中文名 | 原電池 | 外文名 | Primary battery [1]? Voltaic cell [2]? |
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原????理 | 將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置 | 利用性質(zhì) | 電極之間電極電勢(shì)差 |
發(fā)明時(shí)期 | 18世紀(jì)末期 | 種????類 | 一次電池、二次電池、燃料電池等 |
學(xué)????科 | 化學(xué) |
原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。
(所以,根據(jù)定義,普通的干電池、燃料電池非蓄電池都可以稱為原電池。)
原電池的發(fā)明歷史可追溯到18世紀(jì)末期,當(dāng)時(shí)意大利生物學(xué)家伽伐尼正在進(jìn)行著名的青蛙實(shí)驗(yàn),當(dāng)用金屬手術(shù)刀接觸蛙腿時(shí),發(fā)現(xiàn)蛙腿會(huì)抽搐。大名鼎鼎的伏特認(rèn)為這是金屬與蛙腿組織液(電解質(zhì)溶液)之間產(chǎn)生的電流刺激造成的。1800年,伏特?fù)?jù)此設(shè)計(jì)出了被稱為伏打電堆的裝置,鋅為負(fù)極,銀為正極,用鹽水作電解質(zhì)溶液。1836年,丹尼爾發(fā)明了世界上第一個(gè)實(shí)用電池,并用于早期鐵路信號(hào)燈。
原電池反應(yīng)屬于放熱的反應(yīng),一般是氧化還原反應(yīng),但區(qū)別于一般的氧化還原反應(yīng)的是,電子轉(zhuǎn)移不是通過氧化劑和還原劑之間的有效碰撞完成的,而是還原劑在負(fù)極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng),電子通過外電路輸送到正極上,氧化劑在正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng),從而完成還原劑和氧化劑之間電子的轉(zhuǎn)移。兩極之間溶液中離子的定向移動(dòng)和外部導(dǎo)線中電子的定向移動(dòng)構(gòu)成了閉合回路,使兩個(gè)電極反應(yīng)不斷進(jìn)行,發(fā)生有序的電子轉(zhuǎn)移過程,產(chǎn)生電流,實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。
但是,需要注意,非氧化還原反應(yīng)一樣可以設(shè)計(jì)成原電池。從能量轉(zhuǎn)化角度看,原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置;從化學(xué)反應(yīng)角度看,原電池的原理是氧化還原反應(yīng)中的還原劑失去的電子經(jīng)外接導(dǎo)線傳遞給氧化劑,使氧化還原反應(yīng)分別在兩個(gè)電極上進(jìn)行。
1.電極材料由兩種金屬活潑性不同的金屬或由金屬與其他導(dǎo)電的材料(非金屬或某些氧化物等)組成。
2.電解質(zhì)存在。
3.兩電極之間有導(dǎo)線連接,形成閉合回路。
4.發(fā)生的反應(yīng)是自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。
只要具備前三個(gè)條件就可構(gòu)成原電池。而化學(xué)電源因?yàn)橐罂梢蕴峁┏掷m(xù)而穩(wěn)定的電流,所以除了必須具備原電池的三個(gè)構(gòu)成條件之外,還要求有自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。也就是說,化學(xué)電源必須是原電池,但原電池不一定都能做化學(xué)電池。
形成前提:總反應(yīng)為自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)。
a. 活潑性不同的金屬:如鋅銅原電池,鋅作負(fù)極,銅作正極;
b. 金屬和非金屬(非金屬必須能導(dǎo)電):如鋅錳干電池,鋅作負(fù)極,石墨作正極;
c. 金屬與化合物如:鉛蓄電池,鉛板作負(fù)極,二氧化鉛作正極;
d. 惰性電極如:氫氧燃料電池,電極均為鉑。
負(fù)極:電子流出的一極(負(fù)極定義);化合價(jià)升高的一極;發(fā)生氧化反應(yīng)的一極;活潑性相對(duì)較強(qiáng)(有時(shí)候也要考慮到電解質(zhì)溶液對(duì)兩極的影響)金屬的一極。(僅適用于原電池)
正極:電子流入的一極(正極定義);化合價(jià)降低的一極;發(fā)生還原反應(yīng)的一極;相對(duì)不活潑(有時(shí)候也要考慮到電解質(zhì)溶液對(duì)兩極的影響)的金屬或其它導(dǎo)體的一極。(僅適用于原電池)
陽極:發(fā)生氧化反應(yīng)的電極(陽極定義)
陰極:發(fā)生還原反應(yīng)的電極(陰極定義)
在原電池中,外電路為電子導(dǎo)電,電解質(zhì)溶液中為離子導(dǎo)電。
原電池工作原理
原電池的工作原理:原電池反應(yīng)屬于放熱的反應(yīng),一般是氧化還原反應(yīng),但區(qū)別于一般的氧化還原反應(yīng)的是,電子轉(zhuǎn)移不是通過氧化劑和還原劑之間的有效碰撞完成的,而是還原劑在負(fù)
