11.2 原电池的电动势与电极电位 ( 势 )

1. 11.2 原电池的电动势与电极电位(势) 一、原电池、电解池与电化学 （一）原电池： 氧化还原反应是电子转移的反应。 同一溶液内的氧化还原反应过程，电子转移时无定向运动，不产生电流，只放热(右图):

2. （一）原电池 （续） • 若选择适当的电极，组装为“原电池”，使转移的电子定向运动→产生电流。 • 原电池： 是化学能→电能的装置。 • 右图：Daniell电池(锌-铜原电池)

3. 锌-铜电池（Daniell Cell电池)（盐桥：KCl （或Na2SO4）等+ 琼胶，维持电路畅通） 电极反应： Zn极（负极, Cathode）: Cu极（正极, Anode）: 原电池放电总反应： Zn (s) + Cu2+(aq) = Zn2+(aq) + Cu (s)

4. 盐桥(饱和KCl (aq)（或Na2SO4）+ 琼脂)的作用 作为正、负离子通道，使两个“半电池”的溶液都保持电中性，维持电路畅通。 Cl- , SO42- ZnSO4 (aq) K+ , Zn2+  CuSO4 (aq) KCl 也可以用Na2SO4等其它电解质代替。 总结 “原电池”放电反应： 负极(Cathode): 电势低，电子流出，发生氧化反应; 正极(Anode): 电势高，电子流入，发生还原反应。

5. 原电池符号锌-铜电池（Daniell Cell电池） (-) Zn(s)| ZnSO4 (1 mol/dm3) | | CuSO4 (1 mol/dm3) | Cu(s) (+) 相界 浓度或活度 盐桥 可简化为（不严格）: (-) Zn(s) | ZnSO4| | CuSO4 | Cu(s) (+) • 放电总反应：Zn (s) + Cu2+(aq) = Zn2+(aq) + Cu (s) • 给出总反应方程式，要能够设计为原电池，写出电池符号和半反应(电极反应)方程式。

6. 例2.原电池 氢铁电池 • (－) (Pt),H2(1 p)H+(1mol·dm-3)  Fe3+(1mol·dm-3) ,Fe2+ (1 mol·dm-3)  Pt(+) • 负极：氧化半反应 H2 = 2H+ + 2e • 正极：还原半反应 Fe3+ + e = Fe2+ • 放电总反应： H2+ 2Fe3+= 2H+ + 2 Fe2+ 给出电池符号，要能够写出半反应 (电极反应)和放电总反应方程式。

7. 例3.原电池  锌锰干电池结构 • NH4Cl, ZnCl2和MnO2 浆状物 • 正极：石墨 （带铜帽） • 负极：锌（外壳）

8. 例3.原电池  锌锰干电池放电反应 • 负极（氧化反应）： Zn(s) → Zn2+(aq)+ 2e • 正极（还原反应）： MnO2(s) +H+(aq) +e → MnO(OH)(s) 2 MnO(OH)(s)→ Mn2O3(s)+H2O(l) 合并，得总的放电反应： Zn(s) + 2 MnO2(s) +2 H+(aq)→ Zn2+(aq)+ Mn2O3(s)+H2O(l)

9. 例4.氢氧燃料电池 将燃烧过程中放出的化学能转化为电能的装置叫燃料电池。 例氢燃料电池：基本反应： H2（g）+ 1/2O2（g）→H2O（l）ΔH = -286KJmol-1 用多孔膜将电池分为三部：中间装75%KOH，左侧通H2，右侧通O2， 扩散到KOH溶液中发生反应： （+）极： 1/2O2（g）+ H2O（l）+2e- = 2OH- （-）极： H2（g）+2OH- =2 H2O（l）+2e- 总反应：H2（g）+ 1/2O2（g）= H2O（l） 优点：不经过热能的中间形式，直接将化学能→电能，利用率高，减少环境污染。

