化学能转电能：锌铜原电池机制与实质

在硫酸铜溶液中放入一片锌，将发生下列氧化还原反应：

在溶液中，电子直接从锌片传递给Cu2＋，使Cu2＋在锌片上还原而析出金属铜，同时锌氧化为Zn2＋。这个反应同时有热量放出，这是化学能转变为热能的结果。

这一反应也可在图7－1所示的装置中分开进行。在两个烧杯中，分别放入Zn（NO3）2和Cu（NO3）2溶液。在前一个烧杯中插入一根锌棒，与Zn（NO3）2溶液构成锌电极；在后一个烧杯中插入一根铜棒，与Cu（NO3）2溶液构成铜电极。用由饱和了NaCl的琼脂装入U形管中制成的盐桥（salt bridge）把两个烧杯中的溶液连通起来。当用导线把铜电极和锌电极连接起来时，检流计指针就会发生偏转，说明导线中有电流通过。这种装置能将化学能转变成为电能，称为原电池（primary cell）。

图7－1　铜锌电池示意图

在上述原电池中，锌电极上的锌失去电子变成Zn2＋进入溶液，留在锌电极上的电子通过导线流到铜电极，即电子在导线中流动的方向是从锌电极流向铜电极。Cu2＋在铜电极上得到电子而析出金属铜。在两电极上进行的反应分别是(www.xing528.com)

随着反应的进行，Zn2＋不断进入溶液，过剩的Zn2＋将使电极附近的Zn（NO3）2溶液带正电，这样就会阻止继续生成Zn2＋；另外，由于铜的析出，将使铜电极附近的Cu（NO3）2溶液因Cu2＋减少而带负电。这样，就会阻碍Cu的继续析出，其净结果就是没有电子继续从锌极流向铜极，而使氧化还原反应中断。盐桥的作用就是使整个装置形成一个回路，使锌盐和铜盐溶液一直维持电中性，从而使电子不断地从锌极流向铜极而产生电流。

可见，原电池的装置证明了氧化还原反应的实质是在氧化剂（Cu2＋）和还原剂（Zn）之间发生了电子传递的结果。

原电池由两个半电池（half cell）组成，在上述铜锌原电池中，锌和锌盐溶液组成一个半电池，铜和铜盐溶液组成另一个半电池，两个半电池用盐桥连接。为了书写方便，在电化学中表示为

写在左边的电极是负极（negative pole）（又称为阳极，anode），起氧化反应；写在右边的电极是正极（positive pole）（又称为阴极，cathode），起还原反应。其中“｜”表示液－固相界面，“‖”表示盐桥。在有气体参加的电池中，还要标明气体的压力，溶液要标明浓度。严格地说，应以质量摩尔浓度（m B）表示，本书有时也常采用物质B的浓度（c B）表示。

同一种元素不同氧化态的两种离子，如Fe3＋/Fe2＋、Sn4＋/Sn2＋等，也可以构成氧化还原电对。这类电对组成电极时，是将一种惰性电极材料如铂或石墨作为电子的载体，插在含有同种元素不同氧化态的两离子的溶液中构成的。电极符号写成Pt｜Fe3＋，Fe2＋。气体和它的离子组成的电极也需要惰性电极材料铂或石墨等作载体。例如氢电极和氯电极，氧化还原电对是H＋/H2和Cl2/Cl－，电极符号写成Pt｜H2（g）｜H＋和Pt｜Cl2（g）｜Cl－。金属及金属难溶盐亦可作为电极，例如将表面涂有AgCl的银丝插在HCl溶液中，称为氯化银电极。氧化还原电对是AgCl/Ag，电极符号表示为Ag－AgCl｜Cl－。这里Ag＋浓度受Cl－浓度控制，因为溶液中有AgCl（s）存在，而且［Ag＋］［Cl－］＝K sp（AgCl），因此氯化银电极和用银丝直接插入Ag＋溶液中的银电极是不同的。