為什麼銅鋁直接接觸會產生電位差？

01-08

這個問題有點久了，不過問題本身和電氣知識有著很強的關聯性。我來把它加深一下吧。

不管是鋁還是銅，我們把這兩種金屬的表面用細砂紙摩光，但過了不久，光潔的表面就逐漸黯淡下來。這是為什麼？答案是——氧化。

我們來看下圖：

我們看到，鋁AL在第三主族，即IIIA族，它的外層（S層）電子數有2個，次外層（P層）電子數有1個，因此鋁的最高化合價為3價。我們還看到，銅在第一副族，即IB族，它的外層（S層）電子數有1個，次外層（d層）電子數有10個，由雜化軌道分析我們知道，次外層還可以提供1個電子，因此銅的化合價是1價和2價，最高化合價是2價。

鋁的電極電勢是-1.662V，銅的標準電極電勢為0.337V。

什麼叫做電極電勢？我們來看看百度怎麼說：

================

【德國化學家能斯特（H．W．Nernst）提出了雙電層理論（electron double layer theory）解釋電極電勢的產生的原因。當金屬放入溶液中時，一方面金屬晶體中處於熱運動的金屬離子在極性水分子的作用下，離開金屬表面進入溶液。金屬性質越活潑，這種趨勢就越大；另一方面溶液中的金屬離子，由於受到金屬表面電子的吸引，而在金屬表面沉積，溶液中金屬離子的濃度越大，這種趨勢也越大。在一定濃度的溶液中達到平衡後，在金屬和溶液兩相界面上形成了一個帶相反電荷的雙電層(electron double layer)，雙電層的厚度雖然很小(一般約為0.2-20納米數量級), 但卻在金屬和溶液之間產生了電勢差。通常人們就把產生在金屬和鹽溶液之間的雙電層間的電勢差稱為金屬的電極電勢（electrode potential），並以此描述電極得失電子能力的相對強弱。電極電勢以符號E Mn+/ Mn表示, 單位為V(伏)。如鋅的電極電勢以EZn2+/ Zn 表示, 銅的電極電勢以ECu2+/Cu 表示。

電極電勢的大小主要取決於電極的本性，並受溫度、介質和離子濃度等因素的影響。

用標準氫電極和待測電極在標準狀態下組成電池，採用標準氫電極作為標準電極，測得該電池的電動勢值，通常以某種電極的電極電勢作標準與其它各待測電極組成電池，通過測定電池的電動勢，並人為地規定標準氫電極的電極電勢為零為了獲得各種電極的電極電勢數值，即可根據E池 = E（+）－ E（-）計算各種電極的標準電極電勢的相對數值。】

=================

如果某種元素它的正離子與元素單質之間的電極電勢越低，它就越容易被氧化，也就是它的單質越傾向於提供電子使得自己成為正離子；反之，如果某種元素它的正離子與元素單質之間的電極電勢越高，它就越容易還原，也就是它的正離子越傾向於獲得電子而還原成單質。

元素的電極電勢越低，該元素就越活潑。

現在我們把鋁和銅放在一起，由於 $AL^{3+} /AL$ 的電極電勢為-1.662V低於 $Cu^{2+} /Cu$ 的電極電勢+0.337V，因此鋁單質會不斷地被氧化腐蝕，而銅則得到還原。

所以，在電控櫃內部，不允許把鋁導線和銅導線放在一起。

另外，銅導體的表面如果鍍錫或者鍍銀，則必須整根都電鍍，否則就會引起電化學反應。

錫比銅活潑，如果鍍錫層有破口，或者只是電鍍了一部分，則鍍錫層會不斷地受到腐蝕而出現坑坑窪窪，這將導致電接觸不良；同理，銅比銀活潑，若鍍銀層有破口或者只是電鍍了一部分，則銅將受到腐蝕。

=================

這裡面的知識很豐富，與電化學有關。

這是由接觸電勢引起的。

當兩種金屬相互接觸時，由於不同種的金屬逸出功不同，相互逸入的電子數目不相等，在接觸界面上電子分布不均勻，由此產生電勢差，稱為接觸電勢。

先答題：

簡單來說，因為鋁和銅對於電子的束縛能力不同。

一般來說，金屬晶體可以看作是金屬離子和自由電子的組合物。金屬離子組成晶體的骨架，自由電子像液體一樣填充在這些骨架中，可以自由「流動」。金屬離子帶正電相互排斥，電子帶負電，起到了類似「膠黏劑」的作用。

但是，不同金屬離子本身對電子的吸引力不同。比如說，鋁離子就比銅離子強。因此當二者接觸式，分布在銅晶體中的一部分電子會流動到鋁晶體中，使鋁晶體帶有一定的負電，銅帶正電。

如果要說的嚴謹一些，就是這個答案：

然後吐槽一下，現在排第一的答案，其下評論有人做如此感嘆：

那麼，我來解釋一下——因為這個答案存在明顯地不專業之處：

這段有幾個明顯錯誤（鑒於不影響整體答案，直接刪了還是明智之舉）。

首先，電子的「最外層」指的是主量子數最大的「電子層」，鋁最外層電子從來都是3個，沒有再按什麼S和P分的方法。再說，就算是搞混了「電子亞層」和「電子層」，以應該誤寫作「p在s外面」啊。

其次，銅顯二價是在溶液中，一般的都是說跟銅離子的水化結構有關，而高溫下正一價才是穩定的。至於「由雜化軌道分析」的說法，我倒真還沒聽說過。

畢竟這位答主不是化學專業的，對於這種問題只能算作勉力而為之。大家學習其態度很好，但是明明沒看懂，非要故作恍然大悟之狀，並藉此發揮，大可不必。

但是這個問題為什麼沒有化學方面的人來回答呢？

因為對於化學方面的人來說，這類問題很尷尬——「原電池」「電化學腐蝕」之類的問題是中學課本就有的內容。用當時的水平解答，沒問題，答對了沒人覺得你很厲害，答錯了會引來嘲諷。用大學以後的知識答，可以，但是大家看不懂啊，而且有人會說「掉書袋」。

前面幾位前輩從化學或（原子）物理的角度分析了原因。

從（固體）物理的角度來考慮，熱平衡中有一個很重要的性質就是系統內化學勢達到平衡。一般來說金屬的「費米溫度」（即僅通過熱運動達到費米能所需要的溫度）在10^5K量級，常溫下費米能與系統化學勢幾乎等效。

由於在「自由電子氣」模型中銅和鋁的費米能不一樣，導致在接觸面的化學勢不一樣，這樣就導致在接觸面存在化學勢差。這種化學勢差導致了電子的偏移，電子的偏移產生的電位差「拉平了」化學勢差。

同樣的，對於半導體和半金屬，費米能級處于禁帶的正中央，半導體與半金屬、金屬相互接觸也會產生穩定的電位差。常見的例子就是pn結。

氧化表面怎樣呢這樣

你應該去看看四大基礎化學中的無機化學或者物理化學