微功耗器件讓簡單原電池實驗靈動起來

張援

摘要：簡單原電池實驗裝置是高中化學教學中最基本的實驗裝置，這個實驗裝置在揭示原電池的反應原理時，更多地是通過電流表等電工儀表來證明化學能轉(zhuǎn)化為電能的。將微型燈泡、微型電機、LED發(fā)光二極管、音樂IC模塊和電子手表芯等微功耗器件用于原電池實驗，在證實原電池工作時有電流產(chǎn)生的同時，也讓原電池知識的學習生動活潑、充滿樂趣。

關(guān)鍵詞：原電池；微功耗器件；電化學腐蝕；鹽水動力車；實驗研究

文章編號：1005-6629（2016）2-0063-04

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

這里所說的簡單原電池是指將金屬或石墨等電極直接與電解質(zhì)溶液接觸形成的電池裝置。這種電池雖有工作效率不高、產(chǎn)生的電壓電流有限、持續(xù)供電能力不足等缺陷，但其一目了然的簡單構(gòu)造既方便實驗操作和實驗現(xiàn)象的觀察，也有利于學生對反應原理的分析和理解，因此是學生初學電池知識時必不可少的實驗裝置。簡單原電池裝置電壓低電流小的弱點，決定了用其直接驅(qū)動一般用電器正常工作是比較困難的，因此教學中一般是用電流表或檢流計等儀表來證明其工作時有電流產(chǎn)生。然而，對于原電池實驗來講，又有哪個實驗現(xiàn)象比燈泡發(fā)光、電機轉(zhuǎn)動能讓學生更真切地感受到化學能轉(zhuǎn)化成了電能呢？也正因為如此，不少教師對原電池驅(qū)動燈泡發(fā)光等實驗進行了研究和改進的嘗試。這些實驗改進的思路一般是通過多組電池串聯(lián)、增加電極材料的活性或減少極化作用等措施來增強實驗效果的。這些措施雖然在—定程度上克服了簡單原電池裝置的某些缺陷，但由于不再單純的實驗試劑和趨于復雜的實驗裝置，有可能會分散學生對主體實驗現(xiàn)象觀察的注意力，還有可能帶來學生對原電池反應原理認知上的困難。顯然，對于初學原電池知識的學生來講，簡單純粹的實驗裝置應該是教學中的首選。在這種情況下，我們還是應該把解決問題的著眼點放在去尋找工作電壓更低、驅(qū)動電流更小的微功耗器件上。

隨著時代的進步和技術(shù)的發(fā)展，微功耗器件日漸普及，被廣泛應用在智能手機、數(shù)碼相機、手表和玩具等電子產(chǎn)品中，再加之網(wǎng)絡電商提供的便利條件，使得現(xiàn)在要獲得這些微功耗器件變得容易起來，有些器件在網(wǎng)店上常以“尾貨清倉”或“閑置處理”商品出售，價格十分優(yōu)惠，因此可以批量購買用于學生實驗。比如筆者購買的微型燈泡（見圖1）最便宜的每個只要2角錢，微型電機（見圖2）幾角錢也可以買到，賀卡音樂IC（見圖3）和電子手表芯（見圖4）都不超過1元錢，LED發(fā)光二極管3分錢就買到了。下面向大家介紹幾個用微功耗器件做的原電池實驗，供同行們參考。

1 金屬（碳棒）稀硫酸原電池實驗

老式手電筒上用的1.5V 0.3A（或2.5V 0.3A）小電珠比較容易找到，所以常被用作原電池實驗的電光源。為了讓學生看到小電珠發(fā)光，在鋅一銅一稀硫酸原電池實驗中，較普遍的一種做法是向稀硫酸中加入KMnO₄、H₂O₂或K₂Cr₂O₇等去極化試劑。這種做法雖然能讓小燈泡在一段時間內(nèi)持續(xù)發(fā)光，但去極化試劑的添加也增加了學生的疑惑，而對電池的極化問題，又不是三言兩語能給學生解釋清楚的，因此選用功耗足夠小的燈泡，讓原電池裝置中的電解質(zhì)溶液簡單一些效果應該更好。筆者通過對購得的幾種微型燈泡測量發(fā)現(xiàn)，它們在電壓達到1～1.5V時就可以被點亮，電流大多小于100mA，其中一種微型燈泡在1.2V發(fā)光時的電流只有25mA左右。微型燈泡如此低的發(fā)光功耗條件，鋅一銅一稀硫酸等原電池裝置是可以滿足的，以下實驗結(jié)果也表明，在不添加去極化試劑的情況下，某些簡單原電池裝置是可以讓微型燈泡持續(xù)發(fā)光的。

