原电池原理及电极方程式的书写.ppt

原电池的原理及书写技巧 考纲点击 了解原电池的工作原理 能写出电极反应和总方程式 了解常见的化学电源的种类及其工作原理 了解金属发生电化学腐蚀的原因及防护措施 综合运用及分析 一 原电池的原理 1 定义 原电池是把 转化为 的装置 原电池反应的本质是 化学能 电能 2 构成条件 1 具有两个活泼性不同的电极 2 具有电解质溶液 3 形成闭合的电路 如右图 形成闭合电路的有 没有形成闭合电路的有 分析 图1虽然具有两个活泼性不同的电极 但是两金属没有接触或用导线连接 图2应添加盐桥 图6没有两个活泼性不同的电极 因此 都没有形成闭合电路 发生氧化还原反应 3 原电池的两级 负极 活泼性 的金属 发生反应的物质是 发生 的反应 生成物是 较强 还原剂 失去电子 氧化产物 正极 活泼性 的金属 发生反应的物质是 发生 的反应 生成物是 较弱 氧化剂 得到电子 还原产物 指出下图的正负极 负极 Zn正极 Fe 负极 Zn正极 稀硫酸 负极 Fe正极 Cu 不形成原电池 负极 Zn正极 Zn2 不形成原电池 与原电池相关的概念 2 电极 1 电路 外电路 内电路 电子流向 失电子的一极向得电子的一极 阳离子流动方向与电流方向一致 正极 电子流入的一极 负极 电子流出的一极 阴离子流动方向与电子流动方向一致 电流方向 与电子流动方向相反 原电池原理 铜锌原电池 负极 正极 内电路 氧化反应 还原剂 还原反应 氧化剂 外电路 阳离子 失e 沿导线传递 有电流产生 电解质溶液 阴离子 阳离子 三 关于原电池结构的探究 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 有没有什么改进措施 将两电极分开放置不同的区域 再添加盐桥以代替原来的两种溶液的直接接触 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 此电池的优点 能产生持续 稳定的电流 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 A B C D E F M N O V X V V X X X X V 1 下列哪几个装置能形成原电池 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 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 A MgB FeC AlD Cu B 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B 先变大后变小C 逐渐变大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 dB a c d bC c a b dD b d c a B 4 如图所示 在铁圈和银圈的焊接处 用一根棉线将其悬在盛水的烧杯中 使之平衡 小心的向烧杯中央滴入CuSO4溶液 片刻后可观察到的现象是 D A 铁圈和银圈左右摇摆不定B 保持平衡状态C 铁圈向下倾斜 银圈向上倾斜D 银圈向下倾斜 铁圈向上倾斜 二 原电池模型 1 最简单的原电池 铜锌原电池 结构如图所示电极总反应为 Zn H2SO4 ZnSO4 H2 用氧化还原反应的双线桥对此反应的离子方程式进行分析 负极反应分析 负极发生失去电子的反应 活泼电极失电子 发生反应的是还原剂 生成物是氧化产物则有Zn 2e Zn2 正极反应分析 正极发生得到电子的反应 作氧化剂 这个反应中 得到电子的应该是H 则正极反应方程式应该为 2H 2e H2 现象 锌片逐渐溶解 铜片不消耗 但有气泡在铜片上产生 书写这个原电池的两极反应方程式和总方程式 负极 正极 总反应 Zn 2e Zn2 Cu2 2e Cu Zn Cu2 Zn2 Cu 两级金属分别为Mg和Al 电解质为NaOH溶液 请写出它的两极反应方程式和总反应方程式 负极 正极 总反应 请讨论将电解质换成盐酸溶液时 该原电池又会怎么反应 2Al 6e 8OH 2AlO2 4H2O 2Al 2OH 2H2O 2AlO2 3H2 6H2O 6e 3H2 6OH 与其电极反应方程式进行比对 可以得出写原电池电极反应方程式的一个方法 氧化还原分析法 在负极发生反应的物质是还原剂 发生失电子的反应 生成物是双线桥终点所指的氧化产物 