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關于電池原理的問與答
一、為什么電子要“曲折”的到另一極放電？
【通常的解釋】：兩極是活潑性不同的材料。
【追問】：為什么活性不同就構(gòu)成電池？
【通常的解釋】：電極材料可以部分溶解，例如Zn→Zn2+ + e-；Cu→Cu2+ + e-。溶液中的Zn2+與電極材料表面的電子構(gòu)成雙電層，銅極也是如此；兩極都存在金屬離子溶解和析出的平衡。因為Zn比較活潑，溶解的程度會大一些，電子富集的更多，可以跑到Cu極反應。
【追問】：按此模型，雙電層中Zn2+與固體表面的e-電荷數(shù)是相等的，銅極亦然。若Zn極的電子跑到Cu極，必然引起Cu極負電荷增多，Cu2+與電子的電荷平衡就會被打破，Cu2+難道不會阻礙電子過來嗎？
【回答】：好像的確如此？那怎么辦呢？
【我們的解釋】：對于鋅酸電池，H+有向Zn要電子的趨勢，這種爭奪可以在Zn表面上發(fā)生，因為Zn與Cu的連接是導體，電子可以自由傳遞，H+在Zn-Cu連接體的各個部位獲取電子都有可能，于是H+在Cu表面上獲取一些電子也不足為奇了。
【衍生的教學價值】：H+向Zn-Cu都可以要電子，向Zn直接要電子，發(fā)生的是直接氧化還原；從Cu表面得電子，發(fā)生的是電池反應。這樣，Zn表面仍然有氣泡就不必恐慌，很正常，也不必擔心學生看到這一副現(xiàn)象。還可告訴學生，若要求描述電池反應時，就是Cu表面有氣泡，因為Zn表面的氣泡不是電池反應，這樣與考試也不矛盾。
二、為什么這種“曲折”的放電速率還更快？
【通常的解釋】：Zn→Zn2+ + e-，生成的正電荷會阻礙H+在Zn表面放電，而H+在Cu表面放電是沒有障礙的“綠色通道”。
【追問1】：在鋼鐵的電化學腐蝕中，O2不帶電荷，不會受排斥，為什么在碳顆粒表面放電，腐蝕速度會加快呢？
【追問2】：電池是要供電的，為什么這種“曲折”的放電還能驅(qū)動電器工作？僅靠電荷遷移之間的排斥作用有這么強的效果嗎？
【我們的解釋】：任何反應都不是兩種物質(zhì)分子一接觸就直接發(fā)生，要經(jīng)過復雜的歷程，期間還要跨越能量的障礙（能壘，活化能），或者說有“動力”，也有“阻力”。電極反應也是如此，H+在金屬表面獲得電子也會遇到一定的“阻力”，在不同的金屬表面遇到的“阻力”大小不同。一般情況下，金屬越惰性，“阻力”越小，于是H+就優(yōu)先在Cu或C表面放電了。金屬腐蝕中O2的放電也是類似。
但是“一般情況下”也有例外，盡管Hg比Zn等惰性，但“阻力”卻大很多，因此Zn-Hg連接體就不會構(gòu)成電池，H+優(yōu)先選擇直接接觸放電了。這種“阻力”其實就是超電勢。
【衍生的教學價值】：建立的模型更具有通用性，不必強調(diào)活性不同的電極材料，因為的確很多反應不需要活性不同的電極材料，例如氫氧燃料電池。抓氧化劑與還原劑之間的電子競爭，才是抓住了電池原理的核心。
三、為什么氫氣與氧氣燃燒不能自動發(fā)生，而在電池中可直接進行？
【通常的解釋】：不點燃，反應也能發(fā)生，但是速率太慢了。
【追問】：燃料電池是如何改變速率的呢？
【我們的解釋】：空氣中的燃燒反應，是自由基反應，由分子變成自由基（孤立原子或者分子片段）所需的能量較高，不引發(fā)很難進行。但一旦引發(fā)，后續(xù)反應可不斷進行。在電池中，反應機理不同，H2變成H+（水合氫離子），O2變成OH-。H+和OH-在水溶液中都是可以穩(wěn)定存在的，越穩(wěn)定說明其能量狀態(tài)越低（自由基不穩(wěn)定，所以能量高）。這樣來看，由分子變成溶液中的離子，所需要的能量就比變成自由基低多了，以至于在室溫下就可以發(fā)生。
如果沒有水，設想H2變成H+（氣態(tài)離子），那得需要多少的能量？反應也不能發(fā)生?！荋+和O2放電的場所。
【衍生的教學價值】：（1）電池的另一構(gòu)成條件，放電的場所，給H+以去處，這個場所就是水。（2）化學變化的機理是復雜的，改變機理可以改變速率，改變反應發(fā)生的條件。（3）催化劑之所以能夠改變速率，就是因為改變反應歷程，優(yōu)化催化劑是改進氫氧燃料電池的重要途徑。
四、鹽橋有什么實用價值？
【常見的解釋】：如果把Zn跟H+放在一個燒杯里，必然有Zn與H+的副反應，這樣的電池能量轉(zhuǎn)化率不高，用鹽橋可以把氧化劑和還原劑隔開，提高能量轉(zhuǎn)化率？
【追問】：實用鹽橋是提高能量轉(zhuǎn)化率的常見措施嗎？
【我們的解釋】：鹽橋是一個大電阻，因此有鹽橋的電池內(nèi)阻很大，測其電壓還可以，測電流非常微弱。因此帶鹽橋的電池沒有實用價值，不是用來減少副反應的，實用電池也沒有帶鹽橋的。鹽橋電池只是一個理想模型，用于測電極電勢的。（鹽橋提供離子通道，連通電路，消除液接電勢，使電極電勢的測量更準確，參見課程文本。）
【衍生的教學價值】：帶鹽橋的電池雖然裝置比較復雜，但從思維上講其實是一個簡單的模型。它把氧化劑，還原劑分開，互補干擾，不攪和在一起。這樣建立的電池模型就是：氧化劑和還原劑電子競爭，外電路-導線，內(nèi)電路-離子。更符合電池模型的本質(zhì)，想想也不復雜。
五、電解質(zhì)溶液是否必需？
【常見的解釋】：必須的，沒有離子就無法導電。
【追問】：為什么氫氧燃料電池用純水就可以了？手機的鋰離子電池也需要電解質(zhì)溶液嗎？
【我們的解釋】：它們用的是離子交換膜，可讓某種離子選擇性透過。例如氫氧燃料電池中用的是質(zhì)子交換膜，可以讓H+穿過；鋰離子電池中用的是Li+可以透過的膜。它們不是靠電解質(zhì)溶液中的離子遷移導電，而是電極反應生成的離子直接穿過膜形成通路。
【衍生的教學價值】：可以將電解質(zhì)溶液這個條件改造為“離子通道”。
六、建立怎樣的電池模型？
（1）氧還反應：氧化劑、還原劑競爭電子——反應動力
（2）放電載體：H+和O2的放電都需要在水體系存在，碳棒起到放電載體（在其表面得失電子）和匯集電子的作用。Zn片放電，其本身就是電子匯集體。
（3）閉合電路：外電路——電子通道，內(nèi)電路——離子通道（電解質(zhì)溶液、膜材料）
【衍生的教學價值】：更體現(xiàn)本質(zhì)，不容易使學生形成對電池原理的錯誤認識；更具有通用性，據(jù)此進行電池拆解和設計也更容易；思維過程也并不復雜，便教利學。

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