第二讲原电池化学电源

1第二讲原电池化学电源[考纲展示]1．了解原电池的工作原理，能写出电极反应式和电池总反应式。2．了解常见化学电源的种类及其工作原理。一、原电池的工作原理1．概念2．工作原理(以锌铜原电池为例)电极名称负极正极电极材料锌片铜片电极反应Zn－2e－===Zn2＋Cu2＋＋2e－===Cu反应类型氧化反应还原反应电子流向由沿导线流向3．构成条件(1)两个的电极。(2)将电极插入(构成电路或参加反应)。(3)用导线连接电极构成。ZnZnSO44图1图22(4)能自发地发生反应。4.单桥原电池与盐桥原电池对比图1和图2中两装置的相同点：正负极、电极反应、总反应、反应现象。图1和图2中两装置的不同点：图1中Zn在CuSO4溶液中直接接触Cu2＋，会有一部分Zn与Cu2＋直接反应，该中既有化学能和电能的转化，又有一部分化学能转化为热能，装置的温度会升高。图2中Zn在CuSO4溶液在两个池子中，Zn与Cu2＋不直接接触，不存在Zn与Cu2＋直接反应的过程，所以仅化学能转化为电能，电流稳定，且持续时间长。关键点：盐桥原电池中，还原剂和氧化产物在负极池，而氧化剂和还原产物在正极池。说明：①盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼脂制成的胶冻。②盐桥的作用：连接内电路，形成闭合回路；平衡电荷，使原电池不断产生电流。二、化学电源1．一次电池(碱性锌锰干电池)2．二次电池(可充电电池)铅蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是，正极材料是。(1)放电时的反应①负极反应：Pb(s)＋SO2－4(aq)－2e－===PbSO4(s)②正极反应：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO2－4(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)③电池总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)＋2H2O(l)(2)充电时的反应①阴极反应：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO2－4(aq)②阳极反应：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO2－4(aq)③电池总反应：2PbSO4(s)＋2H2O(l)===Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)【特别提醒】可充电电池放电时用原电池原理解释，充电时用电解池原理解释。当可充电电池用完后充电时，原电3池的负极与外电源的负极相连，原电池的正极与外电源的正极相连。3．燃料电池A、电极：惰性电极（一般为铂电极或石墨电极）B、种类燃料包含：H2、CO、烃（如CH4、C2H6）、醇（如C2H6OH）等电解质包含：①酸性电解质溶液，如H2SO4(aq)；②碱性电解质溶液，如NaOH溶液；③熔融氧化物，如Y2O3;④熔融碳酸盐,如熔融K2CO3.（1）、氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分酸性和碱性两种，即电解质溶液分别为酸性类和碱性类。酸性碱性负极反应式2H2－4e－===4H＋===4H2O正极反应式===2H2OO2＋2H2O＋4e－===4OH－电池总反应式2H2＋O2===2H2O（2）、固体电解质（高温下能传导O2－）类，其环境下的正极反应：O2＋4e－＝2O2－。（3）、熔融碳酸盐电解质（如：熔融K2CO3）类，其环境下的正极反应：2CO2+O2＋4e－＝2CO32－三、应用：(1)加快氧化还原反应的速率；(2)比较金属活动性强弱；(3)用于金属的防护；(4)制作化学电源。1．不是所有化学反应都可以设计成原电池。(√)2．原电池的两电极中，较活泼的电极一定为负极。(×)3．燃料电池的反应条件是燃烧。(×)4．可充电电池中的电极反应是可逆反应。(×)1．理解原电池概念的2个方面：(1)能量转化：化学能转化为电能；(2)反应本质：氧化还原反应。2．掌握原电池的两极反应类型：(1)负极：发生氧化反应；(2)正极：发生还原反应。3．熟记原电池构成的3个条件：(1)两个活泼性不同的电极(常见为金属或石墨)；(2)两电极插入电解质溶液中；4(3)形成闭合回路。