高中化学 第一章 第3节第1课时原电池的工作原理 化学电源精品课件 鲁科版选修4.ppt

第3节化学能转化为电能 电池第1课时原电池的工作原理化学电源 1 了解原电池的工作原理 能写出电极反应式和电池反应方程式 2 掌握构成原电池的条件 3 了解常见化学电源的种类 工作原理和用途 课程标准导航 一 原电池 化学能 电能 负极 正极 负 正 化学能 电能 二 化学电源 做一做一次电池 二次电池与燃料电池各有哪些特点 提示 一次电池只能放电不能充电 使用后即弃去 可能造成环境污染 二次电池可以反复充放电 可多次重复使用 燃料电池是一种高效低污染的新型电池 1 在理论上不能用于设计原电池的化学反应是 a h2so4 aq bacl2 aq 2hcl aq baso4 s h 0b 2ch3oh l 3o2 g 2co2 g 4h2o l h 0 c 4fe oh 2 s 2h2o l o2 g 4fe oh 3 s h 0d 3cu s 8hno3 aq 3cu no3 2 aq 2no g 4h2o l h 0解析 选a 用于设计成原电池的反应一般为放热的 可以自发进行的氧化还原反应 所以a不能 因为a为复分解反应 是非氧化还原反应 2 原创题 在下图中的8个装置中 属于原电池的是哪几个 解析 构成原电池要有四个基本条件 a 电解质溶液 b 两个电极 其中一个相对较活泼 另一个相对较不活泼 两个电极直接或间接地连接在一起 并插入电解质溶液中 c 能自发地发生氧化还原反应 d 形成闭合回路 符合上述条件 答案 3 将铜和锌用导线连接插入到盐酸中 关于该装置的叙述 正确的是 a 锌是负极 铜的表面有气泡b 电子从铜极经外电路流向锌极c 溶液中cl 向铜极移动d 溶液的ph基本没有变化 解析 选a 锌失去电子 电子从负极流向正极 电流方向与电子流向相反 b错 原电池中阴离子流向负极 c错 h 在正极得电子生成h2 所以溶液中h 浓度降低 ph增大 d错 探究导引1盐桥的作用是什么 提示 防止两溶液直接接触 避免氧化剂和还原剂直接反应 沟通两个半电池 保持其电荷平衡 使反应能继续进行 探究导引2如何设计原电池 提示 一般来说 自发的氧化还原反应都可以设计成相应的原电池 具体设计时 先将氧化还原反应拆分为两个半反应 即氧化反应和还原反应 然后根据构成原电池的条件 选择合适的电极材料及适宜的电解质溶液 将两电极用导线连接插入电解质溶液形成闭合回路 该原电池的设计即获成功 要点归纳1 电池是一种将化学能转化为电能的装置 因此只有氧化还原反应可以设计成电池 在电池中 通过电极和导线将电子转移变成了电子的定向移动 将氧化反应和还原反应分到两个电极上进行 使其成为两个 半反应 如铜锌原电池 2 依据电池的工作原理 可以将氧化还原反应设计成原电池 设计思路如下 即时应用1 利用反应zn 2fecl3 zncl2 2fecl2设计一个原电池 在下图方格内画出实验装置图 并指出正极材料为 电极反应式为 负极材料为 电极反应式为 解析 将zn 2fecl3 zncl2 2fecl2拆分为 zn 2e zn2 氧化反应 2fe3 2e 2fe2 还原反应 结合原电池的电极反应特点分析可知 该电池的负极应用锌片 正极材料用活泼性比锌弱的金属或导电的非金属 为保证fe3 在正极得电子 电解质溶液为fecl3等易溶的铁盐溶液 答案 pt2fe3 2e 2fe2 znzn 2e zn2 探究导引3可充电电池工作时离子如何移动 提示 无论是原电池还是电解池 阳离子一定移向发生还原反应的极 阴离子一定移向发生氧化反应的极 探究导引4可充电电池电极反应式如何书写 提示 电极反应也要遵循电荷守恒 原子守恒 对于复杂的电极反应式 可先写出其中一个简单的电极反应式 通常是负极 然后用总反应方程式减去该电极反应式即可得到另一个电极反应式 要点归纳可充电电池属于二次电池 是一种可反复使用的电池 当电池放电时 是一种原电池 当电池充电时 此时又是一种电解池 对于可充电电池 分析时应注意以下几个方面 1 可充电电池的两极可充电电池有放电和充电两个过程 分析可充电电池的两极 通常是借助于氧化还原反应中化合价的变化 如高铁电池 总反应方程式为 放电时反应方向是从左到右 