關於此實驗
原電池將化學反應轉化為電能。將鋅放入硫酸鋅溶液、將銅放入硫酸銅溶液，用導線連接兩種金屬，並用鹽橋連接兩種溶液，電子就會從鋅流向銅。每種金屬都有失去電子的傾向，可用其電極電位來衡量；兩者之差就是電壓。將不同金屬配對，改變溶液濃度和溫度，然後連接負載，觀察反應進行時電池逐漸放電。
學習目標
- 判斷原電池中的陽極、陰極以及電子流動方向
- 根據標準電極電位計算標準電池電位
- 寫出電池的半反應式和總反應式
- 使用能斯特方程式解釋濃度和溫度如何改變電壓
- 解釋鹽橋的作用，以及電池為什麼最終會耗盡
使用方法
- 1將鋅和銅的濃度都設為1 M，讀取電壓表數值。將其與 E°(Cu²⁺/Cu) - E°(Zn²⁺/Zn) 進行比較。
- 2將銅換成銀，接著將另一側的電極換成鎂。哪一組產生的電壓最大？每種情況下哪個電極是陽極？
- 3換回鋅和銅。將銅離子濃度降至0.01 M。電壓變化了多少？與能斯特方程式進行比較。
- 4兩側都放銅，濃度分別設為1 M和0.001 M。為什麼兩個電極都是同一種金屬，仍會產生電壓？
- 5按下「連接負載並放電」。觀察電極、銅溶液的顏色和電壓圖。電壓何時會迅速下降？
- 6減小負載電阻。電流和電池的持續時間會如何變化？
模型
假設
- 電極電位採用 25 °C 下的標準值；能斯特方程式中以濃度代替活度。
- 每個燒杯中裝有 100 mL 溶液。鹽橋具有電阻，與溶液電阻合計為 2 Ω 的內阻。
- 電流不能超過擴散所能提供的量：陰極處每 1 mol/L 的離子濃度對應的電流上限為 2 A。因此，陰極離子耗盡後，電壓會迅速下降。
- 忽略副反應，例如鋅與溶液中的酸直接反應。電池放電時，時間以每秒相當於一小時的速度流逝。
在課堂上試試這個實驗
- Q1列表中哪種金屬的還原性最強？如何根據電極電位判斷？
- Q2寫出由鎂和銀組成的電池的總反應方程式。它的標準電池電位是多少？
- Q3移除鹽橋後，電池為什麼會停止運作？
- Q4鋅銅電池的電壓為什麼在其使用壽命的大部分時間裡幾乎不變，隨後卻突然下降？
- Q5濃差電池兩側使用的是同一種金屬。哪一側是陰極？放電過程中，兩側溶液的濃度會如何變化？
常見問題
電解時陽極帶正電，而原電池中的陽極為什麼帶負電？
氧化總是在陽極發生。在原電池中，氧化反應會將電子釋放到金屬中，因此陽極成為負極。在電解過程中，外部電源會從陽極抽走電子，因此陽極連接到正極。
鹽橋有什麼作用？
它讓離子在溶液之間移動，使每種溶液保持電中性，同時避免溶液混合。負離子移向陽極，正離子移向陰極。
接上負載後，電壓表的讀數為什麼會下降？
有電流流動時，部分電動勢會用來推動電流通過電池的內電阻。負載兩端的電壓等於電動勢減去 I 與 r 的乘積。