原電池

原電池的發明歷史可追溯到18世紀末期，當時義大利生物學家伽伐尼正在進行著名的青蛙實驗，當用金屬手術刀接觸蛙腿時，發現蛙腿會抽搐。大名鼎鼎的伏特認為這是金屬與蛙腿組織液（電解質溶液）之間產生的電流刺激造成的。1800年，伏特據此設計出了被稱為伏打電堆的裝置，鋅為負極，銀為正極，用鹽水作電解質溶液。1836年，丹尼爾發明了世界上第一個實用電池，並用於早期鐵路信號燈。

原電池反應屬於放熱的反應，一般是氧化還原反應，但區別於一般的氧化還原反應的是，電子轉移不是通過氧化劑和還原劑之間的有效碰撞完成的，而是還原劑在負極上失電子發生氧化反應，電子通過外電路輸送到正極上，氧化劑在正極上得電子發生還原反應，從而完成還原劑和氧化劑之間電子的轉移。兩極之間溶液中離子的定向移動和外部導線中電子的定向移動構成了閉合迴路，使兩個電極反應不斷進行，發生有序的電子轉移過程，產生電流，實現化學能向電能的轉化。

但是，需要注意，非氧化還原反應一樣可以設計成原電池。從能量轉化角度看，原電池是將化學能轉化為電能的裝置；從化學反應角度看，原電池的原理是氧化還原反應中的還原劑失去的電子經外接導線傳遞給氧化劑，使氧化還原反應分別在兩個電極上進行。

1.電極材料由兩種金屬活潑性不同的金屬或由金屬與其他導電的材料（非金屬或某些氧化物等）組成。

2.電解質存在。

3.兩電極之間有導線連接，形成閉合迴路。

4.發生的反應是自發的氧化還原反應。

只要具備前三個條件就可構成原電池。而化學電源因為要求可以提供持續而穩定的電流，所以除了必須具備原電池的三個構成條件之外，還要求有自發進行的化學反應。也就是說，化學電源必須是原電池，但原電池不一定都能做化學電池。

形成前提：總反應為自發的化學反應。

a.活潑性不同的金屬：如鋅銅原電池，鋅作負極，銅作正極；

b.金屬和非金屬（非金屬必須能導電）：如鋅錳乾電池，鋅作負極，石墨作正極；

c.金屬與化合物如：鉛蓄電池，鉛板作負極，二氧化鉛作正極；

d.惰性電極如：氫氧燃料電池，電極均為鉑。

負極：電子流出的一極（負極定義）；化合價升高的一極；發生氧化反應的一極；活潑性相對較強（有時候也要考慮到電解質溶液對兩極的影響）金屬的一極。（僅適用於原電池）

正極：電子流入的一極（正極定義）；化合價降低的一極；發生還原反應的一極；相對不活潑（有時候也要考慮到電解質溶液對兩極的影響）的金屬或其它導體的一極。（僅適用於原電池）

陽極：發生氧化反應的電極（陽極定義）

陰極：發生還原反應的電極（陰極定義）

在原電池中，外電路為電子導電，電解質溶液中為離子導電。

為書寫簡便，原電池的裝置常用方便而科學的符號來表示。其寫法習慣上遵循如下幾點規定：

1. 一般把負極（如Zn棒與Zn離子溶液）寫在電池符號表示式的左邊，正極（如Cu棒與Cu離子溶液）寫在電池符號表示式的右邊。

2. 以化學式表示電池中各物質的組成，溶液要標上活度或濃度（mol/L），若為氣體物質應註明其分壓(Pa)，還應標明當時的溫度。如不寫出，則溫度為298.15K，氣體分壓為101.325kPa，溶液濃度為1mol/L。

3. 以符號“∣”表示不同物相之間的接界，用“‖”表示鹽橋。同一相中的不同物質之間用“，”隔開。

4. 非金屬或氣體不導電，因此非金屬元素在不同氧化值時構成的氧化還原電對作半電池時，需外加惰性導體（如鉑或石墨等）做電極導體。其中，惰性導體不參與電極反應，只起導電（輸送或接送電子）的作用，故稱為“惰性”電極。

按上述規定，Cu－Zn原電池可用如下電池符號表示：

（-）Zn(s)∣Zn (C)‖Cu(C)∣ Cu(s) （+）

理論上，任何氧化還原反應都可以設計成原電池，例如反應:

