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論文精選:《原電池原理》
文章摘要:本文全面講解原電池的知識(shí),包括最簡(jiǎn)單的原電池、構(gòu)成原電池的條件、原電池正負(fù)極判斷、電極方程式書寫和原電池應(yīng)用。正負(fù)極判斷和電極方程式書寫是重點(diǎn)。
原電池是的高考中的重點(diǎn)知識(shí),也是電化學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)。
傳統(tǒng)的發(fā)電是通過燃燒加熱水,產(chǎn)生蒸汽,推動(dòng)發(fā)電機(jī),產(chǎn)生電能。能量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能→熱能→機(jī)械能→電能,能量經(jīng)過多次轉(zhuǎn)化,最終轉(zhuǎn)化率很低。而原電池是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,能量轉(zhuǎn)化率較高。
一、簡(jiǎn)單的原電池
將鋅片與銅片用導(dǎo)線連接,導(dǎo)線中間接一電流表,平行插入盛有稀硫酸的燒杯中,此時(shí)電流表指針有偏轉(zhuǎn),說明有電流通過。
二、構(gòu)成原電池的條件
通過上面銅鋅原電池,我們得出構(gòu)成原電池的條件有:
(1)電極材料。兩種金屬活動(dòng)性不同的金屬或金屬和其他導(dǎo)電性物質(zhì);
。2)電解質(zhì)溶液,兩電極同時(shí)浸沒在電解質(zhì)溶液中;
。3)兩電極要用導(dǎo)線連接,形成閉合回路。
注意:
、匐娏鞅聿皇潜匦璧模皇菣z驗(yàn)是否有電流通過。
②極活潑的金屬單質(zhì)一般不作做原電池的負(fù)極,如K、Ca、Na等。
三、原電池正負(fù)極的判斷
(1)由組成原電池的兩極材料判斷
一般來說,較活潑的金屬為負(fù)極,較不活潑的金屬為正極。本質(zhì)上能和電解質(zhì)溶液反應(yīng)的金屬為負(fù)極。但具體情況還要看電解質(zhì)溶液。如鎂、鋁電極在稀硫酸在中構(gòu)成原電池,較活潑的鎂為負(fù)極,鋁為正極;但鎂、鋁電極在氫氧化鈉溶液中形成原電池時(shí),由于是鋁和氫氧化鈉溶液發(fā)生反應(yīng),失去電子,因此鋁為負(fù)極,鎂為正極。
(2)根據(jù)外電路電流的方向或電子的流向判斷
在原電池的外電路,電流由正極流向負(fù)極,電子由負(fù)極流向正極。
。3)根據(jù)內(nèi)電路離子的移動(dòng)方向判斷
在原電池電解質(zhì)溶液中,陽離子移向正極,陰離子移向負(fù)極。
。4)根據(jù)電極上產(chǎn)生的氣體判斷
原電池工作后,如果一電極上產(chǎn)生氣體,通常是因?yàn)樵撾姌O發(fā)生了析出氫的反應(yīng),說明該電極為正極,活動(dòng)性較弱。
(5)根據(jù)電極質(zhì)量的變化判斷
原電池工作后,若某一極質(zhì)量增加,說明溶液中的陽離子在該電極得電子,該電極為正極,活潑性較弱;如果某一電極質(zhì)量減輕,說明該電極溶解,電極為負(fù)極,活潑性較強(qiáng)。
(6)根據(jù)原電池兩極發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)判斷
原電池中,發(fā)生氧化反應(yīng)的是負(fù)極,發(fā)生還原反應(yīng)的是正極。因此可以根據(jù)總化學(xué)方程式中化合價(jià)的升降來判斷。
。7)根據(jù)某電極附近pH的變化判斷
析氫或吸氧的電極反應(yīng)發(fā)生后,均能使該電極附近電解質(zhì)溶液的pH增大,因而原電池工作后,該電極附近的pH增大了,說明該電極為正極,金屬活動(dòng)性較弱。
四、電極反應(yīng)式的書寫
。1)準(zhǔn)確判斷原電池的正負(fù)極是書寫電極反應(yīng)的關(guān)鍵
如果原電池的正負(fù)極判斷失誤,電極反應(yīng)式的書寫一定錯(cuò)誤。上述判斷正負(fù)極的方法是一般方法,但不是絕對(duì)的。
鋁片和銅片同時(shí)插入濃硝酸溶液中,由于鋁片表明的鈍化,這時(shí)銅失去電子,是負(fù)極,其電極反應(yīng)為:
