一、原电池的工作原理

1.1 有无盐桥的原电池的对比

有盐桥的原电池.png
有盐桥的原电池
  1. 现象 ：有无盐桥的原电池都会有电流通过，且锌片质量逐渐减少，铜片质量增加。但无盐桥的原电池过一段时间后电流会逐渐减弱；有盐桥的原电池可以产生持续、稳定的电流
  2. 实验分析 ：
    1. 负极：锌片端，\(\ce{Zn - 2e^{-} \xlongequal[]{} Zn^{2+}}\) (氧化反应)
    2. 正极：铜片端，\(\ce{Cu^{2+} + 2e^{-} \xlongequal[]{} Cu}\) (还原反应)
    3. 总反应：\(\ce{Cu^{2+} + Zn \xlongequal[]{} Cu + Zn^{2+}}\)
    4. 能量转化：化学能转化为电能
    5. 盐桥（\(\ce{KCl}\)）：（也可以用交换膜代替）
      1. 作用：利用阴阳离子的定向移动，达成导电的作用
      2. 要求：盐桥中物质要求阴、阳离子有大致相同的迁移率；且与电解质溶液不反应
    6. 注意事项：实验之前，要用砂纸将铜片、锌片打磨干净，否则实验不明显
  3. 工作原理：
原电池原理解释.png
原电池原理解释

注：外电路通过电子的定向移动形成电流；内电路通过离子的定向移动形成电流（电子不下水，离子不上岸）

1.2 构成原电池的条件

  1. 两极 ：两种活泼性不同的金属（或一种为能导电的非金属，燃料电池的电极一般为惰性电极），其中两级材料可能参加反应，也可能不参加反应
    1. 一液 ：电解质溶液
    2. 一线 ：形成闭合回路，两极插入电解质液之后，形成闭合回路，既可以用导线连接，也可以直接接触
    3. 一反应 ：必须能够发生可自发进行的氧化还原反应
  2. 原电池电极反应的写法：
    1. 列物质标得失：按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应，判断电极反应产物，找出得失电子数目
    2. 看环境配守恒：看是否需要补充 \(\ce{H+}\) 、\(\ce{OH-}\) 、\(\ce{H2O}\) ,保证质量守恒、电荷守恒、得失电子守恒是否满足
    3. 两式相加验总式：两电极反应式相加，与总反应式对照验证

二、原电池原理的应用

  1. 加快氧化还原反应的速率
    1. 示例：在实验室用 \(\ce{Zn}\) 和稀硫酸反应制取氢气时，可滴入几滴硫酸铜溶液，形成 \(\ce{Cu—Zn}\) 原电池，加快反应速率
    2. 原理：原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中离子运动时相互干扰减少，反应速率增大。
  2. 比较金属活动性强弱 ：
    1. 原理：一般情况下，原电池中活泼金属作负极，不活泼金属作正极
  3. 金属的防护：
    1. 示例：在轮船外壳上镶嵌锌块，在海水中形成原电池，锌作负极失去电子，保护铁使其不被腐蚀
    2. 原理：锌比铁活泼，与电解质液海水组成原电池，锌作负极，铁作正极（只导电，不参加反应）,这样就能有效保护船体
  4. 设计制作原电池：
    1. 步骤：拆分反应 \(\rightarrow\) 选择电极材料 \(\rightarrow\) 确定电解质溶液 \(\rightarrow\) 画出装置图
    2. 注意事项 ：双液电池中，负极的电解质液中必须含有和电极材料相同的金属阳离子（维持原电池运行的稳定），正极材料中放入含有氧化剂的电解质溶液。

一般情况下，负极材料基本都会直接参与反应；正极材料可发生也可不发生，不过基本都采取惰性电极不发生反应，正极的电解质溶液发生反应

三、化学电源

3.1 一次电池

1. 普通锌锰干电池

  1. 构造示意图
  2. 工作原理：
    1. 负极：\(\ce{Zn + 2NH3 - 2e^{-} \xlongequal[]{} [Zn(NH3)2]^{2+}}\)
    2. 正极：\(\ce{2NH^{+}4 + 2MnO2 + 2e^{-} \xlongequal[]{} 2NH3 + 2MnO(OH)}\)
    3. 总反应：\(\ce{Zn + 2NH^{+}4 + 2MnO2 \xlongequal[]{} [Zn(NH3)2]^{2+} + 2MnO(OH)}\)
  3. 优缺点：
    1. 优点：制作简单，价格便宜
    2. 缺点：新电池易发生自放电，使存放时间缩短

2.碱性锌锰电池

  1. 构造示意图
  2. 工作原理：
    1. 负极：\(\ce{Zn + 2OH^{-} -2e^{-} \xlongequal[]{} Zn(OH)2}\)
    2. 正极：\(\ce{2MnO2 + 2H2O +2e^{-} \xlongequal[]{} 2MnO(OH) + 2OH^{-}}\)
    3. 总反应：\(\ce{Zn + 2MnO2 + 2H2O \xlongequal[]{} 2MnO(OH) + Zn(OH)2}\)
  3. 优点：比普通锌锰电池性能好，可储存时间长