Cl2+ 2H ═ 2Cl+H2此反應可分解為兩個半電池反應：

負極：2H═ H2+ 2e（氧化反應）

正極：Cl2+2e═ 2Cl（還原反應）

該原電池的符號為：

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

1、直接轉換成電能輸出的裝置。又稱化學電池。由於各種型號的原電池氧化還原反應的可逆性很差，放完電后，不能重複使用，故又稱一次電池。它通常由正電極、負電極、電解質、隔離物和殼體構成，可製成各種形狀和不同尺寸，使用方便。廣泛用於工農業、國防工業和通信、照明、醫療等部門，並成為日常生活中收音機、錄音機、照相機、計算器、電子錶、玩具、助聽器等常用電器的電源。原電池一般按負極活性物質（如鋅、鎘、鎂、鋰等）和正極活性物質（如錳、汞、二氧化硫、氟化碳等）分為鋅錳電池、鋅空氣電池、鋅銀電池、鋅汞電池、鎂錳電池、鋰氟化碳電池、鋰二氧化硫電池等。鋅錳電池產量最大，常按電解質分為氯化銨型和氯化鋅型，並按其隔離層分為糊式電池和低極電池。以氫氧化鉀為電解質的鋅錳電池，由於其負極(鋅)的構造與其他鋅錳電池不同而習慣上另作一類，稱為鹼性鋅錳電池，簡稱鹼錳電池，俗稱鹼性電池。

2、金屬的腐蝕與防護

①改變金屬內部結構(如把鋼中加Cr、Ni製成不鏽鋼)

②在金屬表面覆蓋保護層

a、在鋼鐵表面塗礦物性油脂、油漆或覆蓋搪瓷、塑料等物質。

b、用電鍍、熱鍍、噴鍍的方法，在鋼鐵表面鍍上一層不易被腐蝕的金屬。

c、用化學方法使鋼鐵表面生成一層緻密而穩定的氧化膜。（表面鈍化）

③電化學保護法

a外加電流的陰極保護法(把被保護的設備與外接電源的負極相連)

b犧牲陽極的陰極保護法（被保護的設備與活潑的金屬相連接）

3、判斷金屬的活潑性

4、加快反應速率

鋅－錳電池具有原材料來源豐富、工藝簡單，價格便宜、使用方便等優點，成為人們使用最多、最廣泛的電池品種。鋅－錳電池以鋅為負極，以二氧化錳為正極。按照基本結構，鋅－錳電池可製成圓筒形、扣式和扁形，扁形電池不能單個使用，可組合疊層電池（組）。按照所用電解液的差別將鋅－錳電池分為三個類型：

(1)銨型鋅－錳電池：電解質以氯化銨為主，含少量氯化鋅。

電池符號:(-) Zn│NH4Cl·ZnCl2│MnO2 │C（石墨）(+)

總電池反應： Zn+2NH4Cl+2MnO2=[Zn(NH3)2]Cl2+Mn2O3+H2O

(2) 鋅型鋅－錳電池：又稱高功率鋅－錳電池，電解質為氯化鋅，具有防漏性能好，能大功率放電及能量密度較高等優點，是鋅－錳電池的第二代產品，20世紀70年代初首先由德國推出。與銨型電池相比鋅型電池長時間放電不產生水，因此電池不易漏液。

電池符號：(-) Zn│ZnCl2│MnO2 (+)

總電池反應（長時間放電）：

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

(3) 鹼性鋅－錳電池：這是鋅－錳電池的第三代產品，具有大功率放電性能好、能量密度高和低溫性能好等優點。

電池符號：(-) Zn│KOH│MnO2 (+)

總電池反應： Zn+2H2O+MnO2=Mn(OH)2+Zn(OH)2

鋅－錳電池額定開路電壓為1.5V，實際開路電壓1.5－1.8V ，其工作電壓與放電負荷有關，負荷越重或放電電阻越小，閉路電壓越低。用於手電筒照明時，典型終止電壓為0.9V，某些收音機允許電壓降至0.75V。

又稱鋰電池，是以金屬鋰為負極的電池總稱。鋰的電極電勢最負相對分子質量最小，導電性良好，可製成一系列貯存壽命長，工作溫度範圍寬的高能電池。根據電解液和正極物質的物理狀態，鋰電池有三種不同的類型，即：固體正極—有機電解質電池、液體正極—液體電解質電池、固體正極—固體電解質電池。Li—(CF)n的開路電壓為3.3V，比能量為480W·h·L，工作溫度在-55~70℃間，在20℃下可貯存10年之久！它們都是研製的新產品，主要用于軍事、空間技術等特殊領域，在心臟起搏器等微、小功率場合也有應用。

