主营：铅酸蓄电池／６Ｖ１．２－３０ＡＨ／１２Ｖ１．２－２４ＡＨ系列
第四节 原电池原理及其应用
学习目的：1、理解原电池原理
2、大致了解常用的化学电源也新型化学电池
3、了解金属的电化学腐蚀
学习重点：原电池原理
学习难点：金属的电化学腐蚀
【实验1】如右图所示，在两个烧杯中各加入20 mL稀硫酸，在左边的烧杯中，分别放入一根铁丝和铜丝；在右边的烧杯中，放入上端连接在一起的铁丝和铜丝，观察现象。
现象：在左边的烧杯里，铁丝上有气泡放出；在右边的烧杯里，铜丝上有气泡放出。
原因：右边的烧杯构成了一个小电池，在金属丝中有电子流动。
一、原电池
物质发生化学反应时，常伴有化学能与热能、光能等的相互转化。如在化学反应里，常表现出放热或吸热，有的化学反应还伴有发光等。现在我们来研究能量转化的另一种方式——化学能转变成电能。
【实验2】把一块锌片和一块铜片平行地插入盛有稀硫酸的烧杯里，可以看到锌片上有气泡产生，铜片上没有气泡产生。再用导线把锌片和铜片连接起来（见下图），观察铜片上有没有气泡产生？在导线中间接入一个电流计，观察电流计的指针是否偏转。
现象：用导线连接后，锌片不断溶解，铜片上有气泡产生。电流计的指针发生偏转，这说明导线中有电流通过。
电流是如何产生的呢？原来，当把用导线连接的铜片和锌片一同浸入稀硫酸时，由于锌比铜活泼，容易失去电子，锌被氧化成Zn2+而进入溶液，电子由锌片通过导线流向铜片，溶液中的H+从铜片获得电子被还原成氢原子，氢原子结合成氢分子从铜片上放出。
这一变化过程可以表示如下：
锌片：Zn-2e-=Zn2+（氧化反应）
铜片：2H++2e-=H2↑（还原反应）
这个实验充分证明，上述氧化还原反应确实因电子的转移而产生电流。这种把化学能转化为电能的装置叫做原电池。在原电池中，电子流出的一极是负极（如锌片），电极被氧化。电子流入的一极是正极（如铜片），H+在正极上被还原。
以上介绍了铜-锌原电池，我们也可以利用同样的原理，把其他的氧化还原反应设计成各种不同的电池。在这些电池中，一般都用还原性较强的物质作为负极，负极向外电路提供电子；用氧化性较强的物质作为正极，正极从外电路得到电子；在电池内部，两极之间填充电解液。放电时，负极上的电子通过导线流向用电器，从正极流回电池，形成电流。
人们应用原电池原理，制作了多种电池，如干电池、蓄电池、充电电池、高能电池等，以满足不同的需要。在现代生活、生产和科学技术的发展中，电池发挥着越来越重要的作用，大至宇宙火箭、人造卫星、空间电视转播站、飞机、轮船，小至电脑、收音机、照相机、电话、助听器、电子手表、心脏起搏器等，都离不开各种各样的电池。
二、化学电原
上面介绍的原电池的结构较简单，它只能供教学实验用，时间一长，就不能产生电流了，而且携带和使用都很不方便。当今的电池工业已能制造出各种各样的实用电池，广泛用于日常生活、生产和科学技术等方面。
实用电池一般应具有以下特点：能产生稳定而具有较高电压的电流；安全、耐用且便于携带；能够适用于特殊用途；便于回收处理，不污染环境或对环境产生较小影响。
下面简单介绍几种常见电池和新型电池。
1．干电池
手电筒中使用的干电池一般是锌-锰干电池，它的结构如下图。
插在电池中央的石墨棒是正极，顶端有一铜帽；在石墨棒的周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸作隔膜；隔膜外是调成糊状的氯化铵，作为电解质溶液；最外面是由锌筒制成的干电池外壳，它作为负极；电池顶部用蜡和火漆封口。
资料 锌-锰干电池内的主要反应
2．铅蓄电池
目前汽车上使用的电池，有很多都是铅蓄电池。铅蓄电池的构造是用含锑5％～8％的铅锑合金铸成格板，在格板上分别填充PbO2和Pb作为正极和负极，二者交替排列而成。在电极之间注入30％的H2SO4溶液。
由于铅蓄电池的电压稳定，使用方便、安全、可靠，又可以循环使用，因此是广泛用于国防、科研、交通、生产和生活的化学电源。
除了铅蓄电池外，还有多种蓄电池，例如，镍-镉可充电电池广泛用于收录机、电话机等。又如，银-锌蓄电池是一种高能电池，它质量轻、体积小，是人造卫星、宇宙火箭、空间电视转播站等的电源。
3．锂电池
锂是密度最小的金属材料，用锂作为电池的负极，跟用相同质量的其他金属作负极相比较，使用寿命大大延长。锂电池是一种高能电池，它具有质量轻、电压高、工作效率高和贮存寿命长的优点，因而已用于电脑、照相机、手表、心脏起搏器上，以及作为火箭、导弹等的动力电源。
4．新型燃料电池
