原電池及其組成
銅臭 / 2022-07-12
3.2.1原電池
化學反應總是伴隨著能量的變化(ΔH、ΔG)。 依照利用途徑的不同，化學反應釋放的能量可以轉變?yōu)椴煌哪芰啃问健?5°C時，天然氣與氧的完全氧化反應為
CH?(g) + 2O?(g)=CO?(g) + 2H?O(l)
ΔH=-890.8kJ/mol, ΔG =-818.4kJ/mol
燃氣爐灶是用天然氣與空氣中的氧氣燃燒，釋放的熱量用于加熱，將化學能轉化為熱能;汽車發(fā)動機是先把化學能轉化為熱能，再通過產(chǎn)生高壓蒸汽推動活塞產(chǎn)生動能;而火力發(fā)電廠 則是將動能進一步轉化為電能。 由于燃燒反應是快速反應，所以燃燒產(chǎn)生的大量熱傳給了環(huán) 境。而且每一轉化過程都有一定的效率， 轉化的步驟越多，總的效率越低。內(nèi)燃機的效率一般不超過20%。
若把化學能直接轉變?yōu)殡娔?，效率就高得多。研究化學能與電能之間轉化規(guī)律的科學稱為電化學。使化學能直接轉變?yōu)殡娔艿难b置稱為原電池。
任何自發(fā)的氧化還原反應均為電子從還原劑轉移到氧化劑的過程。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)
反應的實質是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原子直接轉移給Cu²?,因而得不到有序的電子流。隨著氧化還原反應的進行，溶液溫度將升高，即反應中放出的化學能轉變?yōu)闊崮堋?/span>
在圖3-2裝置中，氧化和還原反應分別在兩個燒杯中進行。在一個燒杯中放人ZnSO?溶液和鋅片，在另一個燒杯中放人CuSO?溶液和銅片，用鹽橋(飽和KCI溶液的瓊脂膠凍)將兩個燒杯中的溶液聯(lián)系起來。當接通外電路時，有電流通過。
理論上，任何一個自發(fā)進行的氧化還原反應都可以組成原電池。但由于反應速率、安全性和技術條件等因素的限制，原電池可以利用的氧化還原反應僅是極少數(shù)。安全、高效的原電池一直是世界各國化學電源研究開發(fā)的熱點。
原電池可用電池符號表示。書寫電池符號時，習慣上把電池的負極寫在左邊，正極寫在右邊，以“Ι”表示相界面，以“‖”表示鹽橋。一般需要標明反應物質的濃度或壓力。若反應物中沒有電子導體，須外加惰性電極(如石墨、鉑)，惰性電極僅起導電作用，不參加電極反應。原電池符號的書寫方式為
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為負極， 電子流人的一極稱為正極。即發(fā)生氧化反應的電極為負極，發(fā)生還原反應的電極為正極。因此，在上述銅鋅原電池中，鋅片為負極，銅片為正 極。兩極上的反應稱為電極反應。又因每-電極是原電池的一 半， 又稱為半電池反應。銅鋅原電池中的電極反應和電池反應為
負極反應 Zn(s)=Zn²?(aq) +2e
正極反應 Cu²?(aq) +2e===Cu(s)
電池反應 Zn(s) +Cu²?(aq)==Zn²?(aq) + Cu(s)
電極必須包含兩類物質，一類是還原型物質， 另一類是相應的氧化型物質。電極中氧化型物質和還原型物質之間存在如下關系
氧化型+ne⇔還原型
或寫為 Ox+ne⇔Red
3.2.2.2電對
氧化型物質與還原型物質組成氧化還原電對，簡稱電對，以“氧化型/還原型”來表示。例如，在銅鋅原電池中，銅電極的電對為Cu²?/Cu,鋅電極的電對為Zn²?/Zn
不僅金屬和它的離子可以構成電對，而且同一種金屬的不同價態(tài)離子 、非金屬單質及其離子、金屬及其難溶鹽等都可以構成電對，例如Fe³?/Fe²?，MnO??/Mn²?, H?/H,?，Cl?/CI?，AgCl/Ag等。
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