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标题 微功耗器件让简单原电池实验灵动起来
范文 张援






摘要：简单原电池实验装置是高中化学教学中最基本的实验装置，这个实验装置在揭示原电池的反应原理时，更多地是通过电流表等电工仪表来证明化学能转化为电能的。将微型灯泡、微型电机、LED发光二极管、音乐IC模块和电子手表芯等微功耗器件用于原电池实验，在证实原电池工作时有电流产生的同时，也让原电池知识的学习生动活泼、充满乐趣。
关键词：原电池；微功耗器件；电化学腐蚀；盐水动力车；实验研究
文章编号：1005-6629（2016）2-0063-04
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
这里所说的简单原电池是指将金属或石墨等电极直接与电解质溶液接触形成的电池装置。这种电池虽有工作效率不高、产生的电压电流有限、持续供电能力不足等缺陷，但其一目了然的简单构造既方便实验操作和实验现象的观察，也有利于学生对反应原理的分析和理解，因此是学生初学电池知识时必不可少的实验装置。简单原电池装置电压低电流小的弱点，决定了用其直接驱动一般用电器正常工作是比较困难的，因此教学中一般是用电流表或检流计等仪表来证明其工作时有电流产生。然而，对于原电池实验来讲，又有哪个实验现象比灯泡发光、电机转动能让学生更真切地感受到化学能转化成了电能呢？也正因为如此，不少教师对原电池驱动灯泡发光等实验进行了研究和改进的尝试。这些实验改进的思路一般是通过多组电池串联、增加电极材料的活性或减少极化作用等措施来增强实验效果的。这些措施虽然在—定程度上克服了简单原电池装置的某些缺陷，但由于不再单纯的实验试剂和趋于复杂的实验装置，有可能会分散学生对主体实验现象观察的注意力，还有可能带来学生对原电池反应原理认知上的困难。显然，对于初学原电池知识的学生来讲，简单纯粹的实验装置应该是教学中的首选。在这种情况下，我们还是应该把解决问题的着眼点放在去寻找工作电压更低、驱动电流更小的微功耗器件上。
随着时代的进步和技术的发展，微功耗器件日渐普及，被广泛应用在智能手机、数码相机、手表和玩具等电子产品中，再加之网络电商提供的便利条件，使得现在要获得这些微功耗器件变得容易起来，有些器件在网店上常以“尾货清仓”或“闲置处理”商品出售，价格十分优惠，因此可以批量购买用于学生实验。比如笔者购买的微型灯泡（见图1）最便宜的每个只要2角钱，微型电机（见图2）几角钱也可以买到，贺卡音乐IC（见图3）和电子手表芯（见图4）都不超过1元钱，LED发光二极管3分钱就买到了。下面向大家介绍几个用微功耗器件做的原电池实验，供同行们参考。
1 金属（碳棒）稀硫酸原电池实验
老式手电筒上用的1.5V 0.3A（或2.5V 0.3A）小电珠比较容易找到，所以常被用作原电池实验的电光源。为了让学生看到小电珠发光，在锌一铜一稀硫酸原电池实验中，较普遍的一种做法是向稀硫酸中加入KMnO4、H2O2或K2Cr2O7等去极化试剂。这种做法虽然能让小灯泡在一段时间内持续发光，但去极化试剂的添加也增加了学生的疑惑，而对电池的极化问题，又不是三言两语能给学生解释清楚的，因此选用功耗足够小的灯泡，让原电池装置中的电解质溶液简单一些效果应该更好。笔者通过对购得的几种微型灯泡测量发现，它们在电压达到1～1.5V时就可以被点亮，电流大多小于100mA，其中一种微型灯泡在1.2V发光时的电流只有25mA左右。微型灯泡如此低的发光功耗条件，锌一铜一稀硫酸等原电池装置是可以满足的，以下实验结果也表明，在不添加去极化试剂的情况下，某些简单原电池装置是可以让微型灯泡持续发光的。
将微型灯泡的两根导线分别与7.5cm×1.5cm锌片和铜片（或碳棒）连接，然后将锌片和铜片（或碳棒）插入0.5 mol·L-1稀硫酸中，可以看到微型灯泡发光（见图5）。将锌片换成用砂纸打磨过的铝箔、镁条等，微型灯泡亦可以发光。把微型灯泡换成微型电机，可以看到电机带动桨叶飞快旋转（见图6）。
笔者对手头上的几款微型电机进行了测试，它们的启动电压都在0.4～0.6V之间，电流小于30mA，最小的只有15mA左右。微型电机的启动电压和工作电流甚至比微型灯泡更低。使用经验也表明，能够驱动微型电机工作的简单原电池装置更多，实验效果也更好。
LED发光二极管也是一种常见的微功耗电子元器件。红、黄发光二极管的工作电压一般只有1.8～2.2V，低电流LED发光二极管的工作电流在2mA以下，有的仅零点几毫安即可发光。笔者指导学生用镁条、碳棒和稀硫酸原电池与红色LED发光二极管连接，发光效果不错（见图7）。另外，实验时提示学生将LED发光二极管连接的两个电极进行对调，看看实验效果是否相同，以此来确认原电池的正负极，这也是LED发光二极管用于原电池实验的独特优点。
