酸酸甜甜還能發(fā)光——教你制作水果電池

還記得童年故事中的小桔燈嗎？

除了放進(jìn)蠟燭外，

香香甜甜的水果

也可以直接點(diǎn)亮小燈泡。

通過(guò)簡(jiǎn)單的裝置，

水果就能提供電力，充當(dāng)電池，

點(diǎn)亮一個(gè)個(gè)的小燈。

這種將水果中的

化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的神奇裝置，

就叫做水果電池。

首先我們先來(lái)了解一下

水果為什么能構(gòu)成電池？

水果電池是如何制作的？

水果電池的原理
首先，水果中含有大量糖類、蛋白質(zhì)、生物酸等物質(zhì)，在水果的汁液中，較高含量的生物酸可以較為順暢地移動(dòng)，與連接體系的導(dǎo)線中的電子共同作用，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。

同時(shí)，不同的金屬具有不同的電位特征，即具有不同的氧化還原能力。向水果中插入具有電位差的金屬電極，例如銅電極和鋅電極，分別充當(dāng)水果電池的陰極和陽(yáng)極，并用導(dǎo)線連接起來(lái)。在電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生電壓，驅(qū)動(dòng)帶有電荷的粒子移動(dòng)，形成電流。這個(gè)過(guò)程中，電子從陽(yáng)極（鋅）釋放出來(lái)，然后通過(guò)外電路到達(dá)陰極（銅）。水果相當(dāng)于盛有電解液的電解池，提供離子電流通道。在金屬和水果組成的界面處，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，銜接電解池內(nèi)部的離子電流和外電路的電子電流，構(gòu)成電流回路，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能輸出，系統(tǒng)中連接的小燈泡就被點(diǎn)亮了。

水果電池是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的原電池。原電池是一類借助某些特定化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。

構(gòu)成原電池的基本條件：

1.電極材料由兩種活潑性不同的金屬或金屬與其他導(dǎo)電的材料（如非金屬或某些氧化物等）組成。

2.存在電解質(zhì)。

3.兩電極之間形成閉合回路。
原電池示意圖

標(biāo)準(zhǔn)氫電極（SHE）定義為：在任何溫度下氫氣分壓為1大氣壓（100 kPa）且溶液中的氫離子活度為1 mol/L時(shí)的氫電極電勢(shì)。鉑電極通常用作工作電極或輔助電極，在電化學(xué)反應(yīng)中用于促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移。以標(biāo)準(zhǔn)氫電極為0 V標(biāo)準(zhǔn)值，常見(jiàn)的金屬電極電位差如下：

標(biāo)準(zhǔn)鋰電極，-3.04 V.

標(biāo)準(zhǔn)鈉電極，-2.71 V.

標(biāo)準(zhǔn)鎂電極，-2.37 V.

標(biāo)準(zhǔn)鋁電極，-1.66 V.

標(biāo)準(zhǔn)鋅電極，-0.76 V.

標(biāo)準(zhǔn)鐵電極，-0.44 V.

標(biāo)準(zhǔn)鉑電極，0.00 V.

標(biāo)準(zhǔn)銅電極，0.34 V.

標(biāo)準(zhǔn)銀電極，0.80 V.

電池串聯(lián)電路示意圖水果電池中，金屬電極的電位差越大，形成的電壓就越大，小燈泡也就越亮。與普通的串聯(lián)電池的原理一樣，將多個(gè)水果電池串聯(lián)起來(lái)組成電池組，體系的供電能力會(huì)增強(qiáng)，即提高輸出電壓和電流。

電化學(xué)半電池儀表顯示圖：從樣品半電池（即銅）到參考半電池（如標(biāo)準(zhǔn)氫電極（SHE））的電子流，以及相應(yīng)的e°電池值[1]

在水果電池中，果汁充當(dāng)了電解質(zhì)的角色。根據(jù)歐姆定律：通過(guò)某段導(dǎo)體的電流與這段導(dǎo)體兩端的電壓成正比，與這段導(dǎo)體的電阻成反比。為了提高導(dǎo)電性能，可以將普通水果榨成果汁，減少果肉纖維；或進(jìn)一步將果汁替換為導(dǎo)電能力更好的物質(zhì)，例如鹽水。由于鹽水中不具有果皮、果肉等部分，電極片與鹽水的接觸阻抗較小，電池內(nèi)阻更低，電流傳輸更順暢，同時(shí)，帶電粒子的移動(dòng)能力、與電極片的接觸條件都有提升，可測(cè)量的電壓差更大，即供電能力更強(qiáng)，整體功率已經(jīng)可以驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的玩具小車(chē)。
鹽水小車(chē)的搭建

成功運(yùn)轉(zhuǎn)的鹽水小車(chē)

水果電池的制作
首先，準(zhǔn)備汁水較多、個(gè)頭較大的水果，例如檸檬、橙子等，保障電池的發(fā)電水平。
另外，我們還需要準(zhǔn)備一些金屬電極（比如銅片和鋅片）、一個(gè)額定功率非常小的小燈泡（例如二極管燈泡，一般在0.6-0.7V之間）和一些導(dǎo)線（有鯊魚(yú)夾的導(dǎo)線可以方便組裝）。這樣的材料包可以便捷搜索購(gòu)買(mǎi)到。

