【对化学实验锌铜硫酸原电池的影响因素探究】 化学实验氧化还原反应与原电池

　　摘要：在化学实验中，在得到铜锌硫酸原电池实验结果后，发现其与理论有较大差别，其实验效果与Zn片和Cu片的纯度、硫酸溶液浓度、电极面积、电极间距离、外电路中的电阻以及电极的表面状态有关。别外，实验温度、接触面积和接触的良好程度对实验也有影响。
　　关键词：锌铜原电池 影响因素
　　Abstract: in the chemical experiment, get in copper zinc sulfuric acid battery after the experimental results show that the theory and have bigger difference, the experimental effect and Zn piece of Cu and the purity of sulfuric acid solution concentration, and electrode area, the distance between the electrode, the resistance of the electrodes and deoxidization device on the surface. Don"t outside, the temperature, the contact area and the degree of good contact experiment may also be affected.
　　Keywords: zinc copper battery influencing factors
　　
　　
　　中图分类号：O646.21文献标识码：A文章编号
　　前言
　　 把稀H2SO4溶液作电解质，铜和锌作两极，并用若干导线连接铜片和锌片，在导线中间接入一个电流表。锌片会逐渐溶解，铜片上有气泡产生，电流表指针发生偏转。本文对其影响因素进行探讨。
　　实验原理
　　 原电池是化学能转化为电能的装置，把锌板和铜板水平放入盛有稀硫酸的烧杯里，用选有电流计的导线连接两极时，可以观察到三个重要的现象：锌片溶解，铜片上有气泡逸出，导线中有电流通过。锌电极发生的电极反应是：
　　 锌片 Zn―2e=Zn2+ （氧化反应）
　　 锌丢失的电子沿导线经电流计流入铜片，溶液里的在铜电极上得到电子变为氢原子，进而结合为氢分子，铜电极发生的电极反应式是：
　　 铜片 2H++2e=H2（还原反应）
　　 由于在锌、铜两个电极上不断发生的氧化还原反应，使化学能转变为电能。锌片是给出电子的一极，是电池的负极。铜片是电子流入的一极，是电池的正极。电流的方向同电子流的方向相反，从正极铜流向负极锌。因此电路中有电流产生。 图1、图2为其原理分析图：
　　
　　
　　
　　图1 铜锌原电池原理分析
　　
　　
　　
　　图2 铜锌原电池微观原理分析
　　二、影响因素
　　 原电池是化学教材中的重点实验，其具体做法是将一块铜片和一块锌片平行地插入盛有稀硫酸的烧杯中，外接电流计。可以观察到锌片发生溶解，而铜片上有气泡冒出，同时电流计指针发生偏转，有电流通过。在实际操作这个实验时，却并没有如教材上描述的那么简单。要么电流计指针不发生偏转；要么锌片和铜片上都有气泡冒出，有时甚至锌片上冒出的气泡会更多。许多中学化学教师把失败的原因归结为锌电极不纯，但是换纯锌电极再做此实验，锌片上仍有气泡产生。
　　 这说明原电池向外供电的能力大小，或者说原电池实验的成败因素，除了与两电极材料有关外，还与电解质溶液的浓度、温度、两电极的电极面积、电极间的距离，外电路中的电阻以及电极的表面状态有关。为此，有必要对影响原电池实验的因素进行探究。
　　 1、Zn片和Cu片的纯度
　　 实验室中使用的Zn片通常是不纯的，Zn及Zn片中的杂质和稀H2SO4溶液就构成了很多微小的原电池。在反应过程中失去的电子根本不需要经过导线转移，而是直接被Zn片表面的H+获得，H+被还原而形成了H2。而且经过多次实验发现，Zn的纯度越低(当然不能太低)，Zn片上产生H2的速度越快(因为Zn片表面形成的原电池越多)。如果使用租Zn，那么Cu片上几乎没有H2产生。Zn片不纯是这个原电池中Zn片上产生H2的主要原因。
　　 实验过程中，在其它条件相同的情况下。分别使用不同纯度的Cu片，结果发现，纯度不同，实验现象也不同。这又是什么原因呢?原来是纯度不同时，与Zn片的电势之差就不同，也就足说电池的也动势不同。电势之差越大，电子转移越快，Cu片表面产生的H2的速率越大，反之越小。
　　 2、电解质(H2S04溶液)的浓度
　　 用纯铜片和纯锌片做电极，电极面积为（5×2.5）cm2，两电极间距离为3cm， 硫酸溶液的温度为10℃。实验结果见表1。
