物理化學(xué)-原電池

合肥學(xué)院HefeiUniversity化學(xué)與材料工程專業(yè)化學(xué)工程與工藝系（二）班學(xué)號(hào)：1403022034姓名：李環(huán)原電池摘要：原電池是一種把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，由于其體積小儲(chǔ)電量大，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，為我們生活帶來了極大的便利。以至后來的蓄電池都是在原電池基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，因此沒有原電池就沒有我們現(xiàn)在豐富多姿的生活。下面就讓我們來揭開原電池神秘的面紗。發(fā)明背景：1780，意大利解剖學(xué)家伽伐尼在做青蛙解剖時(shí)，兩手分別拿著不同的金屬器械，無意中同時(shí)碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到電流的刺激，而只用一種金屬器械去觸動(dòng)青蛙，卻并無此種反就。伽伐尼認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)閯?dòng)物軀體內(nèi)部產(chǎn)生的一種電，他稱之為“生物電”。伽伐尼于1791年將此實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫成論文，公布于學(xué)術(shù)界。意大利物理學(xué)家伏特在多次實(shí)驗(yàn)后認(rèn)為：伽伐尼的“生物電”之說并不正確，青蛙的肌肉之所以能產(chǎn)生電流，大概是肌肉中某種液體在起作用。為了論證自己的觀點(diǎn)，伏特把兩種不同的金屬片浸在各種溶液中進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這兩種金屬片中，只要有一種與溶液發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，金屬片之間就能夠產(chǎn)生電流。1799年，伏特把一塊鋅板和一塊銀板浸在鹽水里，發(fā)現(xiàn)連接兩塊金屬的導(dǎo)線中有電流通過。于是，他就把許多鋅片與銀片之間墊上浸透鹽水的絨布或紙片，平疊起來。用手觸摸兩端時(shí)，會(huì)感到強(qiáng)烈的電流刺激。伏特用這種方法成功的制成了世界上第一個(gè)電池——“伏特電堆”。這個(gè)“伏特電堆”實(shí)際上就是串聯(lián)的電池組。它成為早期電學(xué)實(shí)驗(yàn)，電報(bào)機(jī)的電力來源。原電池主要知識(shí)：（1）原電池的工作原理原電池是將一個(gè)能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在原電池的負(fù)極和正極上發(fā)生，從而在外電路中產(chǎn)生電流。組成原電池的基本條件：a、將兩種活潑性不同的金屬（或?qū)щ妴钨|(zhì)）（Pt和石墨為惰性電極，即本身不會(huì)得失電子）（一種是相對較活潑金屬一種是相對較不活潑金屬）b、用導(dǎo)線連接后插入電解質(zhì)溶液中，形成閉合回路。c、要發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。（2）電極的構(gòu)成a.活潑性不同的金屬一鋅銅原電池，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）一鋅鎰干電池，鋅作負(fù)極，石墨作正極；c.金屬與化合物一鉛蓄電池，鉛板作負(fù)極，二氧化鉛作正極；d.惰性電極一氫氧燃料電池，電極均為粕。（3）原電池的判定：a、先分析有無外接電路，有外接電源的為電解池，無外接電源的可能為原電池；然后依據(jù)原電池的形成條件分析判斷，主要是“四看”：看電極一一兩極為金屬或?qū)щ妴钨|(zhì)且存在活潑性差異（燃料電池的電極一般為惰性電極）；看溶液一一兩極插入電解質(zhì)中；看回路一一形成閉合回路或兩極直接接觸；看本質(zhì)一一有無氧化還原反應(yīng)。 b、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。（4）原電池的電極的判斷： 負(fù)極：電子流出的一極；化合價(jià)升高的一極；發(fā)生氧化反應(yīng)的一極；活潑性相對較強(qiáng)金屬的一極。 正極：電子流入的一極；化合價(jià)降低的一極；發(fā)生還原反應(yīng)的一極；相對不活潑的金屬或其它導(dǎo)體的一極。（5）原電池的表示方法a、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。b、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。c、以符號(hào)“I”表示不同物相之間的接界，用“H”表示鹽橋。同一相中的不同物質(zhì)之間用“，”隔開。d、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)成的氧化還原電對作半電池時(shí)，需外加惰性導(dǎo)體（如粕或石墨等）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。 例如：Cu-Zn原電池可用如下電池符號(hào)表示： （-）Zn（s）IZn2+（C）IICu2+（C）ICu(s)(+) ⑹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。還有以含有離子的瓊脂塊作鹽橋的，應(yīng)用很廣泛。(7)常用原電池1.鋅一鎰干電池：鋅一鎰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。鋅一鎰電池以鋅為負(fù)極，以二氧化鎰為正極。按照基本結(jié)構(gòu)，鋅一鎰電池可制成圓筒形、扣式和扁形。按照所用電解液的差別將鋅一鎰電池分為三個(gè)類型： ⑴銨型鋅一鎰電池：電解質(zhì)以氯化銨為主，含少量氯化鋅 電池符號(hào):(-)Zn|NH4C1?ZnCl2|MnO2(+)總電池反應(yīng)：Zn+2NH4c1+2MnO2=Zn(NH3)2C12+Mn2O3+H2O(2)鋅型鋅一鎰電池：又稱高功率鋅一鎰電池，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)，是鋅一鎰電池的第二代產(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)堿性鋅一鎰電池：這是鋅一鎰電池的第三代產(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+2MnO2=2MnO(OH)+Zn(OH)2鋅一鎰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。 2.鋰原電池：又稱鋰電池，是以金屬鋰為負(fù)極的電池總稱。最負(fù)相對分子質(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：固體正極一有機(jī)電解質(zhì)電池、液體正極一液體電解質(zhì)電池、固體正極一固體電解質(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!它們都是近年來研制的新產(chǎn)品，目前主要用于軍事、空間技術(shù)等特殊領(lǐng)域，在心臟起搏器等微、小功率場合也有應(yīng)用。3.燃料電池燃料電池是一種不經(jīng)燃燒，將燃料的化學(xué)能經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，它和其他電池中的氧化還原反應(yīng)一樣，都是自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，不會(huì)發(fā)出火焰，其化學(xué)能可以直接轉(zhuǎn)化為電能的一種電池。所有的燃料電池的工作原理都是一樣的，其電極反應(yīng)的書寫同樣是有規(guī)律可循的。一般燃料電池發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物與燃燒產(chǎn)物相同，可根據(jù)燃燒反應(yīng)寫出總的電池反應(yīng)，但不注明反應(yīng)的條件。負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，不過要注意一般電解質(zhì)溶液要參與電極反應(yīng)。現(xiàn)以氫氧燃料電池為例進(jìn)行說明：氫氧燃料電池一般是以惰性金屬粕（Pt）做電極材料，負(fù)極通入H2,正極通入02，電解質(zhì)溶液通常選用KOH。在負(fù)極上氫氣失去電子變成H+進(jìn)入溶液，H+又與溶液中的0H-繼續(xù)反應(yīng)生成H20。（四）、后記原電池以其獨(dú)特的功能便利于人，以他為基礎(chǔ)的制造的各種電池更是在生活中隨處