原电池与化学电源

第九讲原电池及化学电源1原电池1.1原电池的组成利用氧化还原反应，将化学能转化为电能的装置叫做原电池(primary cell)。

电池的设计证明了氧化还原反应确实发生了电子的转移。

一个原电池包括两个半电池，每个半电池又称为一个电极。

其中放出电子的一极称为负极(negative electrode)，发生氧化反应；另一极是接受电子的一极称为正极(positive electrode)，发生还原反应。

电极上分别发生的氧化还原反应，称为电极反应（electrode reaction）。

一般说来，由两种金属电极构成的原电池，较活泼的金属做负极，另一金属做正极。

负极金属失去电子成为离子而进入溶液，所以它总是逐渐溶解。

原电池的两个电极的溶液通过盐桥连通，盐桥有两方面的作用，一方面它可以消除因溶液直接接触而形成的液接电势，另一方面它可使联接的两溶液保持电中性。

1.2原电池的符号为表达方便通常将原电池的组成以规定的方式书写，称为电池符号表示式。

其书写原则规定：①把负极写在电池符号表示式的左边，以“（－）”表示；正极写在电池符号表示式的右边，并以“（+）”表示。

②以化学式表示电池中各物质的组成，溶液要标上浓度或活度（mol·L—1），若为气体物质应注明其分压（Pa）。

如不特殊指明，则温度为298 K，气体分压为101.325 kPa，溶液浓度为1 mol·L—1。

③以符号“|”表示不同物相之间的接界，用“‖”表示盐桥。

同一相中的不同物质之间用“，”表示。

④非金属或气体不导电，因此非金属元素在不同价态时构成的氧化还原电对作半电池时，需外加惰性金属（如铂等）做电极导体。

其中，惰性金属不参与反应，只起导电的作用。

例如Zn―Cu原电池的电池符号为：（－）Zn（s）|Zn2+（c1）‖Cu2+（c2）|Cu(s)（＋）1.3原电池的电极判断1.4原电池常用电极类型①金属一金属离子电极将金属片插入含有同一金属离子的盐溶液中构成的电极。

如Zn2+／Zn氧化还原电对所组成的电极。

其电极符号为：Zn |Zn2+（c1）电极反应式Zn2+ ＋2e－= Zn②金属一金属难溶盐一阴离子电极将金属表面涂以该金属的难溶盐，浸入与其盐具有相同阴离子的溶液中组成的电极。

如氯化银电极和甘汞电极。

在一定温度下，它们电极的电势稳定，再现性好，装置简单，使用方便，广泛用做参比电极。

氯化银电极 电极符号：Ag(s ) | AgCl(s ) |Cl —(c ))电极反应式：AgCl ＋ e － = Ag ＋ Cl —甘汞电极 电极符号：Hg(l ) | Hg 2Cl 2(g ) | KCl(c )电极反应式：Hg 2Cl 2 ＋ 2e － = 2Hg ＋ 2Cl —③气体—离子电极该类电极是将气体通入其相应离子溶液中，气体与其溶液中的阴离子形成平衡体系。

因气体不导电，需借助不参与电极反应的惰性金属铂组成电极。

常见有氢电极和氯电极。

氯电极 电极符号： Pt(s ) | Cl 2(p ) | Cl —(c )电极反应式：Cl 2 ＋ 2e －= 2Cl —④氧化还原电极习惯上将其还原态不是金属态的电极称为氧化还原电极。

它是将惰性电极（如铂或石墨）浸入含有同一种元素不同氧化态的两种离子的溶液中构成的。

Fe 3+/Fe 2+电极 电极符号： Pt(s ) | Fe 3+(c 1)，Fe 2+(c 2)电极反应式：Fe 3+ + e －= Fe 2+ 1.5电池电动势电池正、负电极之间没有电流通过时的电势差称为电池电动势（electronmotive fore 符号E 池 表示）。

