原电池,阳极(负极)上发生的一定是氧化反应,阴极(正极)上发生的一定是还原反应,只有将氧化—还原反应的两个半反应分开,一个电极上氧化,另一个电极上还原,才能让电子通过外电路从阳极(负极)流到阴极(正极),形成电流,起到原电池的作用。
至于阴极(正极)上发生的还原反应是什么情况,作为正极的材料是否真正参与还原反应,则各电池不同:
伏打电池:2H+ + 2e = H2↑,正极的铜片是惰性电极,真正参与还原反应的是溶液中的H+。
干电池:2MnO2 + 2H+ + 2e = Mn2O3 + H2O或者2MnO2 + 2H+ + 2e = 2MnO(OH),正极的碳棒是惰性电极,真正的阴极(正极)材料是MnO2。
铅蓄电池:PbO2 + 4H+ + SO4 2- + 2e = PbSO4 + 2H2O,真正的阴极(正极)材料是PbO2。
可见,伏打电池是电解液中的H+被还原,干电池和铅蓄电池,是作为阴极材料的MnO2或者PbO2被还原。
一个电极上如果同时发生氧化反应和还原反应,则电子就在氧化—还原反应过程中得失,根本不会走外电路形成电流,这如何能当电源用?因此原电池只能是一个电极发生氧化反应,另一个电极发生还原反应,或者换句话说,每个电极上发生的都是半反应,这样电子才会在外电路中流动形成电流,电池才能作为电源用。
如果某个实际的电池在一个电极上就发生了完整的氧化—还原反应,这样只会白白消耗电极材料,这种现象叫做电池的自放电,只会使得电池性能变坏。
例如,伏打电池如果使用很纯的锌板作为负极,那么,即使不接通外电路,锌板与稀硫酸的反应也非常慢(纯锌与稀硫酸反应极慢,与氢气在锌表面逸出有较高的超电势有关),但如果使用含有杂质的锌板,则即使接通外电路,氢气从铜板上逸出了,仍然可以看到锌板上有不少氢气泡产生,说明在锌板上发生了完整的氧化—还原反应(置换反应),发生这种情况后,断开外电路后锌板仍然继续与稀硫酸反应并放出氢气,直到锌板或者稀硫酸耗尽为止,这就是伏打电池的自放电,这种自放电除了把锌板(还有稀硫酸)白白消耗掉之外,作为原电池毫无意义。