極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng),電子通過外電路輸送到正極上,氧化劑在正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng),從而完成還原劑和氧化劑之間電子的轉(zhuǎn)移。兩極之間溶液中離子的定向移動(dòng)和外部導(dǎo)線中電子的定向移動(dòng)構(gòu)成了閉合回路,使兩個(gè)電極反應(yīng)不斷進(jìn)行,發(fā)生有序的電子轉(zhuǎn)移過程,產(chǎn)生電流,實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。
但是,需要注意,非氧化還原反應(yīng)一樣可以設(shè)計(jì)成原電池。
從能量轉(zhuǎn)化角度看,原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置;從化學(xué)反應(yīng)角度看,原電池的原理是氧化還原反應(yīng)中的還原劑失去的電子經(jīng)外接導(dǎo)線傳遞給氧化劑,使氧化還原反應(yīng)分別在兩個(gè)電極上進(jìn)行。
1.電極材料由兩種金屬活潑性不同的金屬或由金屬與其他導(dǎo)電的材料(非金屬或某些氧化物等)組成。
2.電解質(zhì)存在。
3.兩電極之間有導(dǎo)線連接,形成閉合回路。
4.發(fā)生的反應(yīng)是自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。
只要具備前三個(gè)條件就可構(gòu)成原電池。而化學(xué)電源因?yàn)橐罂梢蕴峁┏掷m(xù)而穩(wěn)定的電流,所以除了必須具備原電池的三個(gè)構(gòu)成條件之外,還要求有自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。也就是說,化學(xué)電源必須是原電池,但原電池不一定都能做化學(xué)電池。
形成前提:總反應(yīng)為自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)。
注:新課標(biāo)高中化學(xué)中所有原電池都發(fā)生了氧化還原反應(yīng),但非氧化還原反應(yīng)一樣可以設(shè)計(jì)成原電池。
a.活潑性不同的金屬-鋅銅原電池,鋅作負(fù)極,銅作正極;
b.金屬和非金屬(非金屬必須能導(dǎo)電)-鋅錳干電池,鋅作負(fù)極,石墨作正極;
c.金屬與化合物-鉛蓄電池,鉛板作負(fù)極,二氧化鉛作正極;
d.惰性電極-氫氧燃料電池,電極均為鉑。
電解液的選擇:負(fù)極材料一般要能與電解液自行發(fā)生氧化還原反應(yīng)。
通常情況下,在原電池中某一電極若不斷溶解或質(zhì)量不斷減少,該電極發(fā)生氧化反應(yīng),此為原電池的負(fù)極(陽極,anode);若原電池中某一電極上有氣體生成、電極的質(zhì)量不斷增加或電極質(zhì)量不變,該電極發(fā)生還原反應(yīng),此為原電池的正極(陰極,cathode)。
正極發(fā)生還原反應(yīng),得到電子;負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),失去電子。
電子由負(fù)極流向正極,電流由正極流向負(fù)極。 溶液中,陽離子移向正極,陰離子移向負(fù)極。
負(fù)極:電子流出的一極(負(fù)極定義);化合價(jià)升高的一極;發(fā)生氧化反應(yīng)的一極;活潑性相對(duì)較強(qiáng)(有時(shí)候也要考慮到電解質(zhì)溶液對(duì)兩極的影響)金屬的一極。(僅適用于原電池)
正極:電子流入的一極(正極定義);化合價(jià)降低的一極;發(fā)生還原反應(yīng)的一極;相對(duì)不活潑(有時(shí)候也要考慮到電解質(zhì)溶液對(duì)兩極的影響)的金屬或其它導(dǎo)體的一極。(僅適用于原電池)
陽極:發(fā)生氧化反應(yīng)的電極(陽極定義)
陰極:發(fā)生還原反應(yīng)的電極(陰極定義)
在原電池中,外電路為電子導(dǎo)電,電解質(zhì)溶液中為離子導(dǎo)電。
注意:anion是陰離子,anode是陽極,cation是陽離子,cathode是陰極。
看回路--形成閉合回路或兩極直接接觸;
看本質(zhì)--能否轉(zhuǎn)化為氧化還原反應(yīng)。
2.多池相連,但無外接電源時(shí),兩極活潑性差異最大的一池為原電池,其他各池可看做電解池。
離子不上岸,電子不下水。
電池可分為:糊式鋅錳電池、紙板鋅錳電池、堿性鋅錳電池、扣式鋅銀電池、扣式鋰錳電池、扣式鋅錳電池、鋅空氣電池、一次鋰錳電池等。糊式鋅錳電池、紙板鋅錳電池現(xiàn)在已基本淘汰了,目前市面上民用的最多的就是堿性鋅...
原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置(將氧化還原反應(yīng)分別在兩極進(jìn)行) 形成原電池需滿足四個(gè)條件 1 首先是自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng) 2有活性不同的兩極,(金屬和金屬,或金屬和非金屬—...
負(fù)極為Zn,它失電子變成鋅離子出現(xiàn)在負(fù)極表面,使負(fù)極周圍帶了大量正電,從而吸引溶液中的陰離子,排斥溶液中的陽離子,所以Cu2+不易在負(fù)極處得電子。而導(dǎo)線電阻小,所以大量電子通過導(dǎo)線轉(zhuǎn)移到銅電極,使它帶...
