1、Cu-Zn原電池實驗條件優化講授提要一、實驗素材人教版必修2實驗2-4（p40）：將鋅片和銅片用導線連接（連接中間接入一個電流表）,平行插入盛有稀硫酸的燒杯中（如圖2-9），觀察現象。12H曲皰他申慮國二、實驗目的鞏固化學電池的相關知識；進一步提高信息獲取能力；學習實驗設計方法，提高解決實際問題的能力。三、實驗存在的問題Zn片（負極）產生大量H2,誤導學生，并影響Cu片（正極）上氣體的觀察。電流計指針偏轉幅度小或燈泡不亮。電流計改用燈泡指示時，燈泡發亮維持時間很短，不能滿足實驗要求。四、實驗任務安排及要求（一）Cu-Zn原電池實驗條件優化查閱文獻資料，了解該實驗在實際的實驗過程中存在哪些問題？

2、本課題的核心任務就是通過實驗探究，解決這些問題。復習相關電化學知識，分析影響實驗成功的因素有哪些？從理論的高度，分析這些因素對實驗的影響規律及原因是什么？圍繞影響因素，設計實驗，用簡單比較法探究各因素對實驗的影響，并通過實驗結果確定各因素的最佳實驗條件，最終解決中學實驗中存在的問題。各討論組內容安排：討論組研究內容1、61.電極材料純度的影響；2.Zn片寬度的影響；3.電極材料表面狀態的影響；2、73.電極材料表面狀態的影響；4.溫度的影響3、84.溫度的影響；5.電極面積的影響4、95.電極面積的影響；6.電極間距離的影響5、106.電極間距離的影響；7.硫酸濃度的影響討論組在設計自己的研究

3、內容時，其它實驗條件應通過文獻分析進行確定。在研究過程，對儀器裝置進行改進是可以的，但改進不能影響對實驗現象的觀察，不能引起學生更多的誤解。各因素實驗完成后，應結合各組的實驗結果，在優化條件下完成實驗（二）自制鹽橋并設計安裝如下原電池：電池（-）Zn|ZnSO4HCuSO4ICu（+）電池反應負極ZnfZn2+2e正極Cu2+2efCu要求：必須符合演示實驗的基本要求。五、實驗原理電池1(-)Zn|H2SO4|Cu(+)電池反應負極ZnfZn2+2ep0=-0.763V，溫度系數d0/dT=O.O91mVK-i正極2H+2efH23=0,溫度系數dp0/dT=0電池2(-)Zn|ZnSO4HC

4、uSO4|Cu(+)電池反應負極ZnfZn2+2e正極Cu2+2efCu六、影響原電池的因素分析（一）Cu-Zn原電池實驗不成功的成因分析及解決思路實驗不成功事實成因分析解決思路Zn片（負極）產Zn片直接與稀硫酸反應，且Zn片越不純，反應速率越大。總體思路：降低Zn片產生H2量，增大Cu上氣體量。具體為：1.降低Zn片面積，增大Cu片面積；2.提純Zn片或改用純Zn片；3.探究稀硫酸濃度；4增大電極間距離，以便觀察；5降低反應溫度。生大里H2電流計指針偏轉幅度小或燈泡不亮。電流強度小。或因內外電阻大，或因電動勢小。總體思路：增大電動勢或減小內外電阻。具體為：1增大稀硫酸濃度或降低過程中Zn2+

5、濃度或移除H2或多個電池串聯以增大電動勢；2增大Cu電極表面積，降低電流密度，降低過電位。3增大電極表面積或縮小電極間距離或選擇電阻小的外電路以減小內外電阻；4.去除電極表面雜質燈泡發亮維持時間很短電動勢降低，電流減小。總體思路：主要為增大電動勢。具體為：1.增大稀硫酸濃度或降低過程中Zn2+濃度或移除H2以增大電動勢；2.增大Cu電極表面積，降低電流密度，降低過電位。3.去除電極表面雜質通過對三個問題的成因分析，解決問題的思路轉變為兩個方面，一是如何降低Zn片直接與稀硫酸反應產生H2的量；二是如何提高電池電動勢及減小內外電阻。(二)Cu-Zn原電池電動勢計算可逆電池電池1(-)Zn|H2SO

6、4ICu(+)電池反應負極ZnZn2+2e0=-O.763V,溫度系數d0/dT=O.O91mVK-i正極2H+2eH2p0=0因此，在標準狀態下，該電池電動勢為0.763V。在h2so4濃度改變為非標準狀態下，按能斯特方程計算：在稀硫酸濃度為5.0moldm-3,H+=10.0moldm-3,如果為2.5moldm-3,H+=5.0moLdm-3常溫，5.0moldm-3稀硫酸：(p(H+/H2)=0+0.0591g(H+/p(H2)0.5)=0.059V,2.5moldm-3稀硫酸：p(H+/H2)=0.041V,0.2moldm-3稀硫酸：嘰H+/H2)=-0.023V，即電池電動勢分別