电池电动势是衡量氧化还原反应推动力大小的判据，这与热力学上使用反应体系的吉布斯自由能变化ΔG 作为反应自发倾向的判据是一致的。

E 池 = E (+)－ E (—)原电池的电动势与系统的组成有关。

当原电池中的各物质均处于标准态时，测得的原电池的电动势称为标准电动势，用0MF E 表示。

MFE =0)(+E －0)(-E 例如，25℃时在铜–锌原电池中，当c (Cu 2+) =1.0 mol·L－1, c (Zn 2+) =1.0 mol·L－1时，测得的电池电动势0MF E =1.10 V 。

1.6电极和电池反应书写①明确电池的负极反应物是电极本身还是其他物质、反应产物及化合价的变化；②确定电池的正极反应物是电解质溶液中的离子，还是其他物质（如溶有或通入的氧气）；③判断是否存在特定的条件（如介质中的微粒H +、OH —非放电物质参加反应），进而推断电解质溶液的酸碱性的变化；④总的反应式是否满足质量守恒、得失电子守恒、电荷守恒。

【例1】银锌碱性电池的电解质溶液为KOH 溶液，电池放电时正极的Ag 2O 2 转化为Ag ， 负极的Zn 转化为K 2Zn(OH)4，写出该电池反应方程式：解：Ag 2O 2＋2Zn ＋4KOH ＋2H 2O ＝2K 2Zn(OH)4＋2Ag2化学电源2.1锌锰干电池锌锰干电池是最常见的化学电源。

干电池的外壳（锌）是负极，中间的碳棒是正极，在碳棒的周围是细密的石墨和去极化剂MnO 2的混合物，在混合物周围再装入以NH 4Cl 溶液浸润的ZnCl 2、NH 4Cl 和淀粉或其他填充物（制成糊状物）。

为了避免水的蒸发，干电池用蜡封好。

干电池在使用时的电极反应为锌锰干电池负极：锌片（锌皮）正极：MnO2、石墨棒（碳棒）电解质：NH4Cl 、ZnCl2 、淀粉电极反应负极：Zn－2e－= Zn2+正极：2NH4+ +2e－= 2NH3 + H2H2 + 2MnO2 = 2MnO(OH)总反应：Zn + 2MnO2 + 2NH4+ = 2MnO(OH) + 2NH3 + Zn2+从反应式看出：加MnO2是因为碳极上离子NH4+获得电子产生H2，妨碍碳棒与NH4+的接触，使电池的内阻增大，即产生“极化作用”。

添加MnO2就能与H2反应生成MnO(OH)。

这样就能消除电极上氢气的集积现象，使电池畅通。

所以MnO2起到消除极化的作用，叫做去极剂。

2.2蓄电池蓄电池和干电池不同，它可以通过数百次的充电和放电，反复作用。

所谓充电，是使直流电通过蓄电池，使蓄电池内进行化学反应，把电能转化为化学能并积蓄起来。

充完电的蓄电池，在使用时蓄电池内进行与充电时方向相反的电极反应，使化学能转变为电能，这一过程称为放电。

常用的蓄电池是铅蓄电池，铅蓄电池的电极是用铅锑合金制成的栅状极片，正极的极片上填充着PbO2，负极的极片上填塞着灰铅。

这两组极片交替地排列在蓄电池中，并浸泡在30%的H2SO4（密度为1.2 kg·L－1）溶液中。

蓄电池放电时（即使用时），正极上的PbO2被还原为Pb2+，负极上的Pb被氧化成Pb2+。

Pb2+离子与溶液中的SO42—离子作用在正负极片上生成沉淀。

反应为电极反应负极(Pb极)：Pb－2e- + SO42—= PbSO4正极（PbO2极）：PbO2 + 4H+ + SO42—+ 2e- = PbSO4 + 2H2O总反应：PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O随着蓄电池放电，H2SO4的浓度逐渐降低，这是因为每1 mol Pb参加反应，要消耗2 mol H2SO4，生成2 mol H2O。

当溶液的密度降低到1.05 kg·L–1时蓄电池应该进行充电。

蓄电池充电时，外加电流使极片上的反应逆向进行。

充电时的电极反应阴极(Pb极)：PbSO4+ 2e- = Pb + SO42—阳极（PbO2极）：PbSO4－2e- + 2H2O = PbO2 + 4H+ + SO42—总反应：2 PbSO4 + 2H2O = PbO2 + Pb + 2H2SO4蓄电池经过充电，恢复原状，可再次使用。