原電池應(yīng)用
1、直接轉(zhuǎn)換成電能輸出的裝置。又稱化學(xué)電池。由于各種型號(hào)的原電池氧化還原反應(yīng)的可逆性很差,放完電后,不能重復(fù)使用,故又稱一次電池。它通常由正電極、負(fù)電極、電解質(zhì)、隔離物和殼體構(gòu)成,可制成各種形狀和不同尺寸,使用方便。廣泛用于工農(nóng)業(yè)、國防工業(yè)和通信、照明、醫(yī)療等部門,并成為日常生活中收音機(jī)、錄音機(jī)、照相機(jī)、計(jì)算器、電子表、玩具、助聽器等常用電器的電源。原電池一般按負(fù)極活性物質(zhì)(如鋅、鎘、鎂、鋰等)和正極活性物質(zhì)(如錳、汞、二氧化硫等)分為鋅錳電池、鋅空氣電池、鋅銀電池、鋅汞電池、鎂錳電池、鋰氟化碳電池、鋰二氧化硫電池等。鋅錳電池產(chǎn)量最大,常按電解質(zhì)分為氯化銨型和氯化鋅型,并按其隔離層分為糊式電池和低極電池。以氫氧化鉀為電解質(zhì)的鋅錳電池,由于其負(fù)極(鋅)的構(gòu)造與其他鋅錳電池不同而習(xí)慣上另作一類,稱為堿性鋅錳電池,簡稱堿錳電池,俗稱堿性電池。
2、金屬的腐蝕與防護(hù)
①改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如把鋼中加Cr、Ni制成不銹鋼)
②在金屬表面覆蓋保護(hù)層
a、在鋼鐵表面涂礦物性油脂、油漆或覆蓋搪瓷、塑料等物質(zhì)。
b、用電鍍、熱鍍、噴鍍的方法,在鋼鐵表面鍍上一層不易被腐蝕的金屬。
c、用化學(xué)方法使鋼鐵表面生成一層致密而穩(wěn)定的氧化膜。(表面鈍化)
③電化學(xué)保護(hù)法
a、外加電流的陰極保護(hù)法(把被保護(hù)的設(shè)備與外接電源的負(fù)極相連)
b、犧牲陽極的陰極保護(hù)法(被保護(hù)的設(shè)備與活潑的金屬相連接)
3、判斷金屬的活潑性
4、加快反應(yīng)速率
鋅-錳電池具有原材料來源豐富、工藝簡單,價(jià)格便宜、使用方便等優(yōu)點(diǎn),成為人們使用最多、最廣泛的電池品種。鋅-錳電池以鋅為負(fù)極,以二氧化錳為正極。按照基本結(jié)構(gòu),鋅-錳電池可制成圓筒形、扣式和扁形,扁形電池不能單個(gè)使用,可組合疊層電池(組)。按照所用電解液的差別將鋅-錳電池分為三個(gè)類型:
(1)銨型鋅-錳電池:電解質(zhì)以氯化銨為主,含少量氯化鋅。
電池符號(hào):(-) Zn│NH4Cl·ZnCl2│MnO2 │C(石墨)( )
總電池反應(yīng): Zn 2NH4Cl 2MnO2=[Zn(NH3)2]Cl2 Mn2O3 H2O
(2) 鋅型鋅-錳電池:又稱高功率鋅-錳電池,電解質(zhì)為氯化鋅,具有防漏性能好,能大功率放電及能量密度較高等優(yōu)點(diǎn),是鋅-錳電池的第二代產(chǎn)品,20世紀(jì)70年代初首先由德國推出。與銨型電池相比鋅型電池長時(shí)間放電不產(chǎn)生水,因此電池不易漏液。
電池符號(hào):(-) Zn│ZnCl2│MnO2 ( )
總電池反應(yīng)(長時(shí)間放電):
Zn 2Zn(OH)Cl 6MnO(OH)=ZnCl2·2ZnO·4H2O 2Mn3O4
(3) 堿性鋅-錳電池:這是鋅-錳電池的第三代產(chǎn)品,具有大功率放電性能好、能量密度高和低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)。
電池符號(hào):(-) Zn│KOH│MnO2 ( )
總電池反應(yīng): Zn 2H2O MnO2=Mn(OH)2 Zn(OH)2
鋅-錳電池額定開路電壓為1.5V,實(shí)際開路電壓1.5-1.8V ,其工作電壓與放電負(fù)荷有關(guān),負(fù)荷越重或放電電阻越小,閉路電壓越低。用于手電筒照明時(shí),典型終止電壓為0.9V,某些收音機(jī)允許電壓降至0.75V。
又稱鋰電池,是以金屬鋰為負(fù)極的電池總稱。鋰的電極電勢(shì)最負(fù)相對(duì)分子質(zhì)量最小,導(dǎo)電性良好,可制成一系列貯存壽命長,工作溫度范圍寬的高能電池。根據(jù)電解液和正極物質(zhì)的物理狀態(tài),鋰電池有三種不同的類型,即:固體正極—有機(jī)電解質(zhì)電池、液體正極—液體電解質(zhì)電池、固體正極—固體電解質(zhì)電池。Li-(CF)n的開路電壓為3.3V,比能量為480W·h·L-1,工作溫度在-55~70℃間,在20℃下可貯存10年之久。主要用于軍事、空間技術(shù)等特殊領(lǐng)域,在心臟起搏器等微、小功率場(chǎng)合也有應(yīng)用。
鋰電池與鋰離子電池不同。前者是一次電池,后者可反復(fù)充電。
蓄電池在放電過程中屬于原電池反應(yīng)。這類電極反應(yīng)都有電解質(zhì)溶液參與,如果能分析清楚電解質(zhì)溶液是否參與電極反應(yīng),那么負(fù)極的電極反應(yīng)式和正極的電極反應(yīng)式的書寫就可迎刃而解了。
現(xiàn)以鉛酸蓄電池為例來分析電極反應(yīng)式的書寫方法。
鉛酸蓄電池的總反應(yīng)為:Pb PbO2 2H2SO4=2PbSO4 2H2O