(4)能自发地发生氧化还原反应。4．明确原电池原理的4个应用：(1)加快氧化还原反应的速率；(2)比较金属活动性强弱；(3)用于金属的防护；(4)制作化学电源。考点一原电池的构成及电极反应式的书写1．原电池的构成2．正、负极的判断注意：两种金属组成原电池，记住“活、负、失、氧”。这里的“活”应理解为电极材料是否与电解质溶液发生反应，不一定是按金属活动顺序表来排的，如镁和铝同时插入氢氧化钠溶液中，铝为负极；铜和铁同时插入浓硝酸中，铜为负极等。②在原电池中阴离子移向负极，阳离子移向正极。3．电极反应式的书写(1)一般电极反应式的书写5负极：还原剂－xe－===氧化产物（氧化反应）正极：氧化剂+xe－===还原产物（还原反应）(2)复杂电极反应式的书写如CH4酸性燃料电池中，电极反应式为：CH4＋2O2===CO2＋2H2O……总反应式2O2＋8H＋＋8e－===4H2O……正极反应式CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋……负极反应式【技巧点拨】在燃料电池中，正极上通入的气体是氧气，负极上通入的是燃料。因此，在书写燃料电池的电极反应时，一般先写总反应式，再写正极反应式（要求熟记四类燃料电池的正极反应），然后作差写出负极反应式。（3）可充电电池电极反应式的书写方法：一般先写放电的电极反应，书写方法同（1）或（2）；充电的电极反应与放电的电极反应过程相反，即充电阳极反应为放电正极反应的逆过程，充电阴极反应为放电负极反应的逆过程。【特别提醒】(1)负极本身不一定都参加反应，如燃料电池中，作为负极的材料本身并不参加反应。(2)不注意电解质溶液的成分，容易误写电极反应式，如Al负极，在酸性溶液中生成Al3＋，在碱性溶液中生成AlO－2。(3)电子从负极经外电路流向正极，但电子不能通过电解液，是通过阴阳离子的移动形成闭合回路。（4)用总电极反应减去一极的电极反应时，须在两式电子转移数相等的前提下进行。例1、以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼因发现“准晶体”独获诺贝尔化学奖。某准晶体W由一定比例的铁、铜、铝组成，取两小块该准晶体：一块投入烧杯①中，注入浓氢氧化钠溶液浸没固体；另一块投6入烧杯②中，注入稀硫酸浸没固体。下列分析合理的是()A．在烧杯①中，若构成微型电池，负极反应式为2Al－6e－===2Al3＋，正极反应式为6H2O＋e－===6OH－＋3H2↑B．在烧杯②中，若铁、铜构成微型电池，则铁为负极；若铝、铁构成微型电池，则铁为正极C．在烧杯①中，若构成微型电池，铁为负极，铜为正极，正极反应式为2H2O＋e－===2OH－＋H2↑D．在烧杯②中，固体最终完全溶解，溶液呈蓝色。向溶液中滴加KSCN溶液，溶液不变色【解析】本题在新情境下考查原电池的基本原理，解题关键是要明确原电池工作时两极相应的氧化还原反应。碱性条件下，铝能与NaOH溶液反应生成NaAlO2和H2，因此烧杯①中负极反应式为2Al－6e－＋8OH－===2AlO－2＋4H2O，A项错误；非强氧化性酸溶液作电解质时，活泼金属易失电子，为原电池的负极，B项正确；烧杯①中，铁与铜都不能与NaOH溶液反应，作原电池的正极，C项错误；烧杯②中铜不能与稀硫酸发生反应，固体不可能完全溶解，D项错误。【答案】B【技巧点拨】本题重点考查原电池的基本原理，包括正、负极的判断和电极反应式的书写。书写电极反应式的前提是能判断原电池的正、负极反应产物，判断的关键是关注电解质的介质环境，如本题铝在酸性条件下氧化产物是Al3＋，碱性条件下的氧化产物是AlO－2，又如燃料电池中正极上通入的气体是氧气，若在酸性介质中，则与介质中的H＋结合形成H2O，若是碱性介质，则与H2O反应生成OH－。负极上通入的是气体燃料时，碳元素对应的产物为CO2，CO2则不与介质反应，反应产物仍是CO2，若为碱性介质，CO2与OH－反应最终生成CO2－3。1．石墨层间化合物氟化石墨与非水系电解质组合可制成高能量密度、高能输出功率、长储存周期、高安全性能的新型电池。该电池以氟化石墨和锂作电极，用溶有LiClO4的有机溶剂作电解质。电池总反应式：nLi＋(CF)n===nLiF＋nC。则下列说法正确的是()A．Li是负极，负极发生还原反应B．放电过程中，Li＋从负极区通过外电路向正极区迁移C．LiClO4在有机溶剂中不能电离D．