一、原电池正、负极的判断
原电池有两个电极,一个是正极,一个是负极,其判断的依据有:
⒈ 据组成原电池的两极材料判断:当两种金属(或一种金属与一种非金属)作电极时,若有一金属能与电解质溶液(包括其中溶解的O2、CO2)自发进行氧化还原反应,则该金属无论强弱一定作为负极;若两金属都能与电解质溶液反应或都不反应,则相对较活泼的金属应作为原电池的负极失去电子。一般情况下是较活泼的金属为负极,较不活泼的金属或能导电的非金属为正极。
⒉ 据电流方向或电子流动方向判断:在外电路,电流总是由正极流向负极,电子总是由负极流向正极。
⒊ 据电解质溶液里离子的定向移动方向判断:在内电路的电解质溶液里,阳离子总是移向阴极(原电池的正极),阴离子总是移向阳极(原电池的负极)。
⒋ 据两极发生的反应判断:原电池的负极(即阳极)总是失去电子发生氧化反应,正极(即阴极)总是得到电子发生还原反应。
⒌ 据电极质量的变化判断:原电池工作一段时间后,若某电极的质量增加,说明溶液中的金属阳离子在该电极上放电,该电极活泼性较弱为正极。反之,若某电极的质量减小,说明该极金属溶解,该电极活泼性较强为负极。
⒍ 据电极上有气泡产生判断:原电池工作时,若某电极上有气泡产生,是因为该电极上有H2析出,说明该极为正极,活泼性较弱。
⒎ 据电极附近pH的变化判断:析氢或吸氧的电极反应发生后,均能使该电极附近电解质溶液的pH增大,若某电极附近溶液的pH增大了,说明该电极活泼性较弱为正极。
⒏ 据原电池反应方程式判断:原电池反应均为可自发进行的氧化还原反应。在原电池反应方程式中,先判断出氧化剂和还原剂,则总是还原剂(氧化剂)失(得)电子为负(正)极。
⒐ 据向电极上通入的气体判断:燃料电池的两电极材料一般相同,它一般不参与化学反应,只起传导电子的作用,故需根据向两极上通入的气体成分判断两极的正负。燃料电池的负极上通入的一定是可燃性气体(还原剂),正极上通入的一定是助燃性气体(氧化剂)。
⒑ 据与原电池相连的用电器判断:与原电池相连的不同的用电器,会产生不同的现象,根据用电器所产生的现象可判断原电池的正负极。若用电器为电流表,则可根据电流表指针的偏转方向判断原电池的正负极;若用电器为电解池,则可根据电解池两极上固体质量的变化、气体的产生、附近溶液颜色的变化、溶液中有色带电粒子的移动趋势等判断原电池的正负极。
说明:原电池的正极、负极与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关,不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。
二、原电池原理在工、农业生产及科研中的应用
⒈ 比较金属的活动性强弱:
原电池中,负极一般是活动性较强的金属,正极一般是活动性较弱的金属(或非金属)。在酸性(非氧化性酸)电解质溶液中,两种金属分别作原电池的两极时,作负极的金属比作正极的金属活泼。
⒉ 加快化学反应速率:
一个自发进行的氧化还原反应,设计成原电池时反应速率增大。例如,在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液,形成Cu-Zn原电池,能使产生H2的反应速率加快。
⒊ 用于金属的防护:
使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。例如,要保护一个铁制的输水管道或钢铁桥梁等,可将锌与其相连,使锌作原电池的负极。
⒋ 设计制作化学电源
设计原电池时要紧扣原电池的构成条件。具体方法是:
⑴ 首先将已知氧化还原反应分成两个半反应。
⑵ 根据原电池的工作原理和电极反应特点,结合两个半反应,选择正、负电极材料以及电解质溶液。
⒌ 电极材料的选择
判断出电池反应中的还原剂和氧化剂,将还原剂(一般为比较活泼的金属)作负极,活泼性比负极弱的金属或非金属导体作正极,含氧化剂对应离子的电解质溶液作电解液。
在原电池中,选择还原性较强的物质作为负极,氧化性较强的物质作为正极,并且原电池的电极必须导电。原电池中的负极必须能够与电解质溶液反应。
⒍ 电解质溶液的选择
电解质溶液一般要能够与负极发生反应,或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如空气中的氧气)。但如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥),则左右两个容器的电解质溶液应选择与电极材料相同的阳离子。如在铜-锌-硫酸构成的原电池中,负极金属锌浸泡在含有Zn2 的电解质溶液中,而正极铜浸泡在含有Cu2 的电解质溶液中。
⒎ 按要求画出原电池装置图。
如根据以下反应设计的原电池:
电极反应:
负极:Fe-2e-===Fe2
正极:Cu2++2e-===Cu
电池总反应:
CuCl2+Fe===FeCl2+Cu
还原剂:Fe;氧化剂:CuCl2
其装置图为:
或:
【特别提醒】
应用原电池原理可以将任何自发进行的氧化还原反应设计成原电池,但有的电池相当微弱,同时要注意电解质溶液不一定参与反应,如燃料电池,水中一般要加入强碱或强酸,以增强溶液的导电性。