原电池，将化学能转化为电能的装置

简介

发现

原电池的发明历史可追溯到18世纪末期，当时原电池意大利生物学家伽伐尼正在进行著名的青蛙实验，当用金属手术刀接触蛙腿时，发现蛙腿会抽搐。大名鼎鼎的伏特认为这是金属与蛙腿组织液（电解质溶液）之间产生的电流刺激造成的。1800年，伏特据此设计出了被称为伏打电堆的装置，锌为负极，银为正极，用盐水作电解质溶液。1836年，丹尼尔发明了世界上第一个实用电池，并用于早期铁路信号灯。

工作原理

原电池反应属于放热的反应，一般是氧化还原反应，但区别于一般的氧化还原反应的是，电子转移不是通过氧化剂和还原剂之间的有效碰撞完成的，而是还原剂在负极上失电子发生氧化反应，电子通过外电路输送到正极上，氧化剂在正极上得电子发生还原反应，从而完成还原剂和氧化剂之间电子的转移。两极之间溶液中离子的定向移动和外部导线中电子的定向移动构成了闭合回路，使两个电极反应不断进行，发生有序的电子转移过程，产生电流，实现化学能向电能的转化。

原电池但是，需要注意，非氧化还原反应一样可以设计成原电池。从能量转化角度看，原电池是将化学能转化为电能的装置；从化学反应角度看，原电池的原理是氧化还原反应中的还原剂失去的电子经外接导线传递给氧化剂，使氧化还原反应分别在两个电极上进行。

形成条件

1.电极材料由两种金属活泼性不同的金属或由金属与其他导电的材料（非金属或某些氧化物等）组成。

2.电解质存在。

3.两电极之间有导线连接，形成闭合回路。

4.发生的反应是自发的氧化还原反应。

只要具备前三个条件就可构成原电池。而化学电源因为要求可以提供持续而稳定的电流，所以除了必须具备原电池的三个构成条件之外，还要求有自发进行的化学反应。也就是说，化学电源必须是原电池，但原电池不一定都能做化学电池。

形成前提：总反应为自发的化学反应。

常见电极

a.活泼性不同的金属：如锌铜原电池，锌作负极，铜作正极；

b.金属和非金属（非金属必须能导电）：如锌锰干电池，锌作负极，石墨作正极；

c.金属与化合物如：铅蓄电池，铅板作负极，二氧化铅作正极；

d.惰性电极如：氢氧燃料电池，电极均为铂。

电极判断

负极：电子流出的一极（负极定义）；化合价升高的一极；发生氧化反应的一极；活泼性相对较强（有时候也要考虑到电解质溶液对两极的影响）金属的一极。（仅适用于原电池）

正极：电子流入的一极（正极定义）；化合价降低的一极；发生还原反应的一极；相对不活泼（有时候也要考虑到电解质溶液对两极的影响）的金属或其它导体的一极。（仅适用于原电池）

阳极：发生氧化反应的电极（阳极定义）

阴极：发生还原反应的电极（阴极定义）

在原电池中，外电路为电子导电，电解质溶液中为离子导电。

表示方法

原电池为书写简便，原电池的装置常用方便而科学的符号来表示。其写法习惯上遵循如下几点规定：

1. 一般把负极（如Zn棒与Zn离子溶液）写在电池符号表示式的左边，正极（如Cu棒与Cu离子溶液）写在电池符号表示式的右边。

2. 以化学式表示电池中各物质的组成，溶液要标上活度或浓度（mol/L），若为气体物质应注明其分压(Pa)，还应标明当时的温度。如不写出，则温度为298.15K，气体分压为101.325kPa，溶液浓度为1mol/L。

3. 以符号“∣”表示不同物相之间的接界，用“‖”表示盐桥。同一相中的不同物质之间用“，”隔开。

4. 非金属或气体不导电，因此非金属元素在不同氧化值时构成的氧化还原电对作半电池时，需外加惰性导体（如原电池铂或石墨等）做电极导体。其中，惰性导体不参与电极反应，只起导电（输送或接送电子）的作用，故称为“惰性”电极。

按上述规定，Cu－Zn原电池可用如下电池符号表示：

（-）Zn(s)∣Zn (C)‖Cu(C)∣ Cu(s) （+）

理论上，任何氧化还原反应都可以设计成原电池，例如反应:

Cl2+ 2H ═ 2Cl+H2此反应可分解为两个半电池反应：

负极：2H═ H2+ 2e（氧化反应）

正极：Cl2+2e═ 2Cl（还原反应）

该原电池的符号为：

（-）Pt∣ I2(s)∣I- (C)‖Cl- (C)∣C2(PCL2) ∣Pt（+）

应用

1、直接转换成电能输出的装置。又称化学电池。由于各种型号的原电池氧化还原反应的可逆性很差，放完电后，不能重复使用，故又称一次电池。它通常由正电极、负电极、电解质、隔离物和壳体构成，可制成各种形状和不同尺寸，使用方便。广泛用于工农业、国防工业和通信、照明、医疗等部门原电池，并成为日常生活中收音机、录音机、照相机、计算器、电子表、玩具、助听器等常用电器的电源。原电池一般按负极活性物质（如锌、镉、镁、锂等）和正极活性物质（如锰、汞、二氧化硫、氟化碳等）分为锌锰电池、锌空气电池、锌银电池、锌汞电池、镁锰电池、锂氟化碳电池、锂二氧化硫电池等。锌锰电池产量最大，常按电解质分为氯化铵型和氯化锌型，并按其隔离层分为糊式电池和低极电池。以氢氧化钾为电解质的锌锰电池，由于其负极(锌)的构造与其他锌锰电池不同而习惯上另作一类，称为碱性锌锰电池，简称碱锰电池，俗称碱性电池。

2、金属的腐蚀与防护

①改变金属内部结构(如把钢中加Cr、Ni制成不锈钢)

②在金属表面覆盖保护层

a、在钢铁表面涂矿物性油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料等物质。

b、用电镀、热镀、喷镀的方法，在钢铁表面镀上一层不易被腐蚀的金属。

c、用化学方法使钢铁表面生成一层致密而稳定的氧化膜。（表面钝化）

③电化学保护法

a外加电流的阴极保护法(把被保护的设备与外接电源的负极相连)

b牺牲阳极的阴极保护法（被保护的设备与活泼的金属相连接）

3、判断金属的活泼性

4、加快反应速率

常见电池

锌锰干电池

锌－锰电池具有原材料来源丰富、工艺简单，价格便宜、使用方便等优点，成为人们使用最多、最广泛的电池品种。锌－锰电池以锌为负极，以二氧化锰为正极。按照基本结构，锌－锰电池可制成圆筒形、扣式和扁形，扁形电池不能单个使用，可组合叠层电池（组）。按照所用电解液的差别将锌－锰电池分为三个类型：

(1)铵型锌－锰电池：电解质以氯化铵为主，含少量氯化锌。

电池符号:(-) Zn│NH4Cl·ZnCl2│MnO2 │C（石墨）(+)

总电池反应： Zn+2NH4Cl+2MnO2=[Zn(NH3)2]Cl2+Mn2O3+H2O

(2) 锌型锌－锰电池：又称高功率锌－锰电池，电解质为氯化锌，具有防漏性能好，能大功率放电及能量密度较高等优点，是锌－锰电池的第二代产品，20世纪70年代初首先由德国推出。与铵原电池型电池相比锌型电池长时间放电不产生水，因此电池不易漏液。

电池符号：(-) Zn│ZnCl2│MnO2 (+)

总电池反应（长时间放电）：

Zn+2Zn(OH)Cl+6MnO(OH)=ZnCl2·2ZnO·4H2O+2Mn3O4

(3) 碱性锌－锰电池：这是锌－锰电池的第三代产品，具有大功率放电性能好、能量密度高和低温性能好等优点。

电池符号：(-) Zn│KOH│MnO2 (+)

总电池反应： Zn+2H2O+MnO2=Mn(OH)2+Zn(OH)2

锌－锰电池额定开路电压为1.5V，实际开路电压1.5－1.8V ，其工作电压与放电负荷有关，负荷越重或放电电阻越小，闭路电压越低。用于手电筒照明时，典型终止电压为0.9V，某些收音机允许电压降至0.75V。

锂原电池

又称锂电池，是以金属锂为负极的电池总称。锂的电极电势最负相对分子质量最小，导电性良好，可制成一系列贮存寿命长，工作温度范围宽的高能电池。根据电解液和正极物质的物理状态，锂电池有三种不同的类型，即：固体正极—有机电解质电池、液体正极—液体电解质电池、固体正极—固体电解质电池。Li—(CF)n的开路电压为3.3V，比能量为480W·h·L，工作温度在-55~70℃间，在20℃下可贮存10年之久！它们都是研制的新产品，主要用于军事、空间技术等特殊领域，在心脏起搏器等微、小功率场合也有应用。

