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铜锌原电池 金属的电极电势(electrode potential)

2014-02-20 14:57阅读：

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　　(g): gas ——表示气体
　　(s): solid——表示固体
　　(aq): aqueous——表示溶液，准确的是水溶液
　　(l): liquid——表示液体
　　在铜锌原电池中，为什么检流计的指针总是指向一个方向，即电子总是从Zn传递给Cu2+，而不是从Cu传递给Zn2+呢?
铜锌原电池 <wbr>金属的电极电势(electrode <wbr>potential)
　　当将像锌这样的金属插入含有该金属离子的盐溶液中时，由于极性很大的水分子吸引构成晶格的金属离子，从而使金属锌具有一种以水合离子的形式进入金属表面附近的溶液中的趋势，由于锌棒失去电子成了水合锌离子:
　　Zn(s) → Zn2+ (aq) + 2e-
　　带有负电荷，而电极表面附近的溶液由于有过多的Zn2+而带正电荷。开始时，溶液中过量的金属离子浓度较小，溶解速度较快。随着锌的不断溶解，溶液中锌离子浓度增加，同时锌棒上的电子也不断增加，于是就阻碍了锌的继续溶解。另一方面，溶液中的水合锌离子由于受其他锌离子的排斥作用和受锌棒上电子的吸引作用，又有从金属锌表面获得电子而沉积在金属表面的倾向:
　　Zn2+(aq) + 2e- → Zn(s)
　　而且随着水合锌离子浓度和锌棒上电子数目的增加，沉积速度不断增大。当溶解速度和沉积速度相等时，达到了动态平衡:
　　Zn(s) = Zn2+ (aq) + 2e-
　　这样，金属锌棒带负电荷，在锌棒附近的溶液中就有较多的Zn2+离子吸引在金属表面附近，结果金属表面附近的溶液所带的电荷与金属本身所带的电荷恰好相反，形成一个双电层，如图所示。双电层之间存在电位差，这种由于双电层的作用在金属和它的盐溶液之间产生的电位差，就叫做金属的电极电势(electrode potential)。
铜锌原电池 <wbr>金属的电极电势(electrode <wbr>potential)
　　电极电势的大小除与电极的本性有关外，还与温度、介质及离子浓度等因素有关。当外界条件一定时，电极电势的大小只取决于电极的本性。
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　　【电极电势产生的原因】
　　原电池产生电流的原因则是由于电极电势的产生。
　　德国科学家W. Nernst对电极电势产生机理作了较好的解释。他认为：
　　当金属加入到盐溶液中时，金属表面上的金属离子受极性很大的水分子吸引，离开金属而溶解于溶液中;另一方面，溶液中的金属离子可沉积到金属的表面上。
　　金属越活泼，金属溶解的趋势越大;溶液浓度越大，金属离子沉积的趋势也越大。当金属与溶液间溶解与沉积的速率相等时，就达到动态平衡。此时，如溶解趋势大于沉积趋势，金属表面因自由电子过剩而带负电荷;相反，沉积趋势较大时，可使金属带正电荷。
　　如果金属带负电荷，则金属附近溶液中的正离子会被吸引到金属的表面附近，而负离子则受到金属的排斥。因此在金属周围就聚集较多的正离子，金属与溶液之间形成了双电层，从而产生电势差，这种电势差就是金属电极的电极电势。
　　常见的电极类型有以下四种：
　　1). 金属金属离子电极: 如Zn2+|Zn
　　2). 气体离子电极: 这类电极需要外加惰性固体导电材料如Pt|H2(g)|H+(aq)
　　3). 金属金属难溶盐或氧化物阴离子电极，将金属表面涂以该金属的难溶盐(或氧化物)，然后将它浸在与该盐具有相同阴离子的溶液中，如：Ag(s)|AgCl(s)|Cl-(aq)
　　4). “氧化还原”电极，是将惰性导电材料(铂或石墨)放在一种溶液中，这种溶液含有同一元素不同氧化数的两种离子,如：Pt|Fe3+(aq),Fe2+(aq)
　　2. 标准电极电势(standard single electrode potential)
　　原电池由两个半电池组合。原电池的电动势可以测定出来。但每个电极的电极电势绝对值无法测出来。国际上通常将标准氢电极的电极电势人为地规定为零。然后将任一电极与标准氢电极组成原电池，测定电动势，为该电极的电极电势j。
　　E=j (正极)-j(负极)
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　　【原电池】
　　利用自发化学反应产生电流的装置叫原电池。分为可逆电池和不可逆电池。任何一个氧化还原反应都可装置成一个原电池。
　　1. 原电池的组成
　　氧化还原电对(redox couple)：由氧化态的物质和对应的还原态的物质组成电极，氧化态的物质和对应的还原态的物质叫做氧化还原电对。每个原电池都有两对氧化还原电对
　　一个电池由两个半反应组成,每个半反应都是由两种物质组成：相同聚集状态(相同相态)的同一元素不同价态物质可组成氧化还原电对，在电池符号中两者用“,”号隔开。如：
　　Fe2+(c)，Fe3+(c)及PbSO4(S)，PbO2(S)
　　Zn2+(aq)/Zn Cu2+(aq)/Cu
　　2. 可逆电池
　　可逆电池须为满足下列条件电池：
　　①热力学上可逆，即通过原电他的电流无限小，使电池内部始终无限近于平衡状态;②电极反应也是可逆的，即在化学上为可逆反应，否则为不可逆电池。
　　例如Daniell电池：
铜锌原电池 <wbr>金属的电极电势(electrode <wbr>potential)
　　图13-1 Daniell 电池示意图
　　利用原电池电动势测量的电路将K点(此点电池的电动势等于标准电池作用于原电池中的电动势)稍许左移，则原电池的电动势大于标准电池作用于原电池中的电动势，Daniell电池的电极反应为：
　　正极：Cu2+ (aq)十2e→Cu(s)，负极：Zn(s)一2e→Zn2+(aq)
　　总反应为：Zn(s)+Cu2+(aq)→Zn2+(aq)+Cu(s)
　　若将K点在原平衡位置稍向右移，则原电池电动势小于标准电流对原电池电路中作用的电动势，此时将发生Cu|Cu2+电极因与标准电池的正极相连而失去电子，而Zn|Zn2+电池与标准电池的负极相连而得到电子，电极反应如下：
　　铜电极：Cu(s)—2e→Cu2+(aq)，锌电极：Zn2++2e→Zn(s)
　　总反应为：Cu(s)十Zn2+(aq)→Zn(s)+Cu2+(aq)
　　可见，上述两总反应式互为可逆反应，从而满足了可逆电池应具备的两个条件。
　　铜锌原电池的结构通常可以形象化地用下列电池符号来表示：
　　(-)Zn|ZnSO4(c1)‖CuSO4(c2)|Cu(+)
　　习惯上把负极写在左边，表示由Zn片和Zn2+溶液组成负极;正极写在右边，表示由Cu片和Cu2+溶液组成了正极。金属Zn和Zn2+溶液之间用单竖线“|”分开表示物相界面;正负两极之间用双竖线“‖”分开代表盐桥(salt bridge)。溶液的浓度和气体的分压也应注明，当溶液中有两种离子参与电极反应，可用逗号“，”把它们分开。

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