第二节化学能与电能中，实验2-4栏目中提供了一个锌铜—稀硫酸的简易原电池；在科学探究栏目中提供相关实验用品，让学生设计一套电池装置；在实践活动栏目提出利用水果如苹果、柑橘、柠檬或番茄等制作原电池。水果电池其产生原理是由于水果中含有大量糖类、蛋白质、生物酸等物质，其中的生物酸起到电解质的作用。往水果中插入不同金属电极并用导线连接起来．会有电子的转移，产生电流，形成水果电池。从普通实验到探究实验再到生活实验，对于利用手持技术进行简易化学电池的研究有2006年谢戈平，沈晓红[1]利用手持技术探究简易化学电池的温度及电压变化，计算测量两个简易化学电池电压的变化。水果电池方面主要在2004年汤健明，李国平[2]就义务教育初中物理教科书中涉及的若干实验问题提出了改进的建议，利用废旧的干电池自制水果电池；2005年阎明晶，李培华[3]在水果电池探究中运用电压表对几种水果电池产生的电压进行比较，发现多汁的水果产生的电压比较高；2005年吴国权[4]利用番茄、苹果以及桔子自制水果电池；2006年秦淑琪、宋玉民等[5]用不用种电极和不同水果(菠萝和西红柿)，用不同浓度的同种水果汁组成浓差电池，探索水果浓差电池的物理化学性质如导电率、粘度、电压等。2007年杨化明[6]利用水果电池制作原电池进而测定电池的电动势和内阻的理化实验课的协同教学过程；2008年杨玉琴[7]根据原电池的原理及形成条件，研究发现水果电池产生的电流大小与水果本身即水果中所含电解质有关，同时亦与电极材料以及电极之间的距离有关；2008年孙明洲，高士芳[8]选用大量程电压表对水果电池正负极进行判定。-2-同时“原电池”概念是我国台湾地区台湾师大、高雄师大以及彰化师大三所师范院校1998-2007年的硕博士论文当中研究最多的概念，60篇文章中，有七篇文章对“电化学”包括“原电池”、“电解池”、“电镀”等概念进行了研究[9-15]。大陆地区陈长应[16]也对“原电池”内容的常见错误概念进行了探察分析。因而“原电池”概念的迷思主要表现在以下几方面[9-16]：1)不能正确区分原电池的正负极；2)对原电池中电子转移实质不明确；3)铜锌电池放电时，两电极质量总和随放电过程的变化，是以质量守恒定律的观点，认为两电极的质量总和不变；4)锌铜电池放电时，有关电子的释放与转移情形不明确；认为是铜失去电子成为铜离子，或是铜原子由溶液中获得电子等。本研究利用现代化的测量技术手持技术探究比较简易化学电池与水果电池的一些基本性质，通过测量温度的变化来比较化学电池与水果电池的能量变化以及它们的电压变化。利用手持技术探究原电池的一些性质，可以：1)从电池的组装巩固原电池产生的原理；2)加强化学与生活之间的联系；3)从手持技术的数据采集器中电压的指针偏转判断，消除学生对电池电子的转移方向、电子释放与转移情形以及电池的正负极的迷思；4)认识影响水果电池产生电压大小的因素；5)从手持技术的数据采集器中电压的指针偏转判断，锌铜电池放电时，有关电子的释放与转移情形不明确；6)从手持技术的采集的温度变化，认识简易化学电池与水果电池的能量变化情况。2问题提出在文献综述中，对于水果电池的研究可以发现，水果汁越多的水果在相同条件下(同样的电极材料、电极距离等)产生的电压较高，跟简易化学电池相比，其电压与能量变化情况应该是不同的。3猜想与预测1)原电池(直流电池)的反应过程电压以温度变化情况如何，是稳定的？还是呈规律性上升下降或者无明显规律。2)苹果、橙子、香蕉含有的糖类、蛋白质、生物酸等的含量不同，形成电池产-3-生的电流大小不同。3)苹果、橙子、香蕉含有的糖类、蛋白质、生物酸等的含量不同，形成电池产生的能量大小不同。4)简易化学电池与水果电池所产生的电流与能量大小除了与本身性质有关外，与电极材料及电极之间的距离有关。