锂电池与锂离子电池不同。前者是一次电池，后者可反复充电。

蓄电池

蓄电池在放电过程中属于原电池反应。这类电极反应都有电解质溶液参与，如果能分析清楚电解质溶液是否参与电极反应，那么负极的电极反应式和正极的电极反应式的书写就可迎刃而解了。

现以铅酸蓄电池为例来分析电极反应式的书写方法。

铅酸蓄电池的总反应为：Pb+ PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

根据原电池的工作原理分析，负极失去电子发生氧化反应，可知：Pb–2e=Pb①，生成的Pb进入电解质溶液中，Pb与溶液中的SO4不能共存，要继续反应生成PbSO4，即：Pb+SO4=PbSO4②，因此在原电池的负极反应式为①+②即：Pb–2e+SO4=PbSO4；正极是得电子发生还原反应的一极，则有:PbO2+2e=Pb+2O①，Pb和O进入溶液中，由于电解质溶液是H2SO4溶液，O在酸性环境中，不能单独存在，可供O结合的微粒有H和H2O，O在酸性环境中优先结合H生成H2O，这样在正极发生的反应有：4H+2O=2H2O②；Pb+SO4=PbSO4③根据以上分析可知正极反应式为①+②+③即：PbO2+2e+SO4+4H=PbSO4+2H2O。（注意：在电极反应式中应遵循电荷守恒和质量守恒；在负极反应式与正极反应式相加求总反应时要注意得失电子数要相等。）

再如：Ag—Zn高能电池（钮扣电池）由Ag2O、Zn及KOH溶液组成。总反应为：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag

根据原电池原理可知：Zn做负，Ag2O做正极，电解质溶液为KOH溶液。负极极失去电子发生氧化反应，则负极反应为：Zn–2e=Zn，Zn进入溶液后又与溶液中的OH反应Zn+2OH=Zn(OH)2。

所以负极反应为：Zn–2e+2OH=Zn(OH)2;

正极为Ag2O得到电子发生还原反应，即Ag2O+2e=2Ag+O;

O在中性或碱性环境中也不能单独存在，只能结合H2O生成OH，故在中性或碱性条件下O+H2O=2OH，所以正极反应式为：Ag2O+2e+H2O=2Ag+2OH。

原电池腐蚀

原电池腐蚀亦称电偶腐蚀或双金属腐蚀。是由相互接触的两种不同金属材料与周围导电溶液组成原电池而引起的电化学腐蚀(见腐蚀类型)。其中作为阳极的金属发生溶解，造成蚀损; 作为阴极的金属，则往往得到保护。海洋开发中的机械设备和各种构筑物经常是用不同金属材料制造的，周围海水又是导电性良好的电解质溶液，所原电池以，原电池腐蚀颇为常见。原电池腐蚀与不同金属材料在海水中的自然电势之差，以及它们的相对面积之比和距离有关。电势相差越大，阴极面积越大，阳极极化越小，回路电阻越小，则阳极腐蚀情况越严重; 反之亦然。在海洋大气带，原电池腐蚀一般只局限在不同金属连接处附近，属于局部原电池腐蚀。在海水全浸条件下，原电池作用可以远至百米，例如青铜螺旋桨和船体裸露钢板之间，可以构成大型原电池而造成船体腐蚀。

控制或减轻原电池腐蚀的措施有：

1、在设计和施工中尽量避免或消除形成原电池的可能因素，例如选用相同材料或自然电势相近的材料制做整体结构;

2、避免不同金属材料，特别是自然电势相差较大的材料直接接触，必要时应使两者之间保持良好的绝缘;

3、尽量减小阴极区的相对面积，包括在阴极区面上涂漆覆盖;

4、设计阳极区部件时可考虑便于更换或加大余量;

5、适当选用缓蚀剂(见缓蚀剂);

6、施加阴极保护(见阴极保护)等。

电极反应

负极：活泼金属失电子，看阳离子能否在电解液中大量存在。如果金属阳离子不能与电解液中的离子共存，则进行进一步的反应。例：甲烷燃料电池中，电解液为KOH，负极甲烷失8个电子生成CO2和H2O，但CO2不能与OH共存，要进一步反应生成碳酸根。

正极：①当负极材料能与电解液直接反应时，溶液中的阳离子得电子。例：锌铜原电池中，电解液为HCl，正极H得电子生成H2。②当负极材料不能与电解液反应时，溶解在电解液中的O2得电子。如果电解液呈酸性，O2+4e+4H==2H2O；如果电解液呈中性或碱性，O2+4e+2H2O==4OH。

