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摘 要: 本文从中学物理的角度出发，结合例题从本质上厘清原电池装置的原理，建立对电化 学过程的系统分析思路，提高学生对电化学本质的认识，促使学生认识中学电化学中电极名称、电流方向、电荷移动方向等容易混淆的问题.
关键词: 电化学;原电池; 高中化学
1 原电池原理
1.1 为什么电子会发生转移?
原电池两电极存在电极电势，若要使原电池正 常工作，必须一端电势低，一端电势高，形成电势差， 电子在电势差的驱动下由低电势一极向高电势一极 定向移动. 自发的氧化还原反应这一形成原电池的 前提条件，实质上正是在选用能产生电势差的反应 物，即还原剂与氧化剂.还原剂主要处于低电势的一 极，可以由电极本身或由外加的物质提供电子; 氧化 剂主要处于高电势的一极，可以由电极本身或由外 加的物质得到电子.
1.2 为什么外电路中电流由正极流向负极? 如何定 义正极与负极?
物理学家在研究电流的初始阶段时，无法确认 电路中的电流是由正电荷还是负电荷的移动产生 的，所以当时规定: 正电荷定向移动的方向为电流方 向，负电荷向某一方向定向移动等效于正电荷向相 反方向定向移动，所以负电荷定向移动的方向和电 流方向相反.同时，物理学家还规定: 外电路中，电流 由正极流向负极. 电子带负电，在定向移动的过程 中，产生的电流的方向和电子移动的方向相反.如图1 所示，若 M 为失去电子的一极，电子由 M 极定向 移动至 N，则电流方向为 N 极流向 M 极.物理学上 还规定，在电源外部，电流的方向是从电源的正极流 向负极的.出于这两项规定，可知真正决定电极是正 还是负的关键因素，是电子定向移动的方向.通过找 到自发的氧化还原反应中的还原剂，分析出电子移 动的方向，可推出外电路中电流的方向，再由物理学 上的规定来确定正极与负极.这样的分析方法，不仅 适用常见的以金属作为电极的原电池，同样使用于 其他以氧化还原反应为基础的原电池.
1.3 负极带什么电? 正极带什么电? 电解质中阴阳 离子的移动方向以及产生的电流方向如何?
原电池工作过程中，由于负极的电子转移至正 极，使得负极带正电，正极带负电.因为同性相斥，异 性相吸的电学特性，电解质中带正电的阳离子受到 负极区的排斥以及正极区的吸引，由负极向正极移动，所以在电解池中产生由负极流向正极的电流; 电 解质中带负电的阴离子受到正极区的排斥以及负极 区的吸引，在电解池中产生由正极流向负极的电流. 这样一来，电解质溶液中形成的电流，与外电路中的 电流形成闭合回路( 如图 2 所示).
2 “原电池”例题解析
2.1 经典铜锌双液原电池
例 1 关于如图 3 所示的双液原电池，下列说 法不正确的是( ).
解析 A.该原电池中可能发生的自发的氧化 还原反应为锌与硫酸铜的反应，锌提供电子，电子流 经导线与电流表，再由铜电极附近的溶液中的铜离 子得到电子，故 A 选项正确;
B.原电池放电时，铜离子得电子发生还原反应 在铜极上析出，电极反应式为: Cu2 + + 2e - ═══Cu， 故 B 选项正确;
C.原电池放电时，电子由锌片转移至铜电极区 域，使得铜电极区域带负电，根据同性相斥，异性相吸的电学基本原则，带正电荷的阳离子向铜电极区 域中的硫酸铜溶液中迁移，故 C 选项正确;
D.电子从锌电极通过电流表流向铜电极，负电 荷移动的方向与电流方向相反，故产生的电流从铜 电极通过电流表流向锌电极，物理学上规定，外电路 中，电流由正极流出，流入负极，铜应作正极，锌作负 极，故 D 选项错误.
答案选 D.
2.2 经典燃料电池
例 2 某种氢氧燃料电池的内部结构如图 4 所 示，下列有关该装置的说法不正确的是( ).
