物理化学-原电池

合肥学院HefeiUniversity化学与材料工程专业化学工程与工艺系（二）班学号：1403022034姓名：李环原电池摘要：原电池是一种把化学能转化为电能的装置，由于其体积小储电量大，使用方便。广泛用于工农业、国防工业和通信、照明、医疗等部门，并成为日常生活中收音机、录音机、照相机、计算器、电子表、玩具、助听器等常用电器的电源，为我们生活带来了极大的便利。以至后来的蓄电池都是在原电池基础上实现的，因此没有原电池就没有我们现在丰富多姿的生活。下面就让我们来揭开原电池神秘的面纱。发明背景：1780，意大利解剖学家伽伐尼在做青蛙解剖时，两手分别拿着不同的金属器械，无意中同时碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到电流的刺激，而只用一种金属器械去触动青蛙，却并无此种反就。伽伐尼认为，出现这种现象是因为动物躯体内部产生的一种电，他称之为“生物电”。伽伐尼于1791年将此实验结果写成论文，公布于学术界。意大利物理学家伏特在多次实验后认为：伽伐尼的“生物电”之说并不正确，青蛙的肌肉之所以能产生电流，大概是肌肉中某种液体在起作用。为了论证自己的观点，伏特把两种不同的金属片浸在各种溶液中进行试验。结果发现，这两种金属片中，只要有一种与溶液发生了化学反应，金属片之间就能够产生电流。1799年，伏特把一块锌板和一块银板浸在盐水里，发现连接两块金属的导线中有电流通过。于是，他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片，平叠起来。用手触摸两端时，会感到强烈的电流刺激。伏特用这种方法成功的制成了世界上第一个电池——“伏特电堆”。这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。它成为早期电学实验，电报机的电力来源。原电池主要知识：（1）原电池的工作原理原电池是将一个能自发进行的氧化还原反应的氧化反应和还原反应分别在原电池的负极和正极上发生，从而在外电路中产生电流。组成原电池的基本条件：a、将两种活泼性不同的金属（或导电单质）（Pt和石墨为惰性电极，即本身不会得失电子）（一种是相对较活泼金属一种是相对较不活泼金属）b、用导线连接后插入电解质溶液中，形成闭合回路。c、要发生自发的氧化还原反应。（2）电极的构成a.活泼性不同的金属一锌铜原电池，锌作负极，铜作正极；b.金属和非金属（非金属必须能导电）一锌镒干电池，锌作负极，石墨作正极；c.金属与化合物一铅蓄电池，铅板作负极，二氧化铅作正极；d.惰性电极一氢氧燃料电池，电极均为粕。（3）原电池的判定：a、先分析有无外接电路，有外接电源的为电解池，无外接电源的可能为原电池；然后依据原电池的形成条件分析判断，主要是“四看”：看电极一一两极为金属或导电单质且存在活泼性差异（燃料电池的电极一般为惰性电极）；看溶液一一两极插入电解质中；看回路一一形成闭合回路或两极直接接触；看本质一一有无氧化还原反应。 b、多池相连，但无外接电源时，两极活泼性差异最大的一池为原电池，其他各池可看做电解池。（4）原电池的电极的判断： 负极：电子流出的一极；化合价升高的一极；发生氧化反应的一极；活泼性相对较强金属的一极。 正极：电子流入的一极；化合价降低的一极；发生还原反应的一极；相对不活泼的金属或其它导体的一极。（5）原电池的表示方法a、一般把负极（如Zn棒与Zn2+离子溶液）写在电池符号表示式的左边，正极（如Cu棒与Cu2+离子溶液）写在电池符号表示式的右边。b、以化学式表示电池中各物质的组成，溶液要标上活度或浓度（mol/L），若为气体物质应注明其分压（Pa），还应标明当时的温度。如不写出，则温度为298.15K,气体分压为101.325kPa,溶液浓度为1mol/L。c、以符号“I”表示不同物相之间的接界，用“H”表示盐桥。同一相中的不同物质之间用“，”隔开。