在正极发生反应的是氧化剂 发生得电子的反应 生成物是双线桥终点所指的还原产物 这一方法在原电池设计和电极反应方程式书写中有重要地位和作用 如果已知原电池的总反应 可以用这一方法很容易地确定正 负极反应物 2 普通锌锰干电池 酸性 构成 这种负极材料是锌 正极材料是炭棒 在石墨周围填充NH4Cl和淀粉糊作电极质 还填有MnO2和炭黑作为去极剂以除去炭棒上的氢气膜 减小电池的内阻 反应后转变为Mn2O3 对此电池的电极反应可以进行如下分析 负极反应是Zn失去电子变成Zn2 失去的电子被什么物质得到了呢 由已知条件 某种物质得电子后生成了氢气 生成的氢气又被MnO2吸收 考虑到NH4 水解可以产生H 得电子变成氢气 所以电极反应和总反应分别为 负极反应 Zn 2e Zn2 失电子 电荷平衡 正极反应的过程 2NH4 2H2ONH3 2H 可逆反应 2H 2e H2 H2 2MnO2 Mn2O3 H2O 正极总反应为 2NH4 2e 2MnO2 2NH3 H2O Mn2O3 注 NH4 水解本来是可逆反应 但是由于生成物被消耗 所以平衡向正反应方向移动 3 碱性锌锰电池 构成 负极材料是锌 电解质是KOH 正极材料是MnO2 在反应中变成MnOOH 对此电池进行分析 负极仍然是锌失去电子 变成Zn2 但是由于电解质是KOH 产生的Zn2 会与OH 反应生成Zn OH 2 于是可得出如下方程式 负极反应的过程 Zn 2e Zn2 Zn2 2OH Zn OH 2 负极总反应 Zn 2OH 2e Zn OH 2 根据已知条件 正极材料MnO2在反应中变成MnOOH 根据元素守恒 有两种可能 1 OH 离子参与反应2 H2O参与反应 考虑到在负极消耗了OH 则在正极反应中通常会使OH 会得以补充 故此判断应该是H2O参与了反应且反应后生成OH 这就是离子守恒原理在原电池当中的应用 这一反应的正极反应方程式为 正极反应 2MnO2 2H2O 2e 2MnOOH 2OH 总反应式 Zn 2MnO2 2H2O 2MnOOH Zn OH 2 通过这几个例子可以发现这样一个规律 活泼金属作负极时 金属失去电子后首先变成金属阳离子 但是最终在原电池是以什么形式存在 还须考虑电解质溶液的性质 如铜锌原电池 普通锌锰干电池中Zn失去电子以后变成Zn2 而碱性锌锰电池中Zn变成Zn2 后还会与电解质溶液中的2OH 反应生成Zn OH 2 2 充电电池 铅蓄电池结构 铅蓄电池有用橡胶或者塑料制成的长方型外壳 一个电极板上有一层棕褐色的PbO2 另一个电极板是海绵状金属铅 两极均浸在密度为1 25g cm3 1 28g cm3的硫酸溶液中 且两极用有微孔的橡胶或塑料隔开 对此电池用氧化还原分析法和电极半反应逐步推导法进行分析 1 体系中目前有两种氧化剂 H 和PbO2 根据氧化还原反应的知识可知PbO2的氧化性强于H 则根据氧化还原反应的先后律可知 是PbO2与Pb发生氧化还原反应 产物为 2价的Pb 化合价归中原理 2 Pb失电子 作负极 失电子后形成Pb2 溶液中存在SO42 所以Pb2 会与SO42 反应生成PbSO4 PbO2在酸性溶液中得到电子后化合价变为 2价 化合价归中原理 作正极 在酸性溶液中最后生成H2O和PbSO4 于是可得方程式如下 负极反应 Pb 2e Pb2 Pb2 SO42 PbSO4负极总反应 Pb 2e SO42 PbSO4正极反应 PbO2 2e 4H SO42 PbSO4 2H2O 总反应 3 燃料电池 我们通常可以将燃料电池分为两大类 一类是普通燃料电池 一类是熔融盐燃料电池 下面我们分别进行讨论 1 普通燃料电池氢氧燃料电池氢氧燃料电池是燃料电池的基础 根据电解质溶液性质不同 我们可以将氢氧燃料电池分为三类 下面我们将为三类氢氧燃料电池进行一下对比 对此三个反应我们逐一分析 甲烷 空气 KOH燃料电池通过对氢氧燃料电池研究所得出的结论 可以先确定该燃料电池的总反应 即CH4 2O2 CO2 2H2O 由于反应是在碱性电解质溶液中进行的 所以产生的CO2会被OH 吸收生成CO32 即 CO2 2OH CO32 H2O 两个反应相加即得 总反应离子方程式为 CH4 2O2 2OH CO32 3H2O电池正极反应 是氧气在碱性条件下得电子的反应 即与氢氧燃料电池中碱性条件下的正极反应相同 正极反应 O2 4e 2H2O 4OH 负极反应可以用总反应减去正极反应得到 CH4 2O2 2OH 2 O2 