根據(jù)原電池的工作原理分析,負(fù)極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),可知:Pb–2e-=Pb2 ①,生成的Pb2 進(jìn)入電解質(zhì)溶液中,Pb2 與溶液中的SO42-不能共存,要繼續(xù)反應(yīng)生成PbSO4,即:Pb2 SO42-=PbSO4②,因此在原電池的負(fù)極反應(yīng)式為① ②即:Pb–2e- SO42-=PbSO4;正極是得電子發(fā)生還原反應(yīng)的一極,則有:PbO2 2e-=Pb2 2O2-①,Pb2 和O2-進(jìn)入溶液中,由于電解質(zhì)溶液是H2SO4溶液,O2-在酸性環(huán)境中,不能單獨(dú)存在,可供O2-結(jié)合的微粒有H 和H2O,O2-在酸性環(huán)境中優(yōu)先結(jié)合H 生成H2O,這樣在正極發(fā)生的反應(yīng)有:4H 2O2-=2H2O②;Pb2 SO42-=PbSO4③根據(jù)以上分析可知正極反應(yīng)式為① ② ③即:PbO2 2e- SO42- 4H =PbSO4 2H2O。(注意:在電極反應(yīng)式中應(yīng)遵循電荷守恒和質(zhì)量守恒;在負(fù)極反應(yīng)式與正極反應(yīng)式相加求總反應(yīng)時(shí)要注意得失電子數(shù)要相等。)
再如:Ag-Zn高能電池(鈕扣電池)由Ag2O、Zn及KOH溶液組成??偡磻?yīng)為:Zn Ag2O H2O=Zn(OH)2 2Ag
根據(jù)原電池原理可知:Zn做負(fù),Ag2O做正極,電解質(zhì)溶液為KOH溶液。負(fù)極極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),則負(fù)極反應(yīng)為:Zn–2e-=Zn2 ,Zn2 進(jìn)入溶液后又與溶液中的OH-反應(yīng)Zn2 2OH-=Zn(OH)2。
所以負(fù)極反應(yīng)為:Zn–2e- 2OH-=Zn(OH)2;
正極為Ag2O得到電子發(fā)生還原反應(yīng),即Ag2O 2e-=2Ag O2-;
O2-在中性或堿性環(huán)境中也不能單獨(dú)存在,只能結(jié)合H2O生成OH-,故在中性或堿性條件下O2- H2O=2OH-,所以正極反應(yīng)式為:Ag2O 2e- H2O=2Ag 2OH-。
離子交換膜電池
離子交換膜燃料電池是氫離子交換膜的低溫型水介質(zhì)氫/氧燃料電池。
原電池腐蝕亦稱電偶腐蝕或雙金屬腐蝕,是由相互接觸的兩種不同金屬材料與周圍導(dǎo)電溶液組成原電池而引起的電化學(xué)腐蝕。其中作為陽極的金屬發(fā)生溶解,造成蝕損; 作為陰極的金屬,則往往得到保護(hù)。海洋開發(fā)中的機(jī)械設(shè)備和各種構(gòu)筑物經(jīng)常是用不同金屬材料制造的,周圍海水又是導(dǎo)電性良好的電解質(zhì)溶液,所以,原電池腐蝕頗為常見。原電池腐蝕與不同金屬材料在海水中的自然電勢(shì)之差,以及它們的相對(duì)面積之比和距離有關(guān)。電勢(shì)相差越大,陰極面積越大,陽極極化越小,回路電阻越小,則陽極腐蝕情況越嚴(yán)重; 反之亦然。在海洋大氣帶,原電池腐蝕一般只局限在不同金屬連接處附近,屬于局部原電池腐蝕。在海水全浸條件下,原電池作用可以遠(yuǎn)至百米,例如青銅螺旋槳和船體裸露鋼板之間,可以構(gòu)成大型原電池而造成船體腐蝕。
控制或減輕原電池腐蝕的措施有:
1、在設(shè)計(jì)和施工中盡量避免或消除形成原電池的可能因素,例如選用相同材料或自然電勢(shì)相近的材料制做整體結(jié)構(gòu);
2、避免不同金屬材料,特別是自然電勢(shì)相差較大的材料直接接觸,必要時(shí)應(yīng)使兩者之間保持良好的絕緣;
3、盡量減小陰極區(qū)的相對(duì)面積,包括在陰極區(qū)面上涂漆覆蓋;
4、設(shè)計(jì)陽極區(qū)部件時(shí)可考慮便于更換或加大余量;
5、適當(dāng)選用緩蝕劑;
6、施加陰極保護(hù)等。
原電池表示方法
為書寫簡便,原電池的裝置常用方便而科學(xué)的符號(hào)來表示。其寫法習(xí)慣上遵循如下幾點(diǎn)規(guī)定:
1. 一般把負(fù)極(如Zn棒與Zn2 離子溶液)寫在電池符號(hào)表示式的左邊,正極(如Cu棒與Cu2 離子溶液)寫在電池符號(hào)表示式的右邊。
2. 以化學(xué)式表示電池中各物質(zhì)的組成,溶液要標(biāo)上活度或濃度(mol/L),若為氣體物質(zhì)應(yīng)注明其分壓(Pa),還應(yīng)標(biāo)明當(dāng)時(shí)的溫度。如不寫出,則溫度為298.15K,氣體分壓為101.325kPa,溶液濃度為1mol/L。
3. 以符號(hào)“∣”表示不同物相之間的接界,用“‖”表示鹽橋。同一相中的不同物質(zhì)之間用“,”隔開。
4. 非金屬或氣體不導(dǎo)電,因此非金屬元素在不同氧化值時(shí)構(gòu)成的氧化還原電對(duì)作半電池時(shí),需外加惰性導(dǎo)體(如鉑或石墨等)做電極導(dǎo)體。其中,惰性導(dǎo)體不參與電極反應(yīng),只起導(dǎo)電(輸送或接送電子)的作用,故稱為“惰性”電極。
按上述規(guī)定,Cu-Zn原電池可用如下電池符號(hào)表示:
理論上,任何氧化還原反應(yīng)都可以設(shè)計(jì)成原電池,例如反應(yīng):
Cl2 2I- =2Cl- I2此反應(yīng)可分解為兩個(gè)半電池反應(yīng):
負(fù)極:2I- = I2 2e-(氧化反應(yīng))
正極:Cl2 2e- =2Cl-(還原反應(yīng))
該原電池的符號(hào)為:
負(fù)極:活潑金屬失電子,看陽離子能否在電解液中大量存在。如果金屬陽離子不能與電解液中的離子共存,則進(jìn)行進(jìn)一步的反應(yīng)。例:甲烷燃料電池中,電解液為KOH,負(fù)極甲烷失8個(gè)電子生成CO2和H2O,但CO2不能與OH-共存,要進(jìn)一步反應(yīng)生成碳酸根。
