原电池

引入

为什么把锌片和铜片同时插入稀硫酸中,用导线连接后能产生电流?

干电池、锂电池的工作原理是什么?

什么是电极电势?它如何决定电池的正负极?

氧化还原反应的本质是电子的转移。如果能让电子通过外电路定向移动,化学能就能转化为电能。原电池就是利用自发氧化还原反应产生电流的装置,是所有化学电源（电池）的基础。

正文

定义

原电池是利用自发的氧化还原反应将化学能转化为电能的装置。

基本构造

以铜锌原电池（丹尼尔电池）为例:

组成部分	材料	作用
负极	锌片（$\mathrm{Zn}$）	发生氧化反应,失去电子
正极	铜片（$\mathrm{Cu}$）	发生还原反应,得到电子
电解质溶液	稀 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4$ 或 $\mathrm{CuSO}{}_4$	提供离子导电通路
外电路	导线	电子定向移动的路径
盐桥	含 $\mathrm{KCl}$ 的琼脂	维持电荷平衡（双液电池）

工作原理

负极反应（氧化）:

$\mathrm{Zn}-2\mathrm{e}{}^{-}\to \mathrm{Zn}{}^{2+}$

锌失去电子,电子通过外电路流向正极。

正极反应（还原）:

$\mathrm{Cu}{}^{2+}+2\mathrm{e}{}^{-}\to \mathrm{Cu}$

铜离子在正极得到电子,被还原为铜单质。

总反应:

$\mathrm{Zn}+\mathrm{Cu}{}^{2+}\to \mathrm{Zn}{}^{2+}+\mathrm{Cu}$

**电子流向:**负极 → 外电路 → 正极

**电流方向:**正极 → 外电路 → 负极（与电子流向相反）

**离子迁移:**阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。

原电池的形成条件

1. 两个活泼性不同的电极（或一个电极和惰性电极）
2. 电解质溶液
3. 形成闭合回路
4. 能自发进行的氧化还原反应

电极电势

定义

电极电势是衡量电极得失电子能力的物理量,用 $E$ 表示,单位为伏特（$\mathrm{V}$）。

标准电极电势（$E^{\circ }$）是在标准条件下（$25{}^{\circ }\mathrm{C}$,$1mol/L$,$101.3\mathrm{kPa}$）相对于标准氢电极的电势。

常见标准电极电势:

电极反应	$E^{\circ }/\mathrm{V}$
$\mathrm{Li}{}^{+}+\mathrm{e}{}^{-}\to \mathrm{Li}$	$-3.04$
$\mathrm{Zn}{}^{2+}+2\mathrm{e}{}^{-}\to \mathrm{Zn}$	$-0.76$
$\mathrm{Fe}{}^{2+}+2\mathrm{e}{}^{-}\to \mathrm{Fe}$	$-0.44$
$2\mathrm{H}{}^{+}+2\mathrm{e}{}^{-}\to \mathrm{H}{}_2$	$0.00$（标准）
$\mathrm{Cu}{}^{2+}+2\mathrm{e}{}^{-}\to \mathrm{Cu}$	$+0.34$
$\mathrm{Ag}{}^{+}+\mathrm{e}{}^{-}\to \mathrm{Ag}$	$+0.80$

判断正负极:

• $E^{\circ }$ 较小的电极为负极（更容易失去电子,发生氧化）
• $E^{\circ }$ 较大的电极为正极（更容易得到电子,发生还原）

电池电动势:

$E_{\text{电池}}=E_{\text{正}}-E_{\text{负}}$

铜锌电池:$E=0.34-(-0.76)=1.10\mathrm{V}$

常见化学电源

一次电池（不可充电）

锌锰干电池:

项目	说明
负极	$\mathrm{Zn}$（锌筒）
正极	$\mathrm{MnO}{}_2$（碳棒周围）
电解质	$\mathrm{NH}{}_4\mathrm{Cl}$ 和 $\mathrm{ZnCl}{}_2$ 糊状物
电压	约 $1.5\mathrm{V}$
特点	便宜、便携,但电量有限

碱性锌锰电池:

用 $\mathrm{KOH}$ 代替 $\mathrm{NH}{}_4\mathrm{Cl}$ 作电解质,电量更大、放电更稳定。

银锌纽扣电池:

电压 $1.55\mathrm{V}$,常用于手表、计算器。

二次电池（可充电）

铅蓄电池:

项目	说明
负极	$\mathrm{Pb}$
正极	$\mathrm{PbO}{}_2$
电解质	$\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4$ 溶液
电压	$2.0\mathrm{V}$

放电总反应:

$\mathrm{Pb}+\mathrm{PbO}{}_2+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4\to 2\mathrm{PbSO}{}_4+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

充电时反应逆向进行。

锂离子电池:

项目	说明
负极	嵌锂碳材料（$\mathrm{Li}{}_x\mathrm{C}{}_6$）
正极	$\mathrm{LiCoO}{}_2$、$\mathrm{LiFePO}{}_4$ 等
电解质	含锂盐的有机溶液
电压	$3.6\sim 3.7\mathrm{V}$
特点	能量密度高、无记忆效应,广泛用于手机、电动车

燃料电池

将燃料（$\mathrm{H}{}_2$、$\mathrm{CH}{}_3\mathrm{OH}$ 等）和氧化剂（$\mathrm{O}{}_2$）的化学能直接转化为电能。

氢氧燃料电池（碱性）:

$\text{负极:}\mathrm{H}{}_2+2\mathrm{OH}{}^{-}-2\mathrm{e}{}^{-}\to 2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

$\text{正极:}\mathrm{O}{}_2+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}+4\mathrm{e}{}^{-}\to 4\mathrm{OH}{}^{-}$

$\text{总反应:}2\mathrm{H}{}_2+\mathrm{O}{}_2\to 2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

燃料电池的理论效率高,产物为水,是理想的清洁能源技术。

金属的腐蚀与防护

原电池原理也与金属腐蚀密切相关,详见 金属的腐蚀与防护。

电化学腐蚀:

在潮湿环境中,不纯的金属表面形成无数微小的原电池,活泼金属作为负极被氧化腐蚀。

防护方法:

• **牺牲阳极法:**连接更活泼的金属作为负极被牺牲
• **外加电流法:**将被保护金属连接电源负极

引出

电解池和原电池有什么区别和联系?

为什么锂离子电池比铅蓄电池更适合移动设备?

燃料电池的效率为什么高于内燃机?

如何利用电极电势判断氧化还原反应的方向?

参考:电解池、氧化还原反应、金属的腐蚀与防护