高中化学/目录/原电池和电解池

原电池

从前面的学习中我们知道，氧化还原反应的本质是电子的得失或偏移；而在初中的物理课上就明白，电荷的定向移动会形成电流。由此，我们是否可以认为，参与氧化还原反应的粒子构成了无数个微小的电路；而反应放出的热量，就是这些电路中电流的热效应(短路)？

化学反应的能量变化是个比较复杂的过程，不能一概论之。但上面的思考给了我们一种启示，即是否能通过某种装置，将物质中的化学能转化为电能？

先通过下面的练习来复习前面的内容，再来思考这个问题。

练习

在氧化还原反应中，________失电子，发生______反应。
在氧化还原反应中，________得电子，发生______反应。

要想从氧化还原反应中获得集中的电流，就得想办法把氧化反应和还原反应分离开来，再以恰当的方式将两个区域相沟通。我们可以让锌棒和铜棒平行插入稀硫酸中，然后把电流表串联在两根金属棒之间。

可以发现，装置中电流表的指针偏转，且铜棒上有气泡冒出；这说明，我们通过这种装置将化学能转化成了电能。我们将类似的装置称之为原电池(primary battery)。

原电池原理图示

在锌铜原电池中，锌棒上的锌原子失去电子，变成锌离子溶解在溶液中，作原电池的负极。

{\ce {Zn{-}2e^-->Zn^{2+}}}

电子流到铜棒上，氢离子与之结合形成氢气；铜棒作原电池的正极。

{\ce {2H+{+}2e^{-}->H2\uparrow }}

将两式加起来，就是锌和酸反应的式子。

{\ce {Zn{+}2H+->Zn^{2+}{+}H2\uparrow }}

这种原电池的电流会在短时间内衰减，这是由于有部分还原反应直接在负极进行，而发生了能量损耗之故。为了解决这个问题，我们可以引入盐桥将两个半反应进一步分离，使之不互相干扰。盐桥是填充了琼脂的U型玻璃管，琼脂里浸着电解质溶液。

请你试着写一下这个原电池的电极反应式。

注意，如果要同时写出正负极的电极反应式，请务必使正极得电子的数目与负极失电子的数目相等。

正极：__________________________

负极：__________________________

总反应：__________________________

我们把两个不同的电极放到电解质溶液中，再用外电路将两电极相连。若此时外电路中因自发进行的氧化还原反应而出现了电流，就会构建出一个原电池。原电池的氧化反应和还原反应在两个区域进行，因此可分为两个半电池。在原电池中，负极发生氧化反应，还原剂失去的电子在此进入外电路；而正极处的电子因参与还原反应而被消耗；所以在外电路中产生了电势差，来推动电流的流动。

化学电源

化学电源(chemical power source)是将化学能转化成电能的装置，即一般所说的电池。原电池是化学电源的雏形，根据原电池的原理，我们可以设计出各式各样的化学电池。

一次电池

形形色色的干电池

一次电池是指只能对外放电，使用到一定程度后就不能再使用的化学电池。由于一次电池的电解质溶液常常制成胶状，故也称之为干电池(dry cell)。

碱性锌锰电池是生活中较为常见的一种干电池，它的原理是：

正极：

{\ce {2MnO2{+}2H2O{+}2e^{-}->2MnO(OH)}}

（氢氧化氧锰）

{\ce {{+}2OH-}}

负极：

{\ce {Zn{+}2OH^{-}{-}2e^{-}->Zn(OH)2}}

总反应：

{\ce {Zn{+}2MnO2{+}2H2O->2MnO(OH){+}Zn(OH)2}}

二次电池

二次电池在放电后，还可以通过充电来补充消耗了的氧化还原反应的反应物，所以可以重复使用。二次电池又称充电电池或蓄电池。

在各类电子产品，如手机、笔记本电脑等，或者某些电动自行车等，广泛地使用了一类叫做锂离子电池的二次电池。

燃料电池

理论上，任何氧化还原反应都能设计成原电池，燃烧同样如此。在这样的思路启发下^{[来源请求]},科学家们研发出了燃料电池（fuel cell）。

燃料电池可以使用多种燃料来做还原剂，如烃、肼、甲醇、氨和煤气等；一般用空气中的氧气做氧化剂。氢氧燃料电池是其中较为常见的一种燃料电池，现我们以它为例来介绍燃料电池。

氢氧燃料电池以氢气为燃料，氧气为氧化剂；铂做电极，使用酸性电解质。氢气通入负极室后被被催化分解为氢原子，而后又失去电子作为 ${\ce {H+}}$ 在溶解在电解质溶液中；而正极上的 ${\ce {H+}}$ 和 ${\ce {O2}}$ 在电极上反应，在得到电子后转化成为 ${\ce {H2O}}$ 。其反应式如下。