葉佩佩 丁偉

摘要：重力電池是一種形式介于單液電池和雙液電池之間的電池。它利用不同溶液密度的不同使溶液分層，電池兩極分別位于上下兩層液體中，具有內(nèi)阻小、電流大并且穩(wěn)定的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)并制作了重力電池，結(jié)合實(shí)驗(yàn)介紹了重力電池的原理及發(fā)展簡(jiǎn)況。

關(guān)鍵詞：重力電池；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；濃差電池；鋅電極；銅電極

文章編號(hào)：1005–6629（2016）7–0057–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 背景介紹

銅鋅原電池是高中電化學(xué)中的重要實(shí)驗(yàn)。必修《化學(xué)2》教材中介紹了單液銅鋅原電池，旨在幫助學(xué)生了解原電池的工作原理和構(gòu)成條件，初步形成原電池的概念。選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》教材中介紹了電池效率更高、更加穩(wěn)定的帶鹽橋的雙液原電池。由此可見(jiàn)，課程在原電池原理及實(shí)用性方面，對(duì)學(xué)生的要求逐漸提高。

追溯原電池的發(fā)展過(guò)程，重力電池是形式介于傳統(tǒng)的單液原電池和帶鹽橋的雙液原電池之間的一種電池。它最早源于19世紀(jì)60年代法國(guó)的Cal laud對(duì)簡(jiǎn)單的丹尼爾電池的改進(jìn)[1]，直到20世紀(jì)50年代都被用作電源為美國(guó)和英國(guó)的電報(bào)網(wǎng)絡(luò)供電。傳統(tǒng)的重力電池如圖1所示，由一個(gè)底部放有一個(gè)銅電極（+），邊緣懸掛一個(gè)鋅電極（-）的容器組成。硫酸銅晶體分散在正極的周圍，容器裝滿了蒸餾水。當(dāng)在負(fù)極表面形成一層硫酸鋅的時(shí)候，就開(kāi)始有電流產(chǎn)生了。重力電池的首要條件是保持液體呈現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)，因此它不是一個(gè)便攜式的電源，晃動(dòng)或攪拌都可能使兩種溶液混合。隨著電池放電時(shí)間的延長(zhǎng)，上層的鋅電極和下層的硫酸銅會(huì)不斷消耗，因此電池使用了一段時(shí)間之后需要通過(guò)更換鋅電極或向溶液中直接添加硫酸銅晶體的方法，使該重力電池重新開(kāi)始工作。重力電池?fù)?jù)此可以不斷被充電，在沒(méi)有電網(wǎng)的情況下，可重復(fù)使用，這也是當(dāng)時(shí)重力電池能被廣泛應(yīng)用的原因之一。

重力電池中銅電極位于硫酸銅溶液中，鋅電極位于硫酸鋅溶液中，構(gòu)成銅鋅原電池。銅電極為正極，發(fā)生還原反應(yīng)，Cu2++2e-=Cu；鋅電極為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，Zn-2e-=Zn2+，電池的總反應(yīng)為：Zn+Cu2+=Zn2++Cu。

重力電池將電池反應(yīng)分為在上下兩層溶液中進(jìn)行的兩個(gè)半反應(yīng)，是利用了溶液分層的原理。一般認(rèn)為，溶液是均一、穩(wěn)定的混合物。但是因?yàn)椴煌芤褐腥苜|(zhì)的種類不同或含溶質(zhì)的多少不同，所以不同的溶液的密度一般是不同的。如果在沒(méi)有攪拌或振蕩的情況下混合兩種溶液，將密度大的溶液緩慢從密度小的溶液下部加入，靜置時(shí)由于重力的作用，兩種溶液不能均勻混合，密度大的溶液在下層，密度小的溶液在上層。若兩種溶液的顏色不同，在宏觀上能明顯觀察到顏色分層的現(xiàn)象。

高中化學(xué)教材曾呈現(xiàn)過(guò)不同溶液因?yàn)槠涿芏炔煌謱拥默F(xiàn)象。人教版高中必修《化學(xué)1》[2]第三章第一節(jié)“金屬的化學(xué)性質(zhì)”中展示了一幅鋁絲和硫酸銅溶液反應(yīng)的圖片，如圖2所示，其發(fā)生了如下反應(yīng)：2Al+3CuSO4=Al2（SO4）3+3Cu?？梢杂^察到伸入液面以下的鋁絲被置換出的銅單質(zhì)包裹，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，藍(lán)色的硫酸銅溶液逐漸變?yōu)闊o(wú)色的硫酸鋁溶液。若按方程式計(jì)量系數(shù)反應(yīng)，3mol CuSO4反應(yīng)生成1mol Al2（SO4）3，反應(yīng)前溶液溶質(zhì)為3mol CuSO4，其質(zhì)量為480g，反應(yīng)后溶質(zhì)為1mol Al2（SO4）3，其質(zhì)量為342g。3mol CuSO4的質(zhì)量大于1mol Al2（SO4）3的質(zhì)量，反應(yīng)前后溶液體積不變，所以反應(yīng)后的Al2（SO4）3溶液的密度小于反應(yīng)前CuSO4溶液的密度，靜置時(shí)溶液分層，上層為無(wú)色Al2（SO4）3溶液，下層為藍(lán)色CuSO4溶液。由此可得，溶液能因密度不同而分層。

