《化学反应原理》——33、原电池的工作原理

第四章 化学反应与电能

第一节　原电池

33原电池的工作原理

化学变化的同时伴随有能量的转化，并遵循质能守恒定律。

原电池是将化学能转化为电能的装置，电解池是将电能转化为化学能的装置。

电化学的反应都是在电子导体（如金属）与离子导体（如电解质）接触界面上发生氧化还原反应。

现代生活中各种化学电源，如手机、电脑、电动车所用的化学电源，都是依据原电池的原理制造。

一、原电池的工作原理

我们已经学习过铜锌原电池。以锌作负极、铜作正极，硫酸铜溶液作电解质溶液，其工作原理为：

实验中发现这种电池不能持续、稳定地工作，电流会逐渐衰减。其原因是负极区与正极区没有隔开，氧化反应和还原反应也没有隔开，金属锌与硫酸铜溶液直接接触，会与铜离子发生氧化还原反应，致使电池工作效率下降。

可用盐桥（装有含KCl饱和溶液的琼脂，离子可在其中自由移动，即可导电）将电解质分隔成负极区和正极区，减少氧化反应和还原反应的相互影响，提高其工作效率。

实验：使用盐桥的铜锌原电池

实验操作：

如图，将置有锌片的硫酸锌溶液和置有铜片的硫酸铜溶液用一个盐桥连接起来，然后将锌片和铜片用导线连接，并在中间串联一个电流表，观察现象。取出盐桥，观察电流表的指针有何变化。

实验现象和结论：

连通电流表，电流表的指针偏转，说明有电流通过。取出盐桥，电流表的指针加到零刻度，说明没有电流产生。铜片上有气泡，锌片逐渐溶解。

分析：

铜锌原电池工作时，负极的金属失电子成为锌离子，进入溶液，电子从金属锌通过外电路中的导线流向正极，在正极上铜离子得电子，生成金属铜沉淀在正极上。

盐桥中的氯离子与电流流向相反，移向硫酸锌溶液即负极区，钾离子与电流流向一致，移向硫酸铜溶液即正极区。

这样氧化反应、还原反应持续进行，原电池不断地产生电流。

其电极反应（半反应）式与不加盐桥时相同。

小结：

1、原电池的定义

将化学能转化为电能的装置。

2、原电池的构成条件

①两个电极：用于离子导体和电子导体的接触界面上传递电子，即导电。

②电解质：传导阴、阳离子，即导电，可以是电解质溶液、熔融态电解质或固态电解质。

③闭合回路：电流的流通，不能断路。

④自发的氧化还原反应。

3、原电池的工作原理

①包含两个半电池，分别发生氧化反应和还原反应两个半反应。

负极：发生失电子的氧化反应，一般还原性强的物质失电子。

正极：发生得电子的还原反应，一般氧化性强的物质得电子。

原电池输出电能的能力，取决于组成原电池的反应物的氧化还原能力（氧化剂的氧化性越强、还原剂的还原性越强，原电池的电压一般越高）。

②电流的流向：正极→外电路→负极→内电路→正极。

电子的流向：负极→外电路→正极。

内电路（电解质）中阳离子的移动方向与电流流向一致，阴离子的移动方向与电流流向相反。

③原电池工作时，负极上失电子数与正极上得电子数相等，即得失电子守恒。

电解质中电荷必须守恒。

单位时间内，通过闭合回路中任意一个横截面上的电量相等。

4、原电池的设计

一般，能自发发生的氧化还原反应均可设计成原电池。其设计思路为：

①将氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个半反应，即得到两个电极反应式。

②依负极反应式选择合适的材料作负极，一般负极为相对较活泼的金属；选择相对不活泼的金属或惰性材料（如石墨）作正极。

结合电极反应选择合适的电解质。

③用导线连接两个电极，并插入电解质中形成闭合回路。如果需要，可使用盐桥。

例：将氧化还原反应

设计成原电池。

写出电极反应式：

5、原电池的分析

分析思路：

①观察电池的结构，包括电极、电解质、外电路、电极上反应和生成的物质等。

②判断电极

依电极反应：发生失电子的氧化反应的电极是负极，有元素化合价升高；发生得电子的还原反应的电极是正极，有元素化合价降低。

依闭合回路中电流、电子、离子的移动方向判断。

依电极材料的活泼性判断：一般，相对较活泼的金属作负极。

依反应现象判断：如，有氢气生成或金属析出的电极是正极，自身质量减轻（被腐蚀）的电极是负极。

③写电极反应式：注意电解质环境，遵守质量守恒、得失电子守恒、电荷守恒。

例：硝酸汞和碘化钾溶液混合后会生成红色的碘化汞沉淀，为了探究硝酸汞和碘化钾溶液之间能否发生氧化还原反应，研究人员设计了如图的实验装置，结果电流表指针发生了偏转，下列分析正确的是(　　)

A．如图装置的电流方向是从C1到C2

B．C1是负极，发生的反应是

C．盐桥中的向C1电极移动

D．装置发生的总反应是

答案：B。

分析：

从实验现象知有电流产生，形成了原电池。碘离子在负极失电子生成碘单质；汞离子在正极得电子生成金属汞，其电极反应式、总反应式分别为：

外电路中的电流从正极流向负极，阳离子的移动方向与电流流向一致。

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云水散人

• • 2025-04-03 21:11:10
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