10. 早在1839年，英国人W.Grove就提出了氢和氧反应可以发电的原理，这就是最早的氢-氧燃料电池(FC)。但直到20世纪60年代初，由于航天和国防的需要，才开发了液氢和液氧的小型燃料电池，应用于空间飞行和潜水艇。近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出，要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。早在1839年，英国人W.Grove就提出了氢和氧反应可以发电的原理，这就是最早的氢-氧燃料电池(FC)。但直到20世纪60年代初，由于航天和国防的需要，才开发了液氢和液氧的小型燃料电池，应用于空间飞行和潜水艇。近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出，要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。

11. 美国矿物能源部长助理克.西格尔说：“燃料电池技术在21世纪上半叶在技术上的冲击影响，会类似于20世纪上半叶内燃机所起的作用。”福特汽车公司主管PNGV经理鲍伯.默尔称，燃料电池必会给汽车动力带来一场革命，燃料电池是唯一同时兼备无污染、高效率、适用广、无噪声和具有连续工作和积木化的动力装置。预期燃料电池会在国防和民用的电力、汽车、通信等多领域发挥重要作用。美国Arthur D.Little公司最新估计，2000年燃料电池在能源系统市场将提供1 500～2 000MW动力，价值超过30亿美元，车辆市场将超过20亿美元；2007年燃料电池在运输方面的商业价值将达到90亿美元。

12. 2002.12月2日，日本首相小泉纯一郎在东京首相官邸前乘坐本田公司的FCX型燃料电池动力汽车时向人们挥手。

13. 笔记本燃料电池 在2003年的早些时候，东芝已经发布了世界上第一块笔记本电脑燃料电池及燃料管。这种燃料电池的横截面为275×75毫米，重900克。而仅重72克的燃料管可以容纳50立方厘米高浓度甲醇。如果用这个电池系统为普通的PDA供电，那么一枚燃料管中盛载的溶液可以坚持发电20小时。除此之外，日本移动电话运营巨头NTT DoCoMo在2003年6月5日宣布，其将会在最近两年内推出一种使用燃料电池的手机，并且预言“如果一切顺利，2004年就将上市第一款燃料电池手机”。

14. 最新一代燃料电池 日本移动运营商NTT DoCoMo宣布，该公司研发出了一种使用微型燃料电池供电的3G手机充电器原型。这种燃料电池通过合成氢和无害的甲醇来产生化学反应，以此为手机充电提供充足的能量。这款微型燃料电池重190克，可以产生近3.8瓦特的能量。别看它个头这么小，可却有惊人的耐力，在普通室温的条件下它的供电时间大大超出锂电池的寿命。不过燃料电池也有其自身的不足，它的每一个电池(一个甲醇燃料管)只能提供一次性的供电。也就是说我们不能为燃料电池进行像锂电、镍氢电池一样的充电操作。因此，当我们出远门时就得随身带着多个燃料电池了。

15. 诺基亚试产百部燃料电池耳机 左起依次为耳机、燃料电池

16. 锂电池 • 2005年12月,日本生产出锂电池驱动汽车, 最高时速超过300 km/h. • 手机.

17. 例5. 锌汞纽扣电池 放电反应 （作原电池）： 负极：(氧化反应) Zn(s) + 2 OH-(aq)→ ZnO(s) +H2O(l) + 2 e 正极： (还原反应) HgO(s) +H2O(l) + 2 e → Hg(l) + 2OH-(aq) 放电总反应： Zn(s) + HgO(s) → ZnO(s) +Hg(l)

18. （二）电解池是使用直流电促使非自发的氧化还原反应发生的装置，即电能→化学能的装置。（二）电解池是使用直流电促使非自发的氧化还原反应发生的装置，即电能→化学能的装置。 例1 NaCl水溶液电解池 阳极：Cl-(aq)→ Cl2(g)+ 2 e (氧化反应） 阴极：2 H+(aq) + 2 e → H2(g) (还原反应）

19. 例2 融熔NaCl电解池（左）和实验装置（右）阳极：2 Cl-(l)→ Cl2(g)+ 2 e (氧化反应）阴极：2 Na+(l) + 2 e → 2 Na(l) (还原反应）