以上简单而又生动有趣的实验，是值得让每一名学生都亲自去做一做的。让学生在实验活动中领悟原电池的奥秘，在探究活动中学习原电池的反应原理，这样的学习体验和感受是教师用电流表演示给学生看所难以获得的。
2 水果电池实验
用铜导电线（或铜硬币、铜钥匙）、碳棒（或绘图用2mm铅笔芯）、锌片（取自干电池）、铁钉等材料作电极，与柠檬、西红柿、柑橘、猕猴桃等水果制作电池，是趣味性和启发性很强的实验活动。水果电池产生的电压和电流大小与水果的品种、电极材料的种类、电极之间的距离以及电极与果汁的接触面积等多种因素有关。在极板间距1.5cm，极板有效面积为4.5c㎡的情况下，大多数水果电池的开路电压不超过1V，短路电流不超过0.5mA，因此单组水果电池很难让微型灯泡发光或微型电机工作，大多数单组水果电池甚至不能点亮LED发光二极管，这时贺卡音乐IC和电子手表芯等功耗更低的电路模块便有了用武之地。这些电路模块的工作电压不高，只要有微弱的电流通过就可以发出悦耳的音乐（见图8）或在液晶屏上显示数字（见图9），实验效果令人满意。
笔者测试的一种贺卡音乐IC在电压0.8V时便可发声，电流仅为50μA左右。测试的一种电子手表芯在电压1.2V时便可正常显示数字，电流更是低到不足1μA，以至于笔者将镁条和铜片搭在舌尖上、浸在自来水或矿泉水中，电子手表芯仍能正常显示数字。
3 镁空气电池实验
空气电池是化学电池中的一种，其氧化剂来源于空气中的氧气。镁空气电池是以镁或镁合金作为负极材料，以氧气作为正极活性物质的电池，在水溶液体系中的电池反应为2Mg+O2+2H2O=2Mg（OH）2，在非水体系中的电池反应为2Mg+O2=2MgO。这种电池具有成本低、无污染、放电稳定、容量大和比能量高等优点，被誉为未来最具发展和应用前景的新能源。有文献报道，日本正在推进镁空气电池的大容量化研究。
镁空气电池的工作原理并不复杂，实验材料很容易找到，制作方法和步骤也非常简单。将碳棒用食盐水湿润后，在活性炭粉中滚一下，让碳棒表面沾满活性炭粉，用纸巾将碳棒包裹两层，一端露出用于接线。剪一段长约20cm的镁带，在碳棒一端用长尾夹固定，剩余镁条继续向碳棒另一端螺旋缠绕，每圈间留少许缝隙并缠紧，在碳棒另一端用长尾夹将镁条固定，留出一段镁条用于接线。将微型灯泡的两根导线分别与镁条和碳棒连接，然后向碳棒的纸巾上滴少量浓度约为10%～20%的食盐水，可以看到微型灯泡在较长的时间内持续发光（见图10），若将微型灯泡换成微型电机，电机带动桨叶飞陕旋转（见图11）。
镁空气电池实验是学习原电池知识、认识化学电源构造的一个很好的实验项目。引导学生尝试制作一个镁空气电池，让他们在活动中理解原电池反应的本质，体验实验成功的喜悦。
4 盐水动力车实验
最近一种叫“盐水动力车”的玩具在市场和网店销售，卖家宣称只需几滴盐水便可让小车跑20分钟。驱动车轮转动的是一个微型电机，电机的动力来自一小片镁空气电池，该电池由5个部件组成（见图12），电池组装并不复杂（见图13），将组装好的电池插入小车，让电池的电极与电机接线簧片接触，再向电池上滴几滴浓度约为10%～20%的食盐水，小车就会奔跑起来（见图14）。笔者是在讲“金属的电化学腐蚀”之前，让学生“玩”这种小车的，当学生看到搭载着自己组装的电池的小车在地面上奔跑时，课堂气氛顿时活跃起来，同学们由衷地感叹：想不到制作一个电池竟然如此地简单，更想不到如此简单的电池还能驱动小车奔跑！ 接下来与学生一起对镁空气电池的反应原理进行分析，判断电池的正负极并通过实验验证，写出了电池的电极反应和电池反应：
负极反应：
正极反应：
电池反应：
然后追问：将镁空气电池中的镁片换成铁片，电池还会工作吗？如果能，电池的电极反应和电池反应是怎样的？讨论后学生再通过实验验证自己的判断，并写出电池的电极反应和电池反应式，教学活动逐步过渡到对钢铁电化学腐蚀原理分析的环节（见图15）。
钢铁电化学腐蚀的反应原理：
负极反应：
正极反应：
电池反应：
对比发现，二者在开始阶段的反应原理极其相似。因此，通过对镁空气电池反应原理的分析，将原电池知识迁移到对金属腐蚀原理的理解上来，让新知在学生已有经验基础上自然生长，实现了原电池知识与金属腐蚀原理的自然对接。这一逻辑严谨而又充满情趣的教学设计，在加深学生对原电池反应原理理解的同时，也让“金属的电化学腐蚀”的教学活动自然流畅，结论水到渠成。
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更新时间：2025/3/15 1:59:08