高中化学 34 原电池

原电池的定义

原电池是将化学能转化为电能的装置。其反应本质是氧化还原反应，在该反应中，电子从还原剂转移到氧化剂，从而产生电流。

原电池的构成条件

两个活泼性不同的电极：一般情况下，较活泼的金属作负极，较不活泼的金属或能导电的非金属（如石墨）作正极。例如，在铜锌原电池中，锌比铜活泼，锌作负极，铜作正极。

电解质溶液：电解质溶液中存在能够自由移动的离子，在电极反应中起到传递电荷的作用。如在稀硫酸作电解质溶液的铜锌原电池中，硫酸中的氢离子参与正极反应。

形成闭合回路：可以通过导线连接两个电极，同时电解质溶液也必须与电极接触，使整个装置形成一个闭合的回路，从而保证电子能够在回路中定向移动，形成电流。

自发进行的氧化还原反应：原电池中的反应必须是能够自发进行的氧化还原反应，这样才能使电子从还原剂转移到氧化剂，产生电流。例如，锌与稀硫酸的反应\(Zn + H_{2}SO_{4}=\!=\!=ZnSO_{4}+H_{2}\uparrow\)是自发的氧化还原反应，可以设计成原电池。

原电池的工作原理

以铜锌原电池为例，当锌片和铜片插入稀硫酸中并用导线连接时，锌比铜活泼，锌原子失去电子变成锌离子进入溶液，发生氧化反应，电极反应式为\(Zn - 2e^{-}=\!=\!=Zn^{2 + }\)。电子从锌片经导线流向铜片，溶液中的氢离子在铜片表面得到电子生成氢气，发生还原反应，电极反应式为\(2H^{+}+2e^{-}=\!=\!=H_{2}\uparrow\)。这样，在导线中就有电子定向移动，形成电流，化学能转化为电能。

原电池的电极反应式和电池反应式

电极反应式：表示原电池中每个电极上发生的氧化反应或还原反应的式子。书写电极反应式时，要注意根据电极材料和电解质溶液的性质来确定反应物和生成物，并遵循电荷守恒和质量守恒定律。例如，在碱性锌锰干电池中，负极是锌，正极是\(MnO_{2}\)，电解质溶液是\(KOH\)溶液，负极反应式为\(Zn + 2OH^{-}-2e^{-}=\!=\!=Zn(OH)_{2}\)，正极反应式为\(2MnO_{2}+2H_{2}O + 2e^{-}=\!=\!=2MnO(OH)+2OH^{-}\)。

电池反应式：将原电池的两个电极反应式相加，消去电子后得到的总反应式。例如，上述碱性锌锰干电池的电池反应式为\(Zn + 2MnO_{2}+2H_{2}O=\!=\!=2MnO(OH)+Zn(OH)_{2}\)。

原电池原理的应用

加快化学反应速率：例如，实验室用锌和稀硫酸反应制取氢气时，通常在锌粒中加入少量硫酸铜溶液，锌与硫酸铜发生置换反应生成铜，锌、铜和稀硫酸构成原电池，从而加快了反应速率。

比较金属的活动性强弱：一般来说，在原电池中，负极金属的活动性比正极金属强。例如，将镁片和铝片用导线连接后插入稀硫酸中，镁片作负极，铝片作正极，说明镁的活动性比铝强。

设计原电池：根据已知的氧化还原反应，选择合适的电极材料和电解质溶液，设计原电池。例如，利用反应\(Fe + Cu^{2 + }=\!=\!=Fe^{2 + }+Cu\)可以设计成原电池，其中铁作负极，铜作正极，硫酸铜溶液作电解质溶液。

常见的原电池类型

一次电池：如碱性锌锰干电池、银锌纽扣电池等，这类电池只能使用一次，不能充电。

二次电池：又称可充电电池，如铅蓄电池、锂离子电池等。这类电池在放电时是原电池，将化学能转化为电能；充电时是电解池，将电能转化为化学能，可以反复使用。

燃料电池：如氢氧燃料电池、甲醇燃料电池等。燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源，其电极本身不参与反应，而是由外部不断供给燃料和氧化剂。例如，氢氧燃料电池以氢气为燃料，氧气为氧化剂，在酸性电解质溶液中，负极反应式为\(H_{2}-2e^{-}=\!=\!=2H^{+}\)，正极反应式为\(O_{2}+4H^{+}+4e^{-}=\!=\!=2H_{2}O\)。

化学基础