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高中化学:原电池



第四章 电化学基础
第一节 原电池

2016年8月12日星期五

安陆一中化学组

阅读教材P70 回答
研究化学能与电能相互转换的装置、 1、电化学: 过程和效率的科学 2、从反应产物与电流的关系分类: ①产生电流的反应→→原电池 ②借助电流而发生的反应→→电解池

复习回

顾 将化学能转化为电能 1、原电池是______________________的装置。 氧化还原反应 原电池反应的本质是____________________ 反应。 2、如右图所示,组成的原电池: (1)当电解质溶液为稀H2SO4时: 负 (填“正”或“负”)极, Zn电极是____ 2+ Zn - 2e = Zn 其电极反应为_______________,该反应 氧化 (填“氧化”或“还原”,下同)反应; 是______ 正 极,其电极反应为 Cu电极是______ 2H+ +2e- =H2↑ 该反应是_________ 还原 _______________, 反应。 (2)当电解质溶液为CuSO4溶液时: Zn电极 2+ 负 Zn - 2e =Zn 是____极,其电极反应为_____________, 氧化 反应;Cu电极是____ 正 极, 该反应是________ 2+ Cu +2e = Cu 其电极反应为_______________, 该反应是 还原反应. _____

原电池原理
外电路
失e,沿导线传递,有电流产生

氧化反应

还原反应

负极
Zn-2e=Zn2+
阴离子

铜锌原电池 正极
Cu2++2e- =Cu
阳离子

阳离子 电解质

溶液

内电路

电 负极: Zn-2e- =Zn2+ (氧化反应) 极 正极:Cu2++2e- =Cu (还原反应) 反 2+=Zn2++Cu (离子方程式) Zn+Cu 总反应: 应

与原电池相关的概念
电子流向:失电子的一极向得电子的一极 外电路 电流方向:与电子流动方向相反 1.电路: 阴离子流动方向与电子流动方向一致

内电路

阳离子流动方向与电流方向一致

负极:电子流出的一极

2.电极:
正极:电子流入的一极

负极: Zn-2e-= Zn2+

3.电极反应式:
正极: 2H++ 2e-= H2↑

4.总反应式: Zn+ 2H+ = Zn2+ + H2↑

锌铜原电池工作原理

一、对锌铜原电 池工作原理的进一步探究
提出问题: 上图是我们在必修2中学习过的将锌片和铜片置于稀硫酸 的原电池,如果用它做电源,不但效率低,而且时间稍长 电流就很快减弱,因此不适合实际应用。这是什么原因造 成的呢?有没有什么改进措施? 造成的主要原因:由于在铜极上很快就聚集了许多氢气 泡,把铜极跟稀硫酸逐渐隔开,这样就增加了电池的内 阻,使电流不能畅通。这种作用称为极化作用。 为了避免发生这种现象,设计如下图(书P71图4-1)所示 的原电池装置,你能解释它的工作原理吗?

优点:能产生持续、 稳定的电流。

盐桥制法:1)将热的琼胶溶液倒入U形管中(注意不要
产生裂隙),将冷却后的U形管浸泡在KCl或NH4NO3的饱 和溶液中即可。2)将KCl或NH4NO3的饱和溶液装入U形管, 用棉花堵住管口即可。

