有关原电池概念的教学

原电池是一个重要的化学概念。这个概念的引入及深化，自然也是化学教学中的一个重点内容。

如何合理且自然地给出原电池的概念，讲出它与其他概念间的联系与区别，并步步深化。这是每一个化学教师在设计其教学过程时都要考虑到的。

但是，从一些教学方法的讨论中可以看出，一些教师对这个问题的处理还比较粗糙，有一些认识与观点还需要商榷^[1]。

一、简单原电池与置换反应的关系

原电池的教学一般都是从锌片与硫酸铜溶液间的置换反应来引入的。

在现行教材中改成了锌片与稀硫酸的反应（与以前的例子没有本质的差别）。并在实验的基础上，让学生观察到，在铜片上有氢气泡生成，在外电路中有电流产生。并根据化学方程式得出，这也是一个置换反应，两者都是氧化还原反应，在本质上相同，这样的结论。

既有事实为依据，主要的观点也一览无余。

但是，如果教师不能讲出，简单置换反应的微观反应过程，不但对这个反应本质的认识要大打折扣，还可能会引申出一些错误的看法。

对如下的简单置换反应，Zn+CuSO₄=ZnSO₄+Cu。一些人就认为，这是“Zn与运动着的Cu²⁺离子直接接触”而完成的电子传递。而与原电池不同，后者“不让电子直接转移”^[1]。

其实，这个说法并没有真正反映出两者的异同，并且模糊了简单置换反应的真实进行情况。

教师真的想讲清楚原电池的概念，最好还是从简单置换反应的微观反应过程讲起（先不要进行原电池出的演示实验）。要告诉学生，为什么、及如何将这个置换反应改造成了一个原电池。

当把一个锌片放入硫酸铜溶液中时，发生的就是学生熟知的置换反应。这个反应进行的并不像一般人所想的那样简单与顺利。因为，当置换反应有极微量进行、而有少量单质铜在锌片表面析出后，随之而来的就会出现三个问题：

一是，锌片周围的Cu²⁺离子（反应物）浓度会急剧减少，及Zn²⁺离子（产物）浓度显著增大。置换反应的速度当然要随之大幅度下降（如下图）。

二是，这些带有同号电荷的Cu²⁺与Zn²⁺离子相互间还是相斥的。两种离子的扩散都很难进行（Zn²⁺离子出不去，Cu²⁺离子进不来），离子的扩散速度成为了制约这个反应继续进行的主要因素。

三是，锌片的表面被析出的单质铜部分覆盖（但覆盖层不会是很致密的），锌与硫酸铜溶液的接触机会要变得更小。

所以，真实的置换反应会采取更“合理”、也更“经济”的方式来进行。以尽量回避上述问题的出现。

这就是，将得失电子的过程分开，在锌片的不同部位上来进行。其拆分后的这两个反应如下图。

一个是，锌原子把电子留在锌片上，Zn²⁺离子通过两个Cu颗粒间的空隙（其专用通道）进入溶液。

另一个是，锌片上的多余电子，会同时出现在铜颗粒的顶端（电子间要尽力相斥），并在那里被Cu²⁺离子获取。

电子得失过程就这样，不断持续进行下去。

这种形式的反应速度，比起人为规定的“Zn与Cu²⁺离子直接接触”，不知要快上多少倍了。

这个反应形式当然还告诉我们，在这个置换反应中，实际上会有“微电流”在锌片与铜颗粒间的局部产生出来（当然，此刻还不能说微电池之类的术语）。

从这个简单置换反应的微观“反应机理”不难推断出，其产物铜是很疏松的（颗粒间必有空隙），反应中会有很多的热量放出（相当于电流被短路后的热效应）。

要怎样才能使这个反应进行的更快，并尽量避免溶液中Zn²⁺与Cu²⁺离子间的相互干扰呢？当然，就要人为地将锌片与析出的铜分开的再远一些，在锌片与析出的铜间连接一条可以让电子通过的导线。使Zn成离子进入溶液，与Cu²⁺离子的得电子，能在溶液的两个不同区域来进行，两个过程互不干扰。由于溶液中的Zn²⁺离子能自行移动到Cu²⁺离子较少的区域（这就是离子导电），也可以保持溶液中各处的电荷平衡。

