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第二節 簡單化學電池的改良
簡單化學電池的改良

簡單化學電池是一種能夠提供電能的裝置。但是，由於鋅片上失去的電子容易直接被溶液中氫離子獲得，導致簡單化學電池效率低且電壓不穩定。為此，化學家們發明了鹽橋和多孔裝置來解決這個問題。

鹽橋改良的簡單化學電池

鹽橋是用來連接兩個「半電池」的橋樑，從而維持完整的閉合回路。其中，半電池是由金屬電極及其相應的電解質溶液組成的，也稱為（金屬）半電池。

仔細觀察下面的影片，了解利用鹽橋改良簡單化學電池的原理以及理解鹽橋的功能，並回答右側的問題。

用鹽橋改良的化學電池的組成和原理
鹽橋的製作和功能

鹽橋的製作很簡單，只要將一片濾紙浸在適當的鹽溶液中就可以了。其中，鹽溶液不與電池內的物質發生化學反應。

根據影片的描述，以下哪些關於鹽橋功能的描述是正確的？

連接兩種電解質溶液，形成閉合回路

避免兩種電解質溶液直接混合

提供離子，中和電解質溶液中過量的電荷

提供離子通道，允許電解質溶液中的離子自由游動

提供電子通道，允許電子在電解質溶液之間自由游動

鹽橋的兩項功能：

  1. 連接兩個電解質溶液，從而形成閉合回路。
  2. 提供能夠流入半電池的離子，避免溶液中積累過多的帶正電荷和負電荷離子，保證反應持續進行。
簡單化學電池的工作原理

由鹽橋組成的化學電池是如何產生電流呢？通過右側的影片，思考以下哪些描述是正確的？

鋅片失去的電子經導線轉移到銅片上，被銅(II) 離子獲得

鋅片失去的電子經鹽橋轉移到另一個電解質溶液中，被銅(II) 離子獲得

鹽橋中的陽離子轉移到鋅半電池；陰離子轉移到銅半電池

鹽橋中的陽離子轉移到銅半電池；陰離子轉移到鋅半電池

鋅半電池內溶液顏色變藍；銅半電池內溶液顏色變淡

鹽橋的顏色變藍

鋅片的質量減少；銅片的質量增加

鋅片的質量增加；銅片的質量減少

電池的原理：

  1. 電池中，鋅原子會在鋅片表面失去電子，形成鋅離子進入溶液中。而電子則沿著導線流向銅片。由於鋅半電池中沒有接受電子的物質，所以鋅失去的電子就會全部轉移到銅半電池中，而鋅離子則在鋅半電池中累積。
  2. 硫酸銅(II) 溶液中的銅(II) 離子在銅片表面獲得電子形成金屬銅，沉積在銅片表面，銅片質量增加，溶液顏色變淡。
  3. 隨著反應的進行，鋅半電池中積累了大量帶正電荷的鋅離子，而銅半電池中則積累了大量帶負電荷的硫酸根離子。
  4. 鹽橋中帶有正電荷的鈉離子流入銅半電池；而帶負電荷的氯離子則流入鋅半電池。
  5. 兩個半電池中的正電荷和負電荷被鹽橋中分別帶有負電荷和正電荷的離子中和，避免了電荷在兩半電池中的累積，使反應能夠持續進行。
簡單化學電池涉及的半反應式

可以看出，整個電池被鹽橋和導線分成了兩個部分：

  • 鋅電極與硫酸鋅溶液，稱為鋅半電池。涉及的化學反應如下： \[\text{Zn}\left( \text{s} \right)\ \to \ \text{Z}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{2}{{\text{e}}^{-}}\]
  • 銅電極與硫酸銅(II) 溶液，稱為銅半電池。涉及的化學反應如下： \[\text{C}{{\text{u}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{2}{{\text{e}}^{-}}\to \ \text{Cu}\left( \text{s} \right)\]

電極上發生的化學變化，稱為離子半反應式。

簡單化學電池涉及的總反應式

將兩個半反應式相加就可以獲得化學電池的總反應式：

\[\text{Zn}\left( \text{s} \right)\ +\ \text{C}{{\text{u}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \text{Z}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{Cu}\left( \text{s} \right)\]