实验探索
实验三(书71页实验4-1) 实验现象: 有盐桥存在时电流计指针 发生偏转,即有电流通过电路。 取出盐桥,电流计指针即 回到零点,说明没有电流通过。

分析:改进后的装置为什么能够持续、稳定的产生电流? 盐桥在此的作用是什么?
参考教材72页 第三段

盐桥的作用: (1)使整个装置构成通路,代替两溶液直接接触。

(2)平衡电荷。 在整个装置的电流回路中,溶液中的电流通路是靠离子 迁移完成的。取出盐桥,Zn失去电子形成的Zn2+进入ZnSO4溶 液,ZnSO4溶液因Zn2+增多而带正电荷。同时,CuSO4则由于 Cu2+变为Cu,使得SO42-相对较多而带负电荷。溶液不保持电中 性,这两种因素均会阻止电子从锌片流向铜片,造成电流中断。 由于盐桥(如KCl)的存在,其中阴离子Cl-向ZnSO4溶 液扩散和迁移,阳离子K+则向CuSO4溶液扩散和迁移,分别 中和过剩的电荷,保持溶液的电中性,因而放电作用不间断 地进行,一直到锌片全部溶解或 CuSO4溶液中的 Cu2+几乎完 全沉淀下来。若电解质溶液与KCl溶液反应产生沉淀,可用 NH4NO3代替KCl作盐桥。

一、对锌铜原电 池工作原理的进一步探究 请同学们思考:
上述原电池装置是将什么反 应的化学能转换成电能的?指出 电池的正负极,并分别写出其中 负极和正极的电极反应式以及该 电池的总反应方程式。
ZnSO4溶液 CuSO4溶液

负极(锌片): Zn-2e- =Zn2+ (氧化反应) 正极(铜片): Cu2+ +2e-=Cu (还原反应)
电池反应(总化学方程式):Zn + Cu2+ = Zn
2+

+ Cu

二、实验探究形成原电池的条件

(可以)

(可以)

(可以)

形成条件一: 活泼性不同的两个电极
(不可以)

负极:较活泼的金属 正极:较不活泼的金属、石墨等

实验探究形成原电池的条件

(可以)

(不可以)

形成条件二:电极需插进电解质溶液中

实验探究形成原电池的条件

可以
形成条件三:必须形成闭合回路

(不可以)

二、组成原电池的条件
1、有两种活动性不同的金属(或一种是非金属单质或金 属氧化物)作电极。 2、电极材料均插入电解质溶液中。 3、两极相连形成闭合电路。 4、内部条件:能自发进行氧化还原反应。

1.下列哪几个装置能形成原电池?
Zn Cu

Fe

Cu

Zn

Zn

Fe

Cu

A

V H SO
2

B

V
H2SO4

C
Cu

X
H 2 SO 4
Fe Cu

D

X
NaCl溶液

4

Zn

Zn

Cu

E

V

F

X

M
酒精

XNaCl溶液 X H SO
2

N

4

H2SO4

Cu

O

V

H 2S O 4

2. 一个电池反应的离子方程式是 Zn+Cu2+=Zn2+ +Cu,该反应的的原电池正确组合是(C )
A 正极 负极 Zn Cu B Cu Zn C Cu Zn D Fe Zn

电解质溶液 CuCl2

H2SO4 CuSO4

HCl

三、原电池的正负极的判断方法 微观判断
(根据电子流动方向)

电子流出的极 电子流入的极
较活泼的电极材料

——负极
——正极 ——负极

宏观判断:
①根据电极材料 ②根据原电池电极发生 的反应 ③根据电极质量的变化
较不活泼的电极材料 ——正极 发生氧化反应的极 ——负极
发生还原反应的极 ——正极 质量增加的电极 ——正极
工作后

质量减少的电极 ——负极

④根据电极有气泡冒出:工作后,有气泡冒出的电极为正极

1.某金属能跟稀盐酸作用发出氢气,该金属与锌组成原 电池时,锌为负极,此金属是 B A.Mg B.Fe C.Al D.Cu 2.由铜锌和稀硫酸组成的原电池工作时,电解质溶液的pH A.不变 C逐渐变大 B先变大后变小 D.逐渐变小 C