一般溶液分層并不是一種穩(wěn)定的狀態(tài)。在熱力學(xué)中，體系有自發(fā)傾向于熵增的趨勢(shì)，溶質(zhì)會(huì)自發(fā)地從高濃度向低濃度擴(kuò)散，所以溶液并不能長(zhǎng)時(shí)間維持分層的狀態(tài)，一段時(shí)間之后分層的現(xiàn)象消失，形成均一、穩(wěn)定的溶液。但是重力電池在工作中，溶液能始終維持分層，其原因可從離子遷移方向的影響因素上考慮。一方面受電勢(shì)高低的影響，電解質(zhì)溶液中的陰離子向原電池的負(fù)極移動(dòng)，陽(yáng)離子向原電池的正極移動(dòng)。另一方面受溶液濃度的影響，離子傾向于向濃度低的方向擴(kuò)散。重力電池能在宏觀上觀察到溶液分層的界面，是因?yàn)镃u2+在水溶液中呈藍(lán)色。由于電勢(shì)的影響，Cu2+離子向電勢(shì)高的銅電極（+）方向移動(dòng)，由于受離子濃度的影響，Cu2+應(yīng)該向銅離子濃度低的鋅電極（-）方向移動(dòng)，兩種因素促使Cu2+向相反的方向移動(dòng)。受這兩種方向相反作用的影響，綜合表現(xiàn)為在宏觀上能夠觀察到無(wú)色液體和藍(lán)色液體的界面始終存在。因此，使用重力電池作為電源時(shí)，電流必須保持流動(dòng)來(lái)抵消兩層溶液相互擴(kuò)散的效應(yīng)。

重力電池在19世紀(jì)的西方已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)這種形式的電池卻還鮮為人知。重力電池的形式介于單液和雙液原電池之間，和單液原電池相比重力電池將電池反應(yīng)分成兩個(gè)半反應(yīng)，分別在不同的溶液中進(jìn)行。和雙液電池相比，重力電池沒(méi)有使用鹽橋，電池反應(yīng)在同一液體體系中進(jìn)行。本文設(shè)計(jì)并制作了一種重力電池，測(cè)量了其電動(dòng)勢(shì)及電流隨時(shí)間的變化并進(jìn)行了分析。此外，還依據(jù)重力電池的形式進(jìn)行了拓展和創(chuàng)新。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 重力電池的制作

2.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與器材

CuSO4·5H2O（AR）、ZnSO4·7H2O（AR）、蒸餾水

燒杯（150mL）、容量瓶（100mL）、量筒（100mL）、三角漏斗、滴管、玻璃棒、銅片、鋅片、鐵夾、帶夾導(dǎo)線、數(shù)字萬(wàn)用表（VC890D）

2.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）制作電極。將6.0cm×2.3cm鋅片和10.0cm×2.3cm銅片卷成螺旋狀并連接導(dǎo)線。

（2）配制溶液。配制1 mol/L CuSO4溶液和0.5 mol/L ZnSO4溶液。

（3）混合溶液。向燒杯中加入約70mL ZnSO4溶液，插入漏斗使漏斗下口緊貼燒杯底部，沿漏斗緩慢倒入約70mL CuSO4溶液，靜置。最終溶液分層，上層無(wú)色，下層藍(lán)色。

（4）安裝電池。將銅片緩緩放入下層溶液中，鋅片浸沒(méi)于上層無(wú)色的液體中并用鐵夾固定在燒杯壁上，切勿讓銅片或鋅片接觸另一層液體，裝置如圖3所示。

（5）電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量。將鋅片和銅片分別連接數(shù)字萬(wàn)用表的負(fù)極和正極接線柱，測(cè)量電動(dòng)勢(shì)和電流隨時(shí)間的變化并觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋅片逐漸溶解，表面變黑，銅片上有亮紅色物質(zhì)生成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中重力電池的電流和電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化較穩(wěn)定，因此此處僅選取其中幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)的電流和電動(dòng)勢(shì)的數(shù)據(jù)列于表1。

2.1.3 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的變化重力電池的電動(dòng)勢(shì)和外電路的電流變化不大，呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。有研究表明，單液電池的電池電動(dòng)勢(shì)和電流在10分鐘內(nèi)均呈現(xiàn)出快速降低的趨勢(shì)，而帶鹽橋的雙液原電池則相對(duì)比較穩(wěn)定[3]。與單液原電池中鋅電極和CuSO4溶液直接接觸不同，重力電池的形式讓兩個(gè)半反應(yīng)分別在上下兩層液體中發(fā)生，與雙液原電池將兩個(gè)半反應(yīng)分別置于兩個(gè)容器中類似，都避免了因?yàn)殇\電極和CuSO4溶液直接接觸而導(dǎo)致的電極的極化，使電池效率增大，所以在測(cè)量時(shí)重力電池的電流和電動(dòng)勢(shì)能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定。