正極:①當(dāng)負(fù)極材料能與電解液直接反應(yīng)時(shí),溶液中的陽離子得電子。例:鋅銅原電池中,電解液為HCl,正極H 得電子生成H2。②當(dāng)負(fù)極材料不能與電解液反應(yīng)時(shí),溶解在電解液中的O2得電子。如果電解液呈酸性,O2 4e- 4H =2H2O;如果電解液呈中性或堿性,O2 4e- 2H2O==4OH-。
特殊情況:Mg-Al-NaOH,極。負(fù)極:Al-3e- 4OH-=AlO2- 2H2O;正極:2H2O 2e-=H2↑ 2OH-
Cu-Al-HNO3,Cu作負(fù)極。
注意:Fe作負(fù)極時(shí),氧化產(chǎn)物是Fe2 而不可能是Fe3 ;肼(N2H4)和NH3的電池反應(yīng)產(chǎn)物是H2O和N2
無論是總反應(yīng),還是電極反應(yīng),都必須滿足電子守恒、電荷守恒、質(zhì)量守恒。
pH變化規(guī)律
電極周圍:消耗OH-(H ),則電極周圍溶液的pH減?。ㄔ龃螅环磻?yīng)生成OH-(H ),則電極周圍溶液的pH增大(減小)。切記,電極周圍只要消耗OH-,PH就減小,不會(huì)受“原電池中OH-(陰離子)向負(fù)極移動(dòng)”的影響。
溶液:若總反應(yīng)的結(jié)果是消耗OH-(H ),則溶液的pH減?。ㄔ龃螅?;若總反應(yīng)的結(jié)果是生成OH-(H ),則溶液的pH增大(減小);若總反應(yīng)消耗和生成OH-(H )的物質(zhì)的量相等,則溶液的pH由溶液的酸堿性決定,溶液呈堿性則pH增大,溶液呈酸性則pH減小,溶液呈中性則pH不變。
1.Cu─H2SO4─Zn原電池
正極:2H 2e- →H2↑
負(fù)極:Zn-2e- →Zn2
總反應(yīng)式:Zn 2H →Zn2 H2↑
2.Cu─FeCl3─C原電池
正極:2Fe3 2e- →2Fe2
負(fù)極:Cu-2e- →Cu2
總反應(yīng)式:2Fe3 Cu→2Fe2 Cu2
3.鋼鐵在潮濕的空氣中發(fā)生吸氧腐蝕
正極:O2 2H2O 4e- →4OH-
負(fù)極:2Fe-4e-→2Fe2
總反應(yīng)式:2Fe O2 2H2O→2Fe(OH)2
4.氫氧燃料電池(堿性介質(zhì))
正極:O2 2H2O 4e- →4OH-
負(fù)極:2H2-4e- 4OH- →4H2O
總反應(yīng)式:2H2 O2→2H2O
5.氫氧燃料電池(酸性介質(zhì))
正極:O2 4H 4e-→2H2O
負(fù)極:2H2-4e- →4H
總反應(yīng)式:2H2 O2→2H2O
6.氫氧燃料電池(中性介質(zhì))
正極:O2 2H2O 4e- → 4OH-
負(fù)極:2H2-4e- →4H
總反應(yīng)式:2H2 O2→2H2O
7.鉛蓄電池(放電)
正極 (PbO2) :PbO2 2e- SO42- 4H →PbSO4 2H2O
負(fù)極 (Pb) :Pb-2e- SO42- →PbSO4
總反應(yīng)式:Pb PbO2 4H 2SO42-=2PbSO4 2H2O
8.Al─NaOH─Mg原電池
正極:6H2O 6e- →3H2↑ 6OH-
負(fù)極:2Al-6e- 8OH- →2AlO2- 4H2O
總反應(yīng)式:2Al 2OH- 2H2O=2AlO2- 3H2↑
9.甲烷燃料電池(堿性介質(zhì))
正極:2O2 4H2O 8e- →8OH-
負(fù)極:CH4-8e- 10OH- →CO32- 7H2O
總反應(yīng)式:CH4 2O2 2OH-=CO32- 3H2O
10.熔融碳酸鹽燃料電池(Li2CO3和Na2CO3熔融鹽作電解液,CO作燃料)
正極:O2 2CO2 4e- →2CO32-(持續(xù)補(bǔ)充CO2氣體)
負(fù)極:2CO 2CO32--4e- →4CO2
總反應(yīng)式:2CO O2=2CO2
11.銀鋅紐扣電池(堿性介質(zhì))
正極(Ag2O):Ag2O H2O 2e- →2Ag 2OH-
負(fù)極(Zn):Zn 2OH--2e- →ZnO H2O
總反應(yīng)式:Zn Ag2O = ZnO 2Ag
12. 堿性鋅錳電池(KOH介質(zhì))
正極(MnO2):2MnO2 2H2O 2e- →2MnOOH 2OH-
負(fù)極(Zn):Zn 2OH--2e- →Zn(OH)2
總反應(yīng)式:Zn 2MnO2 2H2O→2MnOOH Zn(OH)2
定義
金屬在酸性較強(qiáng)的溶液里放出氫氣的電化學(xué)的腐蝕叫做析氫腐蝕。
成因
在鋼鐵制品中一般都含有石墨(C)或碳化鐵(Fe3C)。在潮濕空氣中,鋼鐵表面會(huì)吸附水汽而形成一層薄薄的水膜。水膜中溶有二氧化碳或二氧化硫后就變成一種電解質(zhì)溶液,使水里的H+增多:
CO2+H2O←→H2CO3←→H+HCO
SO2+H2O←→H2SO3←→H+HSO
于是就產(chǎn)生了無數(shù)個(gè)以鐵為負(fù)極、碳或碳化鐵為正極、酸性水膜為電解質(zhì)溶液的微小原電池。
電極反應(yīng)
負(fù)極(鐵):鐵被氧化Fe-2e=Fe
正極(碳或碳化鐵):溶液中的H被還原2H+2e=H2↑
結(jié)果
最后氫氣在碳的表面放出,鐵被腐蝕,所以叫析氫腐蝕。
定義
金屬在酸性很弱或中性溶液里,空氣里的氧氣溶解于金屬表面水膜中而發(fā)生的電化學(xué)腐蝕,叫吸氧腐蝕。
電極反應(yīng)
負(fù)極(鐵):2Fe-4e=2Fe
正極(碳或碳化鐵):2H2O+O2+4e=4OH
吸氧腐蝕的必要條件
發(fā)生吸氧腐蝕的必要條件是金屬的電位比氧還原反應(yīng)的電位低。
氧的陰極還原過程及其過電位