3.把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中,用导线两两相连 组成原电池。若a、b相连时,a为负极;c、d相连时,电流由 d到c;a、c相连时,c极上产生大量气泡,b、d相连时,b上 有大量气泡产生,则四种金属的活动性顺序由强到弱的为 A. a > b > c > d B .a > c > d > b B C.c > a > b .> d D .b > d > c > a 4.X、Y、Z、M、N代表五种金属。有以下化学反应:①水 溶液中,X+Y2+=X2++Y ;②Z+2H2O(冷)=Z(OH)2+H2↑ ;③M、 N为电极与N盐溶液组成原电池,电极反应为M-2e-=M2+; ④Y可以溶于稀硫酸,中,M不被稀硫酸氧化,则这五种金 属的活动性由弱到强的顺序是 C A . M < N< Y< X< Z B.N<M<X<Y<Z C . N < M< Y< X< Z D.X<Z<N<M<Y

四、电极方程式的书写
1.简单原电池电极方程式的写法

Cu

A

C

①判断右边原电池的正、负极,并写出电极 反应式。 先写出总反应:即 负极与电解质溶液反应

FeCl3溶液

Cu+2FeCl3=CuCl2+2FeCl2
拆成离子方程式: Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+ 根据化合价升降判断正负极 负极: Cu 失电子 Cu-2e-=Cu2+ 正极: Fe3+得电子 2Fe3++2e-=2Fe2+

②请写出右边原电池的电极方程式。
总反应方程式: 2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2↑ 拆成离子方程式: 2Al + 2OH- + 2H2O = 2AlO2- + 3H2↑

根据化合价升降判断正负极
负极:Al,失e2Al 6e- = 2Al3+

2Al3+ + 8OH- =2AlO2- + 4H2O 负极总反应: 2Al +8OH--6e- =2AlO2- + 4H2O

正极:总反应-负极反应

6H2O +6e- =6OH—+ 3H2↑

2.燃料电池电极方程式的写法
总反应: 实际上就是燃料的完全燃烧。 负极(通入燃料):为燃料失去电子的氧化反应, 正极(通入氧化剂):为氧化剂得到电子的还原反应。 以Pt为电极,电解质溶液为 KOH溶液的氢氧燃料电池为例 总反应:2H2+ O2=2H2O 负极: H 2 失e-

2H2 - 4e- = 4H+ 4H+ + 4OH- =4H2O
负极总反应: 2H2 - 4e- + 4OH- =4H2O

正极: 总反应-负极反应

O2 + 2H2O + 4e- =4OH-

有机物碱性燃料电池
CxHyOz O2 KOH溶液
总反应:CxHyOz+ (x+y/4 _ z/2)O2+ 2xOH= xCO32-+(x+y/2)H2O
正极:(x+y/4 _ z/2)O2+(4x+y-2z)e+(2x+y/2-z)H2O=(4x+y-2z)OH负极:CxHyOz -( 4x+y-2z )e-+( 6x+y-2z ) OH- =xCO32-+(3x+y-z)H2O

固体燃料电池
丁烷燃料电池(固体Y2O3、ZrO2传递O2-)
总反应:2C4H10+13O2→8CO2+10H2O ? 负极:2C4H10-52e-+26 O2- =8CO2+10H2O ? 正极:13O2+52e-=26 O2?

练习、熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受 到重视。 可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作 电解质,CO为负极燃气,空气与CO2的混和气为 正极助燃气,制得在650℃下工作的燃料电池。完 成有关的电池反应式: 电池反应式: 负极反应式:2CO+2CO32- →4CO2+4e-
- → 2CO 2- O + 2CO + 4e 2 3 正极反应式: 2 ,

总电池反应:

2CO+O2 → 2CO2



3.复杂原电池电极方程式的书写
方法点拨:写电极方程式的时候,要根据“得电子显负电;失 电子显正电”的原则, 利用“电荷守恒”,通过巧用H+、OH-和水写出电极方程式

练习:写出铅酸蓄电池的电极反应:
Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O 负极: Pb失电子 Pb +SO42--2e- =PbSO4 正极: PbO2+SO42-+ 2e- +4H+ =PbSO4 + 2H2O

