原電池的電動勢與電極電位(勢)解讀

11.2原電池的電動勢與電極電位(勢)

一、原電池、電解池與電化學

（一）原電池：

氧化還原反應(yīng)是電子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)。

同一溶液內(nèi)的氧化還原反應(yīng)過程，電子轉(zhuǎn)移時無定向運動，不產(chǎn)生電流，只放熱

(右圖):（一）原電池（續(xù)）若選擇適當?shù)碾姌O，組裝為“原電池”，使轉(zhuǎn)移的電子定向運動→產(chǎn)生電流。原電池：是化學能→電能的裝置。右圖：Daniell電池(鋅-銅原電池)鋅-銅電池（DaniellCell電池)（鹽橋：KCl

（或Na2SO4）等+瓊膠，維持電路暢通）電極反應(yīng)：

Zn極（負極,Cathode）:Cu極（正極,Anode）:原電池放電總反應(yīng)：Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s)鹽橋(飽和KCl

(aq)（或Na2SO4）

+瓊脂)的作用作為正、負離子通道，使兩個“半電池”的溶液都保持電中性，維持電路暢通。

Cl-,SO42-

ZnSO4(aq)K+,Zn2+CuSO4(aq)

KCl

也可以用Na2SO4等其它電解質(zhì)代替?？偨Y(jié)“原電池”放電反應(yīng)：

負極(Cathode):電勢低，電子流出，發(fā)生氧化反應(yīng);

正極(Anode):電勢高，電子流入，發(fā)生還原反應(yīng)。

原電池符號

鋅-銅電池（DaniellCell電池）(-)Zn(s)

|ZnSO4(1mol/dm3)||CuSO4(1mol/dm3)|Cu(s)(+)

相界濃度或活度鹽橋可簡化為（不嚴格）:(-)Zn(s)|ZnSO4

||CuSO4|Cu(s)(+)放電總反應(yīng)：Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s)給出總反應(yīng)方程式，要能夠設(shè)計為原電池，寫出電池符號和半反應(yīng)(電極反應(yīng))方程式。例2.

原電池

氫鐵電池(－)(Pt),

H2(1p

)H+

(1

mol·dm-3)

Fe3+(1

mol·dm-3),

Fe2+(1mol·dm-3)Pt

(+)負極：氧化半反應(yīng)H2=2H++2e正極：還原半反應(yīng)Fe3++e=Fe2+

放電總反應(yīng)：

H2

+2

Fe3+

=2

H++2Fe2+

給出電池符號，要能夠?qū)懗霭敕磻?yīng)

(電極反應(yīng))和放電總反應(yīng)方程式。例3.

原電池

鋅錳干電池結(jié)構(gòu)NH4Cl,ZnCl2和MnO2漿狀物

正極：石墨（帶銅帽）

負極：鋅（外殼）例3.

原電池

鋅錳干電池放電反應(yīng)負極（氧化反應(yīng)）：

Zn(s)→Zn2+(aq)

+2e正極（還原反應(yīng)）：

MnO2(s)+

H+(aq)+

e→MnO(OH)(s)

2MnO(OH)(s)

→Mn2O3(s)

+

H2O(l)合并，得總的放電反應(yīng)：

Zn(s)+2MnO2(s)+

2H+(aq)

→Zn2+(aq)

+Mn2O3(s)

+

H2O(l)例4.

氫氧燃料電池將燃燒過程中放出的化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置叫燃料電池。

例氫燃料電池：基本反應(yīng)：

H2（g）+1/2O2（g）→H2O（l）ΔH=-286KJmol-1

用多孔膜將電池分為三部：中間裝75%KOH，左側(cè)通H2，右側(cè)通O2，擴散到KOH溶液中發(fā)生反應(yīng)：（+）極：1/2O2（g）+H2O（l）+2e-=2OH-（-）極：H2（g）+2OH-=2H2O（l）+2e-