基本材料

制作的具體步驟如下：

1. 將水果準(zhǔn)備好，如果是有較厚外皮的水果，應(yīng)當(dāng)切成兩半，使用汁水充盈的果肉，較生的水果可以事先揉搓，釋放果汁。

2. 將銅片和鋅片分別插入到水果中，同一塊水果上應(yīng)有且僅有兩個(gè)不同的電極片，電極片之間不能相互接觸；確保電極片與水果內(nèi)部果肉接觸良好；

3. 使用導(dǎo)線將不同水果上電極片連接起來(lái)。

4.將小燈泡接入由水果電池供電的電路。

5.觀察小燈泡有沒(méi)有在發(fā)光。

總結(jié)分析理論上，影響水果電池電壓的因素有很多，比如所選水果的種類、水果的狀態(tài)、電極片的材料和距離以及連接方式等?？梢酝ㄟ^(guò)靈敏電壓計(jì)、靈敏電流計(jì)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行定量分析。例如，目前有少量研究結(jié)果表示，電極片插入水果的深度越深，電極面積越大，水果電池的輸出電流就越大；兩個(gè)金屬電極之間的電勢(shì)差越大，水果電池的輸出電壓就越大，產(chǎn)生的電流就越大。

此外，有研究表明，果肉組織在研磨后會(huì)釋放出更多的離子，電導(dǎo)率顯著增加，榨成汁后的電流電壓會(huì)明顯提高。果汁的導(dǎo)電效果優(yōu)于果肉組織，因?yàn)楣饨M織存在細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的阻礙作用，導(dǎo)致電池的內(nèi)阻大。在此前提下，選用果汁對(duì)部分問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在使用銅-鋅電極對(duì)、電極對(duì)間距為2cm的條件時(shí)，研究者對(duì)八種水果了進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果顯示，制作的水果電池產(chǎn)生的電流大小排序?yàn)椋簷幟?gt;香蕉>獼猴桃>橘子>西紅柿>橙子>柿子>蘋(píng)果。這八種水果產(chǎn)生的電勢(shì)大小相當(dāng)[2]，但是電流大小與水果能產(chǎn)生汁液的多少并無(wú)必然關(guān)系。這八種水果的電導(dǎo)率排序?yàn)椋簷幟?gt;香蕉>獼猴桃>橘子>西紅柿>橙子>柿子>蘋(píng)果，與電流大小分布一致。可以初步得到結(jié)論：較高的電導(dǎo)率代表著較高的離子濃度，這些離子可以更有效地?cái)y帶電荷，便于傳導(dǎo)電流，而與電勢(shì)的關(guān)系不大。另外，所制得的水果電池的性能不僅與酸度有關(guān)，還與細(xì)胞結(jié)構(gòu)、有機(jī)酸含量等相關(guān)。[3]

水果電池供電能力大小

需要注意的是，定量研究所使用的設(shè)備比較精密，測(cè)量電壓電流與pH等數(shù)據(jù)都采用了傳感器。在普通電壓電流計(jì)或萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)，由于水果電池電阻較大，儀器測(cè)量精度不夠等問(wèn)題，電流變化很難測(cè)定，電壓數(shù)值基本類似。所以，如果有興趣設(shè)計(jì)探討和定性實(shí)驗(yàn)，可以采用串聯(lián)電池組形式供電，僅以小燈泡的亮度為目測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

【參考文獻(xiàn)】
[1] Arnold, N. A.; Kyasa, S. K. Electronic Half-Cell Module to Demonstrate an Electrochemical Series and a Citrus Fruit Battery for Remote Students. Journal of Chemical Education 2023, 100 (9), 3739-3743. DOI: 10.1021/acs.jchemed.3c00239.

[2] ENSMAN R,HACKER T R,WENTWORK R A D.Vegetable voltage and fruit "juice":An electrochemical demonstration[J].JournalofChemicalEducation,1988,65(8):727.

[3] 范晶露,丁偉,張世勇,劉美玭.基于傳感器的水果電池的實(shí)驗(yàn)探究[J].教育與裝備研究,2024(08):65-69.

【項(xiàng)目資助】

感謝國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃合成生物學(xué)重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“糖水氫電系統(tǒng)–體外多酶高效產(chǎn)氫及氫電裝置的基礎(chǔ)及工程研究”（No.:2022YFA0912000）的資助。感謝廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化工系生物化工研究所、福建省化工學(xué)會(huì)和廈門(mén)市合成生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

撰稿：廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院王世珍老師、吳際恒、苗碩、雷航彬
圖片提供：糖水氫電電池科普組、廈門(mén)大學(xué)彩云鄉(xiāng)村夏令營(yíng)螢燭隊(duì)
設(shè)計(jì)美化：閩江學(xué)院美術(shù)學(xué)院林晨霞老師