原电池

电化学

电化学是化学的一个分支，研究电能和化学变化之间的关系。这些化学反应涉及电子从一种物质到另一种物质的运动。这种运动要么产生电流，要么由施加的电流驱动。

电化学中的关键反应是氧化还原或氧化还原反应。氧化还原反应由两个半反应组成;氧化反应，物质失去电子，还原反应，物质获得电子。这种化学反应导致每种物质改变其氧化态。

失去电子或被氧化的原子或分子是还原剂。接受电子或被还原的原子或分子是氧化剂。记住这些关系的一种方法是通过短语"石油钻井平台"，意思是"oxidation is losing – reduction is gaining"。

电化学电池

电化学电池是一种利用氧化还原反应释放的能量产生电流的装置。电化学池由一个或多个反应室和两个导电电极组成:一个阳极和一个阴极。阳极和阴极电气连接，反应室充满电解质。两个腔室之间有一个盐桥，它完成了电路并允许离子在电极之间转移。

还原发生在阴极，而氧化发生在阳极。使用助记词"red cat"可以很容易地记住这一点，这意味着 reduction 发生在 cathode。

电化学电池有两种类型。一种是电解槽，它使用电能来驱动非自发反应。在这种类型的电池中，电能由外部电源提供。另一种类型的电池是原电池，它使用自发反应来产生电能。电池是原电池的一个例子。

原电池

原电池，也称为伏打电池，由两个半电池组成。每个半电池都包含一个浸入电解质中的金属电极。外部电路连接两个电极，盐桥连接两种电解质溶液。电子从阳极流向阴极。氧化半反应发生在阳极，而还原半反应发生在阴极。例如，在铜和镁之间的原电池中，以下半反应发生在阴极:

Cu²⁺ + 2e^- → Cu

以下半反应发生在阳极处:

Mg → Mg²⁺ + 2e^-

由于电子在阳极氧化过程中会丢失，因此它们会穿过外部电路以减少阴极，从而产生电流。

随着阳极被氧化，电解质中的阳离子浓度增加。同样，随着阴极的减少，电解质中的阴离子浓度增加。为了保持电中性，离子穿过盐桥。当阳离子在阳极产生时，阴离子通过盐桥从阳极侧的溶液中流出。在阴极侧，产生阴离子，促使阳离子从盐桥移动到阴极侧的溶液中。重要的是要记住，电子通过外部电路线传播，离子流经盐桥和溶液。

降低潜力

一些金属比其他金属更容易失去电子。因此，原电池产生的电流大小取决于金属电极的类型。物质的标准电极电位 （E^o） 是物质失去电子趋势的量度。如果使用两种电极电位几乎相等的金属，则产生的电流大小将很小。如果使用两种电极电位相差很大的金属，那么电流的大小会很大。还原电位越大，金属就越有可能被还原并充当氧化剂。

回到铜镁原电池，铜的标准电极电位为 0.337 伏，而镁的标准电极电位为 -2.370 伏。在这个例子中，铜是阴极，镁是阳极。

在进行原电池实验时，使用万用表监测两个电极之间的电位差。测得的电压等于两个半反应之间的电位差。

ΔEº = Eº_阴极 - Eº_阳极

标准电极电位假设两个半电池都处于 1 M、1 bar 和 298.15 K （25 °C） 的标准条件下。电压取决于电解质溶液的浓度，这可以使用 Nernst 方程确定。

这里，E 对应于电位差或测得的电压，E^o 是标准还原电位，R 是通用气体常数 （8.314462618 J/mol·K），T 是以开尔文为单位的测量温度，F 是法拉第常数 （96,485.33212 C⋅^mol-1），n 是反应中转移的电子数， Q_h 是反应商。反应商是平衡常数的电化学等效物。

引用

1. Kotz， J.C.， Treichel Jr， P.M.， Townsend， J.R. （2012）.化学和化学反应性。加利福尼亚州贝尔蒙特:Brooks/Cole，圣智学习。
2. Silderberg， M.S. （2009）.化学:物质和变化的分子性质。马萨诸塞州波士顿:麦格劳·希尔。
3. 哈里斯，哥伦比亚特区（2015 年）。定量化学分析。第六版。纽约州纽约市:W.H. Freeman and Company。