此外，與雙液原電池中鹽橋和電解質(zhì)溶液共同導(dǎo)電的情況不同，重力電池的電池反應(yīng)在同一液體體系中進(jìn)行，與單液原電池相同，通過(guò)電解質(zhì)溶液導(dǎo)電，所以其內(nèi)電阻較小，如在本研究中所測(cè)得的重力電池的內(nèi)電阻約為9Ω。上述實(shí)驗(yàn)表明，重力電池具有內(nèi)阻小，電流大且能提供穩(wěn)定的電流和電壓的特點(diǎn)，電池的轉(zhuǎn)化效率高，作為電源有一定的優(yōu)勢(shì)，多個(gè)重力電池串聯(lián)后可用作實(shí)用的電源。

2.2 重力電池的拓展應(yīng)用

依據(jù)重力電池的原理，仿照其形式，改變電極和電解質(zhì)溶液，可以設(shè)計(jì)成其他的重力電池。例如用銅片代替上層的鋅片，用蒸餾水代替上層ZnSO4溶液，可制得銅電極和不同濃度的CuSO4溶液組成的濃差電池。該濃差電池的上層為蒸餾水，下層為1 mol/L CuSO4溶液，上下兩個(gè)電極均為銅電極。用萬(wàn)用表測(cè)得該電池的電動(dòng)勢(shì)為0.036V，電流為0.62mA。

此濃差電池的下層CuSO4溶液中的銅電極作正極，發(fā)生還原反應(yīng)：Cu2+（c1）+2e-=Cu，反應(yīng)的過(guò)程中有亮紅色物質(zhì)在銅表面析出；上層水中的銅電極作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)：Cu-2e-=Cu2+（c2），因?yàn)榉磻?yīng)過(guò)程中有Cu2+生成，故銅電極周圍的無(wú)色溶液一段時(shí)間后略帶淺藍(lán)色；電池的總反應(yīng)為：Cu2+（c1）=Cu2+（c2）。查電動(dòng)勢(shì)表得：Cu2++2e-=Cu，Eθ=+0.342V，標(biāo)準(zhǔn)狀況下c（Cu2+）=1 mol/L。實(shí)際測(cè)得該濃差電池的E=0.036V，則負(fù)極的電勢(shì)為E（Cu2+/ Cu）=0.306V，由此可根據(jù)E（Cu2+/Cu）=Eθ（Cu2+/Cu）+（0.0592/2）lg（Cu2+）可進(jìn)一步計(jì)算出測(cè)量時(shí)上層溶液中的銅離子濃度為c（Cu2+）=0.06 mol/L。上述計(jì)算是一種理論判斷，要準(zhǔn)確測(cè)量該電池的電動(dòng)勢(shì)，需要使用鹽橋，以降低液接電勢(shì)[4]。重力電池的形式為濃差電池的制作提供了新的思路，也為學(xué)生學(xué)習(xí)濃差電池相關(guān)原理提供了幫助。

另外，也可以制作以鐵和碳棒為電極的重力電池，下層Fe2（SO4）3溶液中，碳棒作正極，發(fā)生還原反應(yīng)，F(xiàn)e3++e-=Fe2+；上層FeSO4溶液中，鐵是負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，F(xiàn)e-2e-=Fe2+。據(jù)此還可以設(shè)計(jì)更多種類的其他重力電池。但需要注意的是，制作重力電池時(shí)可先將水和另一種鹽溶液進(jìn)行分層，再向上層液體中添加電解質(zhì)，也可以直接通過(guò)傾倒的方法將兩種不同的電解質(zhì)溶液分層。若采用將兩種溶液分層的方法，實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先計(jì)算溶液的密度，盡可能保證兩種溶液的密度差足夠大，在添加液體時(shí)使用三角漏斗從下部添加密度較大的液體，避免兩種液體混合。

3 結(jié)語(yǔ)

重力電池是一種形式介于單液與雙液原電池之間的原電池，重力電池具有電阻小、電流大并且穩(wěn)定的特點(diǎn)，但是因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)必須保持靜置的狀態(tài)且只能連續(xù)供電而不被廣泛應(yīng)用。研究原電池最終是為了創(chuàng)造出更加穩(wěn)定、持久的化學(xué)電源，學(xué)習(xí)的過(guò)程中通過(guò)重力電池與單液、雙液電池的比較能使我們對(duì)單液與雙液原電池原理及鹽橋的作用理解更加深刻。

引入重力電池到教學(xué)中不僅能幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)溶液因?yàn)槊芏炔煌謱拥脑砑皾獠铍姵氐南嚓P(guān)知識(shí)，還可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，設(shè)計(jì)不同類型的重力電池。制作重力電池的材料方便易得，形式新穎且顏色漂亮，有利于開(kāi)展學(xué)生興趣實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)其對(duì)化學(xué)的興趣。

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