两种载流路径
电化学电池包含发生电荷转移的电极界面和传导离子的电解质。将氧化与还原过程安排在不同电极上,可以使电子经过外部回路,而不是让反应物在同一位置直接交换电子。电池内部的离子迁移与外部的电子流共同构成持续反应所需的电荷传递。
双烧杯装置常用盐桥连接两侧溶液。盐桥不是让电子穿过的导线,而是提供离子通路,缓解电极反应造成的电荷失衡。实际电池也可使用隔膜等结构;两个烧杯和一根 U 形管是说明原理的模型,不是每种电池都必须照搬的外形。
原电池怎样供电
原电池又称伏打电池,在给定条件下利用自发的氧化还原反应对外做电功。以锌和铜离子构成的丹尼尔电池为例,锌失去电子成为锌离子,铜离子接受电子成为金属铜。总体反应可写成 Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu;电子通过外部回路由锌一侧流向铜一侧。
这个式子中,锌失去的两个电子恰好对应一个铜离子得到的两个电子。把两个半反应相加时电子抵消,说明电子是两处反应间传递的量,而不是凭空增加的最终产物。供电依赖可进行的化学反应,不能把电池理解成一个装满电子、倒空便结束的容器。
参考:[3]
阳极、阴极与正负极
阳极的定义是发生氧化的电极,阴极的定义是发生还原的电极。这组名称描述反应作用;正极和负极描述两极的电位关系。在原电池放电时,阳极是负极,阴极是正极。
电解池由外部电源推动非自发反应,阳极通常接电源正端,阴极接负端,故阳极为正、阴极为负。虽然正负关系与原电池不同,阳极氧化、阴极还原的定义并未改变。因此判断电极时,应先明确装置正处于供电还是电解过程,再说明反应和极性。
输入电能与充电
电解是用外部电能驱动化学变化,例如电镀、制备某些化学品,以及为可充电电池充电。这里能量转换的主要方向与原电池放电相反;电源必须提供足够的驱动力,单靠把两个电极放入电解质并不会自动实现预期反应。
可充电电池采用能够在适当条件下逆向进行的反应,充电使其化学组成得到一定程度恢复。一次电池则不是为反复充电设计的,不能从“电解能逆转某些反应”推出任何电池都能安全充电。电化学原理说明反应路径,能否反复使用还取决于具体材料与结构。