有关原电池的概念及原理

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1、有关原电池的概念及原理张玲，陈磊磊（华东师范大学化学系上海200062）摘要：介绍化学能、可逆电池、可逆电极等原电池的相关概念，分析原电池的类型及工作原理，解释标准电极电势和金属活动性顺序表的由来，并指出金属性与金属活动性的区别，及使用金属活动性顺序表需注意的事项，以期为中学化学教学提供一些参考。关键词：原电池；化学能；电极电势；金属活动性；金属性电化学是研究电能和化学能之间相互转化，及转化过程中规律的科学。它是化学中的一个重要领域，其理论研究和实际应用都很有意义，有关电化学的内容也是中学化学的重点内容之一。电化学的两种基本实验装置是原电池和电解池，而原电池是

2、研究电化学的基础，因此，深入理解其相关概念和原理是很有必要的。本文将结合物理化学的相关知识，对中学化学中涉及原电池的一些知识进行介绍和诠释。1原电池的表示方法要表示一个电池的组成和结构，最直接的方法是用图像，但是比较麻烦，简便的方法是采用化学式和符号。例如，有盐桥的丹尼尔（Daniell）电池可用以下符号表示：Zn(s)︱ZnSO4(a1)‖CuSO4(a2)︱Cu(s)丹尼尔电池发现于1836年，是第一个具有稳定电动势（1.lV）、能连续放电的电池。上述符号表示把锌棒插在硫酸锌溶液中，铜棒插在硫酸铜溶液中，中间用盐桥相联，如图1所示：9图1丹尼尔电池示意图按

3、照惯例，电池的表示方法主要包括四个要点[1]：（1）负极写在左边（进行氧化反应），正极写在右边（进行还原反应）。（2）用单垂线“︱”表示相界面，包括电极与溶液之间、一种溶液与另一种溶液之间、两个不同浓度的同种溶液之间的界面。双垂线“‖”表示盐桥，盐桥可使不同电解质溶液间的液接电势降至可忽略不计（1～2mV），但不能完全消除。（3）要注明温度和压力，如不写明，一般指298.15K和标准态压力pӨ(105Pa)；一般要标明电极的物态（若是气体要注明压力和所依附的惰性电极），及所用电解质溶液的活度（稀溶液可用浓度表示），因为这些都会影响电池的电动势。值得注意的是，在

4、实际测量通过原电池的电流时，图1中所用电流表的量程应足够的大，否则电路闭合时，产生的电流可能会损坏电流表。如在电路中串联一个可变电阻器，则更为合适。2电化学装置电极命名规定原电池或电解池，正、负极的命名是按物理学的习惯，从电极电势高低的角度规定的，电势较高的电极称为正极，电势较低的电极称为负极。阴、阳极的命名则是从电极反应的类型区分，发生还原反应的电极称为阴极，发生氧化反应的电极称为阳极。习惯上，把原电池的两极分别称为正极和负极。正极的电势高，发生还原反应；负极的电势较正极的低，发生氧化反应。电解池的两极则通常以阴、阳极命名。外加直流电源的负端（电势低的一端）

5、与电解池的阴极连接，正端（电势高的一端）与阳极连接。因此，从外加电源的角度区分，电解池的阴极为负极，阳极为正极。3化学能与可逆电池3.1化学能原电池是可以实现化学能直接转化为电能的装置，那么化学能从何而来呢？化学热力学指出，等温等压可逆过程中，体系吉布斯能的变化∆G9等于体系与环境间交换的可逆非体积功。电池放电时，体系对环境所做的非体积功就是电功。即在等温等压可逆条件下，体系吉布斯能的变化等于原电池所做的可逆（最大）电功，∆GT，p=W可逆=-nFE，式中E为可逆电动势（V）；n是电极反应中转移电子的物质的量（mol）；F是法拉第常数，即1mol电子所带的电量

6、：96485C·mol-1。原电池只有在等温等压可逆条件下工作，才能做出最大电功，才能把化学能全部转化为电能，也才满足关系式∆GT，p=W’可逆=-nFE。所以，化学能就是等温、等压反应过程中体系吉布斯能的变化。对同一原电池，若在等温等压以不可逆方式工作，反应的∆GT，p与可逆过程的相同（因反应的始终态相同），但原电池所做的电功W不可逆＜∆GT，p。说明在不可逆条件下，原电池只能把化学反应的部分化学能转化为电功。3.2可逆电池和不可逆电池根据热力学中对可逆过程所下的定义，可逆电池必须具备如下两个条件：（1）电池反应的物质可逆——电池的放电与充电反应互为逆反应。

7、从物质角度看，电池经过放电反应达某一终态，充电时能遵循原反应的逆过程回复到始态，同时环境也恢复原状，没有任何物质的损耗。如，铅酸蓄电池的反应可以符合物质可逆的条件：2PbSO4(s)+2H2O(l)⇌Pb(s)+PbO2(s)+2SO42-(a)+4H+(a)（2）电池反应的能量可逆——电池的放电、充电，都是在电流I→0的状态下无限缓慢地进行，电池经过放电、充电的一个循环，体系和环境都能恢复原状，没有任何能量的损耗。电池在实际放电、充电过程中都有电流通过，是以不可逆的方式进行工作的，但研究可逆电池仍然十分重要：①从热力学来看，可逆电池所作的最大电功是化学能转化

8、为电能的极限，这为改善电池性能提供了一