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==原电池==
从[[高中化学/目录/氧化还原反应|前面的学习]]中我们知道，氧化还原反应的本质是电子的得失或偏移；而在初中的[[初中物理/电压与电流|物理课上]]就明白，电荷的定向移动会形成电流。由此，我们是否可以认为，参与氧化还原反应的粒子构成了无数个微小的电路；而反应放出的热量，就是这些电路中电流的热效应(短路)？

化学反应的能量变化是个比较复杂的过程，不能一概论之。但上面的思考给了我们一种启示，即是否能通过某种装置，将物质中的化学能转化为电能？

先通过下面的练习来复习前面的内容，再来思考这个问题。
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;练习
#在氧化还原反应中，<!--还原剂-->________失电子，发生<!--氧化-->______反应。
#在氧化还原反应中，<!--氧化剂-->________得电子，发生<!--还原-->______反应。
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要想从氧化还原反应中获得集中的电流，就得想办法把氧化反应和还原反应分离开来，再以恰当的方式将两个区域相沟通。我们可以让锌棒和铜棒平行插入稀硫酸中，然后把电流表串联在两根金属棒之间。

可以发现，装置中电流表的指针偏转，且铜棒上有气泡冒出；这说明，我们通过这种装置将化学能转化成了电能。我们将类似的装置称之为'''原电池'''(primary battery)。

[[File:Hand-painted primary battery.jpg|缩略图|原电池原理图示]]
在锌铜原电池中，锌棒上的锌原子失去电子，变成锌离子溶解在溶液中，作原电池的负极。
:<chem>Zn{-}2e^-->Zn^{2+}</chem>
电子流到铜棒上，氢离子与之结合形成氢气；铜棒作原电池的正极。
:<chem>2H+{+}2e^-->H2\uparrow</chem>
将两式加起来，就是锌和酸反应的式子。
:<chem>Zn{+}2H+->Zn^{2+}{+}H2\uparrow</chem>

这种原电池的电流会在短时间内衰减，这是由于有部分还原反应直接在负极进行，而发生了能量损耗之故。为了解决这个问题，我们可以引入'''盐桥'''将两个半反应进一步分离，使之不互相干扰。盐桥是填充了琼脂的U型玻璃管，琼脂里浸着电解质溶液。

请你试着写一下这个原电池的电极反应式。
{{aside
|注意，如果要同时写出正负极的电极反应式，请务必使正极得电子的数目与负极失电子的数目相等。
}}
:正极：__________________________
:负极：__________________________
:总反应：__________________________

我们把两个不同的电极放到电解质溶液中，再用外电路将两电极相连。若此时外电路中因自发进行的氧化还原反应而出现了电流，就会构建出一个原电池。原电池的氧化反应和还原反应在两个区域进行，因此可分为两个半电池。在原电池中，负极发生氧化反应，还原剂失去的电子在此进入外电路；而正极处的电子因参与还原反应而被消耗；所以在外电路中产生了电势差，来推动电流的流动。

==化学电源==
'''化学电源'''(chemical power source)是将化学能转化成电能的装置，即一般所说的电池。原电池是化学电源的雏形，根据原电池的原理，我们可以设计出各式各样的化学电池。
===一次电池===
[[File:Batterijen.JPG|缩略图|形形色色的干电池]]
一次电池是指只能对外放电，使用到一定程度后就不能再使用的化学电池。由于一次电池的电解质溶液常常制成胶状，故也称之为干电池(dry cell)。
[[File:Drycell-vectorised.svg|左|无框]]
碱性锌锰电池是生活中较为常见的一种干电池，它的原理是：
:正极：<chem>2MnO2{+}2H2O{+}2e^{-}->2MnO(OH)</chem>（氢氧化氧锰）<chem>{+}2OH-</chem>
:负极：<chem>Zn{+}2OH^{-}{-}2e^{-}->Zn(OH)2</chem>
:总反应：<chem>Zn{+}2MnO2{+}2H2O->2MnO(OH){+}Zn(OH)2</chem>
{{-}}
===二次电池===
二次电池在放电后，还可以通过充电来补充消耗了的氧化还原反应的反应物，所以可以重复使用。二次电池又称充电电池或蓄电池。

在各类电子产品，如手机、笔记本电脑等，或者某些电动自行车等，广泛地使用了一类叫做锂离子电池的二次电池。
===燃料电池===
理论上，任何氧化还原反应都能设计成原电池，燃烧同样如此。在这样的思路启发下<sup>[来源请求]</sup>,科学家们研发出了'''燃料电池'''（fuel cell）。

燃料电池可以使用多种燃料来做还原剂，如烃、肼、甲醇、氨和煤气等；一般用空气中的氧气做氧化剂。氢氧燃料电池是其中较为常见的一种燃料电池，现我们以它为例来介绍燃料电池。

