原电池及其工作原理-基础化学

氧化还原反应是电子转移的反应，因而有可能在一定的装置中利用氧化还原反应获得电流。例如将一块锌片放到硫酸铜溶液中，锌就溶解，同时有红色的铜不断沉积在锌片上。锌与铜离子之间发生了氧化还原反应：

在这个反应中发生了电子转移，Zn失去电子被氧化为Zn²⁺，同时Cu²⁺被还原为Cu。利用如图4-1装置可以证实此反应中确有电子转移。在一个烧杯中放入ZnSO₄溶液并插入锌片，在另外一个烧杯中放入CuSO₄溶液并插入铜片。将两个烧杯中的溶液用一个装满KCl饱和溶液与琼脂的倒置U形管（称为盐桥）连接起来，再用导线连接锌片和铜片，在导线之间接上一个电流计，使电流计的正极与铜片相连，负极与锌片相连。此时可见电流计的指针发生偏转，这说明反应中确有电子的转移，而且电子是沿着一定的方向有规则地流动。这种借助于氧化还原反应而产生电流的装置，也就是将化学能转变为电能的装置称为原电池。

在铜锌原电池中，电子是从锌片经导线向铜片流动的，锌失去电子后变成Zn²⁺而进入ZnSO₄溶液，Zn片上的负电荷密度就比较大了，因而Zn被称为负极。此时发生的反应为：

Zn-2e →Zn²⁺

图4-1 Cu-Zn原电池示意图

同时，CuSO₄溶液中的Cu²⁺得到电子变成Cu单质而沉积在铜片上，Cu片上的正电荷密度就比较大了，因而Cu被称为正极。此时发生的反应为：

Cu²⁺+2e →Cu

盐桥的作用就是消除溶液中正负电荷的影响，使负离子向ZnSO₄溶液扩散，正离子向CuSO₄溶液扩散，以保持溶液的电中性，在这样的状态下，氧化还原反应就能继续进行，电流也不会停止。

此时铜锌原电池的总反应为：

为简明起见，通常采用下列符号表示铜锌原电池：

（-）Zn|Zn²⁺（c₁）‖Cu²⁺（c₂）|Cu（+）

习惯把负极写在左边，正极写在右边。其中“| ”表示两相之间的接触界面，“‖”表示盐桥，c表示溶液的浓度。当浓度为c^Ө=1mol/L时，可不必写出。如有气体物质，则应标出其分压p。

每个原电池都由两个“半电池”组成。而每一个“半电池”又都是由同一元素处于不同氧化数的两种物质构成的，一种是处于低氧化数的可作为还原剂的物质称为还原型（Red），另一种是处于高氧化数的可作为氧化剂的物质称为氧化型（Ox）。这种由同一元素的氧化态物质和其对应的还原态物质所构成的整体，称为氧化还原电对，可以用符号Ox/Red来表示。例如，Cu和Cu²⁺、Zn和Zn²⁺所组成的氧化还原电对可分别写成Cu²⁺/Cu、Zn²⁺/Zn。非金属单质及其相应的离子也可以构成氧化还原电对，例如Cl₂/Cl^-和O₂/OH^-。在用Cl₂/Cl^-、O₂/OH^-、Fe³⁺/Fe²⁺等氧化还原电对作半电池时，可以用能够导电而本身不参加反应的惰性导体（如金属铂或石墨）作电极。例如，氢电极可以表示为H⁺（c）| H₂（p）| Pt。(www.xing528.com)

氧化型物质和还原型物质在一定条件下，可以相互转化：

或

这就是半电池反应或电极反应的通式。

【例4-3】将下列氧化还原反应设计成原电池，并写出它的原电池符号。

2Fe²⁺（c^Ө）+Cl₂（p^Ө）=2Fe³⁺（0.10mol/L）+2Cl^-（2.0mol/L）

解：正极：

Cl₂+2e=2Cl^-

负极：

Fe²⁺-e=Fe³⁺

原电池符号为：

（-）Pt| Fe²⁺，Fe³⁺（0.10mol/L）‖Cl^-（2.0mol/L）| Cl₂| Pt（+）