從鋅—銅電池可以看出：

  • 鋅原子在鋅電極上失去電子，是負極；
  • 銅離子在銅電極上獲得電子，是正極。
電子和離子的流動方向

在鹽橋電池中，電子和離子的定向移動形成了電池的閉合回路，包括外電路和內電路：

  • 外電路：電子流動的範圍，包括電極和導線；
  • 內電路：離子流動的範圍，包括鹽橋和電解質溶液。

負電極失去的電子經過外電路流向正電極；而鹽橋中的陰離子流向負電極所在的半電池，陽離子流向正電極所在的半電池。

多孔裝置改良的簡單化學電池

多孔裝置也是改良簡單化學電池的一種有效方法。早在 \(1835\) 年，丹聶爾就利用多孔瓷筒（多孔裝置）發明了人們最早使用的一種化學電池——丹聶爾電池。

點擊下面模擬中相應的部分，了解丹聶爾電池的組成和原理，並回答下列問題。

丹聶爾電池的組成和原理
多孔裝置的製作和功能

多孔裝置是由內部含有很多微小孔隙的材料製作而成的，其功能包括：

隔離兩種溶液

避免正電極和電解質溶液直接反應

避免負電極和電解質溶液直接反應

允許溶液中的離子通過小孔在兩種溶液中自由游動，形成閉合回路

允許電子通過小孔在兩種溶液中自由游動，形成閉合回路

多孔裝置的兩項功能：

  1. 隔離兩種溶液，避免負電極與電解質溶液之間直接發生反應。
  2. 允許溶液中的離子通過小孔在兩種溶液中自由流動，從而形成完整的閉合回路。
簡單化學電池涉及的半反應式和總反應式
  • 負電極發生的化學反應：
    • \(\text{Z}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{2}{{\text{e}}^{-}}\to \ \text{Zn}\left( \text{s} \right)\)
    • \(\text{Zn}\left( \text{s} \right)\ \to \ \text{Z}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{2}{{\text{e}}^{-}}\)
    • \(\text{C}{{\text{u}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{2}{{\text{e}}^{-}}\to \ \text{Cu}\left( \text{s} \right)\)
    • \(\text{Cu}\left( \text{s} \right)\ \to \ \text{C}{{\text{u}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{2}{{\text{e}}^{-}}\)
  • 正電極發生的化學反應：
    • \(\text{Z}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{2}{{\text{e}}^{-}}\to \ \text{Zn}\left( \text{s} \right)\)
    • \(\text{Zn}\left( \text{s} \right)\ \to \ \text{Z}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{2}{{\text{e}}^{-}}\)
    • \(\text{C}{{\text{u}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{2}{{\text{e}}^{-}}\to \ \text{Cu}\left( \text{s} \right)\)
    • \(\text{Cu}\left( \text{s} \right)\ \to \ \text{C}{{\text{u}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{2}{{\text{e}}^{-}}\)
  • 電池的總化學反應：
    • \(\text{Zn}\left( \text{s} \right)\ +\ \text{C}{{\text{u}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \to \ \text{Z}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{Cu}\left( \text{s} \right)\)
    • \(\text{Z}{{\text{n}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\ \text{+}\ \text{Cu}\left( \text{s} \right)\ \to \ \text{Zn}\left( \text{s} \right)\ +\ \text{C}{{\text{u}}^{\text{2+}}}\left( \text{aq} \right)\)

題解：

  1. 負電極是活性高的金屬，失去電子；正電極是活性低的金屬，溶液中的金屬離子獲得電子。
  2. 兩個半反應式相加就得到化學電池的總反應式。
電子和陰離子的流動方向
  1. 電子的流動方向是：電池的
    • 正電極
    • 負電極
    ——鋅片，失去電子，經過
    • 導線
    • 電解質溶液和多孔裝置
    轉移到電池的
    • 正電極
    • 負電極
    ——銅片上。溶液中的
    • 銅(II) 離子
    • 鋅離子
    • 硫酸根離子
    獲得電子。 
  2. 陰離子的流動方向是：
    • 銅半電池
    • 鋅半電池
    中的硫酸根離子經過
    • 導線
    • 多孔裝置
    轉移到
    • 鋅半電池
    • 銅半電池
    ；
    陽離子的流動方向是：
    • 銅半電池中的銅(II) 離子
    • 鋅半電池中的鋅離子
    經過
    • 導線
    • 多孔裝置
    轉移到
    • 鋅半電池
    • 銅半電池
    。 

題解：

  1. 電子只能在導線和電極上流動，而不能進入溶液。
  2. 負電極失去電子；金屬離子在正電極上獲得電子。
  3. 離子可通過多孔裝置在兩溶液中自由流動。
  4. 鋅半電池失去電子，積累正電荷；銅半電池中獲得電子，積累負電荷。
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