氢氧燃料电池以氢气为燃料，氧气为氧化剂；铂做电极，使用酸性电解质。氢气通入负极室后被被催化分解为氢原子，而后又失去电子作为<chem>H+</chem>在溶解在电解质溶液中；而正极上的<chem>H+</chem>和<chem>O2</chem>在电极上反应，在得到电子后转化成为<chem>H2O</chem>。其反应式如下。
{{Aside
|如果氢氧燃料电池使用碱性电解质，那么它的电极反应式又该怎么写呢？如果使用熔融盐类电解质（其中含有<chem>O^{{2-}}</chem>离子）呢？
}}
:负极：<chem>H2{-}2e^{-}->2H+</chem>
:正极：<chem>\tfrac{1}{2}O2{+}2H+{+}2e^{-}->H2O</chem>
:总反应：<chem>H2{+}\tfrac{1}{2}O2->H2O</chem>

燃料电池和之前讲到的一次电池和二次电池的主要区别是，燃料电池的点集合电解质最终没有被消耗，或者说它反应所用的氧化剂和还原剂来源于外界，而不是储存于电池内部的，整个电池只是个催化转化元件和反应容器。

由于燃料电池直接将储存在燃料中的化学能转化为电能所以它的能量转化效率（理论上可高达80%-90%）远高于燃烧燃料发电的效率（仅30%多）；而且燃料电池对环境的污染也比常规火电站要轻微，所以燃料电池是一种节能环保的装置。

==电解池==
前面介绍二次电池时，提到过它可以通过充电来恢复放电时消耗掉的反应物；实际上，此时的二次电池就相当于一个'''电解池'''(electrolytic cell)。而且，在初中时我们做过电解水的实验，那是你就接触过电解池了。

电解质在水溶液中会电离出阴阳离子，这些离子在外加[[高中物理/电与磁#电场|电场]]的作用下会受到[[高中物理/电与磁#库仑定律|库仑力]]的作用，从而定向移动到电极处并发生氧化还原反应。这种过程就叫做'''电解'''(electrolysis)<ref>电流通过熔融电解质时发生的化学反应也叫电解。</ref>，发生或用于进行电解反应的装置就叫做电解池或电解槽。
<references />

==电解原理应用==

==电化学腐蚀及其防治==
===金属的电化学腐蚀===
原电池反应不仅在干电池或者烧杯里被设计出来供人利用，还会在某些时候自发出现，悄无声息地改变这个世界。

我们知道，钢铁在冶炼过程中渗入了一些碳，这改善了钢铁的品质，使之更合乎让们的需求。然而，有时候这些碳就会和铁及电解质溶液构成遍布钢铁表面的无数微小的原电池，加速钢铁的腐蚀。

在较为潮湿的环境中，钢铁表面会聚成水膜；若此时空气中含有较多的<chem>CO2</chem>、<chem>SO2</chem>或氮的氧化物等，水膜就会呈现出一定的酸性，腐蚀钢铁。
:负极：<chem>Fe{-}2e^{-}->Fe^{2+}</chem>
:正极：<chem>2H+{+}2e^{-}->H2\uparrow</chem>
:总反应：<chem>Fe{+}2H+->H2\uparrow</chem>
这个过程中产生了氢气，我们称之为钢铁的'''析氢腐蚀'''。

通常水膜不会有太强的酸性，此时溶解在水中的氧气作为氧化剂，钢铁的腐蚀表现为'''吸氧腐蚀'''。
:负极：<chem>2Fe{-}4e^{-}->2Fe^{2+}</chem>
:正极：<chem>2H2O{+}O2{+}4e^{-}->4OH-</chem>
:总反应：<chem>2Fe{+}O2{+}2H2O->2Fe(OH)2</chem>
<chem>Fe(OH)2</chem>随即被氧化为<chem>Fe(OH)3</chem>,<chem>Fe(OH)3</chem>脱水后即变成<chem>Fe2O3*xH2O</chem>，这就是铁锈的主要成分。铁锈疏松地覆盖在钢铁表面，不能阻止钢铁继续被锈蚀。

像这种因原电池反应而发生的金属腐蚀，被称为'''电化学腐蚀'''(electrochemical corrosion)。金属也可以和其他物质直接反应而遭到'''化学腐蚀'''(chemical corrosion)；不过电化学腐蚀比化学腐蚀的反应速度快得多，也更为普遍。

===金属的电化学防护===

==参考书目==
#人民教育出版社《化学 选修4 化学反应原理》
#教育科学出版社；首都师范大学出版社《3年高考2年模拟 高考化学 学生用书》2016.6（2017.1重印）
{{高中化学-页脚|盖斯定律|能源与社会}}