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不锈钢无缝方管发生化学反应时的原电池和电极电位

当不锈钢无缝方管发生化学反应时,往往能放出能量,我们把这种能量叫做化学能。化学能一般表现为放出热量。另外,某些反应还能将化学能转变为电能。

在盛有稀酸的烧杯里,插入锌片和铜片各一片。开始,锌片上有氢气放出,铜片上没有什么变化。然后用导线将锌片和铜片连接起来,并在电路上接上检流计,则铜片上有大量氢气放出,检流计指针会发生摆动,指示出导线上有电流通过,电子流动的方向是由锌到铜。图1-3就是原电池的简单装置。这里由于锌比铜活泼,锌失去电子而变成锌离子( Zn+)进入熔液,即锌片不断熔解,因而被腐蚀。锌片上发生的这种反应是氧化反应。反应式为:

Zn -2e =Zn++

锌片不断被溶解(即被腐蚀),其附近的锌离子浓度逐渐增大,阻止溶液中的氢离子(H+)移向锌片,锌片上的电子无法被氢离子夺去,故氢气便不能从锌片上逸出。这时锌片上的电子沿导线流向铜片,故导线上产生了电流,当电子到达铜电后,溶液中的氢离子被吸引至铜片并夺得电子而形成氢原子,两个氢原子再结合成氢分子,从铜片上逸出。铜片上发生的这种反应就是还原反应。反应式为:

2H++ 2e=H2

将以上氧化还原反应用一个总的反应式表示如下:

Zn+ 2H+= Zn+++H2

当不锈钢无缝方管和另一种金属(或其它能导电的材料)在电解质溶液中接触时,就构成了原电池。在原电池中电子流出的一极定为负极,电子流入的一极定为正极。所以,活泼性较大的不锈钢无缝方管是负极,而活泼性较弱的方管(或其它电极材料如石墨等)为正极。

     

这种利用氧化一还原反应产生电流的装置叫做原电池。

关于原电池产生电流的机理,可以用能斯特(W-Nernst)理论说明,并由此引出电极电位的概念。能斯特理论认为:当不锈钢无缝方管浸入它的盐溶液中时,无缝方管表面上的金属阳离子由于受到溶液中极性水分子的吸引,有进入溶液的趁势,方管愈活泼,溶液浓度愈稀,这种趋势愈大;同时,溶液中的不锈钢方管阳离子由于不断碰撞金属,则有从方管表面获得自由电子而沉积到不锈钢无缝方管表面上去的趋势,溶液中该种方管离子的浓度愈大,这种趁势也愈大。可用下式表示:

M=Mn+    +    ne

(在溶液中)  (在不锈钢无缝方管上)当这两种相反的趋势达到动态平衡时,那么,在方管和溶液界面间便形成了双电层,产生了一个电位差。如果前一种趋势大于后一种趋势,例如Zn浸入ZnSO4溶液中(常用符号Zn++/Zn表示),随着Zn的溶解,不锈钢无缝方管表面便积累了过剩的电子,结果方管带负电而溶液带正电,并且由于异电相吸,就在不锈钢无缝方管表面的周围聚集了较多的金属阳离子,形成了如图1—4 (1)所示的双电层,产生了电位差,这种情况下方管的电位为负值,反之,当前一种趋势小于后一种趋势时,例如Cu浸入CrlS04溶液中(常用符号Cu++/Cu表示),则不锈钢无缝方管带正电而溶液带负电,此时形成了如图1-5(I)所示的双电层,也产生了电位差,不过电位值为正值。当我们用根导线将这两个方管电极联接起来并安上电桥时,便产生了电流,形成如图1-5所示铜锌原电池。由此看来,原电池之所以产生电流,就是由于两极上的电位差不同,并通过同时分别发生于两极上的氧化一还原反应而实现的。原电池的电动势就是两个电极之间的电位差。

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