鋰電池與鋰離子電池不同。前者是一次電池，後者可反覆充電。

蓄電池在放電過程中屬於原電池反應。這類電極反應都有電解質溶液參與，如果能分析清楚電解質溶液是否參與電極反應，那麼負極的電極反應式和正極的電極反應式的書寫就可迎刃而解了。

現以鉛酸蓄電池為例來分析電極反應式的書寫方法。

鉛酸蓄電池的總反應為：Pb+ PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

根據原電池的工作原理分析，負極失去電子發生氧化反應，可知：Pb–2e=Pb①，生成的Pb進入電解質溶液中，Pb與溶液中的SO4不能共存，要繼續反應生成PbSO4，即：Pb+SO4=PbSO4②，因此在原電池的負極反應式為①+②即：Pb–2e+SO4=PbSO4；正極是得電子發生還原反應的一極，則有:PbO2+2e=Pb+2O①，Pb和O進入溶液中，由於電解質溶液是H2SO4溶液，O在酸性環境中，不能單獨存在，可供O結合的微粒有H和H2O，O在酸性環境中優先結合H生成H2O，這樣在正極發生的反應有：4H+2O=2H2O②；Pb+SO4=PbSO4③根據以上分析可知正極反應式為①+②+③即：PbO2+2e+SO4+4H=PbSO4+2H2O。（注意：在電極反應式中應遵循電荷守恆和質量守恆；在負極反應式與正極反應式相加求總反應時要注意得失電子數要相等。）

再如：Ag—Zn高能電池（鈕扣電池）由Ag2O、Zn及KOH溶液組成。總反應為：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag

根據原電池原理可知：Zn做負，Ag2O做正極，電解質溶液為KOH溶液。負極極失去電子發生氧化反應，則負極反應為：Zn–2e=Zn，Zn進入溶液后又與溶液中的OH反應Zn+2OH=Zn(OH)2。

所以負極反應為：Zn–2e+2OH=Zn(OH)2;

正極為Ag2O得到電子發生還原反應，即Ag2O+2e=2Ag+O;

O在中性或鹼性環境中也不能單獨存在，只能結合H2O生成OH，故在中性或鹼性條件下O+H2O=2OH，所以正極反應式為：Ag2O+2e+H2O=2Ag+2OH。

原電池腐蝕亦稱電偶腐蝕或雙金屬腐蝕。是由相互接觸的兩種不同金屬材料與周圍導電溶液組成原電池而引起的電化學腐蝕(見腐蝕類型)。其中作為陽極的金屬發生溶解，造成蝕損; 作為陰極的金屬，則往往得到保護。海洋開發中的機械設備和各種構築物經常是用不同金屬材料製造的，周圍海水又是導電性良好的電解質溶液，所以，原電池腐蝕頗為常見。原電池腐蝕與不同金屬材料在海水中的自然電勢之差，以及它們的相對面積之比和距離有關。電勢相差越大，陰極面積越大，陽極極化越小，迴路電阻越小，則陽極腐蝕情況越嚴重; 反之亦然。在海洋大氣帶，原電池腐蝕一般只局限在不同金屬連接處附近，屬於局部原電池腐蝕。在海水全浸條件下，原電池作用可以遠至百米，例如青銅螺旋槳和船體裸露鋼板之間，可以構成大型原電池而造成船體腐蝕。

控制或減輕原電池腐蝕的措施有：

1、在設計和施工中盡量避免或消除形成原電池的可能因素，例如選用相同材料或自然電勢相近的材料製做整體結構;

2、避免不同金屬材料，特別是自然電勢相差較大的材料直接接觸，必要時應使兩者之間保持良好的絕緣;

3、盡量減小陰極區的相對面積，包括在陰極區面上塗漆覆蓋;

4、設計陽極區部件時可考慮便於更換或加大余量;

5、適當選用緩蝕劑(見緩蝕劑);

6、施加陰極保護(見陰極保護)等。

負極：活潑金屬失電子，看陽離子能否在電解液中大量存在。如果金屬陽離子不能與電解液中的離子共存，則進行進一步的反應。例：甲烷燃料電池中，電解液為KOH，負極甲烷失8個電子生成CO2和H2O，但CO2不能與OH共存，要進一步反應生成碳酸根。

正極：①當負極材料能與電解液直接反應時，溶液中的陽離子得電子。例：鋅銅原電池中，電解液為HCl，正極H得電子生成H2。②當負極材料不能與電解液反應時，溶解在電解液中的O2得電子。如果電解液呈酸性，O2+4e+4H==2H2O；如果電解液呈中性或鹼性，O2+4e+2H2O==4OH。