20. 例3.铅蓄电池 • 放电反应 （作原电池）： 负极：Pb(s) + HSO4-(aq)→ PbSO4(s) + H+(aq)+ 2e 正极： PbO2(s) +HSO4-(aq) + 3 H+(aq) +2e → PbSO4(s) + 2H2O(l) 放电总反应： Pb(s) + PbO2(s) +2 HSO4-(aq) + 2 H+(aq) → 2 PbSO4(s) + 2H2O(l) 充电总反应（作电解池） ： 2 PbSO4(s) + 2H2O(l) → Pb(s) + PbO2(s) +2 HSO4-(aq) + 2 H+(aq)

21. 例4. 镍镉碱性充电电池 放电反应 （作原电池）： 负极：(氧化反应) Cd(s) + 2 OH-(aq)→ Cd(OH)2(s) +2 e 正极： (还原反应) NiO(OH)(s) +H2O(l) + e → Ni(OH)2(s) + OH-(aq) 放电总反应： Cd(s) + 2 NiO(OH)(s) +2H2O(l) → Cd(OH)2(s) + 2 Ni(OH)2(s) 充电总反应（作电解池） ： Cd(OH)2(s) + 2 Ni(OH)2(s) → Cd(s) + 2 NiO(OH)(s) + 2H2O(l)

22. （二） 电解池(续) 例5：电解精炼铜 . 电解池: 阳极(Anode) ━ 与原电池正极连接，总是发生氧化反应: Cu(s) = Cu2+(aq) + 2e (阳极为粗铜) 阴极(Cathode) ━与原电池负极连接，总是发生还原反应: Cu2+(aq) + 2e = Cu(s) (阴极为精铜)

23. 电解的应用: 电镀 • 电镀银 • 阳极Ag(s) (接原电池+极) Ag → Ag+ + e (氧化反应) • 阴极(镀件) (接原电池-极) Ag+ + e → Ag (还原反应)

24. 电解的应用:电镀 (续) • 阴极 (汽车车体镀件) (接原电池-极)

25. （三）电化学(Electrochemistry) 研究化学电池中氧化还原反应过程以及化学能与电能互相转变规律的化学分支，称为“电化学”。 化学电池: (1)原电池 (化学能→电能) (2)电解池 (电能→化学能)

26. 原电池（上）和电解池（下）的电极反应 • 原电池放电反应： 负极(Cathode): 电势低，电子流出，发生氧化反应; 正极(Anode): 电势高，电子流入，发生还原反应。 • 电解池电解反应： 阳极(Anode): 连接原电池正极，发生氧化反应; 阴极(Cathode):连接原电池负极，发生还原反应;

27. 二、原电池的电动势与电极电位（势） （一）原电池的电动势 (或E) 指原电池正、负电极之间的平衡电势差。  =  + - -(10.1.1)   =  + - -(10.1.2) 可用电位差计或高阻抗晶体管伏特计直接测量. 例：上述Daniell cell, 测出电动势   = + 1.10 V 表示Cu电极电势比Zn电极高1.10 V

28. 电极电位的产生“双电层模型”Zn(s) - ZnSO4 (aq)双电层形成

29. 电极电位的产生“双电层模型” 把金属晶体插入它的盐溶液中： M(s)  Mn+(aq) + n e （ e留在M(s)表面） → 金属“溶解” ←Mn+(aq)沉积

30. “双电层模型”在一定温度下达到“平衡”，有两种可能:1. M活泼性↑，或/和Mn+(aq)浓度小， → 占优，生成左边的“双电层”。2. M活泼性↓，或/和Mn+ (aq)浓度大，→ 占优，生成右边的“双电层”。 Zn/Zn2+Cu/Cu2+ • + + - - • + + - - • + + - - • + + - - • + +- -

31. 电极电位的产生(续) 例：Zn(s) = Zn2+(aq) + 2 e → 金属“溶解”占优势 Cu(s) = Cu2+(aq) + 2 e ← Mn+(aq)沉积占优势 电极电位（势），——金属与其盐溶液之间产生的这种电势差，称为“电极电位”（势）。 符号 :  . SI单位: V . 由于 ( Zn2+/Zn) <   ( Cu2+/Cu) ，当 以盐桥连接这两个溶液且外电路接通（构成回路）时，就有电子从Zn电极流出，经外电路流入Cu电极，产生电流。