设计几个您想不到的原电池

设计几个您想不到的原电池绍兴越州中学吴文中 [摘要]深入学科本质，研读原电池工作原理之理论——金属的“溶解—沉积”平衡与双电层理论以及金属的接触电势，从而构建学科本质层面上的原电池认知模型，通过解读氧浓差、盐浓差等原电池原理，设计、讨论并实验验证以铜为两电极的几个原电池，以期帮助学生从微观上理解和运用原电池原理。
1.金属在盐溶液中的“溶解—沉积”平衡 2.双电层理论 由于金属在水溶液中存在着金属的“溶解—沉积”过程，金属与其一定浓度的盐溶液会形成一种动态平衡，金属越活泼(如金属Zn)，越容易失去电子，Zn2+进入溶液的倾向越大，进入溶液的Zn2+受晶体负电荷的吸引，聚集到金属表面附近，成为一个正电荷层并与晶体上的负电荷层形成双电层[如图1(a,c)]，在正负电层之间产生了一定的电势差，金属铜也一样，只是产生的电势方向可以相反(可以这样假定)，如图1(b)。
3.建立“原电池基本认知模型”①若电极A与B相同，电解质A与B也相同，则无法形成原电池。
②若电极A与B不相同，电解质A与电解质B相同，则能形成原电池。
③若电极A与B相同，电解质A与电解质B不相同，也能形成原电池。
④若电极A与B不相同，电解质A与电解质B也不相同，理论上能形成或不能形成原电池。
4.设计您想不到的原电池[设计原电池1]设计装置如图3电池[(–)Cu(s)|NH3·H2O(1.0 mol·L–1) ‖CuSO4(饱和)|Cu(s)(+)]，实验开始时无明显现象，3d后，U型管右边铜丝(浓氨水一侧)出现橙浑浊，取出电极现象如图4(a)，铜丝表面变得光亮，仔细与左侧铜丝对比，铜丝变细，而左边铜丝(饱和硫酸铜一侧)表面有红色物质析出，铜丝表面变暗；[设计原电池2]重做实验，把图4(b)实验中左侧的软木塞拔出，让左侧电极和饱和硫酸铜溶液暴露在空气中，发现左侧U型管溶液有蓝色沉淀出现，同时U型管右侧溶液变橙浑浊现象如图4(b)，实验结束后，取出两电极上的软木塞，暴露在空气几分钟后，出现如图4(c)的实验现象：U型管右侧溶液变深蓝色，久置后溶液全部变成深蓝色。
[设计原电池3]有人利用中学实验室里的常见试剂做了一个小魔术：铜币变“银币”，“银币”变“金币”。
魔术手法如下：取金属锌粉，投入1.0mol·L–1的Na2[Zn(OH)4]溶液中，同时把铜币投入到上述溶液中并与锌粉接触，有气体产生，同时会发现铜币变成“银币”；把“银币”从溶液中取出，用蒸馏水冲洗干净，并用细软的纸擦干，用坩埚钳夹住，在酒精灯火焰上加热，发现“银币”变成了与金的色泽几乎完全一样的“金币” [设计原电池4]有文献谈到的由铂(Pt)和金(Au)组成的纳米棒放入H2O2溶液中如图6，纳米棒将发生定向移动(往右)。
从“原电池基本认知模型”上看，这也是一个电极AB不同，电解质相同的情况，其中两电极发生的氧化还原反应是很清楚的，纳米棒往Au方向移动的一种说法是因为Pt电极一边产生了气体推动了纳米棒的移动，Pt与Au两种金属之间形成的接触电势也许就是该原电池的驱动力，当然，该文献提出不同金属对双氧水分解的催化作用不同是驱动上述电池工作的原因，可见原电池工作原理的复杂。
5.结束语电极材料相同，但只要电极所处的环境不一样的，电极电位就会不一样；总反应是非氧化还原反应，但只要电极过程有电子得失就能形成原电池，通过建构“原电池基本的认知模型”，帮助学生深刻体验原电池工作原理，当学生再次遇到陌生的各类化学电源时无需分析电池中是否存在氧化还原反应，也不会纠结原电池反应是否是一个放热反应而无从下手，同时也就能明白原电池工作原理与氧化还原反应事实上无本质上差异而化学学科素养(只是能量转化方式不同而已)。