吸氧腐蝕的陰極去極化劑是溶液中溶解的氧。隨著腐蝕的進(jìn)行,氧不斷消耗,只有來自空氣中的氧進(jìn)行補(bǔ)充。因此,氧從空氣中進(jìn)入溶液并遷移到陰極表面發(fā)生還原反應(yīng),這一過程包括一系列步驟。
1.氧穿過空氣/溶液界面進(jìn)入溶液;
2.在溶液對(duì)流作用下,氧遷移到陰極表面附近;
3. 在擴(kuò)散層范圍內(nèi),氧在濃度梯度作用下擴(kuò)散到陰極表面;
4.在陰極表面氧分子發(fā)生還原反應(yīng),也叫氧的離子化反應(yīng)。
吸氧腐蝕的控制過程及特點(diǎn)
金屬發(fā)生氧去極化腐蝕時(shí),多數(shù)情況下陽極過程發(fā)生金屬活性溶解,腐蝕過程處于陰極控制之下。氧去極化腐蝕速度主要取決于溶解氧向電極表面的傳遞速度和氧在電極表面上的放電速度。因此,可粗略地將氧去極化腐蝕分為三種情況。
1.如果腐蝕金屬在溶液中的電位較高,腐蝕過程中氧的傳遞速度又很大,則金屬腐蝕速度主要由氧在電極上的放電速度決定。
2.如果腐蝕金屬在溶液中的電位非常低,不論氧的傳輸速度大小,陰極過程將由氧去極化和氫離子去極化兩個(gè)反應(yīng)共同組成。
3.如果腐蝕金屬在溶液中的電位較低,處于活性溶解狀態(tài),而氧的傳輸速度又有限,則金屬腐蝕速度由氧的極限擴(kuò)散電流密度決定。
擴(kuò)散控制的腐蝕過程中,由于腐蝕速度只決定于氧的擴(kuò)散速度,因而在一定范圍內(nèi),腐蝕電流將不受陽極極化曲線的斜率和起始電位的影響。
擴(kuò)散控制的腐蝕過程中,金屬中不同的陰極性雜質(zhì)或微陰極數(shù)量的增加,對(duì)腐蝕速度的增加只起很小的作用。
比 較 項(xiàng) 目 | 析 氫 腐 蝕 | 吸 氧 腐 蝕 |
去極化劑性質(zhì) | 帶電氫離子,遷移速度和擴(kuò)散能力都很大 | 中性氧分子,只能靠擴(kuò)散和對(duì)流傳輸 |
去極化劑濃度 | 濃度大,酸性溶液中H+放電 | 中性或堿性溶液中H2O作去極化劑 濃度不大,其溶解度通常隨溫度升高和鹽濃度增大而減小 |
負(fù)極:活潑金屬失電子,看陽離子能否在電解液中大量存在。如果金屬陽離子不能與電解液中的離子共存,則進(jìn)行進(jìn)一步的反應(yīng)。例:甲烷燃料電池中,電解液為KOH,負(fù)極甲烷失8個(gè)電子生成CO2和H2O,但CO2不能與OH共存,要進(jìn)一步反應(yīng)生成碳酸根。
正極:①當(dāng)負(fù)極材料能與電解液直接反應(yīng)時(shí),溶液中的陽離子得電子。例:鋅銅原電池中,電解液為HCl,正極H得電子生成H2。②當(dāng)負(fù)極材料不能與電解液反應(yīng)時(shí),溶解在電解液中的O2得電子。如果電解液呈酸性,O2+4e+4H==2H2O;如果電解液呈中性或堿性,O2+4e+2H2O==4OH。
特殊情況:Mg-Al-NaOH,極。負(fù)極:Al-3e+4OH==AlO2+2H2O;正極:2H2O+2e==H2↑+2OH
Cu-Al-HNO3,Cu作負(fù)極。
注意:Fe作負(fù)極時(shí),氧化產(chǎn)物是Fe而不可能是Fe;肼(N2H4)和NH3的電池反應(yīng)產(chǎn)物是H2O和N2
無論是總反應(yīng),還是電極反應(yīng),都必須滿足電子守恒、電荷守恒、質(zhì)量守恒。
pH變化規(guī)律
電極周圍:消耗OH(H),則電極周圍溶液的pH減小(增大);反應(yīng)生成OH(H),則電極周圍溶液的pH增大(減小)。切記,電極周圍只要消耗OH,PH就減小,不會(huì)受"原電池中OH(陰離子)向負(fù)極移動(dòng)"的影響。
溶液:若總反應(yīng)的結(jié)果是消耗OH(H),則溶液的pH減小(增大);若總反應(yīng)的結(jié)果是生成OH(H),則溶液的pH增大(減小);若總反應(yīng)消耗和生成OH(H)的物質(zhì)的量相等,則溶液的pH由溶液的酸堿性決定,溶液呈堿性則pH增大,溶液呈酸性則pH減小,溶液呈中性則pH不變。
1.Cu─H2SO4─Zn原電池
正極:2H +2e →H2↑
負(fù)極:Zn-2e →Zn
總反應(yīng)式:Zn+2HZn+H2↑
2.Cu─FeCl3─C原電池
正極:2Fe + 2e →2Fe
負(fù)極:Cu-2e →Cu
總反應(yīng)式:2Fe +Cu→2Fe +Cu
3.鋼鐵在潮濕的空氣中發(fā)生吸氧腐蝕
正極:O2+2H2O+4e →4OH
負(fù)極:2Fe-4e→2Fe
總反應(yīng)式:2Fe+O2+2H2O→2Fe(OH)2
4.氫氧燃料電池(堿性介質(zhì))
正極:O2+2H2O+4e →4OH
負(fù)極:2H2-4e +4OH →4H2O
總反應(yīng)式:2H2+O2→2H2O
5.氫氧燃料電池(酸性介質(zhì))
正極:O2+4H + 4e→2H2O
負(fù)極:2H2-4e →4H
總反應(yīng)式:2H2+O2→2H2O
6.氫氧燃料電池(中性介質(zhì))
正極:O2+2H2O+4e → 4OH
負(fù)極:2H2-4e →4H
總反應(yīng)式:2H2+O2→2H2O
7.鉛蓄電池(放電)
正極 (PbO2) :
PbO2+2e +SO4 +4H →PbSO4+2H2O
負(fù)極 (Pb) :Pb-2e +SO4 →PbSO4
總反應(yīng)式:
Pb+PbO2+4H+2SO4=2PbSO4+2H2O
8.Al─NaOH─Mg原電池
正極:6H2O+6e →3H2↑+6OH
負(fù)極:2Al-6e +8OH →2AlO2+4H2O
總反應(yīng)式:2Al+2OH +2H2O=2AlO2 + 3H2↑
9.CH4燃料電池(堿性介質(zhì))
正極:2O2+4H2O+8e →8OH
負(fù)極:CH4-8e +10OH →CO3+7H2O