锌的化合价升高 发生氧化反应 锌为负极 铁的化合价降低 发生还原反应 k2feo4为正极反应物 充电时反应从右到左 zn oh 2中锌的化合价由 2价降为0价 发生还原反应 zn oh 2是阴极反应物 fe oh 3中铁的化合价由 3升高为 6价 发生氧化反应 fe oh 3为阳极反应物 特别提醒不论是放电时的正负极还是充电时的阴阳极 均可以借助于化合价的变化加以判断 2 离子移动的方向原电池中阳离子移向正极 阴离子移向负极 电解池中阳离子移向阴极 阴离子移向阳极 初学者往往在此处混淆 误认为原电池中是阴离子移向正极 对此可通过电子的流向加以判断 在原电池中 电子由负极流向正极 溶液中的阳离子应移向正极去获得电子 电解池中 电子由电源负极流入阴极 阳离子应移向阴极获得电子 阴离子移向阳极失去电子 电子沿导线流回电源正极 构成一个闭合回路 3 电极反应式的书写分析时可首先从放电过程入手 首先分析反应的总方程式 放电时负极发生氧化反应 元素化合价升高 通常是电极本身或电极中充入的气体失电子 正极则发生还原反应 元素的化合价降低 其次分析充电过程 充电时的阴极反应式与放电时的负极反应式书写方式正好相反 充电时的阳极反应式与放电时的正极反应式书写方向相反 第三 书写时特别注意两极反应生成的离子能否在电解液中共存 若不能共存 则该离子还应与电解质溶液中的某种离子发生反应 4 充放电后溶液ph的变化充放电后溶液ph的变化与两极反应有密切关系 可通过电极反应式加以判断 仍以高铁电池为例 放电时负极消耗oh 负极附近溶液碱性减弱 充电时阴极产生oh 阴极附近oh 浓度增大 碱性增强 特别提醒ph的变化与电极反应息息相关 不要忽略了电极产生的离子与电解质自身的反应 即时应用2 2011 高考新课标全国卷 铁镍蓄电池又称爱迪生电池 放电时的总反应为 fe ni2o3 3h2o fe oh 2 2ni oh 2下列有关该电池的说法不正确的是 a 电池的电解液为碱性溶液 正极为ni2o3 负极为feb 电池放电时 负极反应为fe 2oh 2e fe oh 2c 电池充电过程中 阴极附近溶液的ph降低d 电池充电时 阳极反应为2ni oh 2 2oh 2e ni2o3 3h2o 解析 选c a项 由电池反应可知 ni2o3 ni oh 2 ni的化合价由 3价 2价 化合价降低 发生还原反应 故ni2o3为正极 fe fe oh 2 fe的化合价由0价 2价 化合价升高 发生氧化反应 故fe为负极 正确 b项 负极发生氧化反应 fe 2oh 2e fe oh 2 正确 c项 阴极发生还原反应 fe oh 2 2e fe 2oh c oh 增大 溶液的ph增大 故错误 d项 阳极发生氧化反应 电极反应为2ni oh 2 2oh 2e ni2o3 3h2o 正确 探究导引5如何书写燃料电池电极反应式 提示 燃料电池可先写出总反应 因为总反应是其完全燃烧的方程式或其完全燃烧的方程式与介质反应的总和 然后再写出其中一个简单的电极反应 两式在转移电子数相等的情况下相减可得另一电极反应 此外 还应注意电解质的状态和溶液的酸碱性 要点归纳燃料电池是将可燃物 如h2 甲醇 丁烷 甲烷等 燃烧时放出的热量以电能的形式展现出来的装置 具有高效能 低污染的特点 燃料电池的总反应方程式就是该可燃物燃烧的化学方程式 不加反应条件 如甲烷 氧气燃料电池 就是以多孔铂电极或活性炭电极做正 负极 ch4和o2分别在两极反应 即时应用3 2012 郑州高二统考 可用于电动汽车的铝 空气燃料电池通常以nacl溶液或naoh溶液为电解质溶液 铝合金为负极 空气电极为正极 下列说法正确的是 a 以nacl溶液或naoh溶液为电解液时 正极反应都为o2 2h2o 4e 4oh b 以naoh溶液为电解液时 负极反应为al 3oh 3e al oh 3 c 以naoh溶液为电解液 电池在工作过程中电解液的ph保持不变d 电池工作时 电子通过外电路从正极流向负极 解析 选a 本题是考查一种固体燃料电池的原理 电解质溶液分别为nacl溶液或naoh溶液时电极反应式为 负极 al 3e al3 al 4oh 3e al oh 4 正极 2h2o o2 4e 4oh 故总的反应式为4al 