从浓差电池出发探究原电池的构成条件

余红

摘要：在中学化学关于原电池教学中，部分教师包括市售教辅资料中存在关于原电池的构成条件的探讨，本文通过往年高考试题、模拟试题中出现的浓差电池为例，探究原电池的构成条件。

关键词：原电池;构成条件;浓差电池

在中学化学教学中关于原电池的构成条件的论述中，有很多教师都有一个所谓统一的认识，即认为原电池的构成条件为：

①要有两种活泼性不同两种金属（或金属与非金属）做电极;较活泼的金属做负极，较不活泼的金属做正极;

②两金属电极要同时插入电解质溶液中;

③形成闭合回路。

④要有一个自发的氧化还原反应[1]

即“两极一液一回路一自发”。原电池的构成条件真的如此？我们来看三道试题：

【例1】（2011.浙江）将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆周中心区（a）已被腐蚀而变暗，在液滴外沿棕色铁锈环（b），如图所示。导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘少。

下列说法正确的是

A.液滴中的Cl-由a区向b区迁移

B.液滴边缘是正极区，发生的电极反应为：O2+2H2O+4e- = 4OH-

C.液滴下的Fe因发生还原反应而被腐蚀，生成的Fe2+由a区向b区迁移，与b区的OH―形成Fe（OH）2，进一步氧化、脱水形成铁锈

D.若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液，则负极发生的电极反应为Cu-2e- = Cu2+

本题参考答案为选项B。根据本题题设条件，我们可以清楚判断为发生了一个原电池反应，但实验中并无两个活动性不同的两个电极，分析实验现象，我们可知：腐蚀区（a）上发生了原电池的负极反应：Fe - 2e- = Fe2+，液滴外沿发生了吸氧腐蚀，发生正极反应为：O2+2H2O+4e- = 4OH-。我们将两个反应相加却得不到一个完整的自发的氧化还原反应。

深入分析，我们发现本题中铁片的腐蚀是电化学腐蚀无疑，理论基础来自于原电池原理，液滴边缘比液滴之下的氧气含量多，所以靠近液滴边缘的铁片中所含的碳等杂质为原电池的正极，液滴之下氧气含量较为稀薄处的铁片作负极。被液滴覆盖的下方的铁为原电池的外电路，液滴为内电路。这样一个原电池就形成了因为氧气浓度差异的电池，即为氧浓差电池。浓差电池：物质在两个物相（可为气、液或固相）间有浓度差异时，有从高浓物相向低浓物相传递的自发倾向，并产生浓差电势。利用浓差电势组成的电池称为浓差电池。[2]

【例2】（2014.福建 有删减）铁及其化合物与生产、生活关系密切。

（1）右图是实验室研究海水对铁闸不同部位腐蚀情况的剖面示意图。

②图中A、B、C、D四个区域，生成铁锈最多的是      （填字母）。

本题参考答案为：B点。此题素材选择人教版《选修4 化学反应原理》中的钢铁电化学腐蚀。通过简单分析可知，本题中的原电池也为浓差电池，图中B点位于空气与海面接触面上，氧气浓度大，电极电位较大，为正极，发生反应O2+2H2O+4e- = 4OH-，C点距离海面较远，氧气浓度小，为负极，发生反应：Fe-2e- = Fe2+。C点得到亚铁离子并没有转化成Fe（OH）2，加上含氧量低，无法被氧化成Fe（OH）3，铁锈少。而对于B点，铁闸本身就可以形成原电池，从B到D中任何一点，都可以形成无数微电池，铁闸本身发生电化学腐蚀，不断有铁被腐蚀，由于离海面近，含氧量高，容易形成Fe（OH）3，因此形成铁锈容易。[3]

【例3】（厦门市2018届高中毕业班第二次质量检查）某热再生电池工作原理如图所示。放电后，可利用废热进行充电。已知电池总反应： 下列说法正确的是

A.充电时，能量转化形式主要为电能→化学能

B.放电时，负极反应为

C.a为阳离子交换膜

D.放电时，左池Cu电极减少6.4 g时，右池溶液质量减少18.8 g

本题参考答案为D。从本题题设告诉的总反应方程式中，我们可以看出，总反应并不是一个自发的氧化还原反应，而是一个在热力学上自发的反应，在两个铜电极上由于左池通入了氨气，而右池没有通入氨气，使得左右两个半电池存在氨浓差，由此两个电极的电极电位不同，从而形成了原电池。

通过以上三例我们知道，原电池的构成条件并不是本文开头总结的四个必备条件。而恰恰这四个构成条件只是从最简单的铜锌-稀硫酸原电池出发总结出的原电池的构成条件，有一定局限性，不能随意扩展，尤其在教学中应该给学生及时纠正。在涉及更多的原电池类型中，我们可以发现比如浓差电池，包括燃料电池等电池中并不是完全符合四个基本构成条件。而其实，只要两个电极的电极电位有差异，且热力学上是自发的，那么就有可能形成原电池，原电池的形成与电极材料无关，也与是否有自发的氧化还原反应无关。

参考文献：

[1] 谭富桃.原電池形成条件.时代教育，2013.08

[2] 周公度.化学辞典.化学工业出版社.2004.04

[3] 任雪明，吴文中.高中化学教学疑难问题研析.浙江教育出版社.2015.08