原電池及其組成
銅臭 / 2022-07-12
3.2.1原電池
化學(xué)反應(yīng)總是伴隨著能量的變化(ΔH、ΔG)。 依照利用途徑的不同，化學(xué)反應(yīng)釋放的能量可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌哪芰啃问健?5°C時(shí)，天然氣與氧的完全氧化反應(yīng)為
CH?(g) + 2O?(g)=CO?(g) + 2H?O(l)
ΔH=-890.8kJ/mol, ΔG =-818.4kJ/mol
燃?xì)鉅t灶是用天然氣與空氣中的氧氣燃燒，釋放的熱量用于加熱，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能;汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)是先把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，再通過(guò)產(chǎn)生高壓蒸汽推動(dòng)活塞產(chǎn)生動(dòng)能;而火力發(fā)電廠(chǎng) 則是將動(dòng)能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能。 由于燃燒反應(yīng)是快速反應(yīng)，所以燃燒產(chǎn)生的大量熱傳給了環(huán) 境。而且每一轉(zhuǎn)化過(guò)程都有一定的效率， 轉(zhuǎn)化的步驟越多，總的效率越低。內(nèi)燃機(jī)的效率一般不超過(guò)20%。
若把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，效率就高得多。研究化學(xué)能與電能之間轉(zhuǎn)化規(guī)律的科學(xué)稱(chēng)為電化學(xué)。使化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置稱(chēng)為原電池。
任何自發(fā)的氧化還原反應(yīng)均為電子從還原劑轉(zhuǎn)移到氧化劑的過(guò)程。把鋅放在硫酸銅溶液中，鋅溶解而銅析出
Zn(s) + CuSO?(aq)=Cu(s) + ZnSO?(aq)
反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是Zn原子失去電子，被氧化成Zn²?;
Cu²?得到電子，被還原成Cu原子。由于鋅和硫酸銅溶液直接接觸，電子就從Zn原子直接轉(zhuǎn)移給Cu²?,因而得不到有序的電子流。隨著氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行，溶液溫度將升高，即反應(yīng)中放出的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/span>
在圖3-2裝置中，氧化和還原反應(yīng)分別在兩個(gè)燒杯中進(jìn)行。在一個(gè)燒杯中放人ZnSO?溶液和鋅片，在另一個(gè)燒杯中放人CuSO?溶液和銅片，用鹽橋(飽和KCI溶液的瓊脂膠凍)將兩個(gè)燒杯中的溶液聯(lián)系起來(lái)。當(dāng)接通外電路時(shí)，有電流通過(guò)。
理論上，任何一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)都可以組成原電池。但由于反應(yīng)速率、安全性和技術(shù)條件等因素的限制，原電池可以利用的氧化還原反應(yīng)僅是極少數(shù)。安全、高效的原電池一直是世界各國(guó)化學(xué)電源研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。
原電池可用電池符號(hào)表示。書(shū)寫(xiě)電池符號(hào)時(shí)，習(xí)慣上把電池的負(fù)極寫(xiě)在左邊，正極寫(xiě)在右邊，以“Ι”表示相界面，以“‖”表示鹽橋。一般需要標(biāo)明反應(yīng)物質(zhì)的濃度或壓力。若反應(yīng)物中沒(méi)有電子導(dǎo)體，須外加惰性電極(如石墨、鉑)，惰性電極僅起導(dǎo)電作用，不參加電極反應(yīng)。原電池符號(hào)的書(shū)寫(xiě)方式為
3.2.2電極
3.2.2.1電極和半電池
在電池中，把電子流出的一極稱(chēng)為負(fù)極， 電子流人的一極稱(chēng)為正極。即發(fā)生氧化反應(yīng)的電極為負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)的電極為正極。因此，在上述銅鋅原電池中，鋅片為負(fù)極，銅片為正 極。兩極上的反應(yīng)稱(chēng)為電極反應(yīng)。又因每-電極是原電池的一 半， 又稱(chēng)為半電池反應(yīng)。銅鋅原電池中的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)為
負(fù)極反應(yīng) Zn(s)=Zn²?(aq) +2e
正極反應(yīng) Cu²?(aq) +2e===Cu(s)
電池反應(yīng) Zn(s) +Cu²?(aq)==Zn²?(aq) + Cu(s)
電極必須包含兩類(lèi)物質(zhì)，一類(lèi)是還原型物質(zhì)， 另一類(lèi)是相應(yīng)的氧化型物質(zhì)。電極中氧化型物質(zhì)和還原型物質(zhì)之間存在如下關(guān)系
氧化型+ne⇔還原型
或?qū)憺?nbsp; Ox+ne⇔Red
3.2.2.2電對(duì)
氧化型物質(zhì)與還原型物質(zhì)組成氧化還原電對(duì)，簡(jiǎn)稱(chēng)電對(duì)，以“氧化型/還原型”來(lái)表示。例如，在銅鋅原電池中，銅電極的電對(duì)為Cu²?/Cu,鋅電極的電對(duì)為Zn²?/Zn
不僅金屬和它的離子可以構(gòu)成電對(duì)，而且同一種金屬的不同價(jià)態(tài)離子 、非金屬單質(zhì)及其離子、金屬及其難溶鹽等都可以構(gòu)成電對(duì)，例如Fe³?/Fe²?，MnO??/Mn²?, H?/H,?，Cl?/CI?，AgCl/Ag等。
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