摘要：重力电池是一种形式介于单液电池和双液电池之间的电池。它利用不同溶液密度的不同使溶液分层，电池两极分别位于上下两层液体中，具有内阻小、电流大并且稳定的特点。设计并制作了重力电池，结合实验介绍了重力电池的原理及发展简况。
关键词：重力电池；实验设计；浓差电池；锌电极；铜电极
文章编号：1005–6629（2016）7–0057–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 背景介绍
铜锌原电池是高中电化学中的重要实验。必修《化学2》教材中介绍了单液铜锌原电池，旨在帮助学生了解原电池的工作原理和构成条件，初步形成原电池的概念。选修4《化学反应原理》教材中介绍了电池效率更高、更加稳定的带盐桥的双液原电池。由此可见，课程在原电池原理及实用性方面，对学生的要求逐渐提高。
追溯原电池的发展过程，重力电池是形式介于传统的单液原电池和带盐桥的双液原电池之间的一种电池。它最早源于19世纪60年代法国的Cal laud对简单的丹尼尔电池的改进[1]，直到20世纪50年代都被用作电源为美国和英国的电报网络供电。传统的重力电池如图1所示，由一个底部放有一个铜电极（+），边缘悬挂一个锌电极（-）的容器组成。硫酸铜晶体分散在正极的周围，容器装满了蒸馏水。当在负极表面形成一层硫酸锌的时候，就开始有电流产生了。重力电池的首要条件是保持液体呈现静止状态，因此它不是一个便携式的电源，晃动或搅拌都可能使两种溶液混合。随着电池放电时间的延长，上层的锌电极和下层的硫酸铜会不断消耗，因此电池使用了一段时间之后需要通过更换锌电极或向溶液中直接添加硫酸铜晶体的方法，使该重力电池重新开始工作。重力电池据此可以不断被充电，在没有电网的情况下，可重复使用，这也是当时重力电池能被广泛应用的原因之一。
重力电池中铜电极位于硫酸铜溶液中，锌电极位于硫酸锌溶液中，构成铜锌原电池。铜电极为正极，发生还原反应，Cu2++2e-=Cu；锌电极为负极，发生氧化反应，Zn-2e-=Zn2+，电池的总反应为：Zn+Cu2+=Zn2++Cu。
重力电池将电池反应分为在上下两层溶液中进行的两个半反应，是利用了溶液分层的原理。一般认为，溶液是均一、稳定的混合物。但是因为不同溶液中溶质的种类不同或含溶质的多少不同，所以不同的溶液的密度一般是不同的。如果在没有搅拌或振荡的情况下混合两种溶液，将密度大的溶液缓慢从密度小的溶液下部加入，静置时由于重力的作用，两种溶液不能均匀混合，密度大的溶液在下层，密度小的溶液在上层。若两种溶液的颜色不同，在宏观上能明显观察到颜色分层的现象。
高中化学教材曾呈现过不同溶液因为其密度不同而分层的现象。人教版高中必修《化学1》[2]第三章第一节“金属的化学性质”中展示了一幅铝丝和硫酸铜溶液反应的图片，如图2所示，其发生了如下反应：2Al+3CuSO4=Al2（SO4）3+3Cu。可以观察到伸入液面以下的铝丝被置换出的铜单质包裹，随着反应的进行，蓝色的硫酸铜溶液逐渐变为无色的硫酸铝溶液。若按方程式计量系数反应，3mol CuSO4反应生成1mol Al2（SO4）3，反应前溶液溶质为3mol CuSO4，其质量为480g，反应后溶质为1mol Al2（SO4）3，其质量为342g。3mol CuSO4的质量大于1mol Al2（SO4）3的质量，反应前后溶液体积不变，所以反应后的Al2（SO4）3溶液的密度小于反应前CuSO4溶液的密度，静置时溶液分层，上层为无色Al2（SO4）3溶液，下层为蓝色CuSO4溶液。由此可得，溶液能因密度不同而分层。