總反應(yīng)式:CH4+2O2+2OH=CO3+3H2O
10.熔融碳酸鹽燃料電池
(Li2CO3和Na2CO3熔融鹽作電解液,CO作燃料):
正極:O2+2CO2+4e →2CO3(持續(xù)補(bǔ)充CO2氣體)
負(fù)極:2CO+2CO3-4e →4CO2
總反應(yīng)式:2CO+O2=2CO2
11.銀鋅紐扣電池(堿性介質(zhì))
正極 (Ag2O) :Ag2O+H2O+2e →2Ag+2OH
負(fù)極 (Zn) :Zn+2OH-2e →ZnO+H2O
總反應(yīng)式:Zn+Ag2O=ZnO+2Ag
12. 堿性鋅錳電池(KOH介質(zhì))
正極(MnO2):2MnO2+2H2O+2e →2MnOOH+2OH
負(fù)極(Zn):Zn+2OH-2e →Zn(OH)2
總反應(yīng)式:Zn+2MnO2+2H2O→2MnOOH+Zn(OH)2
蓄電池 蓄電池在放電過程中屬于原電池反應(yīng)。這類電極反應(yīng)都有電解質(zhì)溶液參與,如果能分析清楚電解質(zhì)溶液是否參與電極反應(yīng),那么負(fù)極的電極反應(yīng)式和正極的電極反應(yīng)式的書寫就可迎刃而解了。
現(xiàn)以鉛酸蓄電池為例來分析電極反應(yīng)式的書寫方法。
鉛酸蓄電池的總反應(yīng)為:Pb+ PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O
根據(jù)原電池的工作原理分析,負(fù)極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),可知:
Pb–2e=Pb ①,生成的Pb進(jìn)入電解質(zhì)溶液中,Pb 與溶液中的SO4不能共存,要繼續(xù)反應(yīng)生成PbSO4,即:Pb+SO4=PbSO4 ②,因此在原電池的負(fù)極反應(yīng)式為①+②即:Pb–2e+SO4=PbSO4 ;正極是得電子發(fā)生還原反應(yīng)的一極,則有:PbO2+2e=Pb+2O ①,Pb和O進(jìn)入溶液中,由于電解質(zhì)溶液是H2SO4溶液,O在酸性環(huán)境中,不能單獨(dú)存在,可供O結(jié)合的微粒有H和H2O,O在酸性環(huán)境中優(yōu)先結(jié)合H生成H2O,這樣在正極發(fā)生的反應(yīng)有:4H+2O=2H2O②;Pb+SO4=PbSO4③根據(jù)以上分析可知正極反應(yīng)式為①+②+③即:PbO2+2e+SO4+4H=PbSO4+2H2O。(注意:在電極反應(yīng)式中應(yīng)遵循電荷守恒和質(zhì)量守恒;在負(fù)極反應(yīng)式與正極反應(yīng)式相加求總反應(yīng)時(shí)要注意得失電子數(shù)要相等。)
再如:Ag-Zn高能電池(鈕扣電池)由Ag2O、Zn及KOH溶液組成。總反應(yīng)為:Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag
根據(jù)原電池原理可知:Zn做負(fù),Ag2O做正極,電解質(zhì)溶液為KOH溶液。負(fù)極極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),則負(fù)極反應(yīng)為:Zn–2e=Zn,Zn進(jìn)入溶液后又與溶液中的OH反應(yīng)Zn+2OH=Zn(OH)2。
所以負(fù)極反應(yīng)為:Zn–2e+2OH=Zn(OH)2;
正極為Ag2O得到電子發(fā)生還原反應(yīng),即Ag2O+2e=2Ag+O;
O在中性或堿性環(huán)境中也不能單獨(dú)存在,只能結(jié)合H2O生成OH,故在中性或堿性條件下O+H2O=2OH,所以正極反應(yīng)式為:Ag2O+2e+H2O=2Ag+2OH。
為安全使用和處理原電池,2009年4月29日,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)(SAC)發(fā)布了國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《民用原電池安全通用要求》GB 24462-2009。 本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了民用原電池的分類、安全性能要求、標(biāo)志、電池選購、使用、更換和處理指南、電器具的電池艙安全設(shè)計(jì)指南。
本標(biāo)準(zhǔn)適用于民用的各類水溶液電解質(zhì)原電池(堿性和非堿性鋅-二氧化錳電池、鋅-氧化銀電池、鋅-羥基氧化鎳電池、堿性和中性鋅-空氣電池)以及各類鋰原電池(鋰-氟化碳電池、鋰-二氧化錳電池、鋰-亞硫酰氯電池、鋰-二硫化鐵電池、鋰-二氧化硫和鋰-氧化銅電池等)的生產(chǎn)、檢測(cè)和驗(yàn)收。
2021年國家發(fā)布了3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),2021年11月1日實(shí)行,完全代替GB/T 8897-2013。
GB/T 8897.1-2021 原電池 第1部分:總則,代替GB/T 8897.1-2013;
GB/T 8897.2-2021 原電池 第2部分:外形尺寸和電性能,代替GB/T 8897.2-2013;
GB/T 8897.3-2021 原電池 第3部分:手表電池,代替GB/T 8897.3-2013。
原電池鹽橋
如Cu-Zn原電池中以KCl溶液做電解質(zhì)
KCl在這個(gè)裝置中稱為鹽橋。
