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	碳	鋅	1.5V
水銀電池	鐵	汞合金	1.3V
鉛蓄電池	二氧化鉛	鉛	2V
鹼性電池	氫氧化鎳	鐵與鎘的混合	1.2V
伏特電池	銅	鋅	1.1V
水果電池	銅	鋁	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。

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）

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