8.原电池1.doc

原电池板块一、原电池化学电源是一种直接把化学能转变为电能的装置，习惯上称作电池。电池由正极、负极、电解质、隔膜和容器五个部分组成，其中最主要的是正极、负极和电解质三个部分。一般地，原电池放电时，负极上总是发生氧化反应，并失去电子；而正极上总是获得电子，发生还原反应。原电池的实质是把氧化还原反应分开，分别在不同的两极发生，电子发生定向移动从而产生电流。1构成原电池的条件（1）电极材料是由活性物质与导电极板所构成，所谓活性物质是指在电极上可进行自发氧化还原的物质。并且两电极材料活性不同，在负极上发生氧化反应；正极上发生还原反应；（2）电解液：含电解质；（3）构成回路。2原电池正负极的确定将铜锌两种金属放在电解质溶液中，用导线连接，便构成原电池的两极。例如铜锌原电池，由于Cu、Zn两种金属电势高低不同，所以存在着电势差。电子总是从低电势的极流向高电势的极。电势的高低一般可根据金属的活泼性确定：金属越活泼其电极电势就越低，金属越不活泼其电极电势就越高。由于锌比铜活泼，所以电子总是从锌极流向铜极。电化学上把电子流出的极定为负极，流入的极定为正极。锌为负极，铜为正极。电极反应：负极：Zn2eZn2+正极：2H+ + 2eH2以上是铜锌原电池，我们也可以利用同样的原理，把其他的氧化还原反应设计成各种不同的电池。在这些电池中，一般都用还原性较强的物质作为负极，负极向外电路提供电子；用氧化性较强的物质作为正极，正极从外电路得到电子；在电池内部，两极之间填充电解液。放电时，负极上的电子通过导线流向用电器，从正极流回电池，形成电流。3、盐桥盐桥存在时电流计指针偏转，且指针偏转角度随时间的延续几乎保持不变；Zn片溶解，Cu片上有红色物质析出；取出盐桥电流计指针回到零点。盐桥的作用：使Cl-向锌盐方向移动，K+向铜盐方向移动，使Zn2+盐和Cu2+盐溶液一直保持电中性，从而使电子不断从Zn极流向Cu极。注：盐桥中盛放含琼胶的KCl饱和溶液。双液原电池的工作原理和意义构造特点：双液原电池由两个半电池组成，每个半电池中的电极与电解质溶液互不反应，电池反应的还原剂与氧化剂分别位于两个半电池中，中间通过盐桥连接形成闭合回路。电极反应：负极（Zn）：Zn2e=Zn2+（氧化反应）正极（Cu）：Cu2+2e=Cu （还原反应）电池反应：Zn+Cu2+=Zn2+Cu外电路电子由负极（Zn片）流向正极（Cu片）；电流由正极（Cu片）流向负极（Zn片）；内电路：阳离子移向正极（Cu片）；阴离子移向负极（Zn片）。盐桥的作用：通过阴、阳离子的定向移动，在内电路形成电流回路而不中断电流。意义：随开随用，并能长时间产生持续、稳定的电流。4、设计原电池设计原电池的思路为：1以自发进行的氧化还原反应为基础；2把氧化还原反应分解为氧化反应和还原反应两个半反应，从而确定电极反应；3以两极反应为原理，确定电极材料及电解质溶液；4画出装置简图。如：把Fe+Cu2+=Fe2+Cu设计成原电池。首先，原电池反应均是氧化还原反应。在上述反应中，还原剂是Fe,反应中失去电子，发生氧化反应，做原电池的负极；Cu2+做氧化剂，反应中得到电子，发生还原反应，做原电池的正极反应。但是，Cu2+不可做电极，故可以选一活性较Fe弱的导体做原电池的负极，通常选择碳棒做正极，而选择可溶性的铜盐做电解质溶液来提供Cu2+。再如：把2H2 +O22H2O 这一反应设计成原电池。先找出还原剂是H2，做负极反应；O2是氧化剂，做正极反应，但是，由于它们均不导电，故需选择两个导体做电极，即选择了碳棒，然后把H2和O2分别通在两极上，再选择电解质溶液，即可构成原电池了。小结：给定反应设计原电池时，通常分两步（1）先找出反应中的氧化剂和还原剂；（2）还原剂是金属等导体的，直接选为负极材料，如Fe作负极；若为非导体的如H2可先选择负极材料，然后把它作为该极填充物；氧化剂是离子的，可选为电解质溶液，如Fe+Cu2+=Fe2+Cu中；是非离子的可作为正极填充物，如2H2 +O22H2O中。