將微型燈泡的兩根導線分別與7.5cm×1.5cm鋅片和銅片（或碳棒）連接，然后將鋅片和銅片（或碳棒）插入0.5 mol·L^-1稀硫酸中，可以看到微型燈泡發(fā)光（見圖5）。將鋅片換成用砂紙打磨過的鋁箔、鎂條等，微型燈泡亦可以發(fā)光。把微型燈泡換成微型電機，可以看到電機帶動槳葉飛快旋轉(zhuǎn)（見圖6）。

筆者對手頭上的幾款微型電機進行了測試，它們的啟動電壓都在0.4～0.6V之間，電流小于30mA，最小的只有15mA左右。微型電機的啟動電壓和工作電流甚至比微型燈泡更低。使用經(jīng)驗也表明，能夠驅(qū)動微型電機工作的簡單原電池裝置更多，實驗效果也更好。

LED發(fā)光二極管也是一種常見的微功耗電子元器件。紅、黃發(fā)光二極管的工作電壓一般只有1.8～2.2V，低電流LED發(fā)光二極管的工作電流在2mA以下，有的僅零點幾毫安即可發(fā)光。筆者指導學生用鎂條、碳棒和稀硫酸原電池與紅色LED發(fā)光二極管連接，發(fā)光效果不錯（見圖7）。另外，實驗時提示學生將LED發(fā)光二極管連接的兩個電極進行對調(diào)，看看實驗效果是否相同，以此來確認原電池的正負極，這也是LED發(fā)光二極管用于原電池實驗的獨特優(yōu)點。

以上簡單而又生動有趣的實驗，是值得讓每一名學生都親自去做一做的。讓學生在實驗活動中領(lǐng)悟原電池的奧秘，在探究活動中學習原電池的反應原理，這樣的學習體驗和感受是教師用電流表演示給學生看所難以獲得的。

2 水果電池實驗

用銅導電線（或銅硬幣、銅鑰匙）、碳棒（或繪圖用2mm鉛筆芯）、鋅片（取自干電池）、鐵釘?shù)炔牧献麟姌O，與檸檬、西紅柿、柑橘、獼猴桃等水果制作電池，是趣味性和啟發(fā)性很強的實驗活動。水果電池產(chǎn)生的電壓和電流大小與水果的品種、電極材料的種類、電極之間的距離以及電極與果汁的接觸面積等多種因素有關(guān)。在極板間距1.5cm，極板有效面積為4.5c㎡的情況下，大多數(shù)水果電池的開路電壓不超過1V，短路電流不超過0.5mA，因此單組水果電池很難讓微型燈泡發(fā)光或微型電機工作，大多數(shù)單組水果電池甚至不能點亮LED發(fā)光二極管，這時賀卡音樂IC和電子手表芯等功耗更低的電路模塊便有了用武之地。這些電路模塊的工作電壓不高，只要有微弱的電流通過就可以發(fā)出悅耳的音樂（見圖8）或在液晶屏上顯示數(shù)字（見圖9），實驗效果令人滿意。endprint

筆者測試的一種賀卡音樂IC在電壓0.8V時便可發(fā)聲，電流僅為50μA左右。測試的一種電子手表芯在電壓1.2V時便可正常顯示數(shù)字，電流更是低到不足1μA，以至于筆者將鎂條和銅片搭在舌尖上、浸在自來水或礦泉水中，電子手表芯仍能正常顯示數(shù)字。