4实验探究思路图1研究思路5仪器与药品仪器：数据采集器Nover5000(1台)、温度传感器(-25～110℃)(1个)、电压传感器(-2.5～+2.5V)(1个)；100mL烧杯(5个)、250mL烧杯(2个)、玻璃棒；导线、砂纸、夹子、小刀、天平、铁架台、回形针、尺子(0-10cm)；药品：铜片、锌片、铁片、无水硫酸铜(AR，天津永大化学试剂开发中心)、五水硫酸铜固体(AR，天津永大化学试剂开发中心)、浓盐酸(AR)、去离子水；苹果、橙子、香蕉(购于广东广州大学城北亭水果市场)6实验过程(一)预做实验：电池所产生的电流与能量大小除了与本身性质有关外，与电极-4-材料及电极之间的距离有关。通过预做实验确定电极材料与电极之间的距离大小。两电极之间的距离设置为0.5cm、1cm、1.5cm、2cm、2.5cm、3cm、4cm、5cm、6cm连接好导线；测定数据。确定两电极距离为1cm、2cm、3cm、4cm、5cm（假定）。在预作实验过程当中，我们以铜锌电极为例，在电极中，两电极电极电势相差最大，其中Zn2+/Zn在298.15K的标准电极电势为-0.7628V[17]，Cu2+/Cu在298.15K的标准电极电势为+0.337V[17]，电池的电动势为+0.337-（-0.7628）=1.0998V。两电极之间的距离设置为0.5cm、1cm、1.5cm、2cm、2.5cm、3cm、4cm、5cm、6cm。预做实验结论根据初步的预做实验结果，同样的数据采集器与传感器以及药品，确定要测定的电极距离为1.0cm、1.5cm、2.0cm。(二)正式实验（简易化学电池）：仪器：数据采集器(NOVA5000)、温度传感器(-25～110℃)、电压传感器(-2.5～+2.5V)、电流传感器(-250～+250mA)、砂纸、导线、尺子、天平、250mL烧杯、100mL烧杯、回形针；药品：无水硫酸铜(AR，天津永大化学试剂开发中心)、铜片(AR)、铁片(AR)。实验过程：(1)剪裁铜片、铁片，两者分别长为3cm，宽1cm；打磨；(2)于空气中固定温度传感器，连接数据采集器；(3)设置采集器：输入1：温度传感器(-25～110℃)；速率：1个/秒；样本：200个，启动“Run”，测室温；(4)往100mL烧杯中加入0.5mol/L的硫酸铜溶液；(5)往溶液中插入温度传感器，连接好数据采集器；(6)设置采集器：输入1：温度传感器(-25～110℃)；速率：1个/秒；样本：200个，启动“Run”，测定反应前溶液温度；(7)组装电极与烧杯，铜为正极，铁为负极，电极与导线连接；导线与电压传感器连接；(8)固定电极，测定两电极距离为1cm；（接着测定1.5cm、2.0cm）(9)放入温度传感器(位置位于两电极之间，呈三角式)，倒入50mL硫酸铜溶液；(10)设置采集器：输入1：温度传感器(-25～110℃)；输入2：电压传感器(-2.5～+2.5V)；速率：1个/秒；样本：连续；(11)启动“Run”。图2铜铁电极反应电压与温度测定装置-5-(二)正式实验（水果电池）仪器：数据采集器(NOVA5000)、温度传感器(-25～110℃)、电压传感器(-2.5～+2.5V)、电流传感器(-250～+250mA)、砂纸、导线、尺子、天平、250mL烧杯、100mL烧杯、回形针；药品：无水硫酸铜(AR，天津永大化学试剂开发中心)、铜片(AR)、铁片(AR)、浓盐酸、苹果(购买于广东广州大学城北亭市场)、香蕉、橙子实验过程：(1)剪裁铜片、铁片，两者分别长为3cm，宽1cm；放入配制好盛有浓盐酸(1:1)的少杯中进行酸洗，酸洗后放入盛有去离子水的水中清洗，取出干燥；(2)于空气中固定温度传感器，连接数据采集器