總反應(yīng)：H2（g）+1/2O2（g）=H2O（l）優(yōu)點：不經(jīng)過熱能的中間形式，直接將化學能→電能，利用率高，減少環(huán)境污染。早在1839年，英國人W.Grove就提出了氫和氧反應(yīng)可以發(fā)電的原理，這就是最早的氫-氧燃料電池(FC)。但直到20世紀60年代初，由于航天和國防的需要，才開發(fā)了液氫和液氧的小型燃料電池，應(yīng)用于空間飛行和潛水艇。近二三十年來，由于一次能源的匱乏和環(huán)境保護的突出，要求開發(fā)利用新的清潔再生能源。燃料電池由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高、對環(huán)境污染小等優(yōu)點而受到世界各國的普遍重視。美國礦物能源部長助理克.西格爾說：“燃料電池技術(shù)在21世紀上半葉在技術(shù)上的沖擊影響，會類似于20世紀上半葉內(nèi)燃機所起的作用?！备Ｌ仄嚬局鞴躊NGV經(jīng)理鮑伯.默爾稱，燃料電池必會給汽車動力帶來一場革命，燃料電池是唯一同時兼?zhèn)錈o污染、高效率、適用廣、無噪聲和具有連續(xù)工作和積木化的動力裝置。預期燃料電池會在國防和民用的電力、汽車、通信等多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。美國ArthurD.Little公司最新估計，2000年燃料電池在能源系統(tǒng)市場將提供1500～2000MW動力，價值超過30億美元，車輛市場將超過20億美元；2007年燃料電池在運輸方面的商業(yè)價值將達到90億美元。2002.12月2日，日本首相小泉純一郎在東京首相官邸前乘坐本田公司的FCX型燃料電池動力汽車時向人們揮手。

在2003年的早些時候，東芝已經(jīng)發(fā)布了世界上第一塊筆記本電腦燃料電池及燃料管。這種燃料電池的橫截面為275×75毫米，重900克。而僅重72克的燃料管可以容納50立方厘米高濃度甲醇。如果用這個電池系統(tǒng)為普通的PDA供電，那么一枚燃料管中盛載的溶液可以堅持發(fā)電20小時。除此之外，日本移動電話運營巨頭NTTDoCoMo在2003年6月5日宣布，其將會在最近兩年內(nèi)推出一種使用燃料電池的手機，并且預言“如果一切順利，2004年就將上市第一款燃料電池手機”。筆記本燃料電池最新一代燃料電池日本移動運營商NTTDoCoMo宣布，該公司研發(fā)出了一種使用微型燃料電池供電的3G手機充電器原型。這種燃料電池通過合成氫和無害的甲醇來產(chǎn)生化學反應(yīng)，以此為手機充電提供充足的能量。這款微型燃料電池重190克，可以產(chǎn)生近3.8瓦特的能量。別看它個頭這么小，可卻有驚人的耐力，在普通室溫的條件下它的供電時間大大超出鋰電池的壽命。不過燃料電池也有其自身的不足，它的每一個電池(一個甲醇燃料管)只能提供一次性的供電。也就是說我們不能為燃料電池進行像鋰電、鎳氫電池一樣的充電操作。因此，當我們出遠門時就得隨身帶著多個燃料電池了。左起依次為耳機、燃料電池諾基亞試產(chǎn)百部燃料電池耳機鋰電池2005年12月,日本生產(chǎn)出鋰電池驅(qū)動汽車,

最高時速超過300km/h.手機.例5.鋅汞紐扣電池放電反應(yīng)（作原電池）：負極：(氧化反應(yīng))Zn(s)+2OH-

(aq)

→

ZnO(s)+

H2O(l)+2e正極：(還原反應(yīng))

HgO(s)+

H2O(l)+2e→Hg(l)+2

OH-

(aq)

放電總反應(yīng)：

Zn(s)+HgO(s)→

ZnO(s)+

Hg(l)（二）電解池

是使用直流電促使非自發(fā)的氧化還原反應(yīng)

發(fā)生的裝置，即電能→化學能的裝置。例1NaCl水溶液電解池陽極：Cl-(aq)

→Cl2(g)

+2e(氧化反應(yīng)）

陰極：2H+(aq)+2e→H2(g)(還原反應(yīng)）例2融熔NaCl電解池（左）和實驗裝置（右）

陽極：2Cl-(l)

→Cl2(g)

+2e(氧化反應(yīng)）

陰極：2Na+(l)+2e→2Na(l)

(還原反應(yīng)）例3.

