高中化學/目錄/原電池和電解池

原電池

從前面的學習中我們知道，氧化還原反應的本質是電子的得失或偏移；而在初中的物理課上就明白，電荷的定向移動會形成電流。由此，我們是否可以認為，參與氧化還原反應的粒子構成了無數個微小的電路；而反應放出的熱量，就是這些電路中電流的熱效應(短路)？

化學反應的能量變化是個比較複雜的過程，不能一概論之。但上面的思考給了我們一種啟示，即是否能通過某種裝置，將物質中的化學能轉化為電能？

先通過下面的練習來複習前面的內容，再來思考這個問題。

練習

在氧化還原反應中，________失電子，發生______反應。
在氧化還原反應中，________得電子，發生______反應。

要想從氧化還原反應中獲得集中的電流，就得想辦法把氧化反應和還原反應分離開來，再以恰當的方式將兩個區域相溝通。我們可以讓鋅棒和銅棒平行插入稀硫酸中，然後把電流表串聯在兩根金屬棒之間。

可以發現，裝置中電流表的指針偏轉，且銅棒上有氣泡冒出；這說明，我們通過這種裝置將化學能轉化成了電能。我們將類似的裝置稱之為原電池(primary battery)。

原電池原理圖示

在鋅銅原電池中，鋅棒上的鋅原子失去電子，變成鋅離子溶解在溶液中，作原電池的負極。

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

電子流到銅棒上，氫離子與之結合形成氫氣；銅棒作原電池的正極。

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

將兩式加起來，就是鋅和酸反應的式子。

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

這種原電池的電流會在短時間內衰減，這是由於有部分還原反應直接在負極進行，而發生了能量損耗之故。為了解決這個問題，我們可以引入鹽橋將兩個半反應進一步分離，使之不互相干擾。鹽橋是填充了瓊脂的U型玻璃管，瓊脂里浸着電解質溶液。

請你試着寫一下這個原電池的電極反應式。

注意，如果要同時寫出正負極的電極反應式，請務必使正極得電子的數目與負極失電子的數目相等。

正極：__________________________

負極：__________________________

總反應：__________________________

我們把兩個不同的電極放到電解質溶液中，再用外電路將兩電極相連。若此時外電路中因自發進行的氧化還原反應而出現了電流，就會構建出一個原電池。原電池的氧化反應和還原反應在兩個區域進行，因此可分為兩個半電池。在原電池中，負極發生氧化反應，還原劑失去的電子在此進入外電路；而正極處的電子因參與還原反應而被消耗；所以在外電路中產生了電勢差，來推動電流的流動。

化學電源

化學電源(chemical power source)是將化學能轉化成電能的裝置，即一般所說的電池。原電池是化學電源的雛形，根據原電池的原理，我們可以設計出各式各樣的化學電池。

一次電池

形形色色的乾電池

一次電池是指只能對外放電，使用到一定程度後就不能再使用的化學電池。由於一次電池的電解質溶液常常製成膠狀，故也稱之為乾電池(dry cell)。

鹼性鋅錳電池是生活中較為常見的一種乾電池，它的原理是：

正極：

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

（氫氧化氧錳）

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

負極：

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

總反應：

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

二次電池

二次電池在放電後，還可以通過充電來補充消耗了的氧化還原反應的反應物，所以可以重複使用。二次電池又稱充電電池或蓄電池。

在各類電子產品，如手機、筆記本電腦等，或者某些電動自行車等，廣泛地使用了一類叫做鋰離子電池的二次電池。

燃料電池

理論上，任何氧化還原反應都能設計成原電池，燃燒同樣如此。在這樣的思路啟發下^{[來源請求]},科學家們研發出了燃料電池（fuel cell）。

燃料電池可以使用多種燃料來做還原劑，如烴、肼、甲醇、氨和煤氣等；一般用空氣中的氧氣做氧化劑。氫氧燃料電池是其中較為常見的一種燃料電池，現我們以它為例來介紹燃料電池。

氫氧燃料電池以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑；鉑做電極，使用酸性電解質。氫氣通入負極室後被被催化分解為氫原子，而後又失去電子作為 ${\ce {H+}}$ 在溶解在電解質溶液中；而正極上的 ${\ce {H+}}$ 和 ${\ce {O2}}$ 在電極上反應，在得到電子後轉化成為 ${\ce {H2O}}$ 。其反應式如下。