原电池、电解原理及其应用专题.ppt

原电池与电解池及应用 1) 了解能源是人类生存和社会发展的重要基础。 了解化学在解决能源危机中的重要作用。 2）了解原电池和电解池的工作原理，能写出电极 反应和电池反应方程式。了解常见化学电源的 种类及其工作原理。 3）理解金属发生电化学腐蚀的原因，金属腐蚀的 危害，防止金属腐蚀的措施。 1 1、概念：原电池是_的装置。 原电池反应的本质是_反应。 将化学能转化为电能 氧化还原反应 例：如右图所示，组成的原电池： （1）当电解质溶液为稀H2SO4时： Zn电极是_（填“正”或“负”）极， 其电极反应为_，该反应 是_（填“氧化”或“还原”，下同）反应； Cu电极是_极，其电极反应为 _,该反应是_反应。 （2）当电解质溶液为CuSO4溶液时： Zn电极 是_极，其电极反应为_， 该反应是_反应；Cu电极是_极， 其电极反应为_,该反应_反应 . 一、原电池 2 氧化反应 Zn-2e=Zn2+ 铜锌原电池 电解质 溶液 盐桥 失e，沿导线传递，有电流产生 还原反应 Cu2+2e- =Cu 阴离子 阳离子 总反应： 负极 正极 Cu2+2e- =Cu Zn-2e- =Zn2+ Zn+Cu2+=Zn2+Cu Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu (离子方程式） （化学方程式） 电极反应 正极： 负极：（氧化反应） （还原反应） 阳离子 2 2、原、原 电电 池池 原原 理理 外电路 内电路 3 3、原电池的形成条件： 两极一液一连线 （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。 4 4、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 负极 正极 较活泼的电极材料 较不活泼的电极材料 质量增加的电极 工作后 质量减少的电极 负极 正极 正极 负极 工作后，有气泡冒出的电极为正极 发生氧化反应的极 发生还原反应的极 宏观判断： 根据电极材料 根据原电池电极 发生的反应 根据电极增重还是减重 根据电极有气泡冒出： 负极 正极 5 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。 二、对原电 池工作原理的进一步探究 为了避免发生这种现象，设计如下图所示的原电池装置 ，你能解释它的工作原理吗？ ？提出问题： 右图是我们在必修2中学习过的将锌片和铜 片置于稀硫酸的原电池，如果用它做电池 ，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？ 6 此电池的优点： 能产生持续、稳定的电流。 锌半电池， 铜半电池 7 实验： 实验探索 实验现象： 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？ 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。 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，用棉花都住管口即可。 8 盐桥的作用： （1）使整个装置构成通路，代替两溶液直接接触。 得出结论 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。 （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。 9 学与问在日常生活和学习中，你用过哪些电池，你知 道电池的其它应用吗？ 电池 化学电池 太阳能电池 原子能电池 将化学能转换成电能的装置 将太阳能转换成电能的装置 将放射性同位素自然衰变时产生的热 能通过热能转换器转变为电能的装置 10 知识点1：化学电池 1)概念:将化学能变成电能的装置 2)分类: 一次电池又称不可充电电池如：干电池 二次电池又称充电电池蓄电池 燃料电池 3)优点: 4)电池优劣的判断标准: 能量转换效率高，供能稳定可靠。 可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池 和电池组，使用方便。 易维护，可在各种环境下工作。 比能量 符号(Ah/kg)，(Ah/L) 指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少 比功率符号是W/kg，W/L) 指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小 电池的储存时间的长短 11 1、干电池(普通锌锰电池） 干电池用锌制桶形外壳作 负极，位于中央的顶盖有 铜帽的石墨作正极，在石 墨周围填充NH4Cl、ZnCl2 和淀粉作电解质溶液，还 填充MnO2的黑色粉末吸收正极放出的H2，防止产生极化 现象。