中國林蛙
[拼音]:dianchi
[英文]:cell
電化學的反應器。其中發生的電化學過程有兩種型別:一種是利用電來推動本來不能自發進行的化學反應發生,這就是電解過程,例如電解制鋁、電解食鹽水制氯和燒鹼等,此時電能轉化為化學能;另一種是上述的逆過程,即利用自發化學反應產生電,如干電池的放電過程,此時化學能轉化為電能。無論是哪類電化學過程,都必須通過電池才能進行。當用於電解時,這種電池稱作電解電池;當用於放電時,則稱作自發電池。工業上把前者稱為電解槽,後者稱為化學電源。雖然兩者結構可以差別很大,但本質上是一樣的,化學中統稱電池。為與狹義的日常所說的“電池”(即化學電源)相區別,也可把上述廣義的電池稱作電化學電池。
原理和結構
電池由兩個電極和電極之間的電解質構成(圖1)。
電池的電解質可以是電解質溶液(用水或非水作溶劑)、熔鹽或固體電解質,這些都是離子導體。電池的電極應包括金屬部分和它附近的電解質部分(圖1b),但習慣上電極往往只指它的金屬部分。金屬是電子導體,電解質是離子導體,前者不允許離子通過,而後者又不允許電子通過。因此當電流通過電池時,必須在電極的金屬|電解質介面上發生電子和離子的交換。
圖2
所示是溴化鋅電解電池的方塊示意圖。電池是由兩塊多孔碳(電子導體)插在約1.2Μ 溴化鋅水溶液中構成。當外電源對電池加上一定的直流電壓時(左方為正),電流I將從左方穿過電池流向右方。在電解質相中,Zn2+從左向右遷移,與電流方向一致;Br-從右向左遷移,雖與電流方向相反,但也同樣對電流作出了貢獻。Zn2+和Br-對總電流所作貢獻的百分數由它們的遷移數來確定。
左方電極因外電壓之作用,碳相中產生電子匱乏,Br-達到碳|溶液介面就把電子傳遞給碳而成為溴:
2Br-─→Br2(液)+2e
故左極發生了氧化反應,稱為陽極。右方電極碳因外電壓作用發生電子的過剩,Zn2+ 遷移到碳|溶液介面就與電子結合生成金屬鋅沉積物:
Zn2++2e─→Zn
故右極發生了還原反應,稱為陰極。電池中的總反應為:
ZnBr2─→Zn+Br2
這樣在外電壓作用下,本來在水溶液中穩定的溴化鋅分別在兩個電極上以鋅和溴析出。通過實驗可知,所加外電壓必須大於1.8伏(25℃),小於1.8伏時上述電解不可能發生。
如果在經過一段時間電解後,撤去外電壓,就可以測出上述電池本身的電勢仍維持在 1.8伏左右。這是因為左方電極的多孔碳中保留著溴,右方保留著鋅,使電池左方電極實際上成為溴電極 (C|Br2|Br-),右方成為鋅電極(C|Zn|Zn2+),兩者與電解液組成了自發電池。當用導線把它們與外負載相聯時便能對外作功,同時電池電勢下降,直至多孔碳中的溴和鋅耗盡為止。此時電池中發生的是圖2所示的逆過程,電池中電流方向從右至左,電池反應為 Zn+Br2─→ZnBr2。這就是鋅|溴蓄電池,它在充電時所需的最低電壓也就是放電時所能提供的最高電勢(約1.8伏),這就是C|Br|ZnBr2|Zn電池的平衡電勢,或稱電動勢。顯然,電池電動勢E
應是左、右兩電極的平衡電勢E
之差(不通電時):
當電池通電時,電極電勢發生偏移,這就是電極的超電勢η或極化:
η=E-Ep
同時電解液中也產生了歐姆電勢,即電位降IR。故整個電池的工作電勢E為:
電極的平衡電勢代表電極反應的傾向性,電極的超電勢代表電極反應的推動力,電極的電流代表電極反應的速率。
應用
電池的應用分為兩類;一類是用作化學電源,利用電池中化學能轉變成電能,乾電池、蓄電池和燃料電池是常用的三類化學電源;另一類是用作電解槽,此時是用電來推動化學反應進行,電解、電鍍、電冶金、電拋光和電化學加工屬於這類。