这个特殊的反应装置，就是如下的伏打电池（图A）。

这个装置不但能使置换反应进行的速度更快，在外电路中还可以检测到具有一定电压的直流电流。

也就说，在简单置换反应中被电流短路成热能的那部分能量，在这个装置中几乎都变成可以被人类能加以利用的电能了。

这样的装置能实现化学能到电能的最大程度转换，人们将其称为“原电池”。

原电池反应的最大看点，不仅它也是置换反应，而在于，其被置换出的铜是在铜电极上出现的。当然，这也证明，在简单置换反应中单质铜就是在微小铜颗粒表面形成的。在原电池反应中，它只不过是被剥离开来，并被放大了而已。

在教材的由锌片、铜片与稀硫酸构成的伏打电池中也是这样。教师一定要指出氢气析出位置的变化。指出氢气泡本来也是在锌片表面微小杂质处形成的。在原电池中可以清楚地看到，氢气是在铜片上逸出。

对这个简单置换反应及用其设计出的原电池间的异同点，可以比较如下：

其中，起了很大作用的是，反应条件（装置）的不同，导致了“电子转移方式”的差别、及“能量转换方式”的不同。

从哲学的观点看，这也是一个说明“外因有时也会起很大作用”的例子。

二、伏打电池与丹尼尔电池的关系

在以前的化学教学中，介绍完伏打电池就就算完成任务了，丹尼尔电池是排除在教学范畴之外的。因为，如果不讨论离子浓度对电池电动势的具体影响，不涉及一些化学热力学常数测定的话，是不会用到丹尼尔电池的。

但是，随着教学改革的深入，在现行的化学教材中，也加入了丹尼尔电池的内容。

教材还是按老套路，从置换反应来导入丹尼尔电池。其实，在学生已经有伏打电池概念的情况下，还这样重复地实验及讲解，都是没有什么实际意义的。

其在注释中将伏打电池与丹尼尔电池进行对比时，也只是笼统地指出，前者的“效率不高，电流衰减”。这也是没有说到点子上。

谁都知道，如果断开伏打电池的外电路，锌片也不会停止它与硫酸铜溶液的反应，岂止是“衰减”的问题。

难道将锌电极事先就泡在一定浓度的硫酸锌溶液中，就会使电池的效率升高吗？答案可能是相反的吧。

其实，这两种电池间的最主要差别在于，是否需要将半反应截然地分为两个独立的区域来进行。

也就是说，丹尼尔电池的导入最好还是从伏打电池开始：

对伏打电池A来说，随着锌片的不断溶解，溶液中Cu²⁺离子浓度要减小，原电池的电动势会不断降低。此时，在锌电极的附近，肯定是Zn²⁺离子多、Cu²⁺离子少；而在铜电极区域，则是Cu²⁺离子相对较多、而Zn²⁺离子还没有出现或极少。

为了研究这个体系中各离子浓度对电池电动势的影响，人们想到将两个极区的溶液截然的分隔开，也就是分别放在两个容器中。当然，这样也就切断了Zn²⁺离子向铜电极的迁移的通道（相当于在溶液中发生了断路），两极的反应也就无法进行了。

那就需要人为地再给溶液中离子的迁移设置出一个通道，这就是盐桥。盐桥中有足够多的阳离子及阴离子，其移动也足以保证溶液中各处离子的电荷平衡。

这样就得到了一个丹尼尔电池，如图B。

这一改进可以使人们，精确地控制电池反应的反应物及生成物的浓度，可以对化学反应进行多方面且更深入地研究。

其另一个优点是，可以将一个氧化还原反应拆分成两个电极反应，来单独地加以测试及讨论。

认为这个电池的特点是，“锌没有溶解在硫酸铜溶液中”的说法，是比较牵强的^[1]。

因为，即便是短时间的反应，也会有相当量的K⁺离子会进入硫酸铜溶液，以补足Cu²⁺离子浓度的降低。

如果是长时间反应、当盐桥中的K⁺离子消耗殆尽（都迁移完）后，Zn²⁺离子也一定会通过盐桥到达阴极区，而与硫酸铜溶液混合。

从丹尼尔电池的构造，也不难推断出，如果是长时间地放电，盐桥也是无法阻止两极区离子的迁移或混合的。

这也是丹尼尔电池在测定实验中，经常要保持电流强度为零的一个原因（当然这还不是主要的原因）。

参考文献

[1] 董力夫. 置换反应和原电池的关系. 化学教学. 1983.2