原电池

碰在一起，只有热

把一块锌放进蓝色的硫酸铜溶液，锌的表面很快盖上一层红褐色的铜，溶液的蓝色慢慢变淡。台前左边的表面皿里就是这样一块锌。

反应是 Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu：锌原子交出两个电子，变成锌离子；铜离子接过这两个电子，变成铜。电子在两者碰到的地方直接过去，不走导线，放出的能量全变成热，每摩尔约 219 千⁠焦（本页按生成热计算）。

要让这份能量变成电，就得让电子绕一段远路。

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu · 放热约 219 千⁠焦/摩尔（计算）

分成两半，电子走导线

台上的两杯溶液把这个反应拆成了两半：左边，锌片插在硫酸锌溶液里；右边，铜片插在硫酸铜溶液里。两块金属用导线接到一只电压表上。

锌和铜离子不再碰面。锌交出的电子只能沿着导线走到铜那边，在那里交给铜离子。导线里有了电流，电压表的指针偏到约 1.1 伏。

靠一个自发的化学反应发电的装置，叫原电池，也叫伽伐尼电池。图上的电子和离子是示意，不按比例。

左：Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ · 右：Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu · 电子只走导线

锌这一边是负极

锌原子把两个电子留在金属里，自己变成锌离子进入溶液：Zn → Zn²⁺ + 2e⁻。失去电子叫氧化，发生氧化的电极叫阳极。

留下的电子让锌片带负电，所以在原电池里，阳极是负极。电解池里正好反过来：阳极接在电源的正极上。

锌片浸在溶液里的部分会一点点变薄。每通过 1 安⁠时的电量，约溶掉 1.22 克锌（本页按法拉第定律计算）。

Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ · 氧化 · 阳极 = 负极 · 每安时约 1.22 克锌（计算）

铜这一边是正极

导线送来的电子到了铜片表面，交给溶液里的铜离子。铜离子变成铜原子，一层层镀在铜片上：Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu。得到电子叫还原，这一极叫阴极，是原电池的正极。

镀上的是一层粉红色的纯铜，台上铜片浸在溶液里的那段就是这样。按法拉第定律算，每通过 1 安⁠时的电量，约析出 1.19 克铜。

铜离子越用越少，溶液的蓝色会慢慢变淡。

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu · 还原 · 阴极 = 正极 · 每安时约 1.19 克铜（计算）

1.10 伏从哪里来

一种金属和它的离子组成一个半电池。单个半电池的电势量不出来，只能量两个半电池之差，所以人们把标准氢电极定为零点，在 25 °C、离子浓度 1 摩⁠尔⁠每⁠升下，量出每个半电池的标准电极电势。查表，铜是 +0.34 伏，锌是 −0.76 伏。

电池的电压是正极减负极：0.34 −（−0.76）= 1.10 伏。两者差得越多，电压越高。

换成能量，1 伏就是每库仑电荷 1 焦耳。每摩尔反应最多能做约 213 千⁠焦的电功，ΔG = −nFE（计算）。电池存着的不是电，而是还没反应的锌和铜离子。

E°(Cu²⁺/Cu) = +0.34 伏 · E°(Zn²⁺/Zn) = −0.76 伏 · 相差 1.10 伏 · 最多约 213 千⁠焦/摩尔（计算）

盐桥里走的是离子

两杯溶液之间架着一根倒 U 形的玻璃管，里面是含氯化钾的琼脂凝胶，两头用棉花塞住。这就是盐桥。

左杯不断多出锌离子，右杯不断少了铜离子。盐桥里的负离子流进锌那边，正离子流进铜那边，两杯溶液都保持电中性，电流才能一直流。

电子从不穿过溶液，也不穿过盐桥；在溶液和盐桥里，电荷是离子带着走的。盐桥里的盐不参加两边的反应，只负责搬运电荷。

Cl⁻ 流向锌那边 · K⁺ 流向铜那边 · 溶液和盐桥里走的只有离子

提起盐桥，指针回零

把盐桥提起来，回路就断了：电流停下，指针落回零，反应也停了。

没有离子把电荷带过去，左杯会因为多出锌离子带上正电，右杯带上负电，这点电荷很快就把电子顶回去。把一杯溶液当作半径 5 厘⁠米的球来估算，约 2,000 万个锌原子反应后，电荷就足以抵消 1.1 伏，那只有约 2 飞⁠克锌（1 飞⁠克是千万亿分之一克）。