银锌电池(电解质为KOH)的电池总反应为: Zn+ Ag2O = ZnO+ 2Ag 写出其正、负极反应。

负极: Zn-2e- +2 OH- = ZnO + H2O

正极: Ag2O +2e-+H2O = 2Ag +2OH-

1.高铁电池是一种新型可充电电池,与普通高能电池相比, 该电池长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为:
下列叙述不正确的是 C A.放电时负极反应为: B.充电时阳极反应为: C.放电时每转移3mol电子,正极有1molK2FeO4被氧化 D.放电时正极附近溶液的碱性增强

2.某可充电的锂离子电池以LiMn2O4(次锰酸锂)为正极,嵌 入锂的碳材料为负极,含Li+导电固体为电解质。放电时的电 Li ? LiMn 2O 4 ? Li 2 Mn 2O 4 池反应为: 下列叙述正确的是 A.放电时,LiMn2O4发生氧化反应 B + B.放电时,正极反应为Li + LiMn2O4 + e =Li2Mn2O4 C.充电时,LiMn2O4发生氧化反应 D.充电时,阳极反应为Li+ + e- =Li

3.我国首创的海洋电池以铝板为负极,铂网为正极,海水为 电解质溶液,空气中的氧气与铝反应产生电流。电池总反应 4 Al ? 3O2 ? 6H 2O ? 4 Al (OH )3 为: 下列叙述不正确的是 A.正极反应为:O2+2H2O+4e-=4OHB.电池工作时,电流由铝电极沿导线流向铂电极 C.以网状的铂为电极,可增大与氧气的接触面积 D.该电池通常只需要更换铝板就可继续使用

B

4.一种新型燃料电池,一极通入空气,另一极通入丁烷气体; 电解质是掺杂氧化钇的氧化锆晶体,在熔融状态下能传到O2-。 下例对该燃料电池的说法正确的是: A.在熔融电解质中,O2-由负极移向正极 B.电池的总反应是2C4H10+13O2→8CO2+10H2O BC 2C.通入空气的一极是正极,电极反应为O2+4e-=2O D.通入丁烷的一极是正极,电极反应为C4H10+26e-+13O2→4CO2+5H2O

5、化学电池在通讯、交通及日常生活中有着广泛的应用。 1.目前常用的镍(Ni)镉(Cd)电池,其电池总反应可 以表示为:
Cd+2NiO(OH)+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2

已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水但能溶于酸,以下说 法中正确的是 ( ) ① 以上反应是可逆反应 ② 以上反应不是可逆反应 ③ 充电时化学能转变为电能 ④ 放电时化学能转变为 电能 A ①③ B ②④ C ①④ D ②③

B

五、原电池原理应用:
(1)比较金属活动性强弱。
下列叙述中,可以说明金属甲比乙活泼性强的是 例1: A.甲和乙用导线连接插入稀盐酸溶液中,乙溶解,甲 上有H2气放出; C B.在氧化–还原反应中,甲比乙失去的电子多; C.将甲乙作电极组成原电池时甲是负极;

D.同价态的阳离子,甲比乙的氧化性强;

五、原电池原理应用:
(2)比较反应速率 例2 下 :列制氢气的反应速率最快的是 A. 纯锌和1mol/L 硫酸; B. 纯锌和18 mol/L 硫酸; C. 粗锌和 1mol/L 盐酸; D. 粗锌和1mol/L 硫酸的反应中加入几滴CuSO4溶 液。 D

五、原电池原理应用:
(3)比较金属腐蚀的快慢 下列装置中四块相同的Zn片,放置一段时间后腐 例 3: 蚀速率由慢到快的顺序是 (4) (2) (1) (3)