电极总的反应式为： 2NH4Cl+Zn+2MnO2=ZnCl22NH3+Mn2O3+H2O 请写出各电极的电极反应。 (一) 一次电池 12 练：写出锌锰干电池的电极反应和总化学反 应方程式。 负极 正极 总反应 通常我们可以通过干电池的外观上的哪些变 化判断它已经不能正常供电了？ _我们在 使用干电池的过程中并没有发现有气体产生 ，请推测可能是干电池中的什么成分起了作 用？ Zn-2e-=Zn2+ 2NH4+2e-=2NH3+H2 Zn+2NH4+=Zn2+2NH3+H2 锌筒变软，电池表面变得不平整 2MnO2+H2=Mn2O3+H2O 13 负极（锌筒）：Zn-2e- + 2OH - =Zn(OH)2 正极（石墨）：2MnO2+ 2e - +2H2O=2Mn OOH +2 OH 总反应：Zn+ 2MnO2+2 H2O =2 Mn OOH+ Zn(OH)2 碱性锌锰干电池 金属棒 碱性锌锰电池的优点： 电流稳定，放电容量、时间增大几倍， 不会气涨或漏液。 普通锌锰干电池缺点：放电量小，放电过程中易气涨或漏液 14 2、迷你型电池（电解质KOH） 优点：电压高、稳定，低污染。 用途：手表、相机、心率调节器 HgO（S）+Zn（S）=Hg（l）+ZnO（S） Zn（S）=2Ag（l）+ZnO（S） 负极（锌）：Zn-2e- + 2OH - =ZnO+H2O 正极（银）： Ag2O+ 2e- + H2O=2Ag+2OH- 15 3、锂电池 锂电池：（-）Li（S） LiI（晶片） I2(+） 锂亚硫酰氯电池(Li-SOCl2)：8Li+3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S 负极： ；正极： 。 用途：质轻、高能(比能量高)、高工作效率、高稳定电压、工 作温度宽、高使用寿命，广泛应用于军事和航空领域。 8Li-8e-=8Li+3SOCl2+8e-=6Cl-+SO32-+2S 16 电池铅蓄电池 1、电极材料及原料 2、电解质溶液 3、电极反应式： 正极：PbO2 负极：Pb H2SO4溶液 负极（Pb）: Pb- 2e-+ SO4 2 - =PbSO4 Pb+PbO2+2H2SO4 =2PbSO4 +2H2O 正极（PbO2）: PbO2+4H+SO42 -+ 2e-= PbSO4 +2H2O 总反应： (放电时) (二)二次电池(可充电) 转移1mole-消耗多少molH2SO4 17 2PbSO4(s)+2H2O(l) Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq) 充电过程 PbSO4 (s) +2e- =Pb(s) + SO42- (aq) 还原反应阴极： 阳极： PbSO4 (s)+2H2O(l) -2e- = PbO2(s) + 4H+(aq) + SO42-(aq) 氧化反应 接电源负极 接电源正极 充电过程总反应： 2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq) 铅蓄电池的充放电过程： 放电 充电 18 3)铅蓄电池优缺点简析 缺点： 比能量低、笨重、废弃电池污染环境 优点： 可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠 、价格低廉 其它二次电池 镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂 离子蓄电池 19 2、银锌蓄电池 正极壳填充Ag2O和石墨，负极盖填充锌汞合 金，电解质溶液KOH。反应式为： 2Ag+Zn(OH)2 Zn+Ag2O+H2O 写出电极反应式。 充电 放电 1970-1975, 1970-1975, 开发了先进的银锌、镍镉电池技术。开发了先进的银锌、镍镉电池技术。 1975-1983, 1975-1983, 为美国海军生产潜水艇用银锌电池。为美国海军生产潜水艇用银锌电池。 1979-1987,1979-1987,为美国国家能源部发展电动车用的镍锌电池。为美国国家能源部发展电动车用的镍锌电池。 1998-1992, 1998-1992, 为美国海军发展世界上最大的镍镉电池用于核潜水艇。为美国海军发展世界上最大的镍镉电池用于核潜水艇。 20 银-锌蓄电池广泛用作各种电子仪器的电源，它的 充电和放电过程可以表示为： 2Ag+Zn(OH)2 Ag2O+Zn+H2O 放电 充电 此电池放电时，负极上发生反应的物质是（ ） A.Ag B.Zn(OH)2 C.Ag2O D.Zn 电极反应： 负极：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2 正极：Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH- 21 3、镍镉电池 NiO2+Cd+2H2O Ni(OH)2+ Cd(OH)2 放电 充电 负极材料：Cd； 正极材料：涂有NiO2， 电解质：KOH溶液。