原电池原理及其影响因素

原电池原理及其影响因素

化本 胡钦（39）

【摘要】介绍原电池的概念、原理、书面表示方法，及其电极电势、电动势的表示、计算方法，从中我们可以看到原电池在我们生活中的应用十分广泛，他分布在我们生活的各个角落。本文了解到原电池的原理与氧化还原反应的关系，制作一个原电池所要用的电极要求，电极电势的应用，电极电势的测定以及标准氢电极和标准电极电势，标准电极电势的计算，能斯特方程。电极电势的影响因素包括酸度、浓度、沉淀平衡、配合物。原电池原理在生活各个方面的广泛应用包括电池、金属的防护。

前言

原电池是一类极其重要的装置，实验室里我们可以利用原电池原理看到一些一般情况下做不到的现象例如我们用Cu-Zn原电池可以看到Cu片上冒出气泡，而且，原电池不仅在实验研究方面有重大研究意义，而且还广泛应用于社会生活。 本文对原电池进行了了解，解析出其与氧化还原反应有着重要联系，而且还分析出原电池的电极电势的计算与其大小的影响因素，能够为我们更好地利用原电池来解决我们的能源问题，减少有限资源的利用和和耗费，为我们的生活带去更多的便利。

关键词：原电池、电极电势，影响因素、应用于生活。

1、原电池的概念

能使氧化还原反应产生电流并使化学能转变为电能的装置成为原电池

2、原电池的原理

在一个烧杯中放入ZnSO4溶液并插入锌片，在另一个烧杯中放入CuSO4溶液并插入铜片，两个烧杯用盐桥（一个倒置的U形管，管内充满含饱和KCl溶液的琼脂胶冻）连接起来，再用导线连接锌片和铜片，中间串联一个检流计则可以看到检流计指针发生偏转，这是由于Zn失去电子变成Zn2?电子通过电流，右侧烧杯中Cu2?的电子生成Cu，左侧发生还原反应，右侧发生氧化反应，电子的转移产生了电流。

3、原电池的表示方法

每个原电池都是由两个“半电池”所组成，例如Cu-Zn原电池就是由Zn和ZnSO4溶液、Cu和CuSO4溶液所构成的两个半电池组成，每个半电池含有同一元

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素不同氧化数的两种物质，其中高氧化数的成为氧化型物质，低氧化数的称为还原型物质，同一元素的氧化型和还原型物质构成氧化还原电对。例Zn2?/Zn;Cu2?/Cu.

原电池的表示方法以Cu-Zn为例

（-）Zn|ZnSO4(C1)||CuSO4(C2)|Cu(+)

即负极（-）写在左边，正极（+）写在右边，其中“|”表示两相边界。“||”表示盐桥；C表示溶液浓度（气体以分压表示）。如果组成电极的物质是非金属单质及其相应的离子，或者是同一元素不同氧化数的离子，如H?/H2O;O2/OH;Sn4?/Sn2?;Fe3?/Fe2?等，则需外加惰性电极。惰性电极是一种能够导电而不能参加电极反应的电极，如铂、石墨等。

如锌电极与氢电极组成原电池，电池符号为（-）Zn|ZnSO4||H2SO4|H2(Pθ),Pt(+),氢电极和Fe3?/Fe2?电极组成原电池（-）Pt H2(Pθ)|H?(C1)||Fe2?（C2）| Pt(+)

4、电极电势和电动势 4.1电极电势

在Cu-Zn原电池中，电流从Cu极流向Zn极，说明Cu极电势比Zn极电势高，电极电势的产生与金属及其盐溶液之间的相互作用有关。

当把金属浸入盐溶液时，则会出现两种倾向：一种是金属表面的原因，因热运动和受极性水分子的作用以离子形式进入溶

子浓度越小，这种倾向越大）；另一种是金属溶液中的金属离子受金属表面自由电子的吸引而沉积在金属表面（金属越不活泼或金属离子浓度越大，这种倾向就越大）。当金属在溶液中溶解和沉积的速度相等时则达到动态平衡.