特殊情況:Mg-Al-NaOH，極。負極：Al-3e+4OH==AlO2+2H2O；正極：2H2O+2e==H2↑+2OH

Cu-Al-HNO3，Cu作負極。

注意：Fe作負極時，氧化產物是Fe而不可能是Fe；肼（N2H4）和NH3的電池反應產物是H2O和N2

無論是總反應，還是電極反應，都必須滿足電子守恆、電荷守恆、質量守恆。

pH變化規律

電極周圍：消耗OH(H)，則電極周圍溶液的pH減小（增大）；反應生成OH(H)，則電極周圍溶液的pH增大（減小）。切記，電極周圍只要消耗OH，PH就減小，不會受“原電池中OH（陰離子）向負極移動”的影響。

溶液：若總反應的結果是消耗OH(H)，則溶液的pH減小（增大）；若總反應的結果是生成OH(H)，則溶液的pH增大（減小）；若總反應消耗和生成OH(H)的物質的量相等，則溶液的pH由溶液的酸鹼性決定，溶液呈鹼性則pH增大，溶液呈酸性則pH減小，溶液呈中性則pH不變。

1．Cu─H2SO4─Zn原電池

正極：2H +2e →H2↑

負極：Zn-2e →Zn

總反應式：Zn+2HZn+H2↑

2．Cu─FeCl3─C原電池

正極：2Fe + 2e →2Fe

負極：Cu-2e →Cu

總反應式：2Fe +Cu→2Fe +Cu

3．鋼鐵在潮濕的空氣中發生吸氧腐蝕

正極：O2+2H2O+4e →4OH

負極：2Fe-4e→2Fe

總反應式：2Fe+O2+2H2O→2Fe(OH)2

4．氫氧燃料電池（鹼性介質）

正極：O2+2H2O+4e →4OH

負極：2H2-4e +4OH →4H2O

總反應式：2H2+O2→2H2O

5．氫氧燃料電池（酸性介質）

正極：O2+4H + 4e→2H2O

負極：2H2-4e →4H

總反應式：2H2+O2→2H2O

6．氫氧燃料電池（中性介質）

正極：O2+2H2O+4e → 4OH

負極：2H2-4e →4H

總反應式：2H2+O2→2H2O

7．鉛蓄電池（放電）

正極 (PbO2) ：

PbO2+2e +SO4 +4H →PbSO4+2H2O

負極 (Pb) ：Pb-2e +SO4 →PbSO4

總反應式：

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

8．Al─NaOH─Mg原電池

正極：6H2O+6e →3H2↑+6OH

負極：2Al-6e +8OH →2AlO2+4H2O

總反應式：2Al+2OH +2H2O=2AlO2 + 3H2↑

9．CH4燃料電池(鹼性介質)

正極：2O2+4H2O+8e →8OH

負極：CH4-8e +10OH →CO3+7H2O

總反應式：CH4+2O2+2OH=CO3+3H2O

10．熔融碳酸鹽燃料電池

（Li2CO3和Na2CO3熔融鹽作電解液，CO作燃料）：

正極：O2+2CO2+4e →2CO3(持續補充CO2氣體)

負極：2CO+2CO3-4e →4CO2

總反應式：2CO+O2=2CO2

11．銀鋅紐扣電池(鹼性介質)

正極 (Ag2O) ：Ag2O+H2O+2e →2Ag+2OH

負極 (Zn) ：Zn+2OH-2e →ZnO+H2O

總反應式：Zn+Ag2O=ZnO+2Ag

12. 鹼性鋅錳電池（KOH介質）

正極(MnO2)：2MnO2+2H2O+2e →2MnOOH+2OH

負極(Zn)：Zn+2OH-2e →Zn(OH)2

總反應式：Zn+2MnO2+2H2O→2MnOOH+Zn(OH)2

為安全使用和處理原電池，2009年4月29日，中國國家標準化管理委員會（SAC）發布了國家標準《民用原電池安全通用要求》。本標準規定了民用原電池的分類、安全性能要求、標誌、電池選購、使用、更換和處理指南、電器具的電池艙安全設計指南。

本標準適用於民用的各類水溶液電解質原電池（鹼性和非鹼性鋅-二氧化錳電池、鋅-氧化銀電池、鋅-羥基氧化鎳電池、鹼性和中性鋅-空氣電池）以及各類鋰原電池（鋰-氟化碳電池、鋰-二氧化錳電池、鋰-亞硫醯氯電池、鋰-二硫化鐵電池、鋰-二氧化硫和鋰-氧化銅電池等）的生產、檢測和驗收。