反应式如下： 写出电极反应式。 特点：比铅蓄电池耐用，可密封反复使用。 22 氢氧燃料电池工作原理 介质质 电电池反应应： 2H2 + = 2H2O 酸性负负极 正极 中性负负极 正极 碱性负负极 正极 2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 4H+ + 4e-= 4H2O 2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 2H2O + 4e-= 4OH- 2H2 +4OH- 4e- = 4H2O O2 + 2H2O + 4e-= 4OH- (三)燃料电池 23 固体氢氧燃料电池 固体电电解质质介质质 电池反应： 2H2 + = 2H2O 负 极 正 极 负 极 正 极 2H2 - 4e- +2O2= 2H2O O2 + 4e-= 2O2 2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O 24 它是以两根金属铂片插入KOH溶液中作电极，又在两 极上分别通入甲烷 和氧气。电极反应为： 负极： 正极： 电池总反应： 2O2+ 4H2O +8e-= 8OH - CH4+ 10OH -8e-= CO32- + 7H2O CH4+ 2O2 + 2KOH = K2CO3 + 3 H2O 甲烷新型燃料电池 分析溶液的pH变化。电解质为KOH溶液 若用C2H6、CH3OH呢？ 25 C2H6燃料电池、电解质为KOH溶液 负极： 正极： 电池总反应： CH3OH燃料电池、电解质为KOH溶液 负极： 正极： 电池总反应： 7O2+ 14H2O +28e-=28OH - 2C2H6+ 36OH -28e-= 4CO32- + 24H2O 2C2H6+ 7O2 +8KOH = 4K2CO3 + 10 H2O 3O2+6H2O +12e-= 12OH - 2CH3OH+ 16OH -12e-= 2CO32- + 12H2O 2CH3OH+ 3O2 + 4KOH = 2K2CO3 + 6 H2O 26 C4H10、空气燃料电池、电解质为熔融K2CO3, 用稀土金属材料作电极（具有催化作用） 负极： 正极： 电池总反应： 13O2 +52e- + 26CO2 =26CO3 2- 2C4H10 -52e- + 26CO32- = 34 CO2+ 10H2O 2C4H10+ 13O2 = 8CO2 + 10 H2O 铝空气燃料电池（海水）： 负极： 正极： 电池总反应： 4Al -12e- = 4Al3+ 3O2 +12e- + 6H2O =12OH- 4Al +3O2 +6H2O = 4Al(OH)3 27 1.利用原电池原理设计新型化学电池； 2.改变化学反应速率，如实验室用粗锌与硫酸 反应制取氢气； 3.进行金属活动性强弱比较； 4.电化学保护法，即将金属作为原电池的正极 而受到保护。如在铁器表面镀锌。 三、原电池的主要应用： 5.解释某些化学现象 28 (1)比较金属活动性强弱。 例1： 下列叙述中，可以说明金属甲比乙活泼性强的是 C.将甲乙作电极组成原电池时甲是负极； A.甲和乙用导线连接插入稀盐酸溶液中，乙溶解，甲 上有H2气出； B.在氧化还原反应中，甲比乙失去的电子多； D.同价态的阳离子，甲比乙的氧化性强； (四)原电池原理应用： (2)比较反应速率 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。 29 (3)比较金属腐蚀的快慢 例3： 下列各情况，在其中Fe片腐蚀由快到慢的顺序是 (5)(2 ) (1)(3)(4 ) 原电池原理应用： 30 例4：下列装置中四块相同的Zn片，放置一段时间后腐蚀速 率由慢到快的顺序是 (4 ) (2 ) (1)(3) 31 例5：原电池设计： 1、用Zn、Fe、Al分别与Ag或Cu作两极，NaCl作电解 质溶液，试分析写出两极反应式 2、铝镁NaOH电池 3、铜铁浓HNO3 4、 试根据反应：Cu+2AgNO3=Cu(NO3)+2Ag设计 成原电池，画出装置图，并写出电极反应式。若 用到盐桥，则盐桥中电解质可用 。 5、 Fe+2Fe3+=3Fe2+, Cu+2Fe3+=2Fe2+Cu2+ 6、 如何使反应：Cu+2H+=Cu2+ H2发生？ KNO3溶液 32 例7：在理论上不能用于设计原电池的化学反应是（ ） AHCl（aq）+NaOH（aq）NaCl(aq)+H2O（l） HSS 2-2- - - SOSO 3 3 2-2- I I - - BrBr - - ClCl - - OHOH - - NONO 3 3 - - SOSO 4 4 2-2-( (等含氧酸根离 等含氧酸根离 子）子）FF - - 活性电极不参与电极反应，发生反应的是溶液中的 阳离子。 