【释疑】盐桥换成导线，电池将会如何？
文摘
教育
2024-09-26 06:13
北京
发表于《高中数理化》，也是山东科技出版社《用原子的眼睛看世界——中学化学关键知识解读》的一篇。试想，你把一个Zn-Cu-H2SO4单液电池摆在商店里待售，将是一种怎样的局面？即使在外电路断开的状态下，只要一天里没有卖出，锌电极已经反应掉大半。电池尚未用来发电，电池材料已经消耗得差不多了，还能够卖出去吗？双液电池就不同了，只要你不接通电路，待售期间它是基本不会损耗电池材料的。请对照双液电池示意图对此结论加以理解。至于其它的一些“貌似合理”的解释，比如说“双液电池比单液电池的电压稳定”、“电流持久”等，只是理论分析的结果。通过实际试验你可发现，构成材料接近的单液、双液两种电池一旦接通电路，除了双液电池输出电压略低于单液电池（盐桥的存在导致内阻变大），在其它方面二者并无很大差异。不会。盐桥如果保存得当（不用时浸泡在浓度大的食盐水中），可做到连续多年使用。之所以发出“盐桥内的离子浓度会不会降低”疑问，源于众多教科书里对盐桥工作原理过于简单的解读——电池工作过程中，为平衡两极电荷，盐桥中的离子分别向两极输出。其实，盐桥内的离子可以输出，两极溶液里的离子也会沿着电场规定方向进入盐桥。比如，铜锌双液电池，锌电极一侧因锌片的不断离子化，Zn2+ 浓度增大，它会向盐桥内扩散；同理，铜电极一侧由于Cu2+的不断还原，溶液里多余的SO42- 也会沿着电场规定的方向向盐桥内移动。“这样，盐桥内的离子岂不乱了？”的确，随着使用时间的延长，盐桥内不会再单纯是原来溶解在琼胶里的电解质了，但并不妨碍它起到平衡两极电势的作用。“乱了”又有什么关系呢？3．盐桥里的电解质一定要用KCl吗？换别的电解质行不行？根据上述对问题2的分析可知，盐桥内使用什么电解质，并没有严格的规定。至于一些教科书里说什么“K+ 跟Cl- 扩散速率差异小”之类的看似合理的解释，并没有什么科学道理。这是因循了中国人的不良“传统”，大人对于孩子、老师对于学生提出的问题，必然要给出“合理”的解释，否则就显得大人与老师没有学问了。当然，在实用性电池里，为了尽可能减小电池的内电阻，电解质的选择还是非常重要的。让我们以铜锌电池为例，将盐桥更换为铜导线，分析如下：![]()
将盐桥更换为Cu导线后，整个装置的性质发生了改变。左侧成为一个新的铜锌原电池——以锌的吸氧腐蚀为基础反应，负极是Zn，发生Zn – 2e- = Zn2+的氧化反应；正极则发生O2 + 4e-+ 2H2O = 4OH-的还原反应。而右侧则变为以铜为电极电解CuSO4溶液的电解池装置。左侧的铜为阳极，发生Cu – 2e- = Cu2+ 的氧化反应，右侧为阴极，发生Cu2+ + 2e- = Cu的还原反应。的确，实用电池里并不存在盐桥，因为盐桥被电阻小得多的“离子交换膜”代替了。![]()
这俩装置中，电极材料、电解质溶液种类和浓度分别对应一致，唯一不同之处就是左侧使用常规的盐桥，而右侧只使用薄薄一层含KCl的琼胶（跟左侧盐桥内成分完全一致）分隔开阴阳两极。根据物理学原理可知，左侧电池的内阻远大于右侧。这样，在电池电动势相同的情况下，左侧电池的输出电压就低于右侧。人们当然不希望无谓地浪费电池的电动势了，所以就设法缩短“盐桥”、降低电池内阻。最终结果如何？早期的实用电池用的是强度较大的牛皮纸，现在逐步被各种有机合成材料薄膜替代了。这就是为什么我们在各种实用电池内看不到盐桥的原因。（致谢：本问题中右侧装置参考北京大兴一中周庆华博士的课堂演示实验装置绘制。在此向周博士表示感谢。）