一般溶液分层并不是一种稳定的状态。在热力学中，体系有自发倾向于熵增的趋势，溶质会自发地从高浓度向低浓度扩散，所以溶液并不能长时间维持分层的状态，一段时间之后分层的现象消失，形成均一、稳定的溶液。但是重力电池在工作中，溶液能始终维持分层，其原因可从离子迁移方向的影响因素上考虑。一方面受电势高低的影响，电解质溶液中的阴离子向原电池的负极移动，阳离子向原电池的正极移动。另一方面受溶液浓度的影响，离子倾向于向浓度低的方向扩散。重力电池能在宏观上观察到溶液分层的界面，是因为Cu2+在水溶液中呈蓝色。由于电势的影响，Cu2+离子向电势高的铜电极（+）方向移动，由于受离子浓度的影响，Cu2+应该向铜离子浓度低的锌电极（-）方向移动，两种因素促使Cu2+向相反的方向移动。受这两种方向相反作用的影响，综合表现为在宏观上能够观察到无色液体和蓝色液体的界面始终存在。因此，使用重力电池作为电源时，电流必须保持流动来抵消两层溶液相互扩散的效应。
重力电池在19世纪的西方已经被广泛应用，而国内这种形式的电池却还鲜为人知。重力电池的形式介于单液和双液原电池之间，和单液原电池相比重力电池将电池反应分成两个半反应，分别在不同的溶液中进行。和双液电池相比，重力电池没有使用盐桥，电池反应在同一液体体系中进行。本文设计并制作了一种重力电池，测量了其电动势及电流随时间的变化并进行了分析。此外，还依据重力电池的形式进行了拓展和创新。
2 实验内容
2.1 重力电池的制作
2.1.1 实验试剂与器材
CuSO4·5H2O（AR）、ZnSO4·7H2O（AR）、蒸馏水
烧杯（150mL）、容量瓶（100mL）、量筒（100mL）、三角漏斗、滴管、玻璃棒、铜片、锌片、铁夹、带夹导线、数字万用表（VC890D）
2.1.2 实验步骤
（1）制作电极。将6.0cm×2.3cm锌片和10.0cm×2.3cm铜片卷成螺旋状并连接导线。
（2）配制溶液。配制1 mol/L CuSO4溶液和0.5 mol/L ZnSO4溶液。
（3）混合溶液。向烧杯中加入约70mL ZnSO4溶液，插入漏斗使漏斗下口紧贴烧杯底部，沿漏斗缓慢倒入约70mL CuSO4溶液，静置。最终溶液分层，上层无色，下层蓝色。
（4）安装电池。将铜片缓缓放入下层溶液中，锌片浸没于上层无色的液体中并用铁夹固定在烧杯壁上，切勿让铜片或锌片接触另一层液体，装置如图3所示。
（5）电池电动势的测量。将锌片和铜片分别连接数字万用表的负极和正极接线柱，测量电动势和电流随时间的变化并观察实验现象。实验发现，锌片逐渐溶解，表面变黑，铜片上有亮红色物质生成。实验过程中重力电池的电流和电动势随时间变化较稳定，因此此处仅选取其中几个时间点的电流和电动势的数据列于表1。
2.1.3 结果分析
实验发现，随着时间的变化重力电池的电动势和外电路的电流变化不大，呈现出相对稳定的状态。有研究表明，单液电池的电池电动势和电流在10分钟内均呈现出快速降低的趋势，而带盐桥的双液原电池则相对比较稳定[3]。与单液原电池中锌电极和CuSO4溶液直接接触不同，重力电池的形式让两个半反应分别在上下两层液体中发生，与双液原电池将两个半反应分别置于两个容器中类似，都避免了因为锌电极和CuSO4溶液直接接触而导致的电极的极化，使电池效率增大，所以在测量时重力电池的电流和电动势能在较长时间内保持相对稳定。
此外，与双液原电池中盐桥和电解质溶液共同导电的情况不同，重力电池的电池反应在同一液体体系中进行，与单液原电池相同，通过电解质溶液导电，所以其内电阻较小，如在本研究中所测得的重力电池的内电阻约为9Ω。上述实验表明，重力电池具有内阻小，电流大且能提供稳定的电流和电压的特点，电池的转化效率高，作为电源有一定的优势，多个重力电池串联后可用作实用的电源。