【例1】 下列哪些装置能构成原电池（ ）【例2】 下列关于原电池的叙述正确的是（ ）A构成原电池的正极和负极必须是两种不同的金属B原电池是将化学能转变为电能的装置C原电池中电子流出的一极是负极，该极被还原D原电池放电时，电流的方向是从负极到正极【例3】 发生原电池的反应通常是放热反应，在理论上可设计成原电池的反应是（ ）AC(s)+H2O(g) =CO(g)+H2(g)；H0 BBa(OH)28H2O(s)+2NH4Cl(s)=Ba(OH)2(aq)+2NH3H2O(l)+8H2O(l)；H0 CCaC2(s)+2H2O(l) Ca(OH)2(s)+C2H2(g)；H0 DCH4 (g)+2O2(g) CO2 (g)+2H2O(l)；H0 【例4】 将锌片和铜片插入某种电解质溶液，锌片和铜片用导线相连，形成原电池装置。（1）若电解质溶液是稀硫酸，发生氧化反应的是 极（锌、铜），铜极上发生的反应是 ，该电池反应的总反应离子方程式是 ；（2）若电解质溶液是硫酸铜溶液，在导线中电子是由 极流向 极，铜极上反应的电极反应式是 ，该电池反应的总反应离子方程式是 。【例5】 锌铜原电池产生电流时，阳离子（ ）A移向Zn极，阴离子移向Cu极B移向Cu极，阴离子移向Zn极C和阴离子都移向Zn极D和阴离子都移向Cu极【例6】 在盛有稀H2SO4的烧杯中放入导线连接的锌片和铜片，下列叙述正确的是（ ）A正极附近的SO42-离子浓度逐渐增大B电子通过导线由铜片流向锌片C正极有O2逸出 D铜片上有H2逸出【例7】 用铜片、银片、Cu (NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥（装有琼脂-KNO3的U型管）构成一个原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是（ ）在外电路中，电流由铜电极流向银电极 正极反应为：Ag+e=Ag实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同A BCD【例8】 依据氧化还原反应：2Ag(aq)+Cu(s) = Cu2(aq)+2Ag(s)设计的原电池如图所示。盐桥XYACuSO4溶液电流计Ag请回答下列问题：（1）电极X的材料是_；电解质溶液Y是_；（2）银电极为电池的_极，发生的电极反应为_；X电极上发生的电极反应为_；（3）外电路中的电子是从_电极流向_电极。板块二、化学电源原电池是一种将化学能转变为电能的装置，而化学电源则是一种实用的原电池。化学电源品种繁多，大体可分为三类：1、 一次电池一次电池的活性物质（发生氧化还原反应的物质）消耗到一定程度，就不能使用了。一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫干电池。（1）锌锰电池干电池该电池的负极材料是锌，正极材料是碳棒，电解质是MnO2、NH4Cl、ZnCl2组成的糊状物。其电极反应式为：负极：Zn2e=Zn2+正极：2MnO2+2NH4+2e=Mn2O3+2NH3+H2O（产生的NH3和Zn2+作用：Zn2+4NH3 = Zn(NH3)42+）（产生的H2和MnO2作用：H2+2MnO2 = Mn2O3+H2O）总反应式为：2Zn+4MnO2+4NH4Cl=Zn(NH3)4Cl2+ZnCl2+2Mn2O3+2H2OZn+2MnO2+2NH4Cl=Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)或Zn+2NH4+=Zn2+2NH3+H2电池中MnO2的作用是将正极上NH4+还原生成的H2氧化成为水，以免产生H2附在石墨表面而增加电池内阻。 