五、原电池原理应用: (4)判断溶液pH值变化
例4: 在Cu-Zn原电池中,200mLH2SO4 溶液的浓度为0.125mol/L , 若工作一段时间后,从装置中共收集到 0.168L气体,则流过 0.015 大 导线的电子为—— mol,溶液的pH值变 ____?(溶液体积变 化忽略不计) 解: 根据电极反应: 负极: Zn-2e-=Zn2+ 正极: 2H++2e- =H2↑ x =0.015 (mol) 解得: y =0.015 (mol) 0.2×0.125×2-0.015 ∴ c(H+)余= 0.2 =3.75× 10﹣ 4(mol/L ) ∴pH =-lg3.75 ×10-4 =4 -lg3.75 答:……

得: 2H+ —— 2e——H2↑
2 2 22.4

x

y

0.168

五、原电池原理应用: (5)原电池原理的综合应用
例5:市场上出售的“热敷袋”的主要成分为铁屑、 炭粉、木屑、少量氯化钠和水等。 “热敷袋”启 用之前用塑料袋使其与空气隔绝,启用时,打开 塑料袋轻轻揉搓就会放出热量。使用完后,会发 现有大量铁锈存在。 铁被氧化 1) “热敷袋”是利用 放出热量。 2)炭粉的主要作用是 与铁屑、氯化钠溶液构成原电池,加 。
速铁屑的氧化

3)加入氯化钠的主要作用是氯化钠溶于水、形成电解质溶液 。 4)木屑的作用是 使用“热敷袋”时受热均匀

【例6】 (2011· 浙江)将NaCl溶液滴在一块光亮 清洁的铁板表面上,一段时间后发现液滴覆 盖的圆圈中心区(a)已被腐蚀而变暗,在液滴 外沿形成棕色铁锈环(b),如图所示。导致该 现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘 处少。下列说法正确的是( )

? A.液滴中的Cl-由a区向b区迁移 ?

B

?
?

?
?

B.液滴边缘是正极区,发生的电极反应为: O2+2H2O+4e-=4OH- C.液滴下的Fe因发生还原反应而被腐蚀,生成的Fe2+由 a区向b区迁移,与b区的OH-形成Fe(OH)2,进一步氧化、 脱水形成铁锈 D.若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板,在铜铁接触处滴加 NaCl溶液,则负极发生的电极反应为: Cu-2e-=Cu2+

? ? ? ? ?

?
? ?

【解析】 A项错误,Cl-由b区向a区迁移。 B项正确,液滴边缘O2多,正极发生反应 O2+2H2O+4e-=4OH-。 C项错误,液滴下的Fe为负极发生氧化反应, Fe-2e-=Fe2+。 D项错误,Cu更稳定,作正极,反应为 O2+2H2O+4e-=4OH-,Fe为负极。

如下图:利用氧化还原反应的原理构成原电池。左槽溶液中 的溶质为:KMnO4、MnSO4、H2SO4,右槽溶液中的溶质 为: Fe2(SO4)3 、 FeSO4 、 H2SO4。已知水溶液中MnO4为紫红色,Mn2+为淡红色,Fe3+为棕黄色,Fe2+为浅绿色。 填写下列空白。 MnO4-+5e-+8H+=Mn2++4H2O ? 此电源正极的电极反应式为_______,负极的电极反应式为 5Fe2+ -5e-=5Fe3+ 左 右 _______ 。H+移动的方向是由_______ 向_______ (填 “左”“右”)。 浅绿 ? (2)电池放电时,右槽溶液的颜色逐渐由______ 色变为 棕黄 色。 ______ ? (3)放电时,若转移的电子数为3.01×1023个,左槽溶液 中n(H+)的变化量是______mol. 0.3
?

小 结
原电池
1定义: 把化学能转化成电能的装置。

2、原电池的工作原理 较活泼的金属发生氧化反应,电子从较活泼的金属(负极) 通过外电路流向较不活泼的金属(正极)。

负极

电子流向

正极

电流流向
(1)由两个半电池组成的锌铜原电池的工作原理 (2)形成原电池的条件
(3)原电池的正负极的判断方法 (4)电极材料的选择(电池的电极必须导电)



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