4e 2H2O CO32 3H2O 2 4OH 移项 化简后得负极反应 CH4 8e 10OH CO32 7H2O 上例中的方法是书写电极反应的另一个常用方法 电极反应合并法 其表达式是 电极总反应 负极反应 正极反应应当注意的是 两个半反应合并后 总反应要合理 这也是检验所写的电极方程式是否正确的方法 合并不是两个半反应直接相加 要使失电子和得电子的总数相等后再相加 合并后的总方程式要符合客观事实 如中性介质中的氢氧燃料电池 正极反应 负极反应为 2H2 4e O2 4e 2H2O 4OH 4H 合并后得2H2 O2 2H2O 4OH 4H 这一反应方程式不符合客观事实 OH 与H 不能大量共存于同一溶液中 它们要反应生成H2O 所以最后其方程式应为 2H2 O2 2H2O 2 熔融盐电池与普通燃料电池稍有区别的是 熔融盐电池电解质不是溶液 而是熔融的电解质 实际上由于电解质成份更为简单 只有熔融电解质 没有水 所以这类电池的反应也比较简单 为了便于大家掌握 我们仍然从最简单的熔融盐电池入手进行分析 氢氧熔融盐燃料电池氢氧燃料电池 电解质在熔融状态分别能传导O2 或H 书写电极反应方程式时要依据电解质的性质 传导O2 型 如熔融氧化物作电解质时可以传输O2 此时电极反应应如下 负极 2H2 4e 2O2 2H2O正极 O2 4e 2O2 传导H 型 如以磷酸为电解质的燃料电池可以传导H 其电极反应如下 负极 H2 2e 2H 正极 O2 4e 4H 2H2O总反应仍是 2H2 O2 2H2O 丁烷 空气燃料电池 其电解质是掺杂氧化钇 Y2O3 的氧化锆 ZrO2 熔融晶体 分析 掺杂氧化钇 Y2O3 的氧化锆 ZrO2 晶体在熔融状态能传导O2 因此O2 参与负极反应 燃料电池的总反应通常与其燃烧化学方程式相同 即为 2C4H10 13O2 8CO2 10H2O 则其正极反应为 O2 4e 2O2 总反应 2C4H10 13O2 8CO2 10H2O负极反应 总反应 正极反应 得负极反应 C4H10 26e 13O2 4CO2 5H2O 甲醇 空气燃料电池构成 甲醇为燃气 空气与CO2混合气体作为助燃剂 碳酸锂和碳酸钠的混合熔融盐作为电解质 分析 作为燃料电池 总的效果就是把燃料进行燃烧 故电池总反应与燃料燃烧化学方程式相同 2CH3OH 3O2 2CO2 4H2O 用氧化还原反应原理进行分析 可以得出CH3OH失电子为还原剂 是电池负极材料 从原电池结构来看 原电池是把氧化反应与还原反应分开在不同区域进行 再以适当方式连接起来的一种装置 因此有以下事实摆在眼前 1 CH3OH并不能与O2直接接触 2 CH3OH反应生成CO2和H2O 按1molCH3OH参与反应计算 要生成1molCO2和2molH2O 于是问题产生了 多出来的氧原子来自哪里 答案就只有一个CH3OH只能与电解质电离出来的CO32 反应 所以我们推理得知其负极反应为 负极反应 2CH3OH 12e 6CO32 8CO2 4H2O根据离子守恒原理 其正极反应中必定要生成CO32 或用一个更简单的方法 电极反应合并法 总反应 负极反应 得正极反应 3O2 12e 6CO2 6CO32 对上述燃料电池进行归纳总结 我们可以得出燃料电池电极反应方程式书写的一些规律 燃料电池的总反应通常是燃料的燃烧反应 燃料电池中通常有O2参与反应并得到电子 O2的变化规律为 酸性条件下生成H2O 中性 碱性条件下生成OH 熔融氧化物生成O2 熔融碳酸盐O2与CO2反应生成CO32 其余类推 通过对上述原电池电极反应方程式的分析 我们总结的规律 方法如下 1 氧化还原分析法2 电极半反应逐步推导法 3 电极反应合并法 4 燃料电池的总反应通常是燃料的燃烧反应 5 离子守恒原理对于这些规律 方法需要灵活掌握并做到具体问题具体分析 高能电池 锌银电池是由不锈钢制成一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒 盒内靠正极一端填充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料 负极盖一端填充锌汞合金做负极活性材料 电解质溶液为浓KOH溶液 已知电池内Zn的氧化产物为ZnO 请书写出电池电极反应 分析 负极材料中Zn失去电子 变成Zn2 按题意Zn2 又会与电解质溶液KOH反应生成ZnO 注意与例3不同的是 题目当中告知我们Zn