3o2 6h2o 4al oh 3 或4al 6h2o 3o2 4oh 4 al oh 4 以naoh为电解液时ph发生变化 用如图所示的装置进行实验 反应一段时间后断开k 向右侧烧杯中加入0 1molcuo后cuso4溶液恰好恢复到反应前的浓度 下列说法中不正确的是 a 铜棒为正极 其电极反应式为 2h 2e h2 b 烧杯右侧碳棒为阴极 其电极表面有红色物质析出c 反应中消耗锌的质量为13gd 导线中通过电子的物质的量为0 2mol 解析 左侧装置为zn cu h2so4原电池 zn为负极 cu为正极 右侧装置为用惰性电极电解cuso4溶液 左侧碳棒为阳极 右侧碳棒为阴极 有铜析出 电解质中加入0 1molcuo恢复原状态 则知电解生成铜0 1mol 转移电子数0 2mol 消耗zn0 1mol 6 5g 答案 c 名师点睛 判断正 负极时的一般思路为 1 一般较活泼的金属做负极 发生氧化反应 较不活泼的金属或非金属导体做正极 发生还原反应 本身不变 2 不要形成 活泼金属一定做负极 的思维定势 例如镁铝原电池 若电解质溶液为稀h2so4 则mg做负极 mg 2e mg2 al做正极 2h 2e h2 若电解质溶液为naoh溶液 al与naoh溶液的反应能自发进行 故al做负极 2al 8oh 6e 2 al oh 4 mg做正极 6h2o 6e 3h2 6oh 3 负极为电子流出的一极 4 一般溶解的一极为负极 质量增加或有气体生成的一极为正极 5 通入还原性气体 ch4 h2等 的一极为负极 通入氧化性气体 o2 的一极为正极 提示 上述右侧装置中右侧碳棒做阴极 电极不发生反应 左侧碳棒为阳极 若换为铁棒 则铁失电子 电解时发生总反应为cu2 fe cu fe2 加入0 1molcuo后无法恢复原状态 互动探究若将插入cuso4溶液中的右侧石墨棒换为铁棒 则对原题有无影响 若换左侧的呢 2012 北大附中高二期中考试 将氧化还原反应2h2 o2 2h2o设计成原电池 1 利用氢气和氧气 氢氧化钾溶液构成燃料电池 则负极通入的气体应是 正极通入的气体是 电极反应为 正极 负极 2 若把koh溶液改为稀硫酸做电解质溶液 则电极反应为 正极 负极 3 1 和 2 的电解质溶液不同 反应进行后 其溶液的酸碱性各有何变化 4 若把h2改为ch3oh koh溶液做电解质溶液 则电极反应为 正极 负极 电池反应为 思路点拨 氢氧燃料电池 h2都在负极失e 电解质溶液显酸性 则h2 2e 2h 电解质溶液显碱性 则生成的h 与oh 生成h2o 负极反应式与正极相加一定等于总反应 解析 1 由电池反应可知在反应中h2被氧化 o2被还原 h2应该在负极上反应 o2应该在正极上反应 又因为是碱溶液 不可能有h 参加或生成 故负极的电极反应为2h2 4oh 4e 4h2o 正极的电极反应为o2 2h2o 4e 4oh 2 若将电解质溶液换为酸溶液 此时应考虑不可能有oh 生成 故负极的电极反应为2h2 4e 4h 正极的电极反应为o2 4h 4e 2h2o 3 由于前者在碱性条件下反应 koh的量不变 但工作时h2o增多 故溶液变稀 碱性减弱 而后者为酸溶液 h2so4的量不变 h2o增多 故溶液变稀 酸性减弱 答案 1 h2o2o2 2h2o 4e 4oh 2h2 4oh 4e 4h2o 2 o2 4h 4e 2h2o2h2 4e 4h 规律方法 写燃料电池电极反应式以下三个方面特别要注意 电池的负极一定是可燃性物质失电子 发生氧化反应 电池的正极一定是助燃性物质得电子 发生还原反应 电极材料一般不参加化学反应 只起传导电子的作用 写电极反应式时 一定要注意电解质是什么 在碱性电解质溶液中 电极反应式中不能出现h 酸性电解质溶液中 电极反应式中不能出现oh 经典案例 某化学兴趣小组为了探究铝电极在原电池中的作用 设计进行了一系列实验 实验的结果记录如下 1 实验1 2中 铝分别做 极 极 2 实验3中铝做 极 理由是 铝电极的电极反应式为 3 实验4中电流计指针偏向铝的原因是 4 根据实验结果 总结在原电池中金属铝做正极还是负极 受哪些因素影响 解析 因为金属的活泼性mg al cu mg al都能与稀盐酸反应 cu不