　　 从实验结果可看出，随着硫酸溶液浓度的增加，两电极上反应加剧，对外供给的电流增大。但在Zn负极上始终有气泡产生，而且也随硫酸浓度增大而增多。当硫酸浓度达60%时，由于浓硫酸的强氧化性，而使Zn表面产生致密氧化层，两极反应停止。
　　
　　
　　 3、两极之间电阻的大小和两极之间的距离
　　 在实验过程中，使其它条件相同，使用不同材料的导线做实验发现，使用电阻小的导线时，电流强度大(不是很明显，需用比较精确的电流表测量)，使用电阻大的导线时。电流强度小，这是什么原因呢?我们都知道使用的导线是有电阻的，电阻小的导电能力强，电子容易通过，反之则不易通过。Zn片失去的电子，由于导线有电阻。不能及时转移到Cu片上，被Zn片表面的H+获得，H+被还原而形成H2。
　　 另外，在其它条件相同的情况下，当减小Zn片和Cu片之间距离时，电流强度增大，当增大Zn片和Cu片之间距离时。电流强度减小(此实验现象非常明显)。其原因是，溶液也肯电阻，当减小两极之问的距离时，溶液电阻减小了，所以电流强度增大了，反之，电阻增大，电流强度则减小了。
　　 4、电极表面状态对实验的影响
　　 用分析纯的铜片和锌片做电极，电极面积均为（5×2.5）cm2，两电极间距3cm，硫酸溶液浓度为20%，温度10℃。此实验分两种情况：一种是以分析纯铜片用砂布打磨、冲洗，经多次使用后表面呈紫红色、凹凸不平的铜片作阴极（正极）；用分析纯锌（经打磨和未经打磨）、一般锌（经打磨和未经打磨）构成原电池的阳极（负极）情况；另一种是以分析纯锌经砂布打磨、 冲洗作阳极（负极），用分析纯铜（打磨、未经打磨和表面紫色凹凸不平）作阴板（正极）的情况。实验结果见表2和表3。
　　
　　
　　 5、温度对实验也有影响
　　 在其它条件相同的情况下，在不同温度下做这个实验发现，溶液温度越高(不能太高)，Zn片和Cu片上H2的生成速率越大。其原因足溶液温度升高，H+的运动加剧，与Zn片和Cu片表面碰撞的机会增多，H+得电子的机会增多，所以产生的H2速率将加快．实验过程中，如果我们仔细观察会发现，最开始时虽然稀H2SO4的浓度是最大的，但锌片上H2的生成速率却不是最大的，面是过一小段时间才是最大的。其原因是，这个反应是一个放热反应。开始反应放出的热使原电池中锌片附近溶液温度升高。
　　实验改进措施
　　 由于实验室所用锌电极、薄锌片的纯度不是很高，并且锌电极和硫酸直接接触，所以，要想减少或避免在锌铜硫酸原电池负极上产生气泡，不采取一些措施，是很难办得到的。下面介绍一些改进方法。
　　 适当降低锌铜硫酸原电池中硫酸的浓度，采用5％～10％的稀硫酸作电解质溶液，用纯度高、表面光滑的锌片作负极，可以减少负极锌片上的气泡。如果对原电池作进一步处理，用酸清洗锌片表面，再把锌片浸入硝酸汞稀溶液中，使之汞齐化(时间不要过长)，然后将汞齐化的锌片作为原电池负极，则会观察到在负极锌片上产生的气泡很少。这是由于氢在汞上的超电势特别高(0.78V)，氢离子难以在汞齐化的锌极上获得电子被还原。需要指出的是，此时的原电池已由Zn H2SO4(aq)Cu变为了Zn―Hg H2SO4(aq)Cu。尽管锌铜硫酸原电池的组成发生了变化，但它不失为一种改进方法。通过采取上述措施，可以避免学生在第一次接触这类原电池时就陷入困惑之中。
　　结果
　　 熟悉了解锌铜原电池反应的影响因素可以更加深入的理解此反应的机理。以下为两点心得：
　　 1）采用纯度较高的铜片和锌片作电极，电极面积（指浸入溶液部分）较大，两电极间距离较小，电极表面粗糙，硫酸浓度在20%~30%（体积比）、溶液温度适中（ 20℃左右），外电路的电阻较小的条件来做原电池实验，实验效果较好。
　　 至于实验中锌电极（负极）上有气泡产生的问题。有理由认为，在锌电极上同时存在锌电极溶解反应（即Zn―2e→Zn2+）与氢离子形成氢气反应（即2H++2eH2）的竞争。前者是由于锌本身的活泼性而使得锌溶解变成离子；而后者则是由于氢离子具有氧化性捕获滞留在锌表面的电子所致。如果实验条件掌握得好，如外电路中电阻较小，铜电极表面较粗糙，使得氢离子在铜电极表面能很快获得电子形成氢气，从而使在锌电极表面的电子能迅速转移到铜电极上。这样氢离子在锌电极表面获得电子的可能性减小，锌电极表面就难产生气泡。但是，要使锌电极表面一点气泡都没有，即氢离子在锌电极表面一个电子也捕获不到从而不能形成氢气，这几乎也是不可能的。
　　参考文献
　　【1】武永兴，胡美玲．全日制普通高级中学教科书《化学》第二册．人民教育出版社，2003．97-98
　　【2】宋心琦，通高中课程标准实验教科书《化学》必修2，2007
　　【3】北京师范大学无机教研室主编．《无机化学》北京：高等教育出版社．2002．356-370
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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