特殊情况:Mg-Al-NaOH，极。负极：Al-3e+4OH==AlO2+2H2O；正极：2H2O+2e==H2↑+2OH

Cu-Al-HNO3，Cu作负极。

注意：Fe作负极时，氧化产物是Fe而不可能是Fe；肼（N2H4）和NH3的电池反应产物是H2O和N2

无论是总反应，还是电极反应，都必须满足电子守恒、电荷守恒、质量守恒。

pH变化规律

电极周围：消耗OH(H)，则电极周围溶液的pH减小（增大）；反应生成OH(H)，则电极周围溶液的pH增大（减小）。切记，电极周围只要消耗OH，PH就减小，不会受“原电池中OH（阴离子）向负极移动”的影响。

溶液：若总反应的结果是消耗OH(H)，则溶液的pH减小（增大）；若总反应的结果是生成OH(H)，则溶液的pH增大（减小）；若总反应消耗和生成OH(H)的物质的量相等，则溶液的pH由溶液的酸碱性决定，溶液呈碱性则pH增大，溶液呈酸性则pH减小，溶液呈中性则pH不变。

1．Cu─H2SO4─Zn原电池

正极：2H +2e →H2↑

负极：Zn-2e →Zn

总反应式：Zn+2HZn+H2↑

2．Cu─FeCl3─C原电池

正极：2Fe + 2e →2Fe

负极：Cu-2e →Cu

总反应式：2Fe +Cu→2Fe +Cu

3．钢铁在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀

正极：O2+2H2O+4e →4OH

负极：2Fe-4e→2Fe

总反应式：2Fe+O2+2H2O→2Fe(OH)2

4．氢氧燃料电池（碱性介质）

正极：O2+2H2O+4e →4OH

负极：2H2-4e +4OH →4H2O

总反应式：2H2+O2→2H2O

5．氢氧燃料电池（酸性介质）

正极：O2+4H + 4e→2H2O

负极：2H2-4e →4H

总反应式：2H2+O2→2H2O

6．氢氧燃料电池（中性介质）

正极：O2+2H2O+4e → 4OH

负极：2H2-4e →4H

总反应式：2H2+O2→2H2O

7．铅蓄电池（放电）

正极 (PbO2) ：

PbO2+2e +SO4 +4H →PbSO4+2H2O

负极 (Pb) ：Pb-2e +SO4 →PbSO4

总反应式：

Pb+PbO2+4H+2SO4=2PbSO4+2H2O

8．Al─NaOH─Mg原电池

正极：6H2O+6e →3H2↑+6OH

负极：2Al-6e +8OH →2AlO2+4H2O

总反应式：2Al+2OH +2H2O=2AlO2 + 3H2↑

9．CH4燃料电池(碱性介质)

正极：2O2+4H2O+8e →8OH

负极：CH4-8e +10OH →CO3+7H2O

总反应式：CH4+2O2+2OH=CO3+3H2O

10．熔融碳酸盐燃料电池

（Li2CO3和Na2CO3熔融盐作电解液，CO作燃料）：

正极：O2+2CO2+4e →2CO3(持续补充CO2气体)

负极：2CO+2CO3-4e →4CO2

总反应式：2CO+O2=2CO2

11．银锌纽扣电池(碱性介质)

正极 (Ag2O) ：Ag2O+H2O+2e →2Ag+2OH

负极 (Zn) ：Zn+2OH-2e →ZnO+H2O

总反应式：Zn+Ag2O=ZnO+2Ag

12. 碱性锌锰电池（KOH介质）

正极(MnO2)：2MnO2+2H2O+2e →2MnOOH+2OH

负极(Zn)：Zn+2OH-2e →Zn(OH)2

总反应式：Zn+2MnO2+2H2O→2MnOOH+Zn(OH)2

标准

为安全使用和处理原电池，2009年4月29日，中国国家标准化管理委员会（SAC）发布了国家标准《民用原电池安全通用要求》。本标准规定了民用原电池的分类、安全性能要求、标志、电池选购、使用、更换和处理指南、电器具的电池舱安全设计指南。

本标准适用于民用的各类水溶液电解质原电池（碱性和非碱性锌-二氧化锰电池、锌-氧化银电池、锌-羟基氧化镍电池、碱性和中性锌-空气电池）以及各类锂原电池（锂-氟化碳电池、锂-二氧化锰电池、锂-亚硫酰氯电池、锂-二硫化铁电池、锂-二氧化硫和锂-氧化铜电池等）的生产、检测和验收。