；(3)设置采集器：输入1：温度传感器(-25～110℃)；速率：1个/秒；样本：200个，启动“Run”，测室温；(4)把50g苹果置于升降台上；(5)往苹果中插入温度传感器，连接好数据采集器；(6)设置采集器：输入1：温度传感器(-25～110℃)；速率：1个/秒；样本：200个，启动“Run”，测定反应前溶液温度；(7)将电极插入苹果中（温度传感器位于两电极之间，呈三角式)，铜为正极，铁为负极；(8)固定电极，测定两电极距离为1cm；（接着测定1.5cm、2.0cm）电极与导线连接；导线与电压传感器连接；(10)设置采集器：输入1：温度传感器(-25～110℃)；输入2：电压传感器(-2.5～+2.5V)；速率：1个/秒；样本：连续；(11)启动“Run”7实验数据比较分析实验总数据记录，为了便于比较统计，仅统计比较简易化学电池(铜铁电极)以及水果电池(苹果、橙子、香蕉)的数据。表1正式实验二电池A铜铁电极数据记录表电极距离To(℃)Ts(℃)VhVl(V)△T(℃)△V(V)图4苹果电池电压压与温度测定装置图3苹果电池温度测定装置-6-1.0cm27.7028..810.4590.0491.110.411.5cm27.3528.120.5180.0990.770.4092.0cm27.4028.010.5190.1210.510.398注：To指反应前溶液温度，Ts指反应稳定的温度，单位为℃，△T=Ts-To，即反应前后温度差；Vh指反应最高的电压，Vl为最低电压，单位为V。结果分析：铜铁电极产生电压的情况较为复杂，原电池理论上应该属于直流电池、恒压电池，但是去出现了电压的最高峰与最低峰。温度变化稍微平缓点。从表2的△T可知，电极距离越大，其产生的能量就越低，电压也相应变低。但铜铁电极较之预做实验的铜锌电极电压要高，其电压相差甚大，铜铁(0.4V),铜锌(0.05V)。可能与反应液(铜锌电极用的是无水硫酸铜固体所配制的溶液，铜铁用的是五水硫酸铜固体配制的溶液)，同时也与锌表面的氧化膜有关。表2苹果电池电池B数据记录表电极距离To(℃)Ts(℃)V△T(℃)1.0cm28.5728.500.57-0.071.5cm27.1627.570.580.412.0cm28.1127.920.58-0.03注：To指反应前溶液温度，Ts指反应稳定的温度，单位为℃，△T=Ts-To，即反应前后温度差；V为线性拟合后电压，单位为V。结果分析：不同电极距离的苹果电池电压变化不大，1.0cm的较小，0.57V，其余两个电极距离都为0.58V。温度在1.0cm与2.0cm都出现了负值。表3橙子电池电池C数据记录表电极距离To(℃)Ts(℃)V△T(℃)1.0cm27.0327.0590.510.0231.5cm26.2826.500.510.222.0cm27.4827.190.50-0.29注：To指反应前溶液温度，Ts指反应稳定的温度，单位为℃，△T=Ts-To，即反应前后温度差；V为线性拟合后电压，单位为V。结果分析：不同电极距离橙子电池的电压变化不大，1.0与1.5cm的为0.51V，2.0cm为0.50V。温度变化较大，1.5cm温度差最大，2.0cm的出现了负值。表4香蕉电池电池D数据记录表电极距离To(℃)Ts(℃)V△T(℃)1.0cm27.5427.620.550.081.5cm27.5327.550.550.022.0cm27.5127.500.55-0.01-7-注：To指反应前溶液温度，Ts指反应稳定的温度，单位为℃，△T=Ts-To，即反应前后温度差；V为线性拟合后电压，单位为V。结果分析：不同电极距离的香蕉电池电压基本上没有很大变化，线性拟合后都为0.55V。温度就有稍微的下降趋势