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1 问题的提出
人教版普通高中课程标准实验教科书《物理·选修3-1》中有如下两个图.
在物理教材中,图1是一个闭合电路,图2是闭合电路各点线电势降(或电势升)的图示.物理教材对图2的说明是:图2表示的是该闭合电路中电势的相对高低及电流方向,A、B两个位置中的A、B,D、C其对应于图1并分别代表电池的溶液中与A、B两电极靠近的位置.
物理教材中还说:“图1中的电源是一个化学电池,电池的正极和负极附近分别存在着化学反应层.反应层中非静电力(化学作用)把正电荷从电势低处移至电势高处,在这两个地方,沿电流方向电势‘跃升’.这样,整个闭合回路的电势高低变化情况如图2所示.图中各点位置的高低表示电路中相应各点电势的高低.”
从电学的角度来说,物理教材中的图2及有关叙述都是正确的,只是有些表述不够确切.如何从化学的角度清晰地说明图2中A、D、C、B各点及各线段的含义呢?在此,笔者特将物理与化学结合起来对图2中A、D、C、B各点及各线段的含义做一个明确的说明.
2 电势“跃升”发生在电极表面的电极双电层
由傅献彩与陈瑞秋主编的《物理化学》(本文后续引文皆引自此书)知:
①将金属M棒浸入水中时,在金属表面与溶液界面之间会形成如图3所示的双电层.金属表面带负电荷,金属表面的紧密吸附层带正电荷.由于双电层之间的电荷不均,所以就产生了电位差.
②将金属M棒浸入相应的盐溶液时,一般会在金属表面形成如图3所示的双电层,双电层之间产生电位差.该双电层与纯水中的双电层相比,二者的主要差别是:盐溶液中含有的Mn (aq)离子会对金属表面的阳离子的水合作用产生阻碍作用,从而导致金属表面的负电荷少于纯水中同种金属表面的负电荷.
③将金属M棒浸入相应的盐溶液中,当金属电极不活泼且溶液中的金属离子浓度较大时,就会出现溶液中的金属表面带正电荷的情况.之所以出现这种现象,是由于金属表面的阳离子进入溶液的倾向较弱、而溶液中的阳离子沉积到金属表面的倾向较强.《物理化学》没有明确说明此种情况下金属表面的紧密吸附层所带电荷的种类.笔者认为:当金属表面带正电荷时,其紧密吸附层肯定吸附了溶液中的阴离子带负电荷.即,此种情况下电极双电层的电荷刚好与图3中电极双电层的电荷相反.由于此种电极双电层多见于不活泼的金属电极,所以这种电极的电极电势一般较高.
由此可见,原电池的两极均存在着电极双电层.原电池的电极反应就发生在电极双电层,原电池的电极反应是两电极发生电势跃迁的基本原因.
3 电池电动势的含义
为了准确说明图2中各点线的含义,我们还需要明确电池电动势的含义.
需特别注意的是图2中的AD两点之差ε 不是正极的电极电势,CB两点之差ε-不是负极的电极电势.从理论上说,电极的电位差ε 和ε-可以代表单个电极电极电势的相对高低,但目前“还不能从实验上测定个别电极的电极电势,只能测定电池的总电动势”,实测的电极电势均是相对于标准氢电极的相对值.国际上规定标准氢电极的电极电势为零,将其它电极与标准氢电极组成原电池,测定原电池的电动势(消除了ε扩散等电位差),所测原电池的电动势就是相应电极的电极电势.若所测电极处于标准状况(298 K、离子活度为1 mol/L),则所测的电极电势就是标准电极电势.事实上,图2中的AD两点之差ε 及CB两点之差ε-都是没有明确数据的理论假设,在A、B两点的相对位置确定之后,若平行地向上或向下移动C、D两点的话(C、D的相对高度U内一定),完全不会影响我们对有关问题的分析和说明.
由这些分析说明可见,将物理学和化学联系起来分析图2,可以对图2理解得更深刻、更透彻.同时我们还应该看到,由于物理学和化学研究的侧重点不同,图2中各点线的物理学含义和化学含义是存在着微小差异的.
