原电池（二）

官官方化学老师·14 页·深入（追求细节与边界）·0 次浏览·3 天前

✦ 原电池（二）化学原电池（二）比能量

电极电势氧化还原反应方向

原电池（二）

搞懂电极电势如何定量判断氧化还原反应的方向与限度，认清电化学序列的适用边界

按空格/→ 演示下一步

1 / 14 页

全部页面点击任意一页，跳回舞台从这页播放

电极电势氧化还原反应方向

原电池（二）

搞懂电极电势如何定量判断氧化还原反应的方向与限度，认清电化学序列的适用边界

1第 1 页 · 原电池（二）

碱性锌锰电池

上页的酸性锌锰电池用着用着电压就掉——因为电解质是 NH₄Cl 糊状物。今天看「升级版」：把糊换成碱性 KOH 溶液，同样的锌和二氧化锰，性能天差地别。

电解质换成碱

用 KOH 或 NaOH 浓溶液代替 NH₄Cl 糊状物，导电和离子迁移更顺畅

电极反应改写

负极生成 ZnO 而非 Zn²⁺，正极生成 MnOOH 而非 H₂，避免气体堵塞

三大性能优势

电压稳定在 1.5V、内阻小、容量是普通锌锰的 3~5 倍

可大电流放电

能驱动电动玩具、剃须刀等高功率设备，普通锌锰做不到

典型应用

你家的 5 号、7 号电池就是它，遥控器、钟表、玩具都靠它

土灶烧柴 vs 燃气灶对应 →酸性锌锰 vs 碱性锌锰

同样靠燃料释放能量，燃气灶火更稳、效率更高、不易熄火

负极：\mathrm{Zn}+2\mathrm{OH}^--2e^- \to \mathrm{ZnO}+\mathrm{H_2O} \\ 正极：2\mathrm{MnO_2}+2\mathrm{H_2O}+2e^- \to 2\mathrm{MnOOH}+2\mathrm{OH}^-

2第 2 页 · 碱性锌锰电池

比能量

上节我们算过碱性锌锰电池的实际输出，但同样的电量，锂电池能轻一半——这就是比能量在起作用。

定义

单位质量或体积电池所能输出的电能，常用 Wh/kg

计算式

比能量 = 比容量 × 平均工作电压

取舍

高比能量常以牺牲循环寿命与安全性为代价

场景选择

电动车看比能量，电网储能看成本与寿命

食物的热量密度对应 →比能量

1 g 脂肪≈9 kcal，1 g 蛋白质≈4 kcal——同重不同能

W_s = C_s \times \bar{U}

3第 3 页 · 比能量

比功率

上页讲比能量回答「能跑多远」，但电钻为啥不用干电池？因为它要的不是慢慢供一小时的电池，而是几秒能吐 20 安的电池。落差就出在比功率。

定义

单位质量或体积电池能输出的最大功率，单位 W/kg 或 W/L

内阻决定上限

峰值功率 P=U²/(4r)，内阻 r 越小，瞬时输出越强

与比能量的取舍

此消彼长：高功率电池能量低（如超级电容），高能量电池功率受限

看功率不看能量的场景

电钻启动、HEV 加速助推、相机闪光脉冲放电

汽车：油箱 vs 马力对应 →比能量 vs 比功率

油箱大跑得远，马力大加速猛，两者很少同时拉满

P_{\max}=\dfrac{U^{2}}{4r}

4第 4 页 · 比功率

电池储存时间

电池储存时间：背景、意义与延伸了解

电池储存时间

电池储存时间：背景、意义与延伸了解

5第 5 页 · 电池储存时间

电极反应

上一节讲到储存时间会随自放电缩短，而电池能输出电流，本质是两电极上各发生了一场'电子交易'：一边失去电子被氧化，一边得到电子被还原。这场发生在电极/电解质界面上的反应，就是电极反应。