氟化石墨作正极，电极反应式为(CF)n＋nLi＋＋ne－===nC＋nLiF解析：在原电池中，易失去电子的物质作负极(或在负极区参加负极反应)，故Li作负极，负极发生氧化反应，A选项错误；原电池在放电过程中，负极失去的电子经外电路转移到正极，在电解质溶液中阴离子移向负极，阳离子移向正极，这样形成了闭合回路，但是带电粒子只能在电解质溶液中移动，不能进入外电路，B选项错误；有机溶剂不能导电，故要形成闭合回路，LiClO4在有机溶剂中必定会发生电离，C选项错误。答案：D2．镁燃料电池具有比能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低等特点。一般研究的镁燃料电池可分为镁－空气燃料电池、镁－海水燃料电池、镁－过氧化氢燃料电池和镁－次氯酸盐燃料电池。其7中，镁－次氯酸盐燃料电池的工作原理如图所示，下列有关说法不正确的是()A．放电过程中OH－移向正极B．电池的总反应式为Mg＋ClO－＋H2O===Mg(OH)2↓＋Cl－C．镁燃料电池中镁均为负极，发生氧化反应D．镁－过氧化氢燃料电池，酸性电解质中正极反应式为H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O解析：本题以镁燃料电池为背景考查了原电池原理、不同条件下电极反应式的书写。镁燃料电池，镁作负极，失电子，产物由电解质溶液决定，若为酸性溶液，生成Mg2＋，若为碱性溶液，生成Mg(OH)2。ClO－在正极反应，由图可知有Cl－和OH－生成：ClO－＋H2O＋2e－===Cl－＋2OH－，OH－向负极移动，生成Mg(OH)2。答案：A考点二原电池工作原理的应用1．比较金属的活动性强弱原电池中，一般活动性强的金属作负极，而活动性弱的金属(或非金属)作正极。如有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入到稀硫酸中，一般时间后，若观察到A极溶解，而B极上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，则可以断定金属活动性AB。2．加快化学反应速率由于形成了原电池，导致反应速率加快。如Zn与稀硫酸反应制氢气时，可向溶液中滴加少量CuSO4溶液，形成Cu­Zn原电池，加快反应进行。3．用于金属的防护使需要保护的金属制品作原电池正极而受到保护。例如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。4．设计制作化学电源设计原电池要紧扣构成原电池的三个条件。(1)首先将已知氧化还原反应拆分为两个半反应。(2)根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正负极材料(负极就是失电子的物质，正极用比负极活泼性差的金属即可，也可以用石墨)及电解质溶液。①电极材料的选择8在原电池中，选择活泼性较强的金属作为负极；活泼性较弱的金属或非金属作为正极，并且原电池的电极必须导电。一般来说，负极应该跟电解质溶液发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如溶解于溶液中的空气)。。②电解质溶液的选择电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如溶解于溶液中的空气)。但如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，若两电极均为金属，则左右两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子。如在Cu­Zn­硫酸构成的原电池中，负极Zn浸泡在含有Zn2＋的电解质溶液中，而正极Cu浸泡在含有Cu2＋的电解质溶液中。(3)按要求画出原电池装置图。如根据2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋设计原电池：负极：Cu－2e－===Cu2＋正极：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋【特别提醒】(1)能设计成原电池的反应一定是放热的氧化还原反应，吸热反应不可能将化学能转化为电能。(2)利用原电池原理可加快制氢气的速率，但可能影响生成氢气的量。需注意生成氢气的总量是取决于金属的量还是取决于酸的量