电化学电池（原电池和电解池）

电化学是化学中的一个重要领域，处理电能和化学反应之间的关系，尤其是氧化还原反应。电化学的核心是电化学电池，它们可以从化学反应中生成电能或使用电能驱动非自发反应。

什么是电化学电池？

电化学电池是将化学能转化为电能或反之亦然的装置。主要有两种类型的电化学电池：

• 原电池（或称伏打电池）
• 电解池

原电池

原电池设计用于通过自发化学反应将化学能转换为电能。当氧化还原反应发生时，它会产生电流。

原电池的结构

一个基本的原电池由浸入各自在离子溶液中的两种不同金属组成，并通过电线连接，允许电子流动。另一个组成部分，盐桥，通过允许离子转移和保持电荷平衡来完成电路。

        Zn | Zn 2+ (aq) || Cu2+ (aq) cube
    

在这个特定的安排中，锌被氧化，失去电子，而铜被还原并获取电子。

原电池如何工作？

原电池中的化学反应如下：

• 氧化反应（阳极）： 这是锌金属（Zn）失去电子形成锌离子的地方（Zn → Zn2+ + 2e-）。
• 还原反应（阴极）： 溶液中的铜离子接受电子并形成铜金属（Cu2+ + 2e- → Cu）。

通过外部电线从锌到铜电极的电子流动产生电能。

电极电势

两半电池之间的电势差驱动电路中电子的运动。每种金属都有一个相关的标准电极电势，在1 M浓度、25°C温度和1 atm压力的标准条件下计算。

通过测量电压，我们可以使用以下公式确定电池电势（EMF）：

        E cell = E cathode - E anode
    

电解池

与原电池不同，电解池使用电能驱动非自发化学反应。它们需要外部电源，如电池或电力供应，来启动和维持反应。

电解池的结构

电解池由浸入电解液中的两个电极组成。一个电源连接到电极上以推动反应进行。

        { 电源 } - 阳极（氧化）| 电解质 | 阴极（还原）
    

电解池如何工作？

主要过程是电解：

• 阳极氧化： 电解质中存在的阴离子失去电子并向阳极移动。例如，在熔融氯化钠的电解中，氯离子被氧化成氯气（2Cl- - 2e- → Cl2）。
• 阴极还原： 阳离子接受电子并向阴极移动。在相同的例子中，钠离子获得电子形成钠金属（Na+ + e- → Na）。

电解池的应用

电解池广泛用于工业应用，包括：

• 电镀
• 电解精炼
• 氯气和氢氧化钠等化学品的生产

原电池和电解池的比较

虽然两种类型的电池都涉及氧化还原反应，但它们有明显的区别：

方面	原电池	电解池
能量转换	化学到电能	电能到化学
独立性	自发反应	非自发反应
外部电源	不需要	必要

原电池的视觉示例（简化版）

电池电势的示例计算

为了计算标准电压，让我们考虑一个由锌和铜组成的电池：

• E cathode = +0.34 V
• E anode = -0.76 V

基于电池电势公式：

        E cell = E cathode - E anode = 0.34 V - (-0.76 V) = 1.10 V
    

这个正的电池电势表示一个自发反应，这对于原电池是典型的。

关于电化学电池的结论

电化学电池在化学和日常生活中发挥着根本作用。原电池对于许多设备中使用的电池是必不可少的，而电解池在工业过程中和化合物的制造中具有重要性。理解它们的原理为理解如何通过化学反应实现能量转换提供了基础。

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