电化学电池

电化学电池是一种可以从化学反应中产生电能或使用提供给它的电能来加速化学反应的装置。这些小工具可以将化学能转化为电能，反之亦然。一个普通的 1.5 伏电化学电池用于为电视遥控器和时钟等一系列电子产品供电。原电池和伏打电池是可以通过化学过程产生电流的电池的例子。

什么是电化学电池？

电解电池是一种电化学电池，它利用电能来驱动不会自发发生的氧化还原反应。它们经常用于在称为电解的过程中分解化合物（希腊术语裂解意味着分解）。水分解成氢气和氧气，铝土矿分解成铝和其他化合物，也是电解的重要例子。电镀在电解池中进行（例如，铜、银、镍或铬）。电解是一种涉及使用直流电 (DC) 的技术。

电化学电池通常由阴极和阳极组成。以下是阴极和阳极的主要特点。

Cathode	Anode
It is marked with a positive sign because electrons are spent here.	Because electrons are liberated here, the sign is negative.
The cathode of an electrochemical cell undergoes a reduction reaction.	An oxidation reaction takes place here.
Electrons are drawn into the cathode.	Electrons are ejected from the anode.

电化学电池的表示

1. 左边写着阳极，右边写着阴极。
2. 阳极，可以写成金属/金属离子，代表氧化半电池（浓度）。
3. 阴极，写成金属离子（浓度）/金属，代表还原半电池。
4. 通过在阳极和阴极之间画两条垂直线可以看到盐桥。
5. 电极与其电解质之间产生的电位差定义为电极电位。它表示为 PD，金属与其离子溶液之间的 PD 是平衡时电荷分离的结果，是电极在半电池中失去或获得电子的趋势的量度。

标准电势或电极电势：当半电池中包含的所有物质的浓度等于一时，称为标准电极电势。阳极是伏打电池中的负极，而阴极是正极。

半电池和电池电位

电化学电池由两个半电池组成，每个半电池都有一个电极浸没在电解质中。两个半电池都可以使用相同的电解质。这些半电池通过盐桥连接，盐桥作为它们之间离子通信的平台，不允许它们结合。盐桥是一张浸泡在硝酸钾或氯化钠中的滤纸。

电化学电池的一半电池由于氧化而失去电子，而另一半电池通过还原获得电子。值得注意的是，两个半电池都会发生平衡反应，一旦达到，净电压变为0，电池停止发电。

电极电位描述了电极与电解质接触时如何失去或吸收电子。这些电势的值可用于预测整体电池电势。电极电位通常使用常规氢电极作为参考电极（已知电位的电极）来测量。

初级和次级电池

• 原电池本质上是原电池使用和投掷电池。在这些电池中，电化学反应是不可逆的。结果，反应物被用来产生电能，当反应物完全耗尽时，电池停止产生电流。
• 二次电池（也称为可充电电池）是具有可逆反应的电化学电池，这意味着它们可以作为原电池和电解电池工作。

大多数原电池（许多电池串联、并联或两者结合）被认为是浪费和破坏环境。这是因为它们需要的能量大约是其制造过程中所含能量的 50 倍。它们还含有高浓度的有害金属，被归类为危险垃圾。

电化学电池的类型

原电池

An electrochemical cell that turns the chemical energy of spontaneous redox reactions into electrical energy is known as a galvanic cell or voltaic cell. In oxidation-reduction processes, electrons are moved from one species to another. If the reaction occurs spontaneously, energy is liberated. 

结果，释放的能量被投入使用。为了处理这种能量，反应必须分成两个独立的半反应，即氧化和还原。反应被放入两个不同的容器和电线中，以将电子从一端移动到另一端。由此形成伏打电池。

Principle of Galvanic (Voltaic) Cell

The electric work done by a galvanic cell is mostly due to the Gibbs energy of spontaneous redox reaction in the voltaic cell. It is often made up of two half cells and a salt bridge. Each half cell also has a metallic electrode immersed in an electrolyte. These two half-cells are externally connected to a voltmeter and a switch via metallic cables. When both electrodes are dipped in the same electrolyte, a salt bridge is not always required.

