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原电池知识点复习(1)

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首先:我们拿一个最简单的原电池搞清楚它的原理

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先弄清楚两点:
1.要让装置中有电流产生,必有电子转移,要有电子转移,则必有自发进行的氧化还原反应,这是构成原电池的最基本的条件。非氧化还原反应,由于无法产生电子转移,因此无法设计成原电池。
2.电子为什么会流动?当电极放入与电解质溶液中时,其表面定会产生一定的电势,不同的电极材料,电势也是不一样的,当用导线将他们相连时,其间的电势差(电压)就会促使电子定向流动。同时,也由于电压的作用,使得原电池反应,比未构成原电池时反应的速度更快。(试着解释一下在锌粒与硫酸反应制氢气的反应时,为什么加入少许硫酸铜溶液,会使得放出氢气的速度加快?)
3.与普通原电池相比,双液原电池更易产生持续稳定的电流。比如上述铜锌原电池;由于Zn与Cu2+直接接触,避免不了有部分铜直接在锌棒上得电子沉淀出来,从而在锌棒上就会产生许多个小的原电池,结果是通过导线的电子数不断减少,电流也越来越小;而在双液原电池中,Zn与Cu2+不直接接触,电子的流动始终要通过导线,因此电流恒定。我们在处理问题时,可以认为盐桥属于电解质溶液的一部分,盐桥中离子的流向也与电解质溶液中离子流向完全一致。

下面着重研究几个问题

一、电极的判断:我们都知道,导线中电流的形成是电子流动引起的,外电路中,电流从正极流入负极,则电子必然从负极流向正极。因此,负极必然是电子流出的一极(发生失电子的反应);正极必然是电子流入的一极(发生得电子的反应)。这也是最基本的判断电极的依据。
一般来说,当两电极材料不同时,活泼电极更易成为负极(因其更易失电子,电子流出)。但这并不绝对,因为有些金属虽然活泼,但在给定的电解质溶液中,却未必有机会发生失电子的反应,比如下面原电池中的前两个,作为负极而失电子的都是相对较不活泼的金属;而在燃料电池中,电极材料完全相同,通燃料的一极是负极,通氧气的一极作正极。归根结底,正负极的判断,还是要看自发进行的氧化还原反应中,谁失电子,谁得电子。

除此之外,我们还有许多其他判断正负极的依据:比如,电极的变化(一般质量减少而溶解的一极为负极,而质量增加或者气体析出的一极为正极);比如电解质溶液中阴阳离子的流向等。

二、离子流向问题,我们只需要搞清楚一点:在导线中,电子流动形成电流,电解质溶液中,离子流动形成电流。电流方向与阳离子流向一致,而与阴离子流向相反,只要搞清楚电流的流向,阴阳离子在溶液中的流向就很容易确定了。
在原电池装置中,外电路(也就是导线中),电流由正极流向负极,因此,电子由负极流出,流向正极。内电路(即电解质溶液中),电流由负极流向正极,因此,阳离子也必由负极流向正极,阴离子由正极流向负极。(也可以参考:如何理解电化学装置中的离子流向

三、电极反应式的书写,关键是找到:负极失电子是什么,所得产物是什么;正极得电子是什么,所得产物是什么。对于最简单的原电池,我们可以从反应的实质入手,比如铜锌原电池(如下)

不难发现,该原电池反应的实质是:Cu2+ + Zn === Cu + Zn2+,得、失电子的物质,以及得、失电子后的生成物一目了然,我们可以直接写出负极反应式和正极反应式。即:负极:Zn - 2e- ==== Zn2+;正极:Cu2+ + 2e- === Cu 。

我们再来看中间的原电池反应:其实质为:Cu+4H++2NO3-=Cu2++2NO2↑+2H2O,很容易看出失电子的为Cu,产物为Cu2+,因此负极反应式为:Cu-2e-===Cu2+;也可以看出,得电子的是NO3-,而产物为NO2,正极反应式为:NO3-+ e-+ 2H+=NO2↑+H2O。
有时即使知道反应的原理,想直接看出电极反应式却不是那么容易。比如:上述第三个原电池,自发进行的氧化还原反应为:2Al+2OH-+2H2O====2AlO2-+3H2↑。可以看出,负极失电子的是Al,失电子后的产物为AlO2-,电极反应式为:Al-3e-+4OH-====AlO2-+2H2O(失电子后在碱性溶液中显然不能以Al3+形态存在,因此会结合OH-转化为AlO2-)。但正极反应式直接看的话,似乎就不是那么明显,我们可以用“总式-负极反应式”来得出。整理后得出,正极反应式为:2H2O-2e-====2OH-+H2↑。
对于燃料电池电极反应式的书写,我认为关键点有两个,一是负极燃料失电子数的求算,二是在给定的电解质溶液环境下,转化为什么样的产物。具体参考:燃料电池的电极反应式的写法




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