解析 该装置为氢氧燃料电池，工作过程中，自 发的氧化还原反应为 2H2 + O2 ═══2H2 O，由氢分子 在电极 a 处提供电子，电子流经导线后，氧分子在电 极 b 处得到电子，可知电流由电极 b 流出，通过导线 由电极 a 流入，电极 b 作正极，电极 a 作负极.结合 原电池原理作答.
A.电极 a 氢分子提供电子，电极 b 氧分子得到 电子，工作时电子由电极 a 通过导线流向电极 b，A 项正确;
B.电极 a 为电池的负极，物理学上规定，外电 路中，电流由 b 极流出，通过导线由电极 a 流入，电 极 b 作正极，电极 a 作负极.B 项正确;
C.电极b 为正极，应得到电子，电极 b 上发生的 反应为 O2 + 4e - + 4H + ═══2H2 O，C 项错误;
D.电子由电极 a 流向电极 b，负电荷移动的方 向和电流方向相反，故电流由电极 b 流向电极 a，D项正确.
答案选 C.
2.3 新型电池
例 3 某种利用垃圾渗透液实现发电的装置原 理如图 5 所示.当该装置工作时，下列说法不正确的 是( ).
A.电子由电极 X 通过导线流向电极 Y
B.外电路中电流由电极 Y 流向电极 X
C.电极 X 作正极，发生还原反应
D.盐桥中的 Cl - 向电极 X 移动
解析 该原电池为不涉及金属元素的新型电 池，由图 可 知，电 极 X 区 域 氮 元 素 由 -3 价 变 为 0 价，价态升高失电子，电极 Y 区域氮元素由 + 5 价 变为 0 价，价态降低得到电子，电子由 X 流向 Y，电 流由 Y 流向 X，根据物理学上的规定，电极 X 为负 极，电极 Y 极为正极.
A.电子由电极 X 通过导线流向电极 Y，A 正确;
B.外电路中电流由电极 Y 流向电极 X，B 正确;
C.电池工作时，电流由电极 Y 沿导线流向电极 X，根据物理学上的规定，电极 X 作负极，氨分子失 去电子，发生氧化反应，故 C 错误;
D.电子流出电极 X，电极 X 带正电，Cl - 带负 电，根据异性相吸的电学基本性质，Cl - 向电极 X 移 动，D 正确.
答案选 C.
2.4 浓差电池
例 4 某实验小组设计了如图 6 所示装置，可 观察到与铜导线连接的灵敏电流计指针明显偏转， 烧杯 a 中裸露线头周边溶液蓝色逐渐加深，下列说 法错误的是( ).
A.b 中导线与硫酸铜浓溶液构成正极区，发生还原反应
B.若 a 中滴加几滴稀 NaOH 溶液，降低溶液中 Cu2 + 浓度，则有利于电极反应进行
C.当两侧溶液中 Cu2 + 浓度相等时，灵敏电流计 指针停止偏转
D.盐桥中的阴离子向烧杯 b 移动
解析 该电池为不依赖氧化还原反应的浓度差 电池，题目中给出关键条件为 a 中裸露线头周边溶 液蓝色逐渐加深，说明 a 中发生的变化为: Cu-2e - ═══Cu2 +，电子由 a 通过导线流向 b，电流由 b 流向 a，根据规定，b 为正极，a 为负极.
A.电子由 a 通过导线流向 b，根据规定，b 为正 极，b 处的硫酸铜浓溶液中的铜离子获得电子，发生 还原反应，A 选项正确;
B.向 a 中滴加稀 NaOH 溶液，增加了两个烧杯 中硫酸铜的浓度差，有利于电极反应的进行，B 选项 正确;
C.当两侧溶液中 Cu2 + 浓度相等时，电子不再发 生转移，便不会产生电流，C 选项正确;
D.电极 b 获得电子，带负电，盐桥中的阳离子 向烧杯 b 移动，阴离子向烧杯 a 移动，D 选项错误.
答案选 D.
参考文献:
[1] 包琴.高中物理与化学学科交叉内容的教学设计研究 [D].兰州: 西北师范大学，2021.
[2] 徐敏，张建文.深入原电池原理本质 促进学生观念和能力的发展[J].化学教育，2015( 9) : 27-31.
[3] 张玲，陈磊磊.有关原电池的概念及原理 [J].化学教学，2010( 4) : 1-4.
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