由于反应中锌筒不断消耗变薄，且有液态水生成，故电池用久后会变软。（2）银锌电池钮扣电池该电池使用寿命较长，广泛用于电子表和电子计算机。其电极分别为Ag2O和Zn，电解质为KOH溶液。其电极反应式为：负极：Zn+2OH2e=ZnO+H2O 正极：Ag2O+H2O+2e=2Ag+2OH总反应式为：Zn+Ag2O=ZnO+2Ag（3）高能电池锂电池该电池是20世纪70年代研制出的一种高能电池。由于锂的相对原子质量很小，所以比容量（单位质量电极材料所能转换的电量）特别大，使用寿命长，适用于动物体内（如心脏起搏器）。因锂的化学性质很活泼，所以其电解质溶液应为非水溶剂。作心脏起搏器的锂碘电池：其电极反应式为：负极：2Li2e=2Li+ 正极：I2+2e=2I总反应式为：2Li+I2=2LiI锂二氧化锰电池这种电池以片状金属为负极，活性MnO2作正极，高氯酸及溶于碳酸丙烯酯和二甲氧基乙烷的混合有机溶剂作为电解质溶液，以聚丙烯为隔膜。其电极反应式为：负极：LiLie 正极：MnO2LieLiMnO2 总反应式为：LiMnO2LiMnO2 该种电池重量轻、体积小、电压高、比能量大，充电1000次后仍能维持其能力的90，贮存性能好，已广泛用于电子计算机、手机、无线电设备等。（4）海水铝电池该电池是1991年我国首创以“铝空气海水”电池为能源的新型航海标志灯。这种灯以海水为电解质溶液，靠空气中氧气使铝不断氧化而产生电流，只要把灯放入海水中就能发出耀眼的闪光，其能量比干电池高2050倍。其电极反应式为：负极：4Al12e=4Al3+ 正极：3O2+6H2O+12e=12OH总反应式为：4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)32、 蓄电池-二次电池可以多次反复使用，放电后可以充电复原，又称二次电池。（1）铅蓄电池铅蓄电池是一种常见的可充电电池，在工农业生产和日常生活中有广泛的应用。该电池以Pb和PbO2作电极材料，H2SO4作电解质溶液。其电极反应式为：负极：Pb+SO422e=PbSO4正极：PbO2+4H+SO42+2e=PbSO4+2H2O总反应式为：（2）碱性镍镉电池该电池以Cd和NiO(OH)作电极材料，NaOH作电解质溶液。其电极反应式为：负极：Cd+2OH2e=Cd(OH)2正极：2NiO(OH)+2H2O+2e=2Ni(OH)2+2OH总反应式为： 从上述两种蓄电池的总反应式可看出，铅蓄电池在放电时除消耗电极材料外，同时还消耗电解质硫酸，使溶液中的自由移动的离子浓度减小，内阻增大，导电能力降低。而镍镉电池在放电时只消耗水，电解质溶液中自由移动的离子浓度不会有明显变化，内阻几乎不变，导电能力几乎没有变化。（3）氢镍可充电池该电池是近年来开发出来的一种新型可充电电池，可连续充、放电500次，可以取代会产生镉污染的镍镉电池。其电极反应式为：负极：H2+2OH2e=2H2O正极：2NiO(OH)+2H2O+2e=2Ni(OH)2+2OH总反应式为：H2+2NiO(OH)2Ni(OH)23、 燃料电池又称连续电池，一般以天然燃料或其它可燃物质如H2、CH4等作为负极反应物质，以O2作为正极反应物质而形成的。燃料电池体积小、质量轻、功率大，是正在研究的新型电池之一。（1）氢氧燃料电池主要用于航天领域，是一种高效低污染的新型电池，一般用金属铂（是一种惰性电极，并具有催化活性）或活性炭作电极，用40%的KOH溶液作电解质溶液。其电极反应式为：负极：2H2+4OH4e=4H2O；正极：O2+2H2O+4e=4OH总反应式为：2H2+O2=2H2O（2）甲烷燃料电池用金属铂作电极，用KOH溶液作电解质溶液。