放回盐桥，指针又回到约 1.1 伏。

没有盐桥：约 2,000 万个锌原子后就停下（估算）· 指针回零

换一对金属

任意两种金属配成电池，电压都能从标准电极电势表上算出来：在表上离得越远，电压越高，电势低的那种金属做负极。

换成和铜配对：铁约 0.79 伏，镍约 0.60 伏，铅约 0.47 伏；锌和银配对约 1.56 伏。这些都是标准条件下的计算值，浓度变了，电压也跟着变。

手机里的锂离子电池也是同一个原理：锂离子在两极之间来回，电子走外电路；一节约 3.7 伏。

标准条件，计算：Zn–Cu 1.10 伏 · Fe–Cu 0.79 伏 · Ni–Cu 0.60 伏 · Zn–Ag 1.56 伏

1836 年，稳定的电流

1800 年，伏打把一对对铜片（最好是银片）和锌片叠起来，中间夹着浸了盐水的纸板，做成了第一个电池。这类电池用一会儿，电流就变弱：铜板上冒出的氢气附在表面，挡住了反应。

1836 年，伦敦国王学院的化学教授丹尼尔在写给法拉第的信里，描述了他的恒定电池：一个铜筒里套着一根用牛的食道做的膜管，管里一根汞齐化的锌棒泡在稀硫酸里，膜外是饱和的硫酸铜溶液。铜上析出的是一层粉红色的纯铜，不再冒氢气，电流连续六个小时完全稳定。

后来，丹尼尔电池给 1858 年和 1866 年的大西洋海底电报电缆供过电。按能斯特方程算，铜离子用掉九成时，电压只降约 0.04 伏（本页计算）。

1800：伏打电堆 · 1836：丹尼尔电池，六小时稳定 · 铜离子用掉九成，电压只降约 0.04 伏（计算）

生锈也是一个电池

铁在潮湿的空气里生锈，也是在铁的表面形成的原电池：铁的一处交出电子，Fe → Fe²⁺ + 2e⁻；电子在铁里走到另一处，交给溶在水里的氧气，O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻。铁自己就是导线。

铁锈是含水的三价铁氧化物，会剥落，护不住下面的铁。镀锌的铁皮上，锌比铁更容易被氧化，划破了也是锌先被腐蚀，替铁挡着。

按一份由各国旧研究外推的估算，全世界每年因腐蚀损失约 2.5 万亿美元，约为 2013 年全球生产总值的 3.4%。

Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ · O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ · 约 0.85 伏（计算）

一袋短路的电池

一次性暖宝宝里装着铁粉、水、活性炭、吸水树脂、蛭石和盐，按重量算铁粉最多。一份安全数据表写的是：铁粉占 50⁠–⁠60%，水占 30⁠–⁠40%。台前右边这一袋剪开了一头，倒出一堆深灰色的混合物，金褐色的小片是蛭石。

它发热靠的就是铁生锈。生锈本身是一个原电池，在这里，交出电子和接过电子的两处挨在一起，中间没有导线，电子从铁直接到了氧那里，能量全部变成热：一袋短路的电池。

盐和水让铁锈得更快；按厂家行业协会的说法，活性炭把空气里的氧吸附在铁粉旁边，蛭石把水含住，免得铁粉黏成一团。

铁粉 50⁠–⁠60% · 水 30⁠–⁠40% · 活性炭 5⁠–⁠10% · 蛭石 5⁠–⁠10% · 盐 1⁠–⁠5% · 吸水树脂 1⁠–⁠5%（一份安全数据表）

热从铁里来

铁最后变成含水的氧化铁和氢氧化铁，也就是铁锈。按生成热算，每克铁约放出 7 千⁠焦的热（生成物不同，在 7.1⁠–⁠7.5 千⁠焦之间）。

每克铁要用掉约 0.43 克氧气，约合 1.6 升空气（25 °C，计算）。暖宝宝装在不透气的外袋里；撕开外袋，空气从内袋上的小孔进去，它才开始发热。

常见的一款贴式暖宝宝，包装上标着最高 63 °C、平均 53 °C、持续 14 小⁠时。这些数是在 20 °C 的房间里、在模拟人体的温水加热板上测的，并不是贴在身上的温度。低温烫伤来得并不难：贴着皮肤，在 44 °C 下约 3⁠–⁠4 小⁠时，在 50 °C 下只要 2⁠–⁠3 分⁠钟，所以暖宝宝不要直接贴在皮肤上。

约 7 千⁠焦/克铁（计算）· 约 1.6 升空气/克铁（计算）· 标示：最高 63 °C、平均 53 °C、14 小⁠时

拆开实验台

电压表、盐桥、锌片和铜片（连着鳄鱼夹）、两杯溶液、暖宝宝和表面皿，一件件分开；导线跟着两端的零件走。

指针停在哪一件上，它就被单独托出来，标出名字；不动时，各件依次托出。

电压表 · 盐桥 · 锌片 · 铜片 · 硫酸锌溶液 · 硫酸铜溶液 · 暖宝宝 · 表面皿