什么是闭合回路化学

第四章 化学反应与电能转化

第一节 原电池及其工作原理

原电池是一种将化学能转化为电能的装置，其工作原理涉及到化学反应中的能量转化和质能守恒定律。日常生活中，我们所使用的手机、电脑、电动车等设备的化学电源，都是基于原电池的原理而工作的。

一、原电池的工作原理概述

以铜锌原电池为例，该电池由锌作为负极、铜作为正极以及硫酸铜溶液作为电解质溶液构成。在实验过程中，我们发现这种电池不能持续、稳定地工作，电流会逐渐衰减。这是因为负极区和正极区没有有效隔离，导致氧化反应和还原反应互相干扰，降低了电池的工作效率。

为了解决这个问题，我们引入了盐桥的概念。盐桥是由含有KCl饱和溶液的琼脂构成，其中的离子可以在其中自由移动，从而导电。通过盐桥，我们可以将电解质分隔成负极区和正极区，从而减少氧化反应和还原反应的相互影响，提高电池的工作效率。

实验：使用盐桥的铜锌原电池

实验操作：

如图，将锌片置于硫酸锌溶液中，铜片置于硫酸铜溶液中，两者通过盐桥连接。然后，将锌片和铜片通过导线连接，并在中间串联一个电流表，观察现象。接着，移除盐桥，再次观察电流表的指针变化。

实验现象和结论：

当电流表连通时，指针偏转，表示有电流通过。移除盐桥后，电流表的指针归零，说明没有电生。铜片上有气泡产生，锌片逐渐溶解。

分析：

在铜锌原电池工作时，负极的金属锌失去电子，进入溶液，电子通过外电路流向正极。在正极上，铜离子得到电子，生成金属铜并附着在正极上。盐桥中的氯离子和钾离子通过盐桥移动，分别移向负极区和正极区。这样，氧化反应和还原反应得以持续进行，原电池不断产生电流。

二、原电池的定义及构成条件

原电池是将化学能转化为电能的装置。其构成条件包括：两个电极（用于离子导体和电子导体的接触界面上传递电子），电解质（传导阴阳离子），闭合回路（电流的流通路径）以及自发的氧化还原反应。

三、原电池的设计与分析

任何能自发发生的氧化还原反应都可以被设计成原电池。设计原电池时，首先要将氧化还原反应拆分成氧化反应和还原反应两个半反应，得到两个电极反应式。然后，根据负极反应选择合适的材料作为负极（一般是较活泼的金属），选择相对不活泼的金属或惰性材料（如石墨）作为正极，并结合电极反应选择合适的电解质。用导线连接两个电极，并插入电解质中形成闭合回路。如果需要的话，可以使用盐桥。

例如，对于氧化还原反应 ，我们可以将其设计成原电池。具体的电极反应式为：

在分析原电池时，我们首先要观察电池的结构，包括电极、电解质、外电路、电极上的反应和生成的物质等。然后，根据电极上的反应判断电极的正负性。发生失电子的氧化反应的电极是负极，发生得电子的还原反应的电极是正极。我们还需要根据闭合回路中电流、电子、离子的移动方向进行判断。在写电极反应式时，需要注意电解质环境，并遵守质量守恒、得失电子守恒、电荷守恒的原则。

例如，当和碘化钾溶液混合后产生红色沉淀的实验中，由于电流表指针发生了偏转，说明形成了原电池。碘离子在负极失电子生成碘单质；汞离子在正极得电子生成金属汞。其电极反应式、总反应式分别为：

外电路中的电流从正极流向负极，阳离子的移动方向与电流流向一致。