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1、原电池工作原理的讨论摘要针对原电池教学中对电子定向移动的解释，外电路中电子移动的问题，内电路中离子移动的问题，能量转化问题等出现的一些偏差认识进行了讨论。关键词原电池；电子移动；离子移动；能量转化固然化学电池在生产、生活中应用广泛，但由于体系复杂，内容抽象，涉及多学科内容，查阅相关的大学物理、化学教材发现，目前对其工作原理，即便是最简单的电池原电池的工作原理，也讲法不一，还没有构成统一的、明晰的认识。在一些大学教材中，原电池的工作原理虽有定量描绘，但假设、经历公式成分居多，基本还处于半定量阶段，这无疑增加了中学教学难度。而原电池工作原理又是高中化学重点学习内容，这就要请教师结合大学相关教材，主
2、要是电磁学、物理化学等，融合各学科的观点，从中寻找合理成分，达成对原电池工作原理比拟接近本质的理解。在听课及查阅文献时，发现有些老师对原电池工作原理的认识还比拟模糊，甚至存在一些偏差，现提出来与大家沟通讨论，以期厘清原电池工作原理的一些基本认识。对电子定向移动的解释在原电池教学中，关于电子定向移动的问题，较常见的做法是通过实验现象，如电流计指针偏转，正极处产生新物质等，简单分析得出电子发生定向移动的结论。至于学生感觉比拟困惑的地方，如原电池为什么会产生电流？上的电子为什么会流向？电子发生定向移动的驱动力是什么？由于涉及的微观机理比拟复杂，有的老师一般避而不谈。实际上，在“化学反响原理教学阶段，
3、能够从刚学过的沉淀溶解平衡以及电学知识入手进行分析，建立“双电层理论模型，然后利用该模型进行解释，学生比拟容易接受。当把金属电极插入溶液中，有部分金属离子会溶解进入溶液；同时，溶液中金属离子又会沉积到金属上，即幑幐。当溶解和沉积的速率相等时，到达动态平衡，金属外表的电荷层与溶液中相反电荷离子构成一个厚度约的稳定双电层如图，产生电势差，即金属的电极电势。金属电极电势的大小与金属的性质有关，金属越活泼，电势越低。对于、溶液构成的原电池，由于电极的电势低，电极的电势高，当用导线连接构成闭合回路时，整个电路中的自由电子在电场作用下，发生定向移动。电极上的电子经过导线流向电极。电极上电子减少，电极上电子
4、增加，两电极离子的溶解和沉积动态平衡均被毁坏，两电极外表附近的双电层也随之被毁坏。为了维持原有的双电层构造，电极重新析出到溶液中，同时溶液中又有沉积到外表。这样两极之间又产生电势差，使电子再由电极流到电极。这样的经过不断重复，使的溶解和沉积的经过持续进行，在电路中产生持续的电流。外电路中电子移动问题对于、溶液构成的原电池，有的老师结合原电池动画这样介绍导线中电子转移：失电子，电子沿着导线转移到，然后在外表得电子变成。这样的讲解很容易让学生误以为得的电子来源于。实际上电子在金属中定向移动的平均速率很小，约为，经过的导线需要近。假如得的电子是从转移过来的，则在外表应经过数小时后，才会观察到气泡。而
5、实际上，在和两极接通霎时，就能够观察到气泡。显然，上述对外电路中电子移动的解释不尽合理。这里能够利用“双电层理论模型，借助电学相关知识进行较为合理地解释。由于和两极存在电势差，接通后，立即在两极建立电场，电场以光速进行传递，外电路中的电子随即整体定向移动，溶液中即在外表得电子产生。内电路中离子移动问题关于原电池内电路中离子移动，有的老师这样介绍：在原电池中，为了构成闭合回路，电解质溶液中阳离子移向正极，阴离子移向负极，如原电池，和移向电极，移向电极。这样讲解也存在问题。在原电池的电解质溶液中，引起离子移动的原因主要是电场和化学势。由于发生电极反响：，使负极附近浓度变大，正极附近浓度变小，溶液中
6、和浓度不再均匀，即溶液各处和化学势不一样，这样就产生一个驱动力，使和向化学势低，即浓度小的地方移动，和移向电极。同时，由于两极双电层的存在，在溶液中建立了由电极双电层中正电荷多指向电极双电层中正电荷少的电场，该电场也使和移向电极。对于溶液中，由于不介入电极反响，浓度不变，溶液中各处化学势相等，但在电场的作用下，会移向电极。一旦发生迁移，溶液中分布不再均匀，靠近电极浓度高，靠近电极浓度低，在化学势的作用下，产生移向电极的趋势，能够预见这种相反的作用最终会到达平衡，即溶液中不可能持续不断移向电极。苏永乔以为电池中溶液中的离子符合玻尔兹曼分布律，以丹聂耳电池为例，计算结果表明，电源正常工作时，溶液中
7、的负离子有一个稳定的分布，并得出如下结论：宏观上看，负电荷没有定向运动。丹聂耳电池内部的电流是由正电荷在静态的负电荷从宏观角度讲的背景下定向运动构成的。能量转化问题在平常教学中，一般按如下方式描绘能量转化问题：与溶液直接接触反响，是化学能转化为热能；对于单液电池，由于电极外表析出，所以化学能一部分转化为电能，一部分转化为热能；对于双液电池，是化学能转化为电能。应该明确直接与溶液反响和构成双液电池，这个能量转化经过中，能量值的大小其实是不一样的。前者是等压条件下的热效应，应用焓计算，后者是等温等压条件下所做电功，应根据吉布斯自由能计算。对于反响：，。另外需要注意的是，只要可逆电池在接衡状态下工作时，才符合热力学要求，才能从热力学角度定量计算电池的能量转化。双液电池未构成通路时，和个电极与各自所处的电解质溶液到达平衡状态，不发生化学反响，充放电时，电极反响可向正、反个方向进行，基本符合热力学要求。当单液电池未构成通路时，电极会与电解质溶液持续反响，不具有热力学意义。与单液电池相比，双液电池更接近可逆体系，因而化学能转化为电能的效率更高。参考文献傅献彩，沈文霞，姚天扬，等物理化学下册版北京：高等教育出版社，赵凯华，陈熙谋电磁学北京：高等教育出版社，：彭前程普通高中课程标准实验教科书：物理选修老师教学用书北京：人民教育出版社，：苏永乔物理通报，：李友银，范广伟，石璞化学教育，：