賈法尼電池

賈法尼電池(Galvanic Cell)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

賈法尼電池(Galvanic Cell)，將自發性氧化還原化反應產生的化學能轉換成電能用以做功的裝置，例如鋅銅電池。（圖一）又稱作伏打電池（Voltaic cell，注意不是伏打電堆voltaic pile），是電化電池(Electrochemical cell)的一種。

圖一、賈法尼電池（圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/File:Galvanic_Cell.svg）

賈法尼電池包含兩個半電池，每一個半電池由金屬和其金屬鹽類溶液組成，兩個半電池可由一鹽橋(Salt brigde)連通之（圖一），或由一可以讓特定離子通過的半透膜或多孔性材質隔開（圖二）。金屬分別充作陽極(Cathode)以及陰極 (Anode)，和鹽類溶液的金屬離子分屬不同氧化態，以供氧化或還原反應進行；鹽橋則是一充滿電解質溶液的管道。當兩電極以電線相連時，氧化反應開始進 行同時產生電動勢(Electromotive force)電流。在國中、高中課本當中所見的鋅銅電池(Daniell cell)，即是一個典型的賈法尼電池。其正極與負極分別是銅與鋅，又分別對應陰極與陽極。而同時，陰極所使用的電解液為硫酸銅，陽極則為硫酸鋅，其中以 硝酸鉀溶液作為鹽橋。

圖二、鋅銅電池

而此電池在陰極會發生還原反應，而在陽極則發生氧化反應。半反應式可寫如下二式：

Cu²⁺_(aq) + 2 e^– → Cu_(s)

Zn_(s) → Zn²⁺_(aq) +  2 e^–

而全反應式就可以寫為：

Cu²⁺_(aq) + Zn_(s) →Zn²⁺_(aq) + Cu_(s)

可以看到，在陰極溶液當中硫酸銅的銅離子，會得到電子還原成銅，並附著在陰極的銅棒上。如此一來，銅離子的濃度就會逐漸下降。反之，在陽極，電極上的鋅則會脫落進入溶液中，使得其中鋅離子的濃度逐漸上升。

而這其中的電荷平衡，則由鹽橋來負責；例如當某一部份的溶液傾向於正電荷較多，那麼鹽橋的陰離子就會因為電磁吸引力而前往之，反之陽離子則會遠離之。不過這個離子的移動速度相當快，因此並不會真的有正電荷或負電荷較多的情形。此外鹽橋所使用的離子不參與反應。

在整個鋅銅電池反應開始之前，其電動勢除了由選用的金屬本身決定之外，另外一個則是兩電解質溶液的濃度。金屬本身就會具有其氧化與還原電位；然而透過能斯 特方程式（Nernst equation）代入電池的全反應式，我們可以計算電解質濃度對於電池電動勢的影響。方程式如下：

或將已知的常數全數代入得到：

其中Q為反應商數(reaction quotient)，n為半反應當中的電子傳遞數量。例如前述鋅銅電池的反應商數可寫如下：

而n = 2。也因此，當電池放電時，鋅離子濃度上升，而銅離子濃度下降，便可以發現Q上升，此時則會造成電池電動勢 的下降。最終當反應平衡，電動勢下降到一定程度，則無法再進行反應。

常見的乾電池、鹼性電池、鉛蓄電池均屬賈法尼電池（碳棒只是導電用）。基本上兩片金屬只要中間夾著的物質能夠提供電解質，而金屬間又有通路可導電或直接接 觸，那麼就會形成一個賈法尼電池。由於陽極的金屬會隨著反應減少（反應為離子），稱為電流腐蝕(Galvanic corrosion)。然而這樣也不是全然是壞處，常見的陰極保護，即是利用電流腐蝕讓較易氧化的金屬當作陽極藉以保護陰極的金屬。

資料來源
1. WIKIPEDIA—Galvanic cell  http://en.wikipedia.org/wiki/Galvanic_cell
2. Zumdahl, S. S. Chemical Principles, 5th edition; Houghton Mifflin Company: Boston, 2003; pp. 462-471.
3. Atkins, P. W.; Jones, L. Chemical Principles: the Quest for Insight, 4st edition; W. H. Freeman and Company: New York, 2008, p. 506-508.Boston, 2003; pp. 481-486.
4. 圖二圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Fil … _no_cation_flow.png