燃料电池与前面介绍的电池不同，它不是把还原剂、氧化剂物质全部贮藏在电池内，而是在工作时，不断从外界输入，同时将电极反应产物不断排出电池。因此，燃料电池是名符其实的把能源中燃料燃烧反应的化学能直接转化为电能的“能量转换器”。燃料电池的能量转化率很高，可达70％以上。氢氧燃料电池除了具有能量转化率高、可持续使用的优点外，而且由于其燃烧产物为水，因此不污染环境。
除了氢气和氧气外，甲烷、煤气等燃料，空气、氯气等氧化剂也可以作为燃料电池的原料。
目前已研制成功铝-空气燃料电池。它是用纯铝作负极，空气作正极，使铝在盐溶液中溶解，产生电流。铝-空气电池可代替汽油作为汽车的动力。它的优点是：体积小、能量大、使用方便、不污染环境、耗能少。这种电池还能用于收音机、照明电源、野营炊具、野外作业工具等。
三、金属的电化学腐蚀
生活经验告诉我们，有些金属制品在使用一段时间以后，会失去表面的光泽，严重的会变得锈迹斑斑，影响使用。尤其是钢铁制品，在潮湿的空气中，很容易生锈，这实际上是一种被叫做金属腐蚀的现象。
金属腐蚀是指金属或合金与周围接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀损耗的过程。金属的腐蚀现象非常普遍，除钢铁生锈外，其他金属也能发生腐蚀，如铝制品接触咸的物质后表面会出现白色斑点，铜器时间长了会长出铜绿，这些都是金属被腐蚀的现象。
金属被腐蚀后，在外形、色泽以及机械性能等方面都将发生变化，会使机器设备、仪器、仪表的精密度和灵敏度降低，影响使用以至报废。有些严重事故就是由于金属腐蚀引起的。据估计，每年由于腐蚀而直接损耗的金属材料，约占金属年产量的10％。因此，了解金属腐蚀的原因和防止金属腐蚀的方法具有很重要的意义。
要想防止金属腐蚀，首先要了解金属为什么会被腐蚀。
金属腐蚀的本质，是金属原子失去电子变成阳离子的过程。也就是说，金属在腐蚀过程中，发生了氧化还原反应。
由于与金属接触的介质不同，发生腐蚀的情况也不同，一般可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。
1．化学腐蚀
金属跟接触到的物质（如O2、Cl2、SO2等）直接发生化学反应而引起的腐蚀叫做化学腐蚀。这类反应比较简单，仅仅是金属跟氧化剂之间的氧化还原反应。例如，铁跟氯气直接反应而腐蚀，钢管被原油中的含硫化合物腐蚀等。
2．电化学腐蚀
不纯的金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失电子而被氧化，这种腐蚀叫做电化学腐蚀。钢铁在潮湿的空气中所发生的腐蚀是电化学腐蚀的最突出的例子。
我们都知道，钢铁在干燥的空气里长时间不易腐蚀，但在潮湿的空气里却很快就会腐蚀，这是什么原因呢？
原来，在潮湿的空气里，钢铁表面吸附了一层薄薄的水膜，这层水膜里含有少量H+和OH-，还溶解了氧气等气体，结果在钢铁表面形成了一层电解质溶液，它跟钢铁里的铁和少量的碳恰好形成无数微小的原电池。在这些原电池里，铁是负极，碳是正极。铁失去电子而被氧化：
负极：2Fe-4e-=2Fe2+
正极：2H2O+O2+4e-=4OH-
电化学腐蚀是造成钢铁腐蚀的主要原因。
3．金属的防护
影响金属腐蚀的因素包括金属的本性和介质两个方面。就金属本性来说，金属越活泼，就越容易失去电子而被腐蚀。有些金属如铬、铝等，虽然比较活泼，但因表面可生成致密的氧化物薄膜，使金属钝化，防止金属进一步被氧化，从而保护了内层金属不再被腐蚀。如果金属中能导电的杂质不如该金属活泼，则容易形成原电池而使金属发生电化学腐蚀。
介质对金属腐蚀的影响也很大，如果金属在潮湿的空气中，接触腐蚀性气体或电解质溶液，都容易被腐蚀。因此，要经常注意对机器和仪表的保养。
金属防护的方法很多，例如可以根据不同的用途选用不同的金属或非金属制成合金，以防止腐蚀，如不锈钢就是一种耐腐蚀的合金；也可以采用喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法使金属与介质隔离，以防止腐蚀；还可以采用电化学保护法防止金属腐蚀等。
问题与思考：
1．形成原电池的条件是什么？原电池中电子及电流的流动方向？ 提示
2．为什么实验室用锌跟稀硫酸反应制氢气时粗锌比纯锌反应快？ 为什么向稀硫酸中加入少量硫酸铜溶液能使制取氢气的反应加快？ 提示
3．镀锌铁板和镀锡铁板都是在铁的外面镀上一层活泼金属，为什么在镀层破损后镀锌铁板比镀锡铁板耐腐蚀？ 提示
4．常用的防止钢铁制品腐蚀的方法有哪些？ 提示
家庭小实验
在一瓣橘子上相隔0.5cm分别插一小段铜片和铝片，把铜片和铝片的另一端通过导线接触耳机的两极，试试能否听到“嘎嘎”声。能够从耳机中听到“嘎嘎”声，说明了什么？用其他金属、水果、液体再试一试。
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