1.原电池的概念:把化学能转化为电能的装置叫原电池。实质是将一个自发的氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个半反应,使他们分别在两个极发生,电子在连接两级的导线中定向移动形成电流。
2.原电池的构成条件
① 活动性有差异的两种金属(或一种是非金属导体)作电极;(金属和氧化物;惰性电极等);一般情况下,负极比正极相对活泼,参与电极反应。
② 两极均插入电解质溶液;(或传导离子的介质)
③ 两极相连形成闭合电路。
④ 一个自发的氧化还原反应。
3.正负极判断的一般方法
(1)电子(e-)流向:由负极流出,沿导线流向正极(电子只在导线中传递,在电解质中不能传递)
(2)电流(I)流向:由正极流出,沿导线流向负极,再经负极沿电解质溶液流回正极,形成闭合回路。
(3)电解质中阴、阳离子流向:阳离子由负极流向正极;阴离子由正极流向负极(离子只在电解质中流动,不在导线中流动)。
(4)电极反应类型:负极发生失去电子的氧化反应;正极发生得到电子的还原反应。
(5)电极现象:绝大多数情况下,电极参加反应而溶解(变细)的电极为负极;电极表面有气泡产生或有固体析出的电极是正极。
(6)从电极相对活泼性:一般情况下,负极金属单质活泼性比正极的强。
(7)燃料电池:燃料通入极必为负极;O2进入极必为正极。
4.电极方程式的书写
(1)分析电池中发生的失去电子(元素化合价由低升高)的氧化反应和得到电子(元素化合价由高降低)的还原反应。
(2)将氧化反应写成负极反应:还原剂-ne-=氧化产物
将还原反应写成正极反应:氧化剂+ne-=还原产物
注意:若还原剂(或氧化剂)与氧化产物(或还原产物)存在元素种类差异,说明还原剂失去电子(或氧化剂得到电子)后的离子与电解质溶液的某些粒子不共存,可用反应离子方程式叠加原理处理。如Al-C-NaOH原电池的负极反应分析:还原剂为Al,氧化产物为AlO2-,联系Al失去电子为Al3+,Al3+与OH-不共存,反应转化为AlO2-和H2O.
故该负极反应为: Al-3e-+4OH-=AlO2-+2H2O
(3)电极反应应该写成离子反应方程式,适合离子反应的书写要求。
(4)电极反应的配平:
首先满足电子守恒:即得(失)电子数=变价元素的价差×变价原子个数;
其次满足电荷守恒以及质量守恒:等号左边的电荷代数和与右边的电荷代数和相等以及同种原子个数相等。
5.简单原电池的设计
(1)简易型:分析所给的自发的氧化还原反应,找出还原剂氧化产物,若固体还原剂可以导电,则直接用该材料作为负极;用活泼性比还原剂差的电极作为正极,氧化剂的溶液作电解质溶液,形成闭合回路。
(2)盐桥型:分析所给的自发的氧化还原反应,用甲乙两个容器,将导电的还原剂作负极,插入以氧化产物为电解质的溶液的甲容器中;用活泼性比还原剂差的电极作为正极,插入以氧化剂为电解质的溶液的乙容器中。用导线将两电极相连,用盐桥将甲乙两个容器中的溶液相连。
6.原电池中的计算原理:
(1)电子守恒:负极还原剂失去电子总数=正极氧化剂得到电子总数=导线中通过的电子数。
(2)电荷守恒:电池中存在离子交换膜时,通过交换膜的离子的离子电荷数(m×Am+)等于转移的电子数
7.原电池原理的应用
(1)形成原电池有助于加快化学反应速率。
(2)金属防护:将活泼性相对强的金属附在活泼性相对弱的金属表面或以导线相连形成原电池,有利于活泼性相对弱的金属的保护,该方法称为牺牲阳极的阴极防。如在轮船的表面与海水浸没处附上锌块,可减缓钢板的腐蚀。
(3)制化学电源