阳极： 阴极:阳离子在阴极上放电顺序是： AgAg + + FeFe3+ 3+Cu Cu2+ 2+H H + + PbPb2+ 2+Sn Sn2+ 2+Fe Fe2+ 2+Zn Zn 2 2+ + (HH + + ) Al Al3+ 3+Mg Mg2+ 2+Na Na + + CaCa + + KK + + 注：当离子浓度相差较大时，放电顺序要发生变化，相同时按注：当离子浓度相差较大时，放电顺序要发生变化，相同时按HH + + , , 不同时按（不同时按（HH + + ） 35 3.电解规律 阴极 阳极 氯 气 铜 实例电极反应 浓度PH 值 复原 CuCl2 阳极：2Cl-2 e- =Cl2 阴极：Cu2+ 2e-=2Cu CuCl2 Cu+Cl2 电解 减小 增大 CuCl2 CuCl2溶液 36 阳极阴极 氧 气 氢 气 实例电极反应 浓度PH 值 复原 Na2SO4 实例电极反应 浓度PH 值 复原 Na2SO4 阳极: 4OH- 4e- = 2H2O+O2 阴极: 4H + 4e- = 2H2 变大 不 变 加 H2O Na2SO4溶液 2H2O 2H2 +O2 电解 37 阳极阴极 氯 气 氢 气 实例电极反应 浓度PH 值 复原 NaCl 阳极: 2Cl- 2e- = Cl 2 阴极: 2H + 2e- = H2 2NaCl+2H2O 2NaOH+H2 + Cl2 电解 减小 增 大 加 HCl NaCl溶液 38 实实例电电极反应应浓浓度PH值值复原 CuSO4 阳极阴极 氧 气 铜 阳极: 4OH- 4e- = 2H2O+O2 阴极：Cu2+ 2e-=Cu 2CuSO4+ 2H2O = 2Cu +O2 + 2H2SO4 电解 减小减小 加 CuO CuSO4溶液 39 电解规律（惰性电极）小结 阳极：S2- I- Br- Cl- OH- 含氧酸根 F- +区：电解本身型 如CuCl2 +区：放氢生碱型 如NaCl +区：放氧生酸型 如CuSO4、AgNO3 +区：电解水型 如Na2SO4、H2SO4 、NaOH 阴极：Ag+Fe3+Cu2+H+Fe2+Zn2+H+Al3+Mg2+Na+ 40 电电解 类类型 举举 例 电电极反应应 溶液pH 变变化 溶液复 原方法 物质类别质类别 实实例 水 电电 解 含氧酸H2SO4 强碱NaOH 活泼泼金属的 含氧酸盐盐 Na2SO4 溶 质质 电电 解 无氧酸 HCl 不活泼泼金属 的无氧酸盐盐 CuCl2 溶质质和 水同时时 电电解 活泼泼金属的 无氧酸盐盐 NaCl 不活泼泼金属 的含氧酸盐盐 CuSO4 3.电解质溶液用惰性电极电解的规律小结： 阳极：4OH-4e=O2+2H2O 阴极：4H+4e=2H2 阳极2Cl-2e =Cl2 阴极：4H+4e=2H2 阳极2Cl-2e- =Cl2 阴极：Cu2+2e=Cu 阳极2Cl-2e = Cl2 阴极：2H2O+2e=H2+2OH- 阳极：4OH-4e=O2+2H2O 阴极：2Cu2+4e=2Cu 减小 增大 不变 增大 增大 减小 H2O HCl CuCl2 HCl CuO 41 只放氢pH升； 只放氧pH降； 放氢放氧浓度增； 无氢无氧少本身。 歌诀 ： 42 电解原理的应用 1、镀铜反应原理 阳极(纯铜)：Cu-2e=Cu2+， 阴极(镀件)：Cu2+2e=Cu， 电解液：可溶性铜盐溶液，如CuSO4 . 2、氯碱工业反应原理 阳极：2Cl-2e- =Cl2，阴极：2H+2e- =H2 2NaCl+2H2O=2NaOH+H2+ Cl2 3、电解精炼反应原理(电解精炼铜) 粗铜中含Zn、Fe、Ni、Ag、Pt、Au等 阳极(粗铜)：Cu-2e- = Cu2+， （Zn-2e- = Zn2+， Ni-2e- = Ni2+， Fe-2e- = Fe2+，等） 阴极(精铜)： Cu2+2e- =Cu， 电解液：可溶性铜盐溶液，如CuSO4。 Zn2、Ni2等 阳离子得电子能力小于Cu2+而留在电解质溶 液中。金属活动顺序排在Cu后的Ag、Pt、Au等失电子能力小于 Cu，以金属单质沉积于阳极，成为“阳极泥”。43 08广东22（4）黄铜矿熔炼后得到的粗铜 含少量Fe、Ag、Au等金属杂质，需进一 步采用电解法精制。请简述粗铜电解得到 精铜的原理： 。 以硫酸铜硫酸溶液为电解液。电解时， 粗铜（阳极）中的铜以及比铜活泼的金属失 去电子进入溶液，不如铜活泼的金属沉入电 解槽形成“阳极泥”；溶液中的Cu2+得到电子 沉积在纯铜（阴极）上。 44 总结:原电池、电解池、电镀池的比较 * 原电电池电电解池电镀电镀 池 定义义 形成 条件 电电极 名称 电电极 反应应 化学能转变转变 成 电电能的装置。 将电电能转变转变 成化学能 的装置。 应应用电电解原理在某些 金属表面镀镀上一层层其 它金属的装置。 活动动性不同两电电极 电电解质质溶液 形成闭闭合回路