伽凡尼電池

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一类极为重要的氧化和还原反应被用来在电池中提供有用的电能。一个简单的电化学电池可以由铜和锌金属与它们的硫酸盐溶液制成。在反应过程中，电子可以通过导电的路径从锌转移到铜，成为有用的电流。

电化学电池可以通过将金属电极放入电解质中，在其中发生化学反应，使用或产生电流来创建。产生电流的电化学电池被称为伏打电池或电化学电池，普通电池由一个或多个此类电池组成。在其他电化学电池中，外部提供的电流被用来驱动不会自发发生的化学反应。这种电池被称为电解电池。

由于金属失去电子的倾向不同，所以可以用任何两种不同的金属创造一个导致外部电流流动的电化学电池。锌比铜更容易失去电子，因此将金属锌和铜放在它们的盐溶液中，可以使电子通过外部导线流过，该导线从锌通向铜。当一个锌原子提供电子时，它就变成了一个正离子并进入水溶液中，减少了锌电极的质量。在铜的一边，收到的两个电子使其能够将溶液中的铜离子转化为不带电的铜原子，并沉积在铜电极上，增加其质量。这两个反应的典型写法是

Zn(s) --> Zn²⁺(aq) + 2e ^-

Cu(²⁺aq) + 2e^- --> Cu(s)

括号中的字母只是提醒人们，锌从固体（s）进入水溶液（aq），而铜则相反。在电化学语言中，典型的做法是将这两个过程称为 "半反应"，发生在两个电极上。

为了使伏打电池继续产生外部电流，溶液中的硫酸根离子必须从右侧向左侧移动，以平衡外部电路中的电子流。金属离子本身必须被阻止在电极之间移动，因此某种多孔膜或其他机制必须提供电解液中的负离子从右边到左边的选择性移动。

迫使电子从锌电极移动到铜电极需要能量，伏特电池中每单位电荷的能量被称为电池的电动势（emf）。每单位电荷的能量以伏特表示（1伏特=1焦耳/库仑）。

显然，要从电池中获得能量，你必须从锌的氧化中获得比还原铜所需的更多能量。电池可以从这个过程中获得有限的能量，这个过程受到电解质或金属电极中可用物质数量的限制。例如，如果铜侧有一摩尔的硫酸根离子SO₄^2-，那么这个过程就仅限于通过外部电路转移两摩尔的电子。一摩尔电子所含的电荷量被称为法拉第常数，等于阿伏伽德罗数乘以电子电荷。

法拉第常数 = F = _ANe = 6.022 x 10²³ x 1.602 x 10 ^-19= 96,485库仑/摩尔

伏特加电池的能量产出是由电池电压乘以转移的电子摩尔数乘以法拉第常数得出的。

电能输出=nFE _cell

电池电势E_cell可以从两种金属的标准电极电位中预测出来。对于标准条件下的锌/铜电池，计算出的电池电位为1.1伏。

一个简单的电池通常有铜板（Cu）和锌板（Zn）在稀硫酸中。锌溶解后，铜板上会出现氢气的气泡。这些氢气气泡干扰了电流的通过，因此简单电池只能使用很短的时间。为了提供稳定的电流，需要一个去极化剂（一种氧化剂）来氧化氢气。在丹尼尔电池中，去极剂是硫酸铜，它将氢交换为铜。在Leclanche电池中，去极化剂是二氧化锰，它将氢氧化成水。

英国化学家约翰-弗雷德里克-丹尼尔在1836年开发了一种伏打电池，它使用锌和铜以及它们的离子溶液。

钥匙

• 锌棒=负极
• HSO₂₄ = 稀硫酸电解液
• 多孔锅将两种液体分开
• CuSO₄ = 硫酸铜去极化剂
• 铜壶=正极