其电极反应式为：负极：CH4+10OH8e=CO32+7H2O；正极：2O2+4H2O+8e=8OH总反应式为：CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O（3）甲醇燃料电池是最近摩托罗拉公司发明的一种由甲醇和氧气以及强碱作为电解质溶液的新型手机电池，电量是现有镍氢电池或锂电池的10倍。其电极反应式为：负极：2CH4O+16OH12e=2CO32+12H2O；正极：3O2+6H2O+12e=12OH总反应式为：2CH4O+3O2+4OH=2CO32+6H2O（4）固体氧化物燃料电池（选讲）该电池是美国西屋公司研制开发的，它以固体氧化锆氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许O2在其间通过。其电极反应式为：负极：2H2+2O24e=2H2O；正极：O2+4e=2O2总反应式为：2H2+O2=2H2O（5）熔融盐燃料电池（选讲）该电池用Li2CO3和Na2CO3熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气为阴极助燃气，制得在650下工作的燃料电池。熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视。其电极反应式为：负极：2CO+2CO324e=4CO2；正极：O2+2CO2+4e=2CO32总反应式为：2CO+O2=2CO2【例1】 碱性锌锰电池获得了广泛的应用，根据电池的电极反应，下列判断正确的是（ ） AZn为负极，MnO2为正极 BZn为正极，MnO2为负极 C工作时电子由MnO2经外电路流向Zn极 DZn电极发生还原反应，MnO2电极发生氧化反应【例2】 碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：Zn(s)+2MnO2(s)+H2O(l)=Zn(OH)2(s)+Mn2O3(s) 下列说法错误的是（ ） A电池工作时，锌失去电子 B电池正极的电极反应式为：2MnO2(s)+H2O(1)+2e- = Mn2O3(s)+2OH- (aq) C电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极 D外电路中每通过0.2mol电子，锌的质量理论上减小6.5g【例3】 据报道，锌电池可能取代目前广泛使用的铅蓄电池，因为锌电池容量更大，而且没有铅污染。其电池反应为，原料为锌粒、电解液和空气。则下列叙述正确的是（ ）A锌为正极，空气进入负极反应B负极反应为C正极发生氧化反应D电解液肯定不是强酸【例4】 根据下面材料，回答下面三道题：汽车上用的铅蓄电池是以一组充满海绵状灰铅的铅板和另一组结构相似的充满二氧化铅的铅板组成。两个电极用硫酸溶液作电解质溶液。在放电时，两极发生的反应可分别表示为 充电时，两极发生的反应分别为 （1）在放电时，下列说法正确的是（）A铅板为电源正极B铅板为电源负极C铅板在放电时发生氧化反应D铅板在放电时发生还原反应（2）在蓄电池放电时，溶液的将（）A不变B升高C降低D无法确定（3）在蓄电池生产和使用时，下列说法正确的是（）A生产和使用铅蓄电池时，不会造成环境污染B生产和使用铅蓄电池时，可能引起铅中毒和环境污染C使用铅蓄电池时，若铅板上有铅反应就消耗D在使用时，电池内溶液的密度会增大【例5】 燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4)等跟氧气(或空气)起反应将化学能转化为电能的装置，电解质溶液是强碱(如KOH)溶液。下面关于甲烷燃料电池的说法中，不正确的是( )A正极反应式为：O2+2H2O+4e4OHB负极反应式为：CH410OH8eCO327H2OC随着放电的进行，溶液pH不变D甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