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关于电池介绍

关于电池介绍

[拼音]:dianchi

[外文]:cell

电化学的反应器。其中发生的电化学过程有两种类型:一种是利用电来推动本来不能自发进行的化学反应发生,这就是电解过程,例如电解制铝、电解食盐水制氯和烧碱等,此时电能转化为化学能;另一种是上述的逆过程,即利用自发化学反应产生电,如干电池的放电过程,此时化学能转化为电能。无论是哪类电化学过程,都必须通过电池才能进行。当用于电解时,这种电池称作电解电池;当用于放电时,则称作自发电池。工业上把前者称为电解槽,后者称为化学电源。虽然两者结构可以差别很大,但本质上是一样的,化学中统称电池。为与狭义的日常所说的“电池”(即化学电源)相区别,也可把上述广义的电池称作电化学电池。

原理和结构

电池由两个电极和电极之间的电解质构成(图1)。

电池的电解质可以是电解质溶液(用水或非水作溶剂)、熔盐或固体电解质,这些都是离子导体。电池的电极应包括金属部分和它附近的电解质部分(图1b),但习惯上电极往往只指它的金属部分。金属是电子导体,电解质是离子导体,前者不允许离子通过,而后者又不允许电子通过。因此当电流通过电池时,必须在电极的金属|电解质界面上发生电子和离子的交换。

图2

所示是溴化锌电解电池的方块示意图。电池是由两块多孔碳(电子导体)插在约1.2Μ 溴化锌水溶液中构成。当外电源对电池加上一定的直流电压时(左方为正),电流I将从左方穿过电池流向右方。在电解质相中,Zn2+从左向右迁移,与电流方向一致;Br-从右向左迁移,虽与电流方向相反,但也同样对电流作出了贡献。Zn2+和Br-对总电流所作贡献的百分数由它们的迁移数来确定。

左方电极因外电压之作用,碳相中产生电子匮乏,Br-达到碳|溶液界面就把电子传递给碳而成为溴:

2Br-─→Br2(液)+2e

故左极发生了氧化反应,称为阳极。右方电极碳因外电压作用发生电子的过剩,Zn2+ 迁移到碳|溶液界面就与电子结合生成金属锌沉积物:

Zn2++2e─→Zn

故右极发生了还原反应,称为阴极。电池中的总反应为:

ZnBr2─→Zn+Br2

这样在外电压作用下,本来在水溶液中稳定的溴化锌分别在两个电极上以锌和溴析出。通过实验可知,所加外电压必须大于1.8伏(25℃),小于1.8伏时上述电解不可能发生。

如果在经过一段时间电解后,撤去外电压,就可以测出上述电池本身的电势仍维持在 1.8伏左右。这是因为左方电极的多孔碳中保留着溴,右方保留着锌,使电池左方电极实际上成为溴电极 (C|Br2|Br-),右方成为锌电极(C|Zn|Zn2+),两者与电解液组成了自发电池。当用导线把它们与外负载相联时便能对外作功,同时电池电势下降,直至多孔碳中的溴和锌耗尽为止。此时电池中发生的是图2所示的逆过程,电池中电流方向从右至左,电池反应为 Zn+Br2─→ZnBr2。这就是锌|溴蓄电池,它在充电时所需的最低电压也就是放电时所能提供的最高电势(约1.8伏),这就是C|Br|ZnBr2|Zn电池的平衡电势,或称电动势。显然,电池电动势E应是左、右两电极的平衡电势E之差(不通电时):

当电池通电时,电极电势发生偏移,这就是电极的超电势η或极化:

ηE-Ep

同时电解液中也产生了欧姆电势,即电位降IR。故整个电池的工作电势E为:

电极的平衡电势代表电极反应的倾向性,电极的超电势代表电极反应的推动力,电极的电流代表电极反应的速率。

应用

电池的应用分为两类;一类是用作化学电源,利用电池中化学能转变成电能,干电池、蓄电池和燃料电池是常用的三类化学电源;另一类是用作电解槽,此时是用电来推动化学反应进行,电解、电镀、电冶金、电抛光和电化学加工属于这类。

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