关于原电池电极选择对测量误差影响的研究

作者:未知

  【摘 要】本文探究简易实验环境下原电池电极选择对测量误差的影响。实验利用氧化还原反应原理制作电池,探究分析将化学能转化为电能的原理以及影响理论电压与实验电压差异的主要因素。实验过程采用理论分析、分场景实验、控制变量法等研究方法,区别水果及蔬菜种类、电极金属活动性强弱、电极接触电解液表面积大小、电极间距离等因素研究原电池实验测量电压与理论电压差异。
  【关键词】原电池;电极;测量误差
  【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】1671-8437(2019)16-0127-02
  使用家庭常见物品及植物块茎、果实研究原电池原理,便于学生提高动手能力,加深对知识的理解和感性认识。本文旨在研究学生家庭简易环境下研究原电池原理中影响测量误差的主要因素,从电极材料选择、接触面积、电极间距、测量方式等方面为学生规避实验误区,提高实验精度,快速得出正确结论提供参考。
  1 实验构想
  原电池中金属的氧化还原反应中的氧化反应与还原反应分别在负极和正极上发生。较活泼的金属为负极,失去电子,发生氧化反应;电子经外部导线传导至正极,电解液中的阳离子向正极移动,正极得到电子,发生还原反应。以铁丝和铜丝电极组成的原电池为例,实验中铁丝的金属活泼性强于铜丝,作为负极失去电子置换出水果及块茎类蔬菜汁液中酸性物质的氢离子;而溶液中的氢离子移动至铜丝正极得到电子,生成氢气而析出。
  从理论上来说,电压高低与两种电极金属活泼性差异有关,電流大小和植物汁液中酸性物质浓度及电阻大小相关,负极发生氧化反应,正极发生还原反应。
  2 实验步骤
  2.1 实验仪器及用品准备
  实验仪表:多用电表。
  2.2 实验操作
  实验①:首先用砂纸清洁金属丝电极表面至洁净光亮无锈迹(每次使用电极前重新清洁,下同),然后用直尺量出距金属丝末端1厘米处位置,用水彩笔做好标记。用比金属丝稍细的牙签分别插入各待测水果及块茎类蔬菜,每个样品各做出垂直于样品表面、深度1厘米、间距1厘米的小孔,做为金属丝电极插入点。
  将铜丝和铁丝末端插入样品上的小孔至1厘米标记处与样品表面持平,并使用导线将铜丝和铁丝的另一端分别与电压表正负极相联,数值稳定不变后记录测量电压值。之后换成铜丝和铝丝及铁丝和铝丝,重复以上操作,记录所得电压值。
  实验②:调整电极插入深度、间距分别为2厘米和1厘米,重复以上步骤。
  实验③:调整电极插入深度、间距分别为3厘米和1厘米,重复以上步骤。
  实验④:调整电极插入深度、间距分别为2厘米和3厘米,重复以上步骤。
  实验⑤:调整电极插入深度、间距分别为2厘米和6厘米,重复以上步骤。
  2.3 电极与电解液接触面积影响
  实验数据分析:在电极材料、原电池介质、正负电极间距保持不变时,原电池发电效率与电极插入深度(正负电极与电解液接触面积)成正比。
  2.4 测量方式对比分析
  由于实验选取了易于找到的铜丝、铁丝等材料和精度较低的家用电压表和电流表等器材,测量出电流较小(实验中仅0.06毫安左右),测量误差对实验结论有较大影响。而使用电压表功能测量时,由于测量值相对较大(约0.5~1.3伏之间),对测量误差容忍度较高,可确保简易条件下实验
  效果。
  2.5 测量误差分析
  由于实验选取了易于找到的铜丝、铁丝等材料和精度较低的家用电压表和电流表等器材,电极与样品汁液接触面积较小,产生的电流较小,制作的原电池内电阻较大,使用电流表或多用电表毫安档电流表功能,测量出电流较小(实验中仅0.06毫安左右),测量误差对实验结论有较大影响。而使用电压表功能测量时,由于测量值相对较大(约0.5~1.3伏之间),对测量误差容忍度较高,可确保简易条件下实验效果[1-2]。
  3 实验结论
  实验研究的以下四个因素均能影响原电池的发电效率。(1)电解液浓度影响:在柠檬、橙子、苹果几种样品中,用柠檬做电池的发电效果最好,其次橙子,然后是苹果,最后是柑橘(将以上样品汁液滴在PH试纸检验,PH值依次递增)。(2)金属活泼性强弱影响:当正电极不变时,负电极的金属越活泼,原电池发电效率越高。当负电极不变时,正电极金属越不活泼,原电池发电效率越高。(3)电极与电解液接触面积影响:电极插入样品越深,电极与电解液接触的表面积越大,当电极材料与电解液体不变是时,电极插入得越深,原电池发电效率越高。(4)电极之间的距离的影响:电极间的距离越小,原电池发电效率越高。
  【参考文献】
  [1]黄清辉,张贤金,吴新建.基于实验探究促进学生化学深度学习——以鲁科版“原电池的工作原理”为例[J].化学教与学, 2016(6).
  [2]张会娟.以“原电池”概念教学为例谈概念的深度学习[J].中学化学教学参考,2017(22).
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