王楠楠
（陕西省西安外国语大学附属西安外国语学校， 陕西 710016）
一、实验目的
随着环境问题的日益凸显，能源结构不断优化。从化石燃料到电能的转化，即从化学能到电能的转化，无论在科学研究亦或是工业生产中都是在不断加深研究地课题。本实验基于原电池反应原理，通过常见的两类（酸性与碱性干电池）的制作及实测电压值的变化趋势，探究生活中常见不同活泼性金属材料及酸碱性对电池放电性能的影响，同时，也了对简单原电池装置在生活中的应用进行了实践研究。
二、实验原理
实用电池分为两大类——一次性电池和可充电电池。本文研究对象为酸性锌锰电池和碱性锌锰电池为代表的一次性干电池，通过金属材料（如镁，铝）性质的不同来探究影响电池放电性能的因素。
酸性实用电池这里以酸性锌锰电池为例，电极反应式为：
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三、实验预设
基于原电池工作原理及构成条件的认知，探究生活中常见不同活泼性金属材料与电池放电性能的关系；另外，镁，锌，铝三种金属制成的电池分别在不同酸碱性电解质溶液中实测电压变化与电池放电性能的关系。
四、实验部分
1.实验药品
分析纯镁粉，锌粉，铝粉，二氧化锰粉末（粉末均为100~200目）镁片，锌片，铝片，铅笔，20%氢氧化钠溶液，20%氯化铵溶液
2.实验仪器
烧杯，玻璃棒，量筒，玻璃瓶，托盘天平，砝码，药匙，计时器，pH试纸，电压表，2欧电阻若干。
3.实验步骤
（1）洗净烧杯，玻璃棒等玻璃实验用具，以器具上的水既不聚成滴也不成股下为标准，用标签给烧杯从1到6标号，取出6根铅笔，将其石墨芯取出；
（2）用托盘天平称取适量二氧化锰分别等量放置在6组烧杯中，配置100g20%氯化铵电解液，用托盘天平称取氯化铵固体20g在烧杯中加80ml水溶解；
（3）取同表面积镁片，铝片，锌片，各一片并都折成圆柱形，再将其一端反复折叠使其密封。将配置好的1-3号烧杯中的二氧化锰与氯化铵的糊状物用药匙分别向三组折好的电池外壳中加入，插入适当长度的铅笔芯，此时电池开始反应，从加入二氧化锰与氯化铵糊状物后开始计时，刚开始时每分钟记录一次电池电压数据，待数据稳定后用2欧电阻短路电池使其放电，每次放电5min，直到电压低于0.5v停止实验，最终获得多组酸性电池组数据；
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（4）用托盘天平称取氢氧化钠6g，用量筒量取水24ml倒入烧杯中，使其溶解，用量筒量分别量取等量溶液，用胶头滴管向4-6组二氧化锰粉末中滴加。使二氧化锰为糊状物；
（5）将4-6组二氧化锰与氢氧化钠的糊状物分别放入三组玻璃瓶中，用托盘天平称取等体积锌粉，铝粉，镁粉，用单层卫生纸将其与石墨芯包裹并分别插进三组玻璃瓶中（为了方便测量电压数据，可以将一小段铜丝插入二氧化锰与氢氧化钠的糊状物中）此时电池开始反应，从加入二氧化锰与氢氧化钠糊状物后开始计时，刚开始时每分钟记录一次电池电压数据，待数据稳定后用2欧电阻短路电池使其放电，每次放电5min，直到电压低于0.5v停止实验，最终获得多组碱性电池组数据。
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五、结论与讨论
经过不同金属材质及酸碱度条件下实验初探及数据分析，可初步得出以下实验结结论：
1、干电池的酸碱性与放电性能间的关系
酸性干电池结构较为简单，制作成本较低，因而仅需要少量药品即可产生较为稳定的电压，但在使用过程中电压不断下降，和碱性电池相比电压下降较快，不能提供稳定电压，且放电功率低，比能量小。因此，碱性电池性能强于酸性电池。
2、电池材质性能比较
（1）基于金属铝的两性，在酸性与碱性条件下性能变化均不大，由于在碱性电池中铝先和氢氧化钠反应，同时，以粉末代替片状，虽增大了反应的接触面积加快了反应速率，但也存在装置中未接上负载金属铝已反应殆尽，从而使得铝在碱性条件下电压更低、更不稳定；
（2）观察实验数据可知，在酸性条件下金属活泼性越强，产生的电压越高，但也使氧化还原反应的速率更快，从而使电压下降速度比活泼型较低的金属更快，从而使电池寿命降低。比如酸性干电池中，在放置时锌也会慢慢和酸性物质反应，另外，酸性干电池在工作时会有水生成，稀溶液容易从电池中流出，也会腐蚀电器，在电极上出现的氢气和氨气也会影响正常的放电，所以工作性能也较；
（3）活泼金属（镁）较其他金属成本更高（本实验花费镁的价格为锌和铝价格总和的两倍），因此，利用活泼金属来提升电池的稳定性远没有使用一般金属电池串联产生的性能更为优异；
（4）此研究过程既利于教师进行演示，又可以提升学生的科学思维能力和科学探究精神及能力。但也存在实验过程较为复杂、不够经济，随后的探究过程尽量改进和优化装置，用绿色化学的理念指导实验过程。
参考文献：
[1]华中师范大学无机化学教研室编.无机化学.第四版.370-372.高等教育出版社
[2]洪燕芬.追溯历史拓展实验凸显探究——“原电池”教学设计与反思[J].化学.2014.(6):41-43
[3]俞大蓉.“看见”动态的化学实验[J].中学化学参考.2017.(3):14-15
[4]刘 玲,丁 伟.基于滤纸的多电极原电池实验设计[J].化学教学.2016.(9):50-51