物理化学中浓差电池的概念及器件化

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1、物理化学中浓差电池的概念及器件化物理化学中浓差电池的概念及器件化化学电源是将化学能转变为电能的实用装置，是高等学校本科生《物理化学》课程电化学一章重要的内容之一。由于化学电源已经进入人们的日常生活，因此学生能够从亲身的体会感受到化学电源的重要性。化学电源主要包括一次电池和二次电池。一次电池是指电池中的电化学反应只能进行一次放电反应，而不能进行充电。二次电池即蓄电池，指的是电池中的电化学反应能够进行可逆的充放电反应，而且充放电过程可以进行多次，即电池具有较长的寿命。一些新型的二次电池，如燃料电池、锂离子电池和太阳能电池越来越受到人们的重视。因为这些新型的二次电池具有

2、较高的化学能到电能的转换效率，而且还具有环境友好、电池寿命长以及能量密度高等优点，在民用、军事以及航空航天等领域得到广泛的应用[1]。　　物理化学中浓差电池的概念及器件化物理化学中浓差电池的概念及器件化化学电源是将化学能转变为电能的实用装置，是高等学校本科生《物理化学》课程电化学一章重要的内容之一。由于化学电源已经进入人们的日常生活，因此学生能够从亲身的体会感受到化学电源的重要性。化学电源主要包括一次电池和二次电池。一次电池是指电池中的电化学反应只能进行一次放电反应，而不能进行充电。二次电池即蓄电池，指的是电池中的电化学反应能够进行可逆的充放电反应，而且充放电过程

3、可以进行多次，即电池具有较长的寿命。一些新型的二次电池，如燃料电池、锂离子电池和太阳能电池越来越受到人们的重视。因为这些新型的二次电池具有较高的化学能到电能的转换效率，而且还具有环境友好、电池寿命长以及能量密度高等优点，在民用、军事以及航空航天等领域得到广泛的应用[1]。　　浓差电池在《物理化学》课程我们每年都会讲述，但这类电池由于没有使用化的器件，没有受到同学们的足够重视。往往在课程结束之后，同学们对其他的化学电源有很深的印象，但是对浓差电池一无所知。假若一个电池中总的反应是一化学反应，我们称这类电池为化学电池。若电池中，总的过程仅仅是一种物质（包括单质或离子）

4、从高浓度状态向低浓度状态转移，这类电池我们称之为浓差电池。简而言之，浓差电池之所以能够对外输出电能是由于电池体系中存在物质的浓度梯度。浓差电池可以分为两类，即电极浓差电池和电解质浓差电池。电极浓差电池指的是由于电极本身活性物质浓度的差别而引起的电势差。这种浓差电池中只包含一种电解质溶液。电解质浓差电池指的是由于电池中电解质浓度的差异所引起的电极电势的差异。这种浓差电池中包含至少两种不同浓度的电解质溶液，而且电极电势的大小与电解质溶液的浓度有关。实际上，浓度梯度是自然界生物体中的一个普遍存在现象。细胞膜内外的电解浓度存在差异。因此，细胞内外保持一个固定的膜电位，这个

5、膜电位是生命的特征，失去膜电位意味着生命的结束。　　能源是关系到人类社会发展的最主要问题之一。目前全球大部分的能量需求来源于化石燃料。由于化石燃料具有不可再生性，最终必将导致其枯竭。而且化石燃料的大量使用也将会导致严重的环境污染。因此，有关于新型化学电源的研究越来越受到人们的重视。浓差电池这一古老的原型器件也被推向了研究前沿。普遍的观点认为自然界中存在大量的浓度梯度。如在黄河、长江及其他河流的入海口就存在海水与淡水之间的盐（如氯化钠、氯化钾等）的浓度梯度。如果能够将这些储存在浓度梯度里的化学能转换为电能，就能够为我们的社会提供大量能源。美国和以色列等国家非常重视浓

6、差电池的研究。中国、瑞典和日本等也开展了一些研究。总体上，有关于浓差电池的研究仍还处于实验室实验水平，离大规模应用还有漫长的路程。因此，本论文主要回顾物理化学中浓差电池的基本概念以及近期国内外在浓差电池领域的研究进展。希望同学们能够对浓差电池的未来坚定信心，如果将来有可能，积极投身到浓差电池的研究中去。　　一、《物理化学》中浓差电池的概念与实例　　从电动势的表达式我们可以看出，当Pt电极所负载的氢气压力相等时（即p1=p2），电池输出的电动势为0。当p1≠p2时，形成浓差电池。当p1>p2时，E>0，说明氢气压力大的Pt电极为电池的负极，压力小的

7、Pt电极为电池的正极。当上述浓差电池被短路时，我们来理解一下电池中电子以及氢离子的运动方向。氢气在负极上发生氧化反应产生氢离子，电子从负极转移到正极上。负极上产生的氢离子在溶液中扩散到正极表面，被从负极上转移来的电子还原，产生氢气。因此上述浓差电池在工作的时候，负极氢气的压力会逐渐降低，正极氢气的压力会逐渐升高。当两侧氢气压力相等的时候，电池无法输出电能。　　2.电解质浓差电池。电解质浓差电池的电势差是由于电池中电解质浓度的差异所引起的。这种浓差电池中包含至少两种不同浓度的电解质溶液，而且电极电势的大小与电解质溶液的浓度有关。从电动势的表达式我们同样能够看出，当两

8、个KCl溶