原电池
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任何自发的氧化还原反应 ( Δ r G m < 0) 均为电子从还原剂转移到氧化剂的过程。例如将 Zn 片插入 H 2 SO 4 溶液中, Zn 与 H 2 SO 4 便发生下列反应:
Zn(s) + 2H (aq)=Zn 2 (aq) + H 2 (g)
由于 Zn 和 H 2 SO 4 直接接触,电子从 Zn 原子直接转移给 H 离子,因而得不到有序的电子流。随着氧化还原反应的进行,溶液温度将有所升高,即反应中放出的化学能转变为热能。
在盛有 ZnSO 4 溶液的烧杯中放入 Zn 片,在另一烧杯中将镀有铂黑的铂片放入稀硫酸溶液中,并于 25 ℃下不断通入纯氢气以使铂黑吸附达到饱和。用盐桥 把两个烧杯联通起来,当接通外电路时,发现有电流通过。这种借助氧化还原反应将化学能直接转变成电能的装置称为原电池。
锌电极发生反应是:
Zn(s)=Zn2 (aq) + 2e - 负极 ( 也叫阳极 )
其电子流向外电路的电极称为负极,所以这里 Zn 电极为负极 ( 又因为发生氧化反应的叫阳极,所以 Zn 电极也叫阳极 ) 。
氢电极发生的反应是:
2H (aq) + 2e - =H 2 (g) 正极 ( 也叫阴极 )
接受从外电路流入的电子的电极称为正极,所以这里氢电极为正极 ( 又因为发生还原反应的叫阴极,所以氢电极也叫阴极 ) 。
电池总反应是将正、负极反应按得失电子相等的原则合并得到:
Zn(s) + 2H (aq)=Zn 2 (aq) + H 2 (g)
由上例可见,任何一个自发进行的氧化还原反应原则上都可以组成原电池。氧化剂与其对应的被还原的产物 ( 如 H 和 H 2 ) 组成电池的正极,还原剂与其被氧化的产物 ( 如 Zn 与 Zn 2 ) 组成电池的负极:
原电池的装置也可用电池符号来表示,例如上述原电池的电池符号为
习惯上把电池的负极写在左边,正极写在右边,以“ | ”表示相界面,以“ ”表示盐桥。
半电池中必须包含两类物质,一类是还原态物质,另一类是相应的氧化态物质。氧化态物质与还原态物质组成氧化还原电对,简称电对,以“氧化态 / 还原态”来表示。例如锌电极的电对为 Zn 2 /Zn ,这类电极称金属电极。
非金属元素及其离子组成非金属电极。例如,电对: H /H 2 ,电极符号为 H |H 2 , Pt ,这里 Pt 不参加电极反应,只起吸附气体和传递电子的作用,所以叫惰性电极。有时也可用石墨等作惰性电极。
同一种金属的不同价态的离子也可组成氧化还原电极。例如电对:
在金属表面覆盖一层该金属的难溶盐,然后浸入含有该难溶盐的负离子的溶液中,可构成难溶盐电极。如:电对: AgCl/Ag ,电极符号为 Ag|AgCl , Cl - ;甘汞电极的电对: Hg 2 Cl 2 /Hg ,电极符号为 Pt , Hg(1)|Hg 2 Cl 2 , Cl - 。