若金属溶解的倾向大于沉积的倾向，则平衡时金属带负电荷，而靠近金属附近的溶液带正电荷。这样在金属表面与其盐溶液之间就产生电势，这种电势差成为该金属的平衡电极电势，若两种活泼性不同的金属分别组成两个电极电势不等的电极，再将这两个电极以原电池的形式连接起来，就能产生电流。

电极电势的表示：E?(Zn2?/Zn)=-0.76V E?(Cu2?/Cu)=0.34V

4.2电动势

电极电势E表示电极中极板与溶液之间的电势差，当用盐桥将两个电极的溶液连通时，若认为两溶液之间的电势差被消除，则电极的电极电之差就是两极板之间的电势差，也就是原电池的电动势。 用E池表示E池=E?-E? 以Cu-Zn为例

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E池=E?(Cu2?/Cu)-E?(Zn2?/Zn)=0.34V-(-0.76V)=1.10V

4.3电极电势的测定

欲确定某电极的电极电势可把该电极与标准氢电极组成原电池，所谓标准氢电极就是把镀有一层铂黑的铂片浸入H?浓度为1mol/L的溶液中，在298.15K时通入压力为100KPa的纯氢气让铂黑吸附并维持饱和状态，这样的电极作为标准氢电极，电极电势表示为E?(H?/H2)=0 V,这样测量某原电池的电动势E即可测定欲测电极的电极电势。 若待测电极处于标准态（物质皆为纯净物，组成电对的有关物质的浓度1.0mol/L，若涉及到气体，气体的分压为100KPa）所测得的电动势称为标准电动势。

例、欲测铜电极标准电极电势，应组成下列原电池 （-）Pt.H2(100KPa)|H?(1.0mol/L)||Cu2?(1.0mol/L)|Cu(+) 在298.15时测得该电池的电动势E?=0.340V 因为E?(H?/H2)=0 V 所以E?(Cu2?/Cu)=+0.34V

5、电池反应的热力学

5.1 E 与 △G 的关系——电极电势的计算

可逆过程（最大有用功）： -△rG = - W非 原电池反应：-△rG = -W非 = W（电池电功） W（电池电功）= E×q

= E×n×1.6×10-19×6.02×1023 = nEF ( F = 96500C·mol-1 ) ∴△rG = -nFE 标准状态时：△rGθ= -nFEθ

△rG< 0, 即 E >0, 反应正向自发进行.

若将公式 ?rG = －nE池F 的两边同时除以反应进度 ? ，则：

△rG?= —

nE池F?

即 ?rGm = － z F E池

式中 z 为电池反应过程中转移电子的化学计量数。

5.2 E池和电池反应的 K ? 的关系

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由 △rGm = －RT lnK ?

和 ?△rGm = －z E F 得 z EF = RT lnK ?

RT即 E池 =lnK ?

zF 换成常用对数，得

2.303RTE池?=lgK?

zF0.595VT=298K时 E池?=lgK? 由 E池 可以求得氧化还原反应的平衡常数，

z以讨论反应进行的程度和限度。

5.3 E 与 E ? 的关系——能斯特方程 电池电动势的能斯特方程

对于电池反应

a A + b B —— c C + d D

[C]c[D]d有△rGm =△rGm+RT ln ab[A][B]?——化学等温式，有：-zE池F=-zE池?[C]c[D]dF+RTln

[A]a[B]bMnO4－ + 8 H? + 5 e－ = Mn2? + 4 H2O

?0.095V[MnO4][H?]8?8其能斯特方程为 E = E +lg ,[H]必须写出，[H2O]2?5[Mn]?不必写出。

又如： 2 H+ + 2 e－ = H2

0.095V[H?]其能斯特方程为：E = E +lgH2

5pP??式中写出相对浓度。 从上述方程式来看，电极电势的大小的影响因素不仅包括标准电极电势，还包括溶液的浓度，氢离子浓度，压强等各种因素的影响。

6、电极电势的影响因素 6.1酸度对电极电势的影响

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