7、提高至I：5.0moldm-3稀硫酸：0.822V；2.5moldm-3稀硫酸：0.804V；0.2moldm-3稀硫酸：0.74V；。不可逆電池(實際電池)兩個電極都存在電極極化，過電位可用Tafel公式計算：n=a+blgi其中Zn電極的過電位小，而在Cu電極上發生的析氫過電位相對是較大的。對于析氫過電位，大多數金屬：baO.116Va與電極材料相關：析氫過電位較高的金屬，a=1.21.5V,析氫過電位適中的金屬，a=0.60.8V,如Cu,析氫過電位較低的金屬，a=0.10.3V,如Zn。H2在不同金屬上的活化過電位(1moldm-3HCl)電極電流密度i/(Acm-2)0.0010.0

8、10.11Cu0.600.750.820.84由上述數據可知，由于析氫過電位的存在，實際的Cu-Zn原電池電動勢比可逆電池的電動勢至少低0.6V，即5.0moldm-3稀硫酸：電動勢不超過0.222V；2.5moldm-3稀硫酸：不超過0.204V,0.2moldm-3稀硫酸：不超過0.14V,所以該電池要使得1.5V電珠長時間發亮，是有難度的。這就是教科書中采用靈敏電流計檢測，而不用1.5V電珠的原因，當然，現在可用電阻更小的0.5V的LED燈或蜂鳴器代替或串聯手段解決。影響因素及影響規律電極材料純度：不純Zn片中含有Fe、C等，自身形成微電池而加速Zn在稀硫酸中的溶解，產生更多H2。實驗中

9、應采用分析純Zn片或用普通Zn片電鍍提純；電極材料表面狀態：Cu片或Zn片表面往往含有其它附著物，如Zn片表面可能有Zn2(OH)2CO3,阻止了電極表面的電化學過程，因此，通過砂紙打磨后的Cu片或Zn片應該更好，并且打磨后粗糙的表面會增加比表面積。3溫度：溫度越高，有利于Zn片與稀硫酸的直接反應，對Zn電極現象不利。而Zn電極反應和氫電極反應的溫度系數小，且Zn電極反應溫度系數為正值，對電池電動勢的提高不利，但影響不大。溫度越高，對提高電池反應速率有利。電極面積：增大電極面積，可減小電極的電流密度，降低過電位，從而提高電池電動勢；能降低電池內阻，有利于提高電流強度和輸出功率，可提高燈泡亮度；

10、大的Zn電極表面會增加Zn電極產生H2的量，電極間距離過小會使兩極H2混為一體，不便觀察。增大電極面積建議兩極采用不同面積，Zn電極小，Cu電極大，面積比例為1：10或1：5。電極間距離：縮短電極間距離，能降低電池內阻，有利于提高電流強度和輸出功率，可提高燈泡亮度。硫酸濃度：低濃度有利于過Zn電極產生的H2減少，高濃度有利于提高電池電動勢。從文獻資料看，2030%硫酸為宜。外電阻：減小外電阻，有利于提高電流強度和輸出功率。建議：電極與導線連接處要打磨；相對較粗，較短的導線，0.5VLED燈。綜合上述分析，并結合文獻的研究結果，初步確定的研究條件是：采用分析純Zn片或用普通Zn片電鍍提純，采用分

11、析純Cu片；Zn片或Cu片用砂紙打磨成凹凸不平狀態，并避免新的表面污染;常溫進行實驗;Zn片寬度1cm,Cu片寬度510cm,液面高度38cm（通過液面調節電極表面積）；電極間距離34cm；硫酸濃度3.55.0moldm-3；電極與導線連接處要打磨；選擇相對較粗，較短的導線，0.5VLED燈或電流計；用厚紙板或厚塑料泡沫板固定電極。七、儀器藥品七水硫酸鋅、五水硫酸銅、濃硫酸、氯化鋅、濃氨水、硝酸鉀、瓊脂、蒸餾水、分析純鋅片、1號電池鋅皮、分析純銅片、鐵片、200ml小燒杯3個、250mL燒杯3個、穩壓直流電源、導線、LED燈或靈敏電流計、砂紙、厚紙塑料泡沫板或厚紙板。200mL10.0mold

12、m-3稀硫酸的配制：用量筒量取mL108.7mL濃硫酸，在攪拌下緩慢倒入盛有約80mL蒸餾水的200mL燒杯中，冷卻，定容至刻度。5.0、2.5、1.0、0.5moldm-3稀硫酸用此逐級稀釋而得。0.2mol/L硫酸鋅溶液和0.2mol/L硫酸銅溶液的配制：（略）八、實驗步驟實驗方法：將兩電極按一定的平行間隔距離插入厚紙板或厚塑料泡沫板以固定電極，選擇相對較粗，較短的導線，0.5VLED燈或電流計按裝置圖連接；將電極插入盛有一定濃度稀硫酸的250mL燒杯，以液面高度調節電極面積，接通電路，觀察兩極上發生的現象和LED燈或電流計上發生的現象，并記錄于表格。（一）電極材料純度的影響1將相同尺寸的