負(fù)極:Cu-2e-=Cu2+
正極:2NO3-+4H++2e-=2H2O+2NO2↑
鋁片和鎂片同時(shí)插入氫氧化鈉溶液中,雖然鎂比鋁活潑,但由于鎂不與氫氧化鈉反應(yīng),而鋁卻反應(yīng),失去電子,是負(fù)極,其電極反應(yīng)為:
負(fù)極:2Al+8OH--6e-=2AlO2-+4H2O
正極:6H2O+6e-=6OH-+3H2↑
(2)要注意電解質(zhì)溶液的酸堿性
在正負(fù)極上發(fā)生的電極反應(yīng)不是孤立的,它往往與電解質(zhì)溶液緊密聯(lián)系,如氫氧燃料電池有酸式和堿式,在酸溶液中,電極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)OH-,在堿溶液中,電極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)H+,像CH4、CH3OH等燃料電池,在堿溶液中碳(C)元素以CO32-離子形式存在,而不是放出CO2氣體。
。3)要考慮電子的轉(zhuǎn)移數(shù)目
在同一個(gè)原電池中,負(fù)極失去電子數(shù)必然等于正極得到的電子數(shù),所以在書寫電極反應(yīng)時(shí),一定要考慮電荷守恒。防止由總反應(yīng)方程式改寫成電極反應(yīng)式時(shí)所帶來的失誤,同時(shí)也可避免在有關(guān)計(jì)算中產(chǎn)生誤差。
。4)要利用總的反應(yīng)方程式
從理論上講,任何一個(gè)自發(fā)的氧化還原反應(yīng)均可設(shè)計(jì)成原電池,而兩個(gè)電極反應(yīng)相加即得總反應(yīng)方程式。所以只要知道總反應(yīng)方程式和其中一個(gè)電極反應(yīng),便可以寫出另一個(gè)電極反應(yīng)方程式。
四、原電池原理的應(yīng)用
原電池原理在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活、科學(xué)研究中具有廣泛的應(yīng)用。
1.化學(xué)電源
人們利用原電池原理,將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,制作了多種電池。如干電池、蓄電池、充電電池以及高能燃料電池,以滿足不同的需要。在現(xiàn)代生活、生產(chǎn)和科學(xué)研究以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中,電池發(fā)揮的作用不可代替,大到宇宙火箭、人造衛(wèi)星、飛機(jī)、輪船,小到電腦、電話、手機(jī)以及心臟起搏器等,都離不開各種各樣的電池。
2.防止金屬的腐蝕
金屬的腐蝕指的是金屬或合金與周圍接觸到的氣體或液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使金屬失去電子變?yōu)殛栯x子而消耗的過程。
在金屬腐蝕中,我們把不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)形成的原電池反應(yīng)而引起的腐蝕稱為電化學(xué)腐蝕,電化學(xué)腐蝕又分為吸氧腐蝕和析氫腐蝕:在潮濕的空氣中,鋼鐵表面吸附一層薄薄的水膜,里面溶解了少量的氧氣、二氧化碳,含有少量的H+和OH-形成電解質(zhì)溶液,它跟鋼鐵里的鐵和少量的碳形成了無數(shù)個(gè)微小的原電池,鐵作負(fù)極,碳作正極,發(fā)生吸氧腐蝕:
負(fù)極:2Fe-4e-=2Fe2+
正極:O2+4e-+2H2O=4OH-
電化學(xué)腐蝕是造成鋼鐵腐蝕的主要原因。因此可以用更活潑的金屬與被保護(hù)的金屬相連接,或者讓金屬與電源的負(fù)極相連接均可防止金屬的腐蝕。
3.加快反應(yīng)速率
如實(shí)驗(yàn)室用鋅和稀硫酸反應(yīng)制取氫氣,用純鋅生成氫氣的速率較慢,而用粗鋅可大大加快化學(xué)反應(yīng)速率,這是因?yàn)樵诖咒\中含有雜質(zhì),雜質(zhì)和鋅形成了無數(shù)個(gè)微小的原電池,加快了反應(yīng)速率。
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