定义

电极与电解质界面上发生的氧化或还原反应，伴随电子得失

阳极（负极）反应

氧化反应：反应物失电子，电子流出电极

阴极（正极）反应

还原反应：反应物得电子，电子流入电极

两反应耦合

总电池反应 = 阳极半反应 + 阴极半反应，电子得失守恒

锌锰电池实例

负极：Zn−2e⁻→Zn²⁺；正极：2MnO₂+H₂O+2e⁻→2MnOOH+2OH⁻

二手市场的一笔交易对应 →原电池中电子的转移

卖方（阳极）把商品（电子）交出去，买方（阴极）把商品（电子）收下来

E_{\text{电池}} = E_{\text{正极}} - E_{\text{负极}}

6第 6 页 · 电极反应

化学方程式中的变化与守恒

上一页的电极反应只画了一半——两极各写各的。要合成总反应式，必须先回答：电子从哪儿流、到哪儿停？背后是三条守恒律在把关。

电子守恒

负极失去的电子总数等于正极得到的电子总数，是配平的逻辑起点

电荷守恒

方程式两边所有离子和电子的总电荷代数和必须为零

质量守恒

每种元素的原子数在方程式左右两侧完全相等

配平顺序

先抓电子守恒，再补齐原子，最后校核电荷是否归零

两人互扔球对应 →电子守恒

A扔出几个球，B一定接到几个；球不会凭空增减

Zn + 2MnO_2 + 2H_2O = Zn(OH)_2 + 2MnOOH

7第 7 页 · 化学方程式中的变化与守恒

干电池

上一页讲了碱性锌锰电池的改良，但它的「前任」——1866 年勒克兰谢发明的锌碳干电池才是便携电池的鼻祖。理解干电池，就是读懂便携电池史的第一页。

历史地位

勒克兰谢 1866 年发明，第一种大规模商用的便携式电池

结构三件套

锌筒作负极、碳棒作正极、MnO₂+NH₄Cl 糊作电解质

「干」的真意

电解质是糊状而非液态，可任意角度放置不漏液

先天缺陷

放电时电压持续下降，锌筒自腐蚀使储存期短

改进方向

这些缺陷正是碱性锌锰电池要解决的核心问题

盒装牛奶对应 →干电池

湿电池像玻璃瓶装牛奶易洒，干电池把电解质糊化封装，任意角度都安全

负极：\text{Zn}-2e^-\rightarrow\text{Zn}^{2+}；正极：2\text{MnO}_2+2\text{NH}_4^++2e^-\rightarrow\text{Mn}_2\text{O}_3+2\text{NH}_3+\text{H}_2\text{O}

8第 8 页 · 干电池

电池极板与极性

上页我们看到干电池中锌被氧化、二氧化锰被还原。但反应具体发生在电池内部的哪块'板'上？'正极'与'负极'又是按什么规则规定的？

极板

电池中实际承载/参与电极反应的导体部件，如锌筒、碳棒

负极

发生氧化反应、向外电路释放电子的极板，常为活泼金属（锌）

正极

发生还原反应、从外电路接收电子的极板（碳棒或金属氧化物）

极性判定

活动性更强的金属为负极；也可用电压表/电流计测电流方向

极性与外电路

外电路中电流由正极→负载→负极，电子流动方向相反

水坝上下游水位差对应 →电池正负极电势差

上游(高水位)=正极高电势；水从高往低流=电流从正极经外电路流向负极，电子方向相反

9第 9 页 · 电池极板与极性

金属活动性顺序（起电序列

在上一页电极反应里我们发现，不同金属失电子的'积极性'差别很大。化学家把金属按这种'积极性'从高到低排了队——这就是起电序列。

本质是失电子倾向

金属按失电子能力强弱排队，越靠前越易失电子被氧化

判断正负极

两种金属组成电极时，较活泼的金属做负极、被氧化

间距越大电压越高

两金属在序列中隔得越远，标准电动势差越大，电池电压越高

排序不是绝对的

实际还受离子浓度、温度、是否钝化等因素影响，不能机械套用

运动会的起跑顺序对应 →金属活动性顺序

起跑越靠前的选手跑得越快，序列越靠前的金属失电子越积极

10第 10 页 · 金属活动性顺序（起电序列

电池环境污染与回收

前几页我们盯着电池里『电子从锌流向铜』的过程，但一节电池放完电之后呢？随手丢进垃圾桶的干电池，可能正在悄悄污染脚下的土壤。

主要污染源

废旧电池中的汞、镉、铅、镍、锰等重金属及强酸强碱电解液

污染途径与危害

重金属随渗滤液进入土壤和地下水，经食物链逐级富集，最终危害人体神经和肾脏

回收工艺方法

先机械破碎分选，再采用湿法浸出或火法高温冶炼，分离提纯金属回炉再生产

回收现实难点

民众分类投放意识弱，正规回收网点少，处理成本高、经济效益低

垃圾分类对应 →电池定向回收

普通垃圾填埋即可，但含重金属电池必须送入危废处理线，否则污染扩散

11第 11 页 · 电池环境污染与回收

电能储能与调峰

电是'即发即用'的——发出来就须立刻用掉。但用电有波峰波谷，发电却很难瞬间增减。这给电网出了难题：电多存不下、电少不够用。储能调峰，就是给电网装个'时间水箱'。

储能必要性

发电与用电时段错位，电网需要'时间搬运'能力

调峰削谷

低谷储能、高峰释能，把尖峰削平

储能方式

抽水蓄能、压缩空气、电池储能并存

二次电池基础

可逆电极反应是反复充放电的化学前提

分布式储能

电动车并入电网，车辆本身成为储能节点

城市供水水库对应 →电能储能调峰

雨季蓄水、旱季放水；低谷充电、高峰放电，把'暂时多出来的'留到'需要的时候'用

12第 12 页 · 电能储能与调峰

本节要点

✓比能量与比功率常呈此消彼长
✓金属活动性顺序决定正负极与电子流向
✓电极反应需同时满足电子与原子守恒
✓储存寿命取决于电池内部的自放电
✓废旧电池含重金属,必须分类回收

延伸主题：锂离子电池工作原理燃料电池原理可逆电池与充放电

13第 13 页 · 本节要点

课后思考

先合上课本，用自己的话回答；卡住再翻参考答案。

1碱性锌锰电池里，锌和二氧化锰分别在哪个电极发生反应？和普通干电池相比，产物有什么不同？这跟储存时间有什么关系？

参考答案锌在负极氧化，二氧化锰在正极还原。碱性环境产物是可溶的锌酸盐，普通干电池的铵盐体系产物会逐渐堵塞；碱性体系副反应少，所以储存更久。

2如果要给一个高海拔无人值守气象站选供电电池，比能量和比功率哪个更优先？为什么？

参考答案更看重比能量。气象站负载是低功率传感器持续运行，补电困难，电池要尽量单次装下更多电量；比功率只在瞬时大电流场景才关键。

3金属活动性顺序能直接预测任意两种金属在水溶液中原电池的正负极吗？如果不能，请举出一个反例并解释原因。

参考答案不一定。比如铅在稀硫酸中表面生成难溶硫酸铅膜而钝化，真实电极电位与表中数值偏差很大；表面膜、产物溶解性、电解液浓度都会干扰序列的预测。

14第 14 页 · 课后思考