2.2 重力电池的拓展应用
依据重力电池的原理，仿照其形式，改变电极和电解质溶液，可以设计成其他的重力电池。例如用铜片代替上层的锌片，用蒸馏水代替上层ZnSO4溶液，可制得铜电极和不同浓度的CuSO4溶液组成的浓差电池。该浓差电池的上层为蒸馏水，下层为1 mol/L CuSO4溶液，上下两个电极均为铜电极。用万用表测得该电池的电动势为0.036V，电流为0.62mA。
此浓差电池的下层CuSO4溶液中的铜电极作正极，发生还原反应：Cu2+（c1）+2e-=Cu，反应的过程中有亮红色物质在铜表面析出；上层水中的铜电极作负极，发生氧化反应：Cu-2e-=Cu2+（c2），因为反应过程中有Cu2+生成，故铜电极周围的无色溶液一段时间后略带浅蓝色；电池的总反应为：Cu2+（c1）=Cu2+（c2）。查电动势表得：Cu2++2e-=Cu，Eθ=+0.342V，标准状况下c（Cu2+）=1 mol/L。实际测得该浓差电池的E=0.036V，则负极的电势为E（Cu2+/ Cu）=0.306V，由此可根据E（Cu2+/Cu）=Eθ（Cu2+/Cu）+（0.0592/2）lg（Cu2+）可进一步计算出测量时上层溶液中的铜离子浓度为c（Cu2+）=0.06 mol/L。上述计算是一种理论判断，要准确测量该电池的电动势，需要使用盐桥，以降低液接电势[4]。重力电池的形式为浓差电池的制作提供了新的思路，也为学生学习浓差电池相关原理提供了帮助。
另外，也可以制作以铁和碳棒为电极的重力电池，下层Fe2（SO4）3溶液中，碳棒作正极，发生还原反应，Fe3++e-=Fe2+；上层FeSO4溶液中，铁是负极，发生氧化反应，Fe-2e-=Fe2+。据此还可以设计更多种类的其他重力电池。但需要注意的是，制作重力电池时可先将水和另一种盐溶液进行分层，再向上层液体中添加电解质，也可以直接通过倾倒的方法将两种不同的电解质溶液分层。若采用将两种溶液分层的方法，实验前应先计算溶液的密度，尽可能保证两种溶液的密度差足够大，在添加液体时使用三角漏斗从下部添加密度较大的液体，避免两种液体混合。
3 结语
重力电池是一种形式介于单液与双液原电池之间的原电池，重力电池具有电阻小、电流大并且稳定的特点，但是因为工作时必须保持静置的状态且只能连续供电而不被广泛应用。研究原电池最终是为了创造出更加稳定、持久的化学电源，学习的过程中通过重力电池与单液、双液电池的比较能使我们对单液与双液原电池原理及盐桥的作用理解更加深刻。
引入重力电池到教学中不仅能帮助学生认识溶液因为密度不同而分层的原理及浓差电池的相关知识，还可以进行实验探究，设计不同类型的重力电池。制作重力电池的材料方便易得，形式新颖且颜色漂亮，有利于开展学生兴趣实验，增强其对化学的兴趣。
参考文献：
[1] James B. Calvert. The Electromagnetic Telegraph[EB/OL]. http：//mysite.du.edu/～jcalvert/tel/morse/morse. htm.Retrieved， 2010-07-30.
[2]宋心琦主编.普通高中化学课程标准实验教科书·化学1（必修）（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：46.
[3]韦存容，许丽哲，马宏佳.利用数字化实验探究盐桥对原电池工作效率的影响[J].教学仪器与实验，2015，（5）：55～57.
[4]叶礼华.铜和硫酸铜溶液可以构成原电池——兼介浓差电池[J].实验教学与仪器，2013，（2）：33～34，51.