04 · 原电池整理中

原电池基本概念

日常电能大多数来自火力发电，化学能通过能量转化，间接转化为电能。

过程如下：

化学能 $\overset{燃料燃烧}{\to}$ 热能 $\overset{蒸汽轮机}{\to}$ 机械能 $\overset{发电机}{\to}$ 电能

缺点： 步骤多、效率低、环境污染

原电池——化学能直接转化为电能

实验过程：


锌和 $H_{2} SO_{4}$ 反应，有气泡生成	锌片逐渐溶解 (锌的电子通过电线接触铜从而和稀硫酸反应)
铜片无反应	铜片上有气泡产生 (铜只导电，不和稀硫酸反应)
无电流产生	导线中有电流通过

定义： 利用氧化还原反应原理，将化学能转化为电能的装置

电 极 名 称 {\begin{cases} 负 极 & 电 子 流 出 ， 发 生 氧 化 还 原 反 应 的 电 极 \\ 正 极 & 电 子 流 入 ， 发 生 还 原 反 应 的 电 极 \end{cases}

负极失去电子经外电路流入正极的过程中形成电子流，被人类利用
电子流：负极 $\overset{}{\to}$ 正极
电流：正极 $\overset{}{\to}$ 负极

原电池离子移动：
正正负负（正离子往正离子移动，负离子往负极移动，用于调和左右两边的电荷守恒）

构成条件

理论上，自发的氧化还原反应均可构成原电池。

有活动性不同的两个电极
溶液：两电极均插入电解质溶液中
导线：两电极用导线相连，形成闭合回路

化学电池

概念： 化学电池是根据原电池原理，将化学能转变为电能的装置。

分类： 可分为一次电池，二次电池和燃料电池。

一次电池:
放电后不能再充电使其复原的电池（内部氧化还原反应无法逆向进行）。
二次电池：
又称为充电电池或蓄电池，放电后可以再充电，可以多次重复使用。
燃料电池：
利用燃料和氧化剂之间发生氧化还原反应，能连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电池，如氢氧燃料电池，甲醇燃料电池。

设计原电池

盐桥

组成： 固定剂是琼脂，电解质溶液常见的有饱和 $KCI$ 溶液或饱和 $KNO_{3}$ 溶液。
作用： 连接内电路，形成闭合回路，使溶液电荷守恒，便于源源不断产生电流，避免氧化剂，还原剂直接接触，增大化学能，转化成电能的效率。
离子移动的方向： 阳离子往正极移动，阴离子往负极移动。

注意： 原电池装置不一定有盐桥，但高效的原电池以及氧化剂和还原剂均为溶液的电池，一般需要盐桥连接内电路。

电极反应式书写

Ⅰ. 写出正负极架构：

xx物质在负极失 x 电子后变成xx物质：

☐ - ? e^{-} \overset{}{\to} Δ

xx物质在正极得 x 电子后变成xx物质：

☐ + ? e^{-} \overset{}{\to} Δ

得失电子判断方法：看化合价变化

Ⅱ. 调平电荷：

酸性溶液： $H^{+}$
碱性溶液： $OH^{-}$
中性溶液： $H^{+}$ 或 $OH^{-}$
(具体题目具体分析)
例：熔融碳酸盐： $CO_{3}^{2 -}$ , 熔融氧化物： $O^{2 -}$

Ⅲ. 调平电子：看氢补水，用氧检查 / 看碳补二氧化碳

（用于帮助配平方程式，反应物氢和生成物水之间原子数目守恒，所以氢原子和氧原子有 $2 : 1$ 的数量关系，看碳补二氧化碳同理）

以下是例题假设和推导过程（条件是编的，重点看推导）

假设是甲烷（ $CH_{4}$ ）和氧气 ( $O_{2}$ ) 的燃料电池,电解液是酸性水溶液

负极电极反应式书写：

判断负极应失电子被氧化，可推出负极为 $CH_{4}$
根据（Ⅰ）推导： $CH_{4}$ 在负极失 $n$ 个电子变成 $CO_{2}$
$CH_{4} - ? e^{-} ⟶ CO_{2}$
根据化合价判断得失电子：
$\overset{- 4}{C} H_{4} - 8 e^{-} ⟶ \overset{+ 4}{C} O_{2}$
调平电荷：
由于左侧失 $8$ 个电子，又是酸性水溶液，所以左侧加 $8$ 个 $H^{+}$
$CH_{4} - 8 e^{-} ⟶ CO_{2} + 8 H^{+}$
看氢补水，看碳补二氧化碳：
由于左侧有 $4$ 个氢原子，右侧 $8$ 个，所以左侧加 $2$ 个 $H_{2} O$ $CH_{4} - 8 e^{-} + 2 H_{2} O = CO_{2} + 8 H^{+}$
检查 $O$ 原子，左2:右2

正极电极反应式书写：

同理

$O_{2}$ 在正极得 $4$ 个电子，变成 $H_{2} O$
$O_{2} + 4 e^{-} ⟶ H_{2} O$
调平电荷：
（理论上想要守恒要右侧加 $OH^{-}$ ，但这是酸性水溶液，所以只能在左侧加 $H^{+}$ ）
$O_{2} + 4 e^{-} + 4 H^{+} ⟶ H_{2} O$
看氢补水，看碳补二氧化碳：
由于右侧有 $2$ 个氢原子，左侧 $4$ 个，所以右侧加 $H_{2} O$
$O_{2} + 4 e^{-} + 4 H^{+} ⟶ 2 H_{2} O$
这里为了和负极电子数一致，所以正极计量数 ×2
$2 O_{2} + 8 e^{-} + 8 H^{+} ⟶ 4 H_{2} O$

最终，把正极合并，消去电子就是总反应式:

CH_{4} + 2 O_{2} = CO_{2} + 2 H_{2} O

(可以看出 $CH_{4}$ 和 $O_{2}$ 燃烧电池反应式和 $CH_{4}$ 燃烧一样)
由此可知 $CH_{4}$ 燃烧：

化学能 $\overset{}{\to}$ 光能/热能

而 $CH_{4}$ 燃料电池：

化学能 $\overset{}{\to}$ 电能

【恭喜你，学会了原电池电极反应式的书写】

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原电池基本概念 ​

原电池——化学能直接转化为电能 ​

构成条件 ​

化学电池 ​

设计原电池 ​

电极反应式书写 ​