原电池（伏打电池）与电解池 — AP 化学

1. 核心概念与电池符号 ★★☆☆☆ ⏱ 3 min

原电池（伏打电池）和电解池都属于电化学电池，它们将氧化半反应和还原半反应分隔开，迫使电子通过外电路流动，而非在反应物之间直接转移电子。

所有电化学电池的标准符号都遵循统一规则：阳极（氧化半反应）放在左侧，阴极（还原半反应）放在右侧。单竖线 | 表示相界，双竖线 || 表示盐桥或多孔隔板，用于分隔半电池并维持电荷中性。

Exam tip: 如果题目问盐桥中阴离子的流动方向，请记住：无论电池类型如何，阴离子始终流向阳极——这是选择题中常见的低分值陷阱题。

2. 电极电荷与识别 ★★★☆☆ ⏱ 3 min

原电池和电解池之间只有电极电荷是相反的——每个电极上发生的反应永远不变：氧化反应始终在阳极，还原反应始终在阴极。

对于原电池：阳极通过氧化反应产生电子，因此带负电荷。电子从带负电的阳极经外电路流向带正电的阴极，还原反应在阴极消耗电子。盐桥维持电荷中性：阴离子流向阳极，平衡新生成阳离子带来的正电荷积累；阳离子流向阴极，平衡阳离子消耗带来的负电荷积累。

对于电解池：外部电池驱动非自发反应进行，将电子从阳极抽走，推到阴极上。这使得阳极带正电，阴极带负电，但氧化仍然发生在阳极，还原仍然发生在阴极。离子流动遵循和原电池相同的规则：无论电池类型，阴离子流向阳极，阳离子流向阴极。

3. 标准电池电势与自发性 ★★★☆☆ ⏱ 4 min

所有常见半反应的标准还原电势（$E^\circ_{\text{red}}$）都已制成表格，它们是相对于标准氢电极（SHE）测量得到的，标准氢电极的$E^\circ_{\text{red}}$被定义为$0\ \text{V}$。

E^\circ_{\text{cell}} = E^\circ_{\text{red (cathode)}} - E^\circ_{\text{red (anode)}}

等价公式为$E^\circ_{\text{cell}} = E^\circ_{\text{red (cathode)}} + E^\circ_{\text{ox (anode)}}$，其中$E^\circ_{\text{ox (anode)}} = -E^\circ_{\text{red (anode)}}$，因此两个公式得到的结果相同。电池电势与吉布斯自由能的核心关系为：

\Delta G^\circ = -nFE^\circ_{\text{cell}}

其中$n$ = 配平后的总反应中转移电子的物质的量，$F$ = 法拉第常数（$96500\ \text{C/mol }e^-$）。从该公式我们可以得到自发性规则：若$E^\circ_{\text{cell}}$为正，则$\Delta G^\circ$为负，反应自发（原电池）；若$E^\circ_{\text{cell}}$为负，则$\Delta G^\circ$为正，反应非自发（需要外加电压，因此是电解池）。

Exam tip: 如果你在计算$E^\circ_{\text{cell}}$时经常出现符号错误，可以将阳极还原电势的符号翻转得到氧化电势，再加到阴极的还原电势上。这样就避免了计算负数减法时出错。

4. 法拉第电解定量定律 ★★★★☆ ⏱ 4 min

电解池用于驱动工业生产中的非自发氧化还原反应。我们可以用氟法拉第电解定律，将生成产物的量与通过电池的电流和电解时间关联起来。

核心关系是总电荷量$Q$（单位：库仑，C）等于电流$I$（单位：安培，A，且$1\ \text{A} = 1\ \text{C/s}$）乘以时间$t$（单位：秒）：

Q = I \times t

转移电子的总物质的量为$n_{e^-} = \frac{Q}{F} = \frac{I t}{F}$。我们利用还原半反应的化学计量关系将电子的物质的量转化为产物的物质的量，再根据需要将物质的量转化为质量或体积。例如，从$\text{Al}^{3+}$生成1摩尔Al需要3摩尔电子。

Exam tip: 计算电荷量前一定要将时间转换为秒。AP考试题目经常将时间单位设为分钟或小时，以此考查你对单位转换的掌握。