2.3燃料电池燃料电池和其他电池中的氧化还原反应一样都是一种自发的化学反应。

目前像氢氧燃料电池已应用于宇宙飞船和潜艇中。

它的基本反应是：H2 (g) + 1/2O2 (g) = H2O(1)从原则上说燃烧1 mol H2可以转换成237kJ的电能。

如果通过加热蒸汽间接得到电能，则所产生的电能最多不超过237 kJ×40% = 95 kJ。

若将它设计成一个电池，一般可以得到200 kJ电能，电能的利用率较一般发电方式增加了一倍。

在氢氧燃料电池中用多孔隔膜把电池分成三部分。

电池的中间部分装有75%的KOH溶液，左侧通入燃料H2，右侧通入氧化剂O2，气体通过隔膜，缓慢扩散到KOH溶液中并发生以下反应：正极：1/2O2 (g) + H2O + 2e－= 2OH－负极：H2 (g) + 2OH－= 2H2O +2e－总反应：H2 (g) + 1/2O2 (g) = H2O燃料电池的突出优点是把化学能直接转变为电能而不经过热能这一中间形式，因此化学能的利用率很高而且减少了环境污染。

教育感言：只要坚持下去，就会海阔天平，也许天空里没有留下我们的痕迹，但我们毕竟努力过，无怨无悔！──────────迮思泉习题1.以Li2CO3和Na2CO3熔融物为电解质，一极通入CO，另一极通入CO2和O2，组成燃料电池。

则下列说法中，正确的是( )A.正极反应为O2+2CO2+4e—=2CO32—B.负极反应为CO+4OH—+ 2e—→CO32—+2H2OC.正极反应为O2+4e—→2O2—D.负极反应为CO+ CO32—+2e—→2CO22.镍镉充电电池，电极材料是Cd和NiO(OH)，电解质是KOH，电极反应分别是：Cd＋2OH—－2e—＝Cd(OH)2，2NiO(OH)＋2H2O＋2e—＝2Ni(OH)2＋2OH—下列说法不正确的是( )A.电池放电时，负极周围溶液的pH不断增大B.电池的总反应是Cd＋2NiO(OH)＋2H2O＝Cd(OH)2＋2Ni(OH)2C.电池充电时，镉元素被还原D.电池充电时，电池的正极和电源的正极相连接3.用二根铂丝作电极插入KOH溶液中，分别向两极通入甲烷和氧气，可作为一种燃料电池的模拟装置。

试判断下列说法正确的是( )A.通氧气的铂极为负极B.此电池反应为CH4+2O2= CO2+2H2OC.此电池放电时，KOH浓度不变D.此电池放电时，KOH浓度会发生变化4.有人设计出利用CH4和O2的反应，用铂电极在KOH溶液中构成原电池。

电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧，则下列说法正确的是( )①每消耗1molCH4可以向外电路提供8mole-②负极上CH4失去电子，电极反应式CH4+10OH—－8e—=CO32—+7H2O③负极上是O2获得电子，电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH—④电池放电后，溶液pH不断升高A.①②B.①③C.①④D.③④5.电子表钮扣电池材料为Zn、Ag2O，反应方程式为：Ag2O+Zn+H2O= 2Ag+Zn(OH)2为负极，为正极，电极反应式为：负极，正极6.今有2H2+O2=2H2O的反应，电解质溶液为KOH构成燃料电池，则负极应通入气，正极通入气，电极反应为：负极正极如把KOH改为H2SO4作导电物质则电极反应为：负极____________ 正极如把H2改为CH4，KOH作导电物质则电极反应为：负极______________正极_____________ 总反应式7.摩托罗拉公司研制出一种由甲醇和氧气以及强碱作电解质溶液的新型手机电池，电量可达现用镍—氢电池或锂电池的10倍，可连续使用一个月才充一次电。