13、且經砂紙打磨后的分析純Zn片和普通Zn片（1號電池Zn皮）置于盛有5.0moldm-3硫酸的燒杯中，比較產生氣體的不同。2將經砂紙打磨后的分析純Zn片和普通Zn片（1號電池Zn皮）各作為原電池負極，實驗比較差異。記錄于下表。其它條件：采用砂紙打磨后的分析純Cu片，常溫，Zn片寬度1cm，Cu片寬度5.0cm,電極淹沒高度5cm，電極間距離3cm；硫酸濃度5.0moldm-3。Zn電極純度分析純Zn片普通Zn片兩極狀況LED或電流計狀況二）電極材料表面狀態的影響鋅電極表面狀態的影響按下表所列鋅電極表面狀態完成實驗，并記錄。其它條件：采用砂紙打磨后的分析純Cu片，常溫，Zn片寬度lcm,Cu片寬度

14、5.0cm,電極淹沒高度5cm，電極間距離3cm；硫酸濃度5.0moldm-3。Zn電極表面狀態分析純Zn片（未打磨）分析純Zn片（打磨）普通Zn片（未打磨）普通Zn片（打磨）兩極狀況LED或電流計狀況4.銅電極表面狀態的影響按下表所列銅電極表面狀態完成實驗，并記錄。其它條件：采用砂紙打磨后的分析純Zn片，常溫，Zn片寬度lcm，電極淹沒高度5cm，電極間距離3cm；硫酸濃度5.0moldm-3。Cu片寬度5.0cm，銅電極分析純銅片（未打磨）分析純銅片（打磨）兩極狀況LED或電流計狀況三）溫度的影響按下表所列溫度完成實驗，并記錄。其它條件：采用砂紙打磨后的分析純Zn和Cu片，Zn片寬度lcm

15、，Cu片寬度5.0cm,電極淹沒高度5cm，電極間距離3cm；硫酸濃度5.0moldm-3。溫度/c2535兩極狀況LED或電流計狀況（四）電極面積的影響按下表所列電極面積完成實驗，并記錄。其它條件：采用砂紙打磨后的分析純Zn和Cu片，常溫，Zn片寬度lcm，Cu片寬度5.0cm，電極淹沒高度5cm，電極間距離3cm；硫酸濃度5.0moldm-3。電極淹沒高13579度/cm兩極狀況LED或電流計狀況（五）電極間距離的影響按下表所列電極距離完成實驗，并記錄。其它條件：采用砂紙打磨后的分析純Zn和Cu片，常溫，Zn片寬度1cm,Cu片寬度5.0cm,電極淹沒高度5cm；硫酸濃度5.0moldm-

16、3。電極距離/cm12345兩極狀況LED或電流計狀況六）硫酸濃度的影響按下表所列硫酸濃度完成實驗，并記錄。其它條件：采用砂紙打磨后的分析純Zn和Cu片，常溫，Zn片寬度1cm，Cu片寬度5.0cm，電極淹沒高度5cm，電極間距離3cm；。硫酸濃度/moldm-30.512.55.010兩極狀況LED或電流計狀況（七）Zn片寬度的影響9按下表所列Zn片寬度完成實驗，并記錄。其它條件：采用砂紙打磨后的分析純Zn和Cu片，常溫，Cu片寬度5.0cm，電極淹沒高度5cm，電極間距離3cm；硫酸濃度5.0moldm-3。硫酸濃度/moldm-30.512.55.010兩極狀況LED或電流計狀況(八)自

17、制鹽橋并設計安裝原電池：(-)Zn|ZnSO4HCuSO4ICu(+)自制鹽橋將蒸餾水煮沸后，加入瓊脂，不斷攪拌，瓊脂完全溶解后，傾入硝酸鉀，變為均一的一相后，趁熱倒入U型管中。水：瓊脂：硝酸鉀=50:1.5:20(質量比)安裝原電池：(-)Zn|ZnSO4HCuSO4|Cu(+)取兩個100ml小燒杯分別倒入0.2mol/L硫酸鋅溶液和0.2mol/L硫酸銅溶液，將打磨過的鋅片和銅片浸入其中，鹽橋連接兩個燒杯，用導線將LED燈與兩個電極連接起來。九、實驗注意事項在配置及使用硫酸時，要注意安全；2.十、設計反思：由于儀器設備以及研究時間等因素的的制約，該設計只是定性或半定量的研究，研究只能粗略的找到實驗的適宜條件。但不能準確的量度各因素的影響，不能闡明各因素的影響程度，從而找到哪些因素是影響實驗的主要因素。建議增加電導儀、萬用電表等檢測儀器，并采用正交分析方法進行研究。預估：電極材料純度、電極材料表面狀態、硫酸濃度將成為實驗成功的關鍵因素。參考文獻郝金聲原電池實驗條件探究J.貴州教育學院學報(自然科學)2006,17:60-62.劉霞,解洪偉談原電池實驗中的幾個問題J.化學教育,2000,6):38葛春燕巧得鋅電極J.實驗方法與實驗設計.2007,23(1