电极和半电池
在电池中,把电子流出的一极称为负极,电子流入的一极称为正极。即发生氧化反应的电极为负极,发生还原反应的电极为正极。因此,在上述铜锌原电池中,锌片为负极,铜片为正极。两极上的反应称为电极反应。又因每一电极是原电池的一半,又称为半电池反应。铜锌原电池中的电极反应和电池反应为
负极反应 Zn(s)=Zn2+(aq)+2e
正极反应 Cu2+(aq)+2e=Cu(s)
电池反应 Zn(s)+ Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s)
电极必须包含两类物质,一类是还原型物质,另一类是相应的氧化型物质。电极中氧化型物质和还原型物质之间存在如下关系
氧化型+ne ⇌ 还原型
或写为 Ox +ne ⇌ Red
电对
氧化型物质与还原型物质组成氧化还原电对,简称电对,以“氧化型/还原型”来表示。例如,在铜锌原电池中,铜电极的电对为Cu2+/Cu,锌电极的电对为Zn2+/Zn。
不仅金属和它的离子可以构成电对,而且同一种金属的不同价态离子、非金属单质及其离子、金属及其难溶盐等都可以构成电对,例如Fe3+/Fe2+,MnO4-/Mn2+,H+/H2,Cl2/Cl-,AgCl/Ag等。
电极种类
任何一个氧化还原电对都可以构成一个电极。
有的电对本身有电流导体,如电对Cu2+/Cu中的Cu,电对Zn2+/Zn中的Zn,电对AgCl/Ag中的Ag,既是电对的还原型物质,又是传导电子的导体。这类电对可单独构成电极。
而Fe3+/Fe2+,MnO4-/Mn2+,H+/H2等电对中就没有电流导体。当这些电对构成电极时,需要外加一个能导电而又不参加电极反应的惰性电极导体,常用的惰性电极导体是铂(Pt)和石墨(C)。例如电对Fe3+/Fe2+构成电极时可用P作电极导体,电极符号为
Pt│Fe3+(c1),Fe2+(c2)
根据电极组成的不同,通常把电极分为四类。一些常见电极种类、电极反应和电极符号见表3-1。
表3-1中的电极符号都是按电极为原电池的负极书写的,如果作为原电池正极,电极符号书写顺序正好相反。
表3-1 常见电极的分类
电极种类 | 举例 | ||
电对 | 电极反应 | 电极符号 | |
金属与金属离子 | Cu2+/Cu | Cu2++2e=Cu | Cu│Cu2 |
非金属与非金属离子 |
H+/H2 O2/OH- |
2H++2e=H2 O2+2H2O+4e=4OH- |
Pt│H2│H+ Pt│O2│OH- |
同一元素的不同价态离子 |
Fe3+/Fe2+ MnO4-/Mn2+ |
Fe3++e=Fe2+ MnO4-+8H++5e=Mn2++4H2O |
Pt│Fe3+,Fe2+ Pt│MnO4-,H+,Mn2+ |
金属、金属难溶盐和难溶盐负离子 |
AgCl/Ag Hg2Cl2/Hg |
AgCl+e=Ag+Cl- Hg2Cl2+2e=2Hg+2Cl- |
Ag│AgCl│Cl- Pt│Hg│Hg2Cl2│Cl- |