原电池的工作

• 当电极在原电池的电极-电解质界面暴露于电解质时，金属电极的原子倾向于在电解质溶液中产生离子，留下电子。结果，金属电极带负电。
• 另一方面，电解液中的金属离子有沉降在金属电极上的倾向。结果，电极带正电。在平衡条件下观察到电荷分离，根据两个相反反应的倾向，电极可以带正电或带负电。结果，在电极和电解质之间产生电位差。
• 这种电位差称为电极电位。经历氧化的电极称为阳极，而经历还原的电极称为阴极。
• 阳极对溶液具有负电位，而阴极对溶液具有正电位。因此，原电池的两个电极之间会产生电位差。这种电位差称为电池电位。
• 当没有从原电池中提取电流时，原电池的电动势称为电池电位。由于电位差，当开关打开时，电子从负极流向正极。

电解槽

An electrolytic cell is an electrochemical device that employs electrical energy to promote a non-spontaneous redox reaction. Electrolytic cells are electrochemical cells that can be used to electrolyze specific substances. 

例如，水可以被电解（使用电解池）以产生气态氧和气态氢。这是通过使用电子流（进入反应环境）来克服非自发氧化还原反应的活化能垒来实现的。电解池由三个主要部件组成：阴极、阳极和电解质。

电解槽的工作

在本实验中，将两个惰性电极浸入熔融氯化钠（其中含有离解的 Na ⁺阳离子和 Cl ^-阴离子）中。当电流通过电路时，阴极变得富电子并获得负电荷。带正电的钠阳离子现在被带负电的阴极吸引。结果，在阴极形成金属钠。同时，氯原子被吸引到带正电的阴极。结果，在阳极产生氯气（Cl ₂ ）（伴随着2个电子的释放，完成电路）。

Galvanic Cell / Voltaic Cell	Electrolytic Cell
Chemical energy is turned into electrical energy in these electrochemical cells.	Electrical energy is turned into chemical energy in these cells.
The redox reactions that take place in these cells are completely random.	The redox reactions in these cells require energy input to continue, indicating that the reactions are not spontaneous.
The anode in these electrochemical cells is negatively charged, whereas the cathode is positively charged.	A positively charged anode and a negatively charged cathode are included in these cells.
The electrons are produced by the species that undergoes oxidation.	Electrons come from somewhere else (such as a battery).

电化学电池的应用

• 许多有色金属使用电解槽进行电解精炼。它们也被用于电解这些金属。
• 电解池用于制造高纯度铅、锌、铝和铜。
• 金属钠可以通过在电解池中通过电流从熔融氯化钠中回收。
• 原电池用于制造许多商业上重要的电池（例如铅酸电池）。
• 燃料电池是一种电化学电池，可以在各种远程环境中提供清洁能源。

盐桥的函数

盐桥，也称为离子桥，是一种用于电化学的实验室设备，用于连接原电池（伏打电池）的氧化和还原半电池。它保持内部电路的电中性。如果没有盐桥，一半电池中的溶液会收集负电荷，而另一半电池中的溶液会随着反应的进行而积累正电荷，从而抑制进一步的反应和发电。

如果浸泡在上面列出的一种电解质中，多孔纸，如滤纸，可以用作盐桥。不需要胶凝剂，因为滤纸作为传导的固体介质。这种盐桥的电导率由几个因素决定，包括电解质溶液的浓度、纸张的质地和纸张的吸收能力。增加的电导率通常与更光滑的质地和更大的吸收性有关。可以使用两个半电池之间的多孔盘或其他多孔屏障代替盐桥，因为它们允许离子在两种溶液之间通过，同时避免大量混合。

示例问题

问题 1：盐桥在电化学电池中的函数是什么？

回答：

The salt bridge completes the circuit of an electrochemical cell, allowing current to flow across it. It also contributes to the cell’s overall electrical neutrality.

问题2：什么是标准电极电位？

回答：

The standard electrode potential of an electrode is defined as the potential difference between the electrode and the electrolyte under standard conditions.

问题3：阴极和阳极之间的主要区别是什么？

回答：

In an electrochemical cell, reduction takes occur at the cathode. A positive (+) sign is commonly used to denote it. Electrons move from the anode to the cathode. In electrochemical cells, the anode is the electrode where oxidation takes place. A negative (-) sign is used to represent it.

问题 4：电化学电池可以有带正电的阳极或带负电的阴极吗？

回答：

Yes, an electrolytic cell’s anode is positively charged (and the cathode is negatively charged). Despite the negative charge, oxidation occurs at the anode. The chemical reactions that take place in these electrochemical cells are not spontaneous.

问题5：什么是电解槽？

回答：

Electrolytic cells are a type of electrochemical cell that uses electric currents to speed up cell reactions. The chemical reaction that occurs inside such cells is known as electrolysis. Bauxite may be broken down into aluminium and other components using electrolytic cells. These cells can also be used to electrolyze water into hydrogen and oxygen.