电化学电池 电化学电池是一种将化学能直接转化为电能，或者将电能转化为化学能的装置。理解它的最佳方式是循序渐进，从最基础的原理开始，逐步构建起完整的图像。 基础：氧化还原反应 所有电化学电池的核心都是一个自发的氧化还原反应。氧化还原反应是电子从一种物质（还原剂）转移到另一种物质（氧化剂）的过程。 “氧化”是指物质失去电子的过程；“还原”是指物质得到电子的过程。这两个过程必定同时发生。 一个经典的例子是锌片放入硫酸铜溶液中：锌原子（Zn）失去电子被氧化成锌离子（Zn²⁺），而铜离子（Cu²⁺）得到电子被还原成铜原子（Cu）沉积在锌片上。这个反应直接发生，化学能以热的形式释放。 关键概念：将氧化与还原分离 在上述直接反应中，电子是在两种物质接触的界面上直接转移的，我们无法利用其电能。电化学电池的关键创新在于，通过物理装置将氧化反应和还原反应分隔在两个独立的区域（称为 半电池 ）中进行。 每个半电池都包含一种物质及其氧化态或还原态（例如，Zn和Zn²⁺，或Cu和Cu²⁺），这构成了一个 电对 ，通常表示为Zn²⁺/Zn或Cu²⁺/Cu。 为了实现电荷平衡和离子传导，两个半电池通过一个称为 盐桥 的部件连接起来。盐桥（通常是一个倒置的U型管，内部填充含琼脂的饱和盐溶液，如KCl）允许离子在两个半电池之间迁移，但不允许溶液迅速混合。这样，整个体系的电路（电子流）和回路（离子流）就都通畅了。 电池的构造与工作流程 现在我们将上述概念组装起来。以锌-铜电池为例： 阳极 ：发生氧化反应的电极。这里，锌电极（Zn棒插入ZnSO₄溶液）作为阳极，反应为：Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻。电子在这里产生。 阴极 ：发生还原反应的电极。这里，铜电极（Cu棒插入CuSO₄溶液）作为阴极，反应为：Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)。电子在这里被消耗。 外部电路 ：用一根金属导线连接锌电极和铜电极。电子会从产生电子的阳极（Zn）通过导线流向消耗电子的阴极（Cu）。这个定向的电子流就是我们可以利用的 电流 。 内部电路 ：两个半电池通过盐桥连接。当Zn电极失去Zn²⁺导致溶液正电荷增加时，盐桥中的阴离子（如Cl⁻）会移向锌半电池；同时，Cu电极因消耗Cu²⁺导致溶液负电荷增加，盐桥中的阳离子（如K⁺）会移向铜半电池。这保持了两个半电池的电中性，使电流能够持续。 电池的表示与分类 为了简便地表示一个电池，我们使用 电池图式 。对于锌-铜电池，其图式为： Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s) 单竖线“|”表示相界面（如固/液界面）。 双竖线“||”表示盐桥。 惯例是 阳极在左，阴极在右 。 电化学电池分为两大类： 原电池 ：利用自发的氧化还原反应产生电能，即ΔG < 0。我们上面描述的锌-铜电池就是一个原电池。常见的碱性电池、锂离子电池都属于此类。 电解池 ：利用外部电源提供的电能，驱使非自发的氧化还原反应发生，即ΔG > 0。例如电解水制取氢气和氧气。在电解池中，与外电源正极相连的电极成为阳极（发生氧化），与外电源负极相连的电极成为阴极（发生还原）。 定量描述：电极电势与电池电动势 为什么电子会从锌流向铜？这是因为两种金属获得或失去电子的“倾向”不同。这种倾向可以用 电极电势 （E）来定量表示。 我们无法测量单个半电池的绝对电极电势，但可以选定一个标准作为参照。国际上约定 标准氢电极 的电势为零。 通过测量各种半电池与标准氢电极组成的原电池的电压，可以确定各种电对的 标准电极电势 （E°）。例如，E°(Zn²⁺/Zn) = -0.76 V， E°(Cu²⁺/Cu) = +0.34 V。电势越正，表示氧化态物质得电子（被还原）的倾向越强。 一个电池的 电动势 （EMF，或电压，E°_ cell）等于阴极电势减去阳极电势： E°_ cell = E°_ cathode - E°_ anode 对于锌-铜电池：E°_ cell = 0.34 V - (-0.76 V) = 1.10 V。这个正值证实了反应是自发的。 电池电动势与反应的吉布斯自由能变直接相关：ΔG° = -nFE°_ cell，其中n是转移的电子数，F是法拉第常数。这建立了热力学和电化学之间的桥梁。