d、非金属或气体不导电，因此非金属元素在不同氧化值时构成的氧化还原电对作半电池时，需外加惰性导体（如粕或石墨等）做电极导体。其中，惰性导体不参与电极反应，只起导电（输送或接送电子）的作用，故称为“惰性”电极。 例如：Cu-Zn原电池可用如下电池符号表示： （-）Zn（s）IZn2+（C）IICu2+（C）ICu(s)(+) ⑹盐桥盐桥的作用仅仅是导电【相当于导线的作用】，将两个烧杯形成闭合回路，否则就相当于断开，而盐桥的导电是利用了其中的阴阳离子的定向移动。锌铜电池，电解质溶液锌端硫酸锌，铜端硫酸铜，即两端不一样，所以产生电势差，于是，电子从负极Zn失去，沿着导线移向正极Cu，即外面的导线中，电子即负电荷从Zn到Cu，中间有盐桥连接，即盐桥中的负电荷即阴离子应该从CuSO4的一端沿着盐桥移向ZnSO4的一端，或者说，盐桥中的正电荷即阳离子就从ZnSO4的一端沿着盐桥移向CuSO4的一端，总之，要保证两端烧杯中的正负电荷要守恒。还有以含有离子的琼脂块作盐桥的，应用很广泛。(7)常用原电池1.锌一镒干电池：锌一镒电池具有原材料来源丰富、工艺简单，价格便宜、使用方便等优点，成为人们使用最多、最广泛的电池品种。锌一镒电池以锌为负极，以二氧化镒为正极。按照基本结构，锌一镒电池可制成圆筒形、扣式和扁形。按照所用电解液的差别将锌一镒电池分为三个类型： ⑴铵型锌一镒电池：电解质以氯化铵为主，含少量氯化锌 电池符号:(-)Zn|NH4C1•ZnCl2|MnO2(+)总电池反应：Zn+2NH4c1+2MnO2=Zn(NH3)2C12+Mn2O3+H2O(2)锌型锌一镒电池：又称高功率锌一镒电池，电解质为氯化锌，具有防漏性能好，能大功率放电及能量密度较高等优点，是锌一镒电池的第二代产品，20世纪70年代初首先由德国推出。与铵型电池相比锌型电池长时间放电不产生水，因此电池不易漏液。 电池符号：(-)Zn|ZnCl2|MnO2(+)总电池反应(长时间放电)：Zn+2Zn(OH)Cl+6MnO(OH)=ZnCl2•2ZnO•4H2O+2Mn3O4(3)碱性锌一镒电池：这是锌一镒电池的第三代产品，具有大功率放电性能好、能量密度高和低温性能好等优点。电池符号：(-)Zn|KOH|MnO2(+) 总电池反应：Zn+2H2O+2MnO2=2MnO(OH)+Zn(OH)2锌一镒电池额定开路电压为1.5V,实际开路电压1.5-1.8V,其工作电压与放电负荷有关，负荷越重或放电电阻越小，闭路电压越低。用于手电筒照明时，典型终止电压为0.9V,某些收音机允许电压降至0.75V。 2.锂原电池：又称锂电池，是以金属锂为负极的电池总称。最负相对分子质量最小，导电性良好,可制成一系列贮存寿命长，工作温度范围宽的高能电池。根据电解液和正极物质的物理状态，锂电池有三种不同的类型，即：固体正极一有机电解质电池、液体正极一液体电解质电池、固体正极一固体电解质电池。Li—(CF)n的开路电压为3.3V,比能量为480W•h•L-1,工作温度在-55~70℃间，在20℃下可贮存10年之久!它们都是近年来研制的新产品，目前主要用于军事、空间技术等特殊领域，在心脏起搏器等微、小功率场合也有应用。3.燃料电池燃料电池是一种不经燃烧，将燃料的化学能经过电化学反应直接转变为电能的装置，它和其他电池中的氧化还原反应一样，都是自发的化学反应，不会发出火焰，其化学能可以直接转化为电能的一种电池。所有的燃料电池的工作原理都是一样的，其电极反应的书写同样是有规律可循的。一般燃料电池发生的电化学反应的最终产物与燃烧产物相同，可根据燃烧反应写出总的电池反应，但不注明反应的条件。负极发生氧化反应，正极发生还原反应，不过要注意一般电解质溶液要参与电极反应。现以氢氧燃料电池为例进行说明：氢氧燃料电池一般是以惰性金属粕（Pt）做电极材料，负极通入H2,正极通入02，电解质溶液通常选用KOH。在负极上氢气失去电子变成H+进入溶液，H+又与溶液中的0H-继续反应生成H20。（四）、后记原电池以其独特的功能便利于人，以他为基础的制造的各种电池更是在生活中随处