3.锌银纽扣电池

  1. 构造示意图
  2. 工作原理：
    1. 负极：\(\ce{Zn + 2OH^{-} -2e^{-} \xlongequal[]{} Zn(OH)2}\)
    2. 正极：\(\ce{Ag2O + H2O + 2e^{-} \xlongequal[]{} 2Ag + 2OH^{-}}\)
    3. 总反应：\(\ce{Zn + Ag2O + H2O \xlongequal[]{} Zn(OH)2 + 2Ag}\)
  3. 用途：制成纽扣式微型电池

3.2 二次电池——充电电池

1. 铅酸蓄电池

  1. 构造示意图
  2. 工作原理：
    1. 放电：\(\ce{化学能 ->[放电] 电能}\)
      1. 负极：\(\ce{Pb + SO^{2-}4 -2e^{-} \xlongequal[]{} PbSO4}\)
      2. 正极：\(\ce{PbO2 + 4H^{+} + SO^{2-}4 + 2e^{-} \xlongequal[]{} PbSO4 + 2H2O}\)
      3. 总反应：\(\ce{Pb + PbO2 + 2H2SO4 \xlongequal[]{} 2PbSO4 + 2H2O}\)
    2. 充电：\(\ce{电能 ->[充电] 化学能}\)
      1. 阴极反应：\(\ce{PbSO4 + 2e^{-} \xlongequal[]{} Pb + SO^{2-}4}\)
      2. 阳极反应：\(\ce{PbSO4 + 2H2O -2e^{-} \xlongequal[]{} PbO2 + 4H^{+} + SO^{2-}4}\)
      3. 总反应：\(\ce{2PbSO4 + 2H2O \xlongequal[]{} Pb + PbO2 + 2H2SO4 }\)
    3. 总反应：\(\ce{Pb + PbO2 + 2H2SO4 <=>[放电][充电] 2PbSO4 + 2H2O}\)
  3. 充放电原理：
    1. 放电时，化学能转化为电能
    2. 充电时：电能转化为化学能，即 \(\ce{电能 <=>[充电][放电] 化学能}\)
    3. 二次电池放电时是原电池，而充电时是电解池
    4. 蓄电池充电时是通直流电，蓄电池的正极与外接直流电源的正极相连，作阳极；蓄电池的负极与外接直流电源的负极相连，作阴极。"负接负，正接正"

2.锂电池

  1. 锂的物理性质：银白色，密度最小的金属
  2. 特点：能量密度大、使用寿命长、环保。分为两类锂金属电池（一次电池），锂离子电池
  3. 锂离子电池（二次电池）工作原理：
    1. 负极：\(\ce{Li_xC_y - xe^{-} \xlongequal[]{} xLi^{+} + C_y}\)
    2. 正极：\(\ce{Li_{1-x}CoO2 + xLi^{+} +xe^{-} \xlongequal[]{} LiCoO2}\)
    3. 总反应：\(\ce{Li_{x}C_{y} + Li{1-x}CoO2 \xlongequal[]{} LiCoO2 + C_{y}}\)
    4. 工作过程：放电时，锂离子由石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体；充电时，锂离子从钴酸锂晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中。

3.3 常见的燃料电池

1.概况

  1. 概念：燃料电池是通过燃料与氧化剂分别在两个电极上发生氧化反应和还原反应，将化学能直接转化为电能的装置。燃料电池电极本身不包含活性物质
  2. 构成、工作特点及优点
    1. 负极：还原剂发生氧化反应，燃料在负极作还原剂，如氢气、煤气、烃、肼、氨、甲醇等
    2. 正极：氧化剂发生还原反应，一般是氧气或空气
    3. 工作特点：
      1. 电极材料不参与氧化还原反应，一般具有很强的催化活性，多采用多孔碳或多孔镍、铂、钯
      2. 氧化剂和还原剂都不是存储在电池内部，而是工作时源源不断地补充进去的
      3. 燃料电池的燃料并不燃烧，总反应与燃烧方程式相似，但条件不同

2.示例——氢氧燃料电池

  1. 构造示意图：
  2. 工作原理：
    1. 酸性氢氧燃料电池（电解质\(\ce{H2SO4}\)）
      1. 负极反应：\(\ce{2H2 - 4e^{-} \xlongequal[]{} 4H^{+}}\)
      2. 正极反应：\(\ce{O2 + 4H^{+} + 4e^{-} \xlongequal[]{} 2H2O}\)
      3. 总反应：\(\ce{2H2 + O2 \xlongequal[]{} 2H2O}\)
    2. 碱性氢氧燃料电池（电解质\(\ce{KOH}\)）
      1. 负极反应：\(\ce{2H2 + 4OH^{-} -4e^{-} \xlongequal[]{} 4H2O}\)
      2. 正极反应：\(\ce{2H2O + O2 + 4e^{-} \xlongequal[]{} 4OH^{-}}\)
      3. 总反应：\(\ce{2H2 + O2 \xlongequal[]{} 2H2O}\)

3. 熔融盐燃料电池

  1. 用\(\ce{Li2CO3}\) 、\(\ce{Na2CO3}\) 作电解质
  2. 燃料电池 \(\ce{CO——O2}\) 燃料电池（熔融盐作电解质）
    1. 负极：\(\ce{2CO + 2CO^{2-}3 - 4e^{-} \xlongequal[]{} 4CO2}\)
    2. 正极：\(\ce{O2 + 2CO2 + 4e^{-} \xlongequal[]{} 2CO^{2-}3}\)
    3. 总反应：\(\ce{2CO + O2 \xlongequal[]{} 2CO2}\)