化学电源：从化学能转化为电能

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：另外一种把化学能直接转化为电能的装置，统称化学电池或化学电源。化学电池都与氧化还原反应有关。与上述电池相关的氧化还原反应，电子流动方向和电池电动势如下：这几个反应是读者熟悉的金属置换反应，按上图所示原理可以装成经典的化学电池，在上个世纪它们曾是实用的化学电源。电极反应的Eθ值越大，表示氧化态物质得电子能力越大，即氧化能力越大。化学手册里有许多常见物质的有关Eθ值可供参考。

电能是现代社会生活的必需品，电能是最重要的二次能源，大部分的煤和石油制品作为一次能源用于发电。煤或油在燃烧过程中释放能量，加热蒸汽，推动电机发电。煤（或油）燃烧过程就是它和氧气发生化学变化的过程，所以“燃煤发电”实质是将化学能转化为电能的过程，这种过程通常要靠火力发电厂的汽轮机和发电机来完成。另外一种把化学能直接转化为电能的装置，统称化学电池或化学电源。如收音机、手电筒、照相机上用的干电池，汽车发动机用的蓄电池，钟表上用的钮扣电池等都是小巧玲珑携带方便的日常用品。那末哪些化学体系可以设计成为实用的电池呢？

化学电池都与氧化还原反应有关。在18世纪末，人们把与氧化合的反应叫氧化反应，而把从氧化物中夺取氧的反应叫还原反应。到19世纪中叶，有了化合价的概念，人们把化合价升高的过程叫氧化，把化合价降低的过程叫还原。20世纪初建立了化合价的电子理论，人们把失电子的过程叫氧化，得电子的过程叫还原。例如：

这两个式子分别代表两个氧化还原半反应，两个半反应组合成一个氧化还原反应：

图　锌—铜电池示意图

上式代表锌片和硫酸铜溶液发生置换反应生成硫酸锌和金属铜的离子反应方程式。反应过程中电子由Zn转移给Cu2＋，Zn失去电子被氧化为Zn2＋，Zn本身是还原剂，它使Cu2＋还原为Cu，所以Cu2＋本身则是氧化剂。有失电子的一方，就有得电子的一方，电子得与失一定同时发生，即氧化与还原一定同时发生。

凡涉及电子转移的反应都属于氧化还原反应，若这些电子能顺一定方向流动便成为电流。按上图所示，左边烧杯里盛硫酸锌溶液，并插入锌片，右边烧杯里盛硫酸铜溶液，并插入铜片；两个烧杯之间用“盐桥”相联。（盐桥是一个盛KCl饱和溶液胶冻的U形管，用以构成电子流的通路）。锌片和铜片之间用电线相联结，中间串联一个电压表（或电流表），电表指针的偏转证明上述装置确有电流产生，这就成为由锌电极（Zn—ZnSO4）和铜电极（Cu—CuSO4）组成的一个电池，简称锌（铜电池。在这个装置里，锌片并没有和CuSO4溶液相接触，但确实可以看到在锌极发生的是Zn片溶解生成Zn2＋，在铜极则有Cu2＋还原成金属铜析出在铜片上，电子由锌极流向铜极，电流方向反之，即由铜极流向锌极，电流表指针向正方向偏转指明铜极为正极，锌极为负极。两个电极反应分别是：

正极：Cu2＋＋2e-—Cu

负极：Zn—Zn2＋＋2e-

若Zn2＋和Cu2＋的浓度都是1.0mol·L-1，用高阻抗伏特计测得两极电势差为1.1V，即该电池的电动势为1.1V。若用铁片和硫酸亚铁溶液代替上述锌电极，则组成铁（铜电池。当Fe2＋和Cu2＋浓度都是1.0mol·L-1时，测得电动势为0.75V。若以Ag和AgNO3溶液（1.0mol·L-1）代替铜电极，组成了锌（银电池，其电动势则为1.6V。与上述电池相关的氧化还原反应，电子流动方向和电池电动势（E）如下：(www.chuimin.cn)

这几个反应是读者熟悉的金属置换反应，按上图所示原理可以装成经典的化学电池，在上个世纪它们曾是实用的化学电源。

电池的电动势决定于电极得失电子的能力和溶液的浓度。电极得失电子的能力，用“电极电势”表示，它是一类相对数据，其中“标准”两字是指电极反应中的物质都处于标准状态，即溶液中离子浓度都是lmol·L-1，气态物质的分压都是100 kPa，温度为298K（25℃）。以氢电极作为比较的标准，指定氢电极的标准电极电势为零：

2H＋(1.0mol·L-1)＋2e-——H2(100kPa)

其他电极与之相比，如，表示铜电极电势比氢电极高0.34V；而，表示锌电极电势比氢电极低0.76V。由此可以求得铜电极电势比锌电极高1.10 V，即锌（铜电池的电动势为1.10V。

利用电池里动势，还可以判别水溶液中氧化还原反应的方向。电极反应物质有氧化态与还原态，在书写反应方程式时，氧化态物质写在左边，得电子变为还原态，还原态物质写在右边。电极反应的Eθ值越大，表示氧化态物质得电子能力越大，即氧化能力越大。

如表里左下方的氧化态物质F2，Cl2，，MnO4-等都是很强的氧化剂。反之Eθ值越小，氧化态得电子能力越小或还原态失电子能力越大，亦即右上方还原态物质如K，Na，Zn等都是强还原剂。由此可知表中左下方的氧化态物质可以和右上方的还原在物质起反应；反之右下方的还原衣物质不能和左上方氧化态物质起反应。

例如H＋和Fe可以起反应生成H2和Fe2＋，而H＋不能和Ag起反应，此即铁能和酸起置换反应放出H2，而银不能和酸起反应。同理，可以判断Cl2能氧化Br-或I-，但Fe3＋只能使I-变为I2，而不能使Br-变为Br2。化学手册里有许多常见物质的有关Eθ值可供参考。

任何两个电极反应都可组成一个氧化还原反应，理论上都可以设计成一个电池，但真要做成一个有实际应用价值的电池并非易事。目前我们最熟悉而又经常使用的莫过于锌-锰干电池和铅蓄电池。

化学电源：从化学能转化为电能

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