任何自發(fā)的氧化還原反應(yīng)(ΔrGm<0)均為電子從還原劑轉(zhuǎn)移到氧化劑的過程。例如將Zn片插入H2SO4溶液中,Zn與H2SO4便發(fā)生下列反應(yīng):
Zn(s)+2H (aq)=Zn2 (aq)+H2(g)
由于Zn和H2SO4直接接觸,電子從Zn原子直接轉(zhuǎn)移給H 離子,因而得不到有序的電子流。隨著氧化還原反應(yīng)的進行,溶液溫度將有所升高,即反應(yīng)中放出的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/font>
在盛有ZnSO4溶液的燒杯中放入Zn片,在另一燒杯中將鍍有鉑黑的鉑片放入稀硫酸溶液中,并于25℃下不斷通入純氫氣以使鉑黑吸附達到飽和。用鹽橋把兩個燒杯聯(lián)通起來,當(dāng)接通外電路時,發(fā)現(xiàn)有電流通過。這種借助氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成電能的裝置稱為原電池。
鋅電極發(fā)生反應(yīng)是:
Zn(s)=Zn2 (aq)+2e- 負(fù)極(也叫陽極)
其電子流向外電路的電極稱為負(fù)極,所以這里Zn電極為負(fù)極(又因為發(fā)生氧化反應(yīng)的叫陽極,所以Zn電極也叫陽極)。
氫電極發(fā)生的反應(yīng)是:
2H (aq)+2e-=H2(g) 正極(也叫陰極)
接受從外電路流入的電子的電極稱為正極,所以這里氫電極為正極(又因為發(fā)生還原反應(yīng)的叫陰極,所以氫電極也叫陰極)。
電池總反應(yīng)是將正、負(fù)極反應(yīng)按得失電子相等的原則合并得到:
Zn(s)+2H (aq)=Zn2 (aq)+H2(g)
由上例可見,任何一個自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)原則上都可以組成原電池。氧化劑與其對應(yīng)的被還原的產(chǎn)物(如H 和H2)組成電池的正極,還原劑與其被氧化的產(chǎn)物(如Zn與Zn2 )組成電池的負(fù)極:
原電池的裝置也可用電池符號來表示,例如上述原電池的電池符號為
習(xí)慣上把電池的負(fù)極寫在左邊,正極寫在右邊,以“|”表示相界面,以“ ”表示鹽橋。
半電池中必須包含兩類物質(zhì),一類是還原態(tài)物質(zhì),另一類是相應(yīng)的氧化態(tài)物質(zhì)。氧化態(tài)物質(zhì)與還原態(tài)物質(zhì)組成氧化還原電對,簡稱電對,以“氧化態(tài)/還原態(tài)”來表示。例如鋅電極的電對為Zn2 /Zn,這類電極稱金屬電極。
非金屬元素及其離子組成非金屬電極。例如,電對:H /H2,電極符號為H |H2,Pt,這里Pt不參加電極反應(yīng),只起吸附氣體和傳遞電子的作用,所以叫惰性電極。有時也可用石墨等作惰性電極。
同一種金屬的不同價態(tài)的離子也可組成氧化還原電極。例如電對:
在金屬表面覆蓋一層該金屬的難溶鹽,然后浸入含有該難溶鹽的負(fù)離子的溶液中,可構(gòu)成難溶鹽電極。如:電對:AgCl/Ag,電極符號為Ag|AgCl,Cl-;甘汞電極的電對:Hg2Cl2/Hg,電極符號為Pt,Hg(1)|Hg2Cl2,Cl-。