3 鎂空氣電池實驗

空氣電池是化學電池中的一種，其氧化劑來源于空氣中的氧氣。鎂空氣電池是以鎂或鎂合金作為負極材料，以氧氣作為正極活性物質(zhì)的電池，在水溶液體系中的電池反應為2Mg+O₂+2H₂O=2Mg（OH）₂，在非水體系中的電池反應為2Mg+O₂=2MgO。這種電池具有成本低、無污染、放電穩(wěn)定、容量大和比能量高等優(yōu)點，被譽為未來最具發(fā)展和應用前景的新能源。有文獻報道，日本正在推進鎂空氣電池的大容量化研究。

鎂空氣電池的工作原理并不復雜，實驗材料很容易找到，制作方法和步驟也非常簡單。將碳棒用食鹽水濕潤后，在活性炭粉中滾一下，讓碳棒表面沾滿活性炭粉，用紙巾將碳棒包裹兩層，一端露出用于接線。剪一段長約20cm的鎂帶，在碳棒一端用長尾夾固定，剩余鎂條繼續(xù)向碳棒另一端螺旋纏繞，每圈間留少許縫隙并纏緊，在碳棒另一端用長尾夾將鎂條固定，留出一段鎂條用于接線。將微型燈泡的兩根導線分別與鎂條和碳棒連接，然后向碳棒的紙巾上滴少量濃度約為10%～20%的食鹽水，可以看到微型燈泡在較長的時間內(nèi)持續(xù)發(fā)光（見圖10），若將微型燈泡換成微型電機，電機帶動槳葉飛陜旋轉(zhuǎn)（見圖11）。

鎂空氣電池實驗是學習原電池知識、認識化學電源構(gòu)造的一個很好的實驗項目。引導學生嘗試制作一個鎂空氣電池，讓他們在活動中理解原電池反應的本質(zhì)，體驗實驗成功的喜悅。

4 鹽水動力車實驗

最近一種叫“鹽水動力車”的玩具在市場和網(wǎng)店銷售，賣家宣稱只需幾滴鹽水便可讓小車跑20分鐘。驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的是一個微型電機，電機的動力來自一小片鎂空氣電池，該電池由5個部件組成（見圖12），電池組裝并不復雜（見圖13），將組裝好的電池插入小車，讓電池的電極與電機接線簧片接觸，再向電池上滴幾滴濃度約為10%～20%的食鹽水，小車就會奔跑起來（見圖14）。筆者是在講“金屬的電化學腐蝕”之前，讓學生“玩”這種小車的，當學生看到搭載著自己組裝的電池的小車在地面上奔跑時，課堂氣氛頓時活躍起來，同學們由衷地感嘆：想不到制作一個電池竟然如此地簡單，更想不到如此簡單的電池還能驅(qū)動小車奔跑！ 接下來與學生一起對鎂空氣電池的反應原理進行分析，判斷電池的正負極并通過實驗驗證，寫出了電池的電極反應和電池反應：

負極反應：

正極反應：

電池反應：

然后追問：將鎂空氣電池中的鎂片換成鐵片，電池還會工作嗎？如果能，電池的電極反應和電池反應是怎樣的？討論后學生再通過實驗驗證自己的判斷，并寫出電池的電極反應和電池反應式，教學活動逐步過渡到對鋼鐵電化學腐蝕原理分析的環(huán)節(jié)（見圖15）。

鋼鐵電化學腐蝕的反應原理：

負極反應：

正極反應：

電池反應：

對比發(fā)現(xiàn)，二者在開始階段的反應原理極其相似。因此，通過對鎂空氣電池反應原理的分析，將原電池知識遷移到對金屬腐蝕原理的理解上來，讓新知在學生已有經(jīng)驗基礎(chǔ)上自然生長，實現(xiàn)了原電池知識與金屬腐蝕原理的自然對接。這一邏輯嚴謹而又充滿情趣的教學設(shè)計，在加深學生對原電池反應原理理解的同時，也讓“金屬的電化學腐蝕”的教學活動自然流暢，結(jié)論水到渠成。endprint