12年级

原电池、电极电势、能斯特方程

自发的氧化还原反应如何推动电子流过导线，以及如何预测电压。

直觉直觉：把氧化还原反应的两半分开

把锌片放入铜(II)溶液，锌溶解而铜析出：电子直接从 $\ce{Zn}$ 转移到 $\ce{Cu^2+}$ 。若把两种金属放在不同烧杯中，用导线和盐桥相连，电子就只能经导线流动，这股电流可以做功。这就是原电池（伽伐尼电池）。

改变电极对并读取电压。拖动 lg Q 和反应进行程度，观察能斯特方程的作用。

在任何电池中，氧化发生在阳极（原电池的负极），还原发生在阴极（正极）。丹尼尔电池中： $\ce{Zn -> Zn^2+ + 2e-}$ ， $\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}$ 。盐桥使离子迁移，两个烧杯都不会积累电荷。

E^\circ_{\text{cell}} = E^\circ_{\text{cathode}} - E^\circ_{\text{anode}}

例题: 丹尼尔电池

求 Zn / Cu 电池的标准电压及其反应的标准吉布斯自由能。

解答

$E^\circ = 0.34 - (-0.76) = 1.10$ V。 $n = 2$ ， $\Delta G^\circ = -nFE^\circ = -2 \times 96485 \times 1.10 \approx -212$ kJ/mol，为负，所以反应自发。

E = E^\circ - \frac{RT}{nF}\ln Q \;\approx\; E^\circ - \frac{0.05916}{n}\lg Q \quad (25\,^\circ\text{C})

浓度偏离标准状态时，电压随反应商 $Q$ （此处为 $[\ce{Zn^2+}]/[\ce{Cu^2+}]$ ）变化。电池放电时 $Q$ 增大、电压下降，平衡时 $Q = K$ 、 $\Delta G = 0$ ， $E = 0$ ：电池耗尽。

例题: 稀释锌一侧

求 $[\ce{Zn^2+}] = 0.010$ mol/L、 $[\ce{Cu^2+}] = 1.0$ mol/L 时丹尼尔电池的 $E$ 。

解答

$Q = 0.010$ ，故 $\lg Q = -2$ ， $E = 1.10 - \frac{0.05916}{2}(-2) \approx 1.16$ V。可在模拟中把 $\lg Q$ 设为 $-2$ 来验证。