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[技术] 水果电池

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发表于 2008-12-3 13:45:04 | 显示全部楼层

自制水果电池

伏特电池构造与原理

  电池内产生电力的构造是什麽?除了太阳电池和燃料电池外,电池需要利用两种金属,使其成为正极与负极,在他们之间则置有盐酸或硷液等导电性的物质,这些物质一般称为电解质。

  电解质可以游离出金属离子,一般说来,任何金属接触到电解质,都会放出电子,成为带正电的离子。这个离子化的倾向的程度,随着金属的性质而异,从表一中可以了解大概。

  表一、金属的离子化倾向(向左渐大,向右渐小)

  

  西元一八○○年左右,伏特发明的电池,是由锌板和铜板做两极,两极间隔着涂上稀硫酸的布。由于锌的离子化程度较铜为强,锌金属便会在稀硫酸中放出电子成为离子。但铜却没有发生这样的变化。于是,两极间连接导线之后,犹新放电子,便经由导线流向铜。由于电流与电子的流动方向相反,因此电流是由铜流向锌,这便是以铜作为正极的电池。

  表二、电池的两极

  正極 負極 電力
乾電池 1.5V
水銀電池 汞合金 1.3V
鉛蓄電池 二氧化鉛 2V
鹼性電池 氫氧化鎳 鐵與鎘的混合 1.2V
伏特電池 1.1V
水果電池 約0.4V

  水果电池实作

  现在,我们不妨就利用我们家中现有的材料,做个电池来看看。这时锌的代用品是做菜常用的铝箔(与锌的离子倾向很接近),找个铜币作为铜的代替品,而稀硫酸的代用品则是柠檬汁,将柠檬汁涂在纸上,以它来隔开铝箔与铜币(如图一所示)。

  
  图一

  但是小灯泡并没有亮,像是电力不足的样子。这麽说来,当时伏特可能是将锌与铜的电池,叠上几层后,才能让它产生足够的电力。

  那麽,我们也将柠檬电池叠上几层看看。不过,上下两片铝箔会接触到,我们得利用塑胶片来绝缘。然而当当我们叠上八层电池之后,却发现电池仍然不亮。看起来灯泡虽小却蛮耗电的,难道没有耗电在少一点的东西吗?让我们来看看液晶电算机如何?消耗电力刚好是0.0003瓦特,蛮合乎要求的,我们就利用它来试试看(将它与八层的柠檬电池串联起来)。

  这柠檬电池的电力到底有多少?我们拿1.5伏特的乾电池与之并用,发现1.5伏特的乾电池与四层柠檬电池电力相当,也就是一层的柠檬电池相当于0.4伏特的电力。不过电池的电力通常会因电流的流动而减少。除了摩托车的电瓶不会如此外,一般甘但迟均会发生这种情形。因此我们製作的柠檬电池,说不定也有此现象。所以连接电算机时,一层至少要当作0.4伏特来看。市面上贩卖的电池,为了避免电力减少,可能会使用一些物质,放在正极的周围,以减少电力的损失。

  手錶消耗电力较少,应可以利用柠檬电池提供电力。

  如果柠檬都可以用作电池的材料的话,那我们身边有许多的东西,应该也不成问题!不错,无论是醋、葡萄、苹果、梨、蕃茄、西瓜等多汁的水果都可以作为电池的材料(图二、三、四)。这些电池我们就称为「水果电池」。

  

  图二、柠檬电池

  

  图三、西瓜电池

  

  

  图四、

  番茄电池,是水果电池中,电力最强的一种。

  即使减去两层,仅馀六层,效果也不减。

  此外,图五是电池的符号。这个符号,实际上就是由伏特的积层电池构想而来的。

  

  图五、电池的记号,是由基层电池的形状而来的灵感。


 楼主| 发表于 2008-12-3 13:49:48 | 显示全部楼层

水果电池

橘子含有柠檬酸等电解质,插入两根不同金属(线、棒或板)时,它们之间会有电压,这就是橘子电池(1)。其实,所有的水果,甚至一般的植物、动物都含有某些电解质,都可以当做电池。例如,使用铜线和锌线做为电极,以数位三用电表测量若干蔬菜和水果电池电压的结果如下。

  小蕃茄 0.92V

  葱(白色郜份) 0.72V

  香蕉 0.88V(电极穿过外皮插入肉中)

  梨:(软) 0.91V

  (硬) 0.89V

  橘子:肉 0.92V

  皮 0.7-0.8V(外皮和附在皮内的膜各有不同的电压)

  葡萄(使用一串葡萄):

  电极在同一颗粒 0.97V

  电极各在不同颗粒 0.37-0.42V

  最下面一粒和最上面梗之间 0.38V

  最下面梗和最上面梗之间 0.36V

  动物体的电池如下:

  瘦猪肉 0.77V

  人体(口水:电极放在舌头上) -0.7V

  [注意]