鹽橋的作用僅僅是導(dǎo)電【相當(dāng)于導(dǎo)線的作用】,將兩個(gè)燒杯形成閉合回路,否則就相當(dāng)于斷開,而鹽橋的導(dǎo)電是利用了其中的陰陽離子的定向移動(dòng)。
鋅銅電池,電解質(zhì)溶液鋅端硫酸鋅,銅端硫酸銅,即兩端不一樣,所以產(chǎn)生電勢(shì)差,于是,電子從負(fù)極Zn失去,沿著導(dǎo)線移向正極Cu,即外面的導(dǎo)線中,電子即負(fù)電荷從Zn到Cu,中間有鹽橋連接,即鹽橋中的負(fù)電荷即陰離子應(yīng)該從CuSO4的一端沿著鹽橋移向ZnSO4的一端,或者說,鹽橋中的正電荷即陽離子就從ZnSO4的一端沿著鹽橋移向CuSO4的一端,總之,要保證兩端燒杯中的正負(fù)電荷要守恒。
【溶液中是靠硫酸銅和硫酸鋅自己的離子導(dǎo)電,他們自已各擔(dān)其職】
還有以含有離子的瓊脂塊作鹽橋的,應(yīng)用很廣泛。
為安全使用和處理原電池,2009年4月29日,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)(SAC)發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)《民用原電池安全通用要求》。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了民用原電池的分類、安全性能要求、標(biāo)志、電池選購、使用、更換和處理指南、電器具的電池艙安全設(shè)計(jì)指南。
本標(biāo)準(zhǔn)適用于民用的各類水溶液電解質(zhì)原電池(堿性和非堿性鋅-二氧化錳電池、鋅-氧化銀電池、鋅-羥基氧化鎳電池、堿性和中性鋅-空氣電池)以及各類鋰原電池(鋰-氟化碳電池、鋰-二氧化錳電池、鋰-亞硫酰氯電池、鋰-二硫化鐵電池、鋰-二氧化硫和鋰-氧化銅電池等)的生產(chǎn)、檢測(cè)和驗(yàn)收。
可逆原電池即放電后能充電反復(fù)使用 要求兩極的電極反應(yīng)均為可逆反應(yīng)。
謠言:非氧化還原反應(yīng)不能設(shè)計(jì)成原電池。
駁斥:以下多篇文獻(xiàn)提供了將非氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)成原電池的方法,因此,不應(yīng)將這種錯(cuò)誤的概念作為"知識(shí)"進(jìn)行傳播。
《原電池中非氧化還原反應(yīng)的電功及等效電極電勢(shì)》
《一些非氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)成原電池的方法》
《非氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)成原電池的一種方法》
《怎樣把非氧化還原反應(yīng)組裝成原電池》
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頁數(shù): 9頁
評(píng)分: 4.5
原電池工作原理微課 (2)
特性
又稱短路原電池(s}c}rl Circuitcell)。一種金屬或合金浸在電解質(zhì)溶液中時(shí),由于種種原因(如金屬中存有雜質(zhì),同一材料的變形程度、溫度、介質(zhì)濃度不同等)導(dǎo)致金屬表面的物理和化學(xué)性質(zhì)存在差別, 它的結(jié)構(gòu)和作用原理與一般原電池并無本質(zhì)差別,但也是一種短路的電池」工作時(shí)雖然也產(chǎn)生電流,但電能不能利用,而只是以熱能形式散失,工作的直接結(jié)果則是加速了金屬的腐蝕。
組成原電池有四個(gè)不可缺少的條件(極、電、路、自發(fā)):
兩種活潑性不同的金屬(或另一種為非金屬導(dǎo)體)構(gòu)成電極。電解質(zhì)溶液形成閉合回路氧化還原反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行(至少有一個(gè)電極與電解質(zhì)溶液反應(yīng))當(dāng)把鋅板和銅板平行放入盛有稀硫酸的燒杯里,用連有電流計(jì)的導(dǎo)線連接兩極時(shí),可以觀察到三個(gè)重要的現(xiàn)象:鋅片溶解,銅片上有氣體逸出,導(dǎo)線中有電流通過。
此外,在食鹽溶液加快生銹的過程中,也發(fā)生了原電池反應(yīng)
透過這些現(xiàn)象,分析兩極反應(yīng)的實(shí)質(zhì),便可理解原電池是怎樣把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿脑?。鋅是活潑金屬,容易失去電子變?yōu)殇\離子。鋅電極發(fā)生的電極反應(yīng)式是:
鋅片 Zn-2e-=Zn2+ (氧化反應(yīng))
鋅離子進(jìn)入溶液,使得溶液里的正電荷過多;同時(shí)鋅失去的電子沿導(dǎo)線經(jīng)電流計(jì)流入銅片,使溶液里原有的氫離子在銅電極上被還原成氫原子,這樣溶液中多余的正電荷就被中和;氫原子又結(jié)合成氫分子并放出。銅電極發(fā)生的電極反應(yīng)式是:
銅片 2H++2e-=H2↑ (還原反應(yīng))
由于在鋅、銅兩個(gè)電極上不斷發(fā)生的氧化還原反應(yīng),使化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。鋅片是給出電子的一極,是電池的負(fù)極,銅片是電子流入的一極,是電池的正極。電流的方向同電子流的方向相反,從正極銅流向負(fù)極鋅。
在原電池內(nèi)電解質(zhì)溶液中,陰離子流向負(fù)極,陽離子流向正極
也稱為一次鋰電池,負(fù)極為鋰,且被設(shè)計(jì)為不可充電的電池。包括單體鋰原電池和鋰原電池組。