Question

原电池离子移动数目问题

Answer 1

在原电池正常工作的过程中，原电池中存在离子移动。解释原电池离子移动的有利理由就是从电势的角度来解释。原电池负极的电势低，吸引阳离子；原电池的正极电势高，吸引阴离子。由此产生离子移动。下面给出另一种解释。当负极的电子迁移到正极后，和正极附近溶液的离子反应，如果溶液中的离子不移动，那么很快正极附近的溶液将失去可以发生还原反应的离子。因为2.3解释的动力，这时依然有电子的迁移，电子即会聚积于正极，形成强电场。正极处的电子、阴离子以及负极处的阳离子形成的电场将会对电子运动产生阻力，从而使导线中电流逐渐减弱，直至不存在电流。因此不断反应的原电池中一定存在离子迁移，即不存在电荷聚积（维持电荷守恒）的情况。下面给出更为定量的解释。 以(3)式为化学反应的原电池为基础来分析原电池的离子移动问题。首先，定义阳离子迁移速度为r+，阴离子迁移速度为r-。迁移速率可以通过(3)式分析得到： i. 当nmol锌被氧化，就有nmol铜离子被还原，可见正极、负极消耗的物质速率相同。
ii. 在原电池反应过程中，两电极间的阳离子、阴离子要分别承担电量的运输任务。溶液中离子总运输电量的大小相当于外电路运输电量大小。这是因为一旦不一样，就会发生电荷聚积（电荷不平衡）的情况，导致反应不断减弱直至停止。而原电池最终停止的标志是反应物耗尽。iii. 锌离子和铜离子带电量相同。相同时间内负极周围溶液和正极周围溶液增加/减少的离子数目相同。由i,ii,iii分析得到，在锌铜原电池中，r+=r-。假设nmol锌被氧化，那么溶液中应该有n/2mol阳离子迁移至正极，有n/2mol阴离子迁移至负极。这就是原电池的离子流动情况。因为溶液中的阳离子是Cu2+（Cu2+从中部区域s迁移到正极区域），阴离子是SO42-，其带电量为2，那么溶液中形成了电量运输量为2nmol的电流，这个电流的方向为从负极到正极。