  人体实验慎防短路二电极而烫伤舌头。

  电极不宜久放舌头上以免中毒。

  各种水果所含电解质都不相同,因此所显示的电压亦不相同。本实验非常简单,只要有一台数位三用电表即可随时做,适合各级学校做示范实验,学生实验或科学活动之用。今年八月中,选择若干水果,让参加夏令营的高一生做专题实验,同学边吃水果边做实验,乐趣无穷,大概是印象很深刻的原故吧,有些同学在教师节前夕寄来贺卡道谢,真难得。实验后,看了他们的报告,并经过讨论才知道原先的实验内容太难,所以将原步骤稍微修改简化,供参考。步骤以修完基础理化的高一同学为对象,故对其他各级学校各年级学生可弹性调整。

  【目的】

  让同学关心日常生活中的化学现象。将不同金属对插入蔬菜或水果中,测量电压,瞭解它们可当做电池的现象,并决定金属电极电压的大小顺序。

  【实验器材】

  数位三用电表 1

  砂纸 若干

  鳄鱼夹 2

  石墨棒(利用铅笔芯;3-5公分) 1

  (金)、(银)、铜、锌、铅、镁等(各3-5公分长) 各l

  铁钉(约3公分长) 5

  烧杯(50毫升) 若干

  水果、蔬菜(地瓜、萝卜等)任选一种

  【步骤】

  1.用砂纸将石墨、各种金属、铁钉等磨亮去锈。金和银则用碳酸氢钠粉末磨亮,切勿用砂纸。

  2.将石墨插入果菜(下面以苹果为例说明),另将5支铁钉插入苹果的不同地方,静待1-2分钟,以鳄鱼夹(红色)将石墨连结数位三用电表的正端(红色),另以鳄鱼夹(黑色)将一支铁钉连结电表的负端(黑色),测量电压为多少。将黑色鳄鱼夹换来其他铁钉,测量电压为多少。

  石墨与每一支铁钉之间的电压是否相同?电极的位置会不会影响电压?

  3.将石墨插入苹果,并连结在电表的正端。将其他金属插入苹果的不同地方,静待1-2分钟。测量各种金属(接在电表的负端)与石墨所构成的电池之电压。

  试求以石墨为基准电极(其电压为零)的各种金属电极的电压,并以大小顺序排列之。

  【注】(2)

  (电池电压)=(正极电压)-(负极电压)

  =(石墨电极电压)-(金属电极电压)

  =0-(金属电极电压)

  =-(金属电极电压)

  ∴(金属电楼电压)=-(电池电压)

  ∵(电池电压)>0

  ∴(金极电极电压)<0

  4.将苹果搾汁,放入烧杯中,插入石墨和铁钉,各连结电表的正、负端,测量电压,是否与步骤2所得者相同?

  【参考事项】

  1.先给同学说明数位三用电表的使用方法和注意事项,如不可短络等。数位三用电表内藏有1×107Ω之电阻,故它会减小因电流通过电解质溶液时所引起的iR下降至可忽略的程度,得准确电压值。

  2.电池电压必定是正值;若得负值,是接错导线之放。

  3.本实验正极使用石墨(碳),可使同学连想常用二氧化锰乾电池的正极。乾电池正极粗大,可用锉刀磨细。使用铅笔芯较方便。

  4.插入金属电极后宜等待1-2分钟,使其电离到达平衡后才测量稳定电压(可测至小数第三位),否则电压会一直增加或减少(即是不安定)。

  金属(M)在任何水溶液中都有电离的倾向,将电离倾向较大的金属M1(如铜)

  M→Mn++ne-

  浸入于电离倾向较小的金属M2(如银)之盐溶液(M2n2+)时,前者溶解变成M1n1+离子,而金属M2会析出在M1上面。假若将M1和M2同时插入于同一电解质溶液,并将二金属连结在电压计上,可测量这电池的电压。电流的流动方向如下:

  

  M1所释放出来的电子沿着导线到达M2;M2是正极,M1是负极,故电流由M2沿着导线流动至M1。溶液中的导电由阳离子和阴离子担任:阳离子往正极M2移动,因阳离子带正电荷,其移动方向即是电流的流动方向;阴离子往负极M1移动,因阴离子带负电荷,其移动方向与电流的流动方向相反。总之,溶液中电流由负极M1流动至正极M2。

  5.电离倾向小的金属,如金、银、铂等,是贵金属,电离倾向大的金属,如镁、锌等,是贱金属。

  6.同学们对本实验的印象特别深刻,且似乎深深感觉到自然的奥妙,故请指导老师让他们儘量享受这种感受,切勿指定观察事项,过份的填鸭式讲解,要求为报告等,而打扰他们的思考。

  电解质、半电池、盐桥、标准电极电位等等,远超过高中生的理解范围,请老师避免使用。尤其是标准电极电位,学生只会机械的计算操作,根本不理解其物理意义,经常引起误解。本实验根据观察高一、高二绩优生的实际理解状态而设计,正极使用不具电离倾向的石墨是一例,请老师指导同学时做参考。

  参考资料:

  日本化学会编:「乐趣中学化学-简单的示范实验」P.159.化学同人(1984)。

  郑华生:科学教育,78,P.64(1985)。

  作者:郑华生(国立清华大学化学系)

发表于 2015-12-15 06:50:03 | 显示全部楼层
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