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原电池四大构成要素

以氢氧燃料电池为例,原电池将氧化还原反应的化学能直接转化为电能。点击模型部件或使用「下一步」逐步探究。

电极材料

容纳反应发生的导电场所,如 Pt 电极、石墨

电极反应物

参与氧化还原反应的物质:H₂(还原剂)、O₂(氧化剂)

电子导体

导线构成外电路,电子从负极定向移动到正极

离子导体

电解质溶液构成内电路,离子定向迁移传导电荷

原电池 vs 燃烧
燃烧:H₂与O₂直接接触,化学能→热能,无电流
原电池:反应分区进行,化学能→电能,产生电流

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电极材料

电极材料是容纳电极反应发生的场所,为反应物提供得失电子的界面。

使用两个铂(Pt)电极。铂具有优良的导电性和化学稳定性,能吸附气体分子并催化电极反应。

电极材料的基本要求是能够导电。石墨虽非金属,也可作电极材料。

氢氧燃料电池中,Pt电极本身不参加化学反应,仅提供反应场所。

导电性催化作用反应场所Pt / 石墨
电极反应物

电极反应物是参与氧化还原反应的物质——还原剂(失电子)和氧化剂(得电子)。

H₂ 作为还原剂,在负极失去电子:

H₂ - 2e⁻ → 2H⁺

O₂ 作为氧化剂,在正极得到电子:

O₂ + 4e⁻ + 4H⁺ → 2H₂O
2H₂ + O₂ → 2H₂O

与燃烧相同的反应,但不需要点燃

还原剂 H₂氧化剂 O₂氧化还原反应
电子导体

电子导体即导线,构成外电路,使电子从负极定向移动到正极。

负极 H₂ 失去电子后,电子沿导线经过用电器流向正极。电子的定向移动产生电流。

燃烧时 H₂ 与 O₂ 直接接触——无定向移动,不产生电流。原电池将氧化还原反应分区进行,迫使电子通过外电路定向流动。

电路必须闭合,否则原电池无法工作。

导线外电路定向移动闭合回路
离子导体

离子导体即电解质溶液,构成内电路,通过离子定向迁移传导电荷。

使用稀硫酸。H⁺ 向正极迁移,SO₄²⁻ 向负极迁移。

纯水几乎不含自由离子,无法导电,相当于断路

NaOH 溶液可以(能导电),无水乙醇不可以(非电解质)。

电解质溶液内电路离子迁移H₂SO₄