從濃差電池出發(fā)探究原電池的構(gòu)成條件

余紅

摘要：在中學(xué)化學(xué)關(guān)于原電池教學(xué)中，部分教師包括市售教輔資料中存在關(guān)于原電池的構(gòu)成條件的探討，本文通過往年高考試題、模擬試題中出現(xiàn)的濃差電池為例，探究原電池的構(gòu)成條件。

關(guān)鍵詞：原電池;構(gòu)成條件;濃差電池

在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中關(guān)于原電池的構(gòu)成條件的論述中，有很多教師都有一個所謂統(tǒng)一的認(rèn)識，即認(rèn)為原電池的構(gòu)成條件為：

①要有兩種活潑性不同兩種金屬（或金屬與非金屬）做電極;較活潑的金屬做負(fù)極，較不活潑的金屬做正極;

②兩金屬電極要同時插入電解質(zhì)溶液中;

③形成閉合回路。

④要有一個自發(fā)的氧化還原反應(yīng)[1]

即“兩極一液一回路一自發(fā)”。原電池的構(gòu)成條件真的如此？我們來看三道試題：

【例1】（2011.浙江）將NaCl溶液滴在一塊光亮清潔的鐵板表面上，一段時間后發(fā)現(xiàn)液滴覆蓋的圓周中心區(qū)（a）已被腐蝕而變暗，在液滴外沿棕色鐵銹環(huán)（b），如圖所示。導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因是液滴之下氧氣含量比邊緣少。

下列說法正確的是

A.液滴中的Cl-由a區(qū)向b區(qū)遷移

B.液滴邊緣是正極區(qū)，發(fā)生的電極反應(yīng)為：O2+2H2O+4e- = 4OH-

C.液滴下的Fe因發(fā)生還原反應(yīng)而被腐蝕，生成的Fe2+由a區(qū)向b區(qū)遷移，與b區(qū)的OH―形成Fe（OH）2，進(jìn)一步氧化、脫水形成鐵銹

D.若改用嵌有一銅螺絲釘?shù)蔫F板，在銅鐵接觸處滴加NaCl溶液，則負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)為Cu-2e- = Cu2+

本題參考答案為選項B。根據(jù)本題題設(shè)條件，我們可以清楚判斷為發(fā)生了一個原電池反應(yīng)，但實驗中并無兩個活動性不同的兩個電極，分析實驗現(xiàn)象，我們可知：腐蝕區(qū)（a）上發(fā)生了原電池的負(fù)極反應(yīng)：Fe - 2e- = Fe2+，液滴外沿發(fā)生了吸氧腐蝕，發(fā)生正極反應(yīng)為：O2+2H2O+4e- = 4OH-。我們將兩個反應(yīng)相加卻得不到一個完整的自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。

深入分析，我們發(fā)現(xiàn)本題中鐵片的腐蝕是電化學(xué)腐蝕無疑，理論基礎(chǔ)來自于原電池原理，液滴邊緣比液滴之下的氧氣含量多，所以靠近液滴邊緣的鐵片中所含的碳等雜質(zhì)為原電池的正極，液滴之下氧氣含量較為稀薄處的鐵片作負(fù)極。被液滴覆蓋的下方的鐵為原電池的外電路，液滴為內(nèi)電路。這樣一個原電池就形成了因為氧氣濃度差異的電池，即為氧濃差電池。濃差電池：物質(zhì)在兩個物相（可為氣、液或固相）間有濃度差異時，有從高濃物相向低濃物相傳遞的自發(fā)傾向，并產(chǎn)生濃差電勢。利用濃差電勢組成的電池稱為濃差電池。[2]

【例2】（2014.福建 有刪減）鐵及其化合物與生產(chǎn)、生活關(guān)系密切。

（1）右圖是實驗室研究海水對鐵閘不同部位腐蝕情況的剖面示意圖。

②圖中A、B、C、D四個區(qū)域，生成鐵銹最多的是 ? ? ?（填字母）。

本題參考答案為：B點。此題素材選擇人教版《選修4 化學(xué)反應(yīng)原理》中的鋼鐵電化學(xué)腐蝕。通過簡單分析可知，本題中的原電池也為濃差電池，圖中B點位于空氣與海面接觸面上，氧氣濃度大，電極電位較大，為正極，發(fā)生反應(yīng)O2+2H2O+4e- = 4OH-，C點距離海面較遠(yuǎn)，氧氣濃度小，為負(fù)極，發(fā)生反應(yīng)：Fe-2e- = Fe2+。C點得到亞鐵離子并沒有轉(zhuǎn)化成Fe（OH）2，加上含氧量低，無法被氧化成Fe（OH）3，鐵銹少。而對于B點，鐵閘本身就可以形成原電池，從B到D中任何一點，都可以形成無數(shù)微電池，鐵閘本身發(fā)生電化學(xué)腐蝕，不斷有鐵被腐蝕，由于離海面近，含氧量高，容易形成Fe（OH）3，因此形成鐵銹容易。[3]

【例3】（廈門市2018屆高中畢業(yè)班第二次質(zhì)量檢查）某熱再生電池工作原理如圖所示。放電后，可利用廢熱進(jìn)行充電。已知電池總反應(yīng)： 下列說法正確的是

A.充電時，能量轉(zhuǎn)化形式主要為電能→化學(xué)能

B.放電時，負(fù)極反應(yīng)為

C.a為陽離子交換膜

D.放電時，左池Cu電極減少6.4 g時，右池溶液質(zhì)量減少18.8 g

本題參考答案為D。從本題題設(shè)告訴的總反應(yīng)方程式中，我們可以看出，總反應(yīng)并不是一個自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，而是一個在熱力學(xué)上自發(fā)的反應(yīng)，在兩個銅電極上由于左池通入了氨氣，而右池沒有通入氨氣，使得左右兩個半電池存在氨濃差，由此兩個電極的電極電位不同，從而形成了原電池。

通過以上三例我們知道，原電池的構(gòu)成條件并不是本文開頭總結(jié)的四個必備條件。而恰恰這四個構(gòu)成條件只是從最簡單的銅鋅-稀硫酸原電池出發(fā)總結(jié)出的原電池的構(gòu)成條件，有一定局限性，不能隨意擴(kuò)展，尤其在教學(xué)中應(yīng)該給學(xué)生及時糾正。在涉及更多的原電池類型中，我們可以發(fā)現(xiàn)比如濃差電池，包括燃料電池等電池中并不是完全符合四個基本構(gòu)成條件。而其實，只要兩個電極的電極電位有差異，且熱力學(xué)上是自發(fā)的，那么就有可能形成原電池，原電池的形成與電極材料無關(guān)，也與是否有自發(fā)的氧化還原反應(yīng)無關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 譚富桃.原電池形成條件.時代教育，2013.08

[2] 周公度.化學(xué)辭典.化學(xué)工業(yè)出版社.2004.04

[3] 任雪明，吳文中.高中化學(xué)教學(xué)疑難問題研析.浙江教育出版社.2015.08