鉛蓄電池放電反應(yīng)（作原電池）：負極：Pb(s)+HSO4-

(aq)

→PbSO4(s)+H+(aq)

+2e正極：

PbO2(s)+

HSO4-

(aq)+3H+(aq)+

2e→

PbSO4(s)+2

H2O(l)放電總反應(yīng)：Pb(s)+PbO2(s)+

2HSO4-

(aq)+2H+(aq)

→2PbSO4(s)+2

H2O(l)充電總反應(yīng)（作電解池）：2PbSO4(s)+2

H2O(l)→

Pb(s)+PbO2(s)+

2HSO4-

(aq)+2H+(aq)例4.鎳鎘堿性充電電池放電反應(yīng)（作原電池）：負極：(氧化反應(yīng))

Cd(s)+2OH-

(aq)

→Cd(OH)2(s)+

2e正極：(還原反應(yīng))

NiO(OH)(s)+

H2O(l)+e→Ni(OH)2(s)+OH-

(aq)

放電總反應(yīng)：

Cd(s)+2NiO(OH)(s)+

2

H2O(l)→Cd(OH)2(s)+2Ni(OH)2(s)充電總反應(yīng)（作電解池）：Cd(OH)2(s)+2Ni(OH)2(s)→

Cd(s)+2NiO(OH)(s)+

2

H2O(l)

（二）電解池

(續(xù))例5：電解精煉銅.電解池:

陽極(Anode)━與原電池正極連接，總是發(fā)生氧化反應(yīng):Cu(s)=Cu2+(aq)+2e(陽極為粗銅)陰極(Cathode)━

與原電池負極連接，總是發(fā)生還原反應(yīng):Cu2+(aq)+2e=Cu(s)(陰極為精銅)

電解的應(yīng)用:電鍍電鍍銀陽極Ag(s)(接原電池+極)Ag→Ag++e(氧化反應(yīng))陰極(鍍件)(接原電池-極)Ag++e→Ag(還原反應(yīng))電解的應(yīng)用:電鍍(續(xù))陰極

(汽車車體鍍件)(接原電池-極)

（三）電化學

(Electrochemistry)

研究化學電池中氧化還原反應(yīng)過程以及化學能與電能互相轉(zhuǎn)變規(guī)律的化學分支，稱為“電化學”?；瘜W電池:(1)

原電池(化學能→電能)

(2)

電解池(電能→化學能)原電池（上）和電解池（下）的電極反應(yīng)原電池放電反應(yīng)：負極(Cathode):電勢低，電子流出，發(fā)生氧化反應(yīng);正極(Anode):電勢高，電子流入，發(fā)生還原反應(yīng)。電解池電解反應(yīng)：陽極(Anode):連接原電池正極，發(fā)生氧化反應(yīng);陰極(Cathode):連接原電池負極，發(fā)生還原反應(yīng);二、原電池的電動勢與電極電位（勢）

（一）原電池的電動勢

(或E)

指原電池正、負電極之間的平衡電勢差。

=

+-

-

(10.1.1)

=

+-

-

(10.1.2)

可用電位差計或高阻抗晶體管伏特計直接測量.例：上述Daniellcell,測出電動勢

=+1.10V

表示Cu電極電勢比Zn電極高1.10V

電極電位的產(chǎn)生

“雙電層模型”

Zn(s)-ZnSO4(aq)雙電層形成電極電位的產(chǎn)生

“雙電層模型”把金屬晶體插入它的鹽溶液中：M(s)

Mn+(aq)+ne（e

留在M(s)表面）

→

金屬“溶解”

←

Mn+(aq)沉積“雙電層模型”在一定溫度下達到“平衡”，有兩種可能:

1.M活潑性↑，或/和Mn+(aq)濃度小，

→占優(yōu)，生成左邊的“雙電層”。

2.M活潑性↓，或/和Mn+(aq)濃度大，

→占優(yōu)，生成右邊的“雙電層”。