人教版普通高中课程标准实验教科书《物理·选修3-1》中有如下两个图.
在物理教材中,图1是一个闭合电路,图2是闭合电路各点线电势降(或电势升)的图示.物理教材对图2的说明是:图2表示的是该闭合电路中电势的相对高低及电流方向,A、B两个位置中的A、B,D、C其对应于图1并分别代表电池的溶液中与A、B两电极靠近的位置.
物理教材中还说:“图1中的电源是一个化学电池,电池的正极和负极附近分别存在着化学反应层.反应层中非静电力(化学作用)把正电荷从电势低处移至电势高处,在这两个地方,沿电流方向电势‘跃升’.这样,整个闭合回路的电势高低变化情况如图2所示.图中各点位置的高低表示电路中相应各点电势的高低.”
从电学的角度来说,物理教材中的图2及有关叙述都是正确的,只是有些表述不够确切.如何从化学的角度清晰地说明图2中A、D、C、B各点及各线段的含义呢?在此,笔者特将物理与化学结合起来对图2中A、D、C、B各点及各线段的含义做一个明确的说明.
2 电势“跃升”发生在电极表面的电极双电层
由傅献彩与陈瑞秋主编的《物理化学》(本文后续引文皆引自此书)知:
①将金属M棒浸入水中时,在金属表面与溶液界面之间会形成如图3所示的双电层.金属表面带负电荷,金属表面的紧密吸附层带正电荷.由于双电层之间的电荷不均,所以就产生了电位差.
②将金属M棒浸入相应的盐溶液时,一般会在金属表面形成如图3所示的双电层,双电层之间产生电位差.该双电层与纯水中的双电层相比,二者的主要差别是:盐溶液中含有的Mn (aq)离子会对金属表面的阳离子的水合作用产生阻碍作用,从而导致金属表面的负电荷少于纯水中同种金属表面的负电荷.
③将金属M棒浸入相应的盐溶液中,当金属电极不活泼且溶液中的金属离子浓度较大时,就会出现溶液中的金属表面带正电荷的情况.之所以出现这种现象,是由于金属表面的阳离子进入溶液的倾向较弱、而溶液中的阳离子沉积到金属表面的倾向较强.《物理化学》没有明确说明此种情况下金属表面的紧密吸附层所带电荷的种类.笔者认为:当金属表面带正电荷时,其紧密吸附层肯定吸附了溶液中的阴离子带负电荷.即,此种情况下电极双电层的电荷刚好与图3中电极双电层的电荷相反.由于此种电极双电层多见于不活泼的金属电极,所以这种电极的电极电势一般较高.
由此可见,原电池的两极均存在着电极双电层.原电池的电极反应就发生在电极双电层,原电池的电极反应是两电极发生电势跃迁的基本原因.
3 电池电动势的含义
为了准确说明图2中各点线的含义,我们还需要明确电池电动势的含义.
需特别注意的是图2中的AD两点之差ε 不是正极的电极电势,CB两点之差ε-不是负极的电极电势.从理论上说,电极的电位差ε 和ε-可以代表单个电极电极电势的相对高低,但目前“还不能从实验上测定个别电极的电极电势,只能测定电池的总电动势”,实测的电极电势均是相对于标准氢电极的相对值.国际上规定标准氢电极的电极电势为零,将其它电极与标准氢电极组成原电池,测定原电池的电动势(消除了ε扩散等电位差),所测原电池的电动势就是相应电极的电极电势.若所测电极处于标准状况(298 K、离子活度为1 mol/L),则所测的电极电势就是标准电极电势.事实上,图2中的AD两点之差ε 及CB两点之差ε-都是没有明确数据的理论假设,在A、B两点的相对位置确定之后,若平行地向上或向下移动C、D两点的话(C、D的相对高度U内一定),完全不会影响我们对有关问题的分析和说明.
由这些分析说明可见,将物理学和化学联系起来分析图2,可以对图2理解得更深刻、更透彻.同时我们还应该看到,由于物理学和化学研究的侧重点不同,图2中各点线的物理学含义和化学含义是存在着微小差异的.