原电池化学电源

1、原电池 化学电源一、原电池的工作原理1.概念：原电池是将化学能转变为电能的装置。2.工作原理：如图以铜锌原电池为例:(1)在ZnSO4溶液中,锌片逐渐溶解,即Zn被氧化,锌原子失电子,形成Zn2+进入溶液,从锌片上释放出电子,经过导线流向Cu;溶液中的Cu2+从铜片上得电子,还原成为Cu并沉积在铜片上。(2)电子流向:从负极流向正极。(3)电流方向:从正极(Cu)流向负极(Zn)。(4)离子移动方向：在电解质溶液中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动 3.原电池反应本质：氧化还原反应4.电极材料及反应式(以铜锌原电池为例)电极名称负极正极电极材料锌铜电极反应Zn-2e-Zn2+Cu2+2e-C

2、u反应类型氧化反应还原反应电池总反应Cu2+ZnZn2+Cu4.原电池的构成条件(1)能自发进行的氧化还原反应(一般是活动性强的金属与电解质溶液反应)。(2)两种活动性不同的金属（或一种金属与一种非金属导体）作电极。(3)形成闭合回路。形成闭合回路需三个条件:电解质溶液;两电极直接或间接接触;两电极插入电解质溶液。【例1】下列装置可以形成原电池的是B,并写出形成原电池的电极材料及电极反应:正极:Ag、2Ag+2e-2Ag;负极:Cu、Cu-2e-Cu2+;电解质溶液中的阴离子向负极移动,阳离子向正极移动,形成电流。【随堂练习1】如图所示是Zn和Cu形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，在读书

3、卡片上记录如下，在卡片上描述合理的是 （ ）ABCD答案：B（教材全解P41例1）【随堂练习2】将纯锌片和纯铜片按如图所示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是（ ）A两烧杯中铜片表面均无气泡产生B甲中铜片是正极，乙中铜片是负极C甲中铜被氧化，乙中锌被氧化D产生气泡的速率甲比乙快答案：D（教材全解P42例2）【随堂练习3】如图所示，a在金属活动性顺序中排在氢之前，b为碳棒，下列说法正确的是（ ）A.a极上发生还原反应，b极上发生氧化反应B.碳棒上有气体逸出C.导线上有电流，电子移动方向从abD.反应后a极质量减小答案：A（教材全解P42例4）【例2】控制适合的条件,将反应Fe3+A

4、gFe2+Ag+设计成如图所示的原电池(盐桥装有琼脂硝酸钾溶液;灵敏电流计的0刻度居中,左右均有刻度)。已知接通后,观察到电流计指针向右偏转。下列判断正确的是( )A.在外电路中,电子从石墨电极流向银电极 B.盐桥中的K+移向乙烧杯 C.一段时间后,电流计指针反向偏转,越过0刻度,向左边偏转D.电流计指针居中后,往甲烧杯中加入一定量的铁粉,电流计指针将向左偏转解析：Fe3+发生得电子的还原反应,所以石墨电极为正极,电子从负极流向正极,阳离子从负极移向正极,A、B选项错误;达到化学平衡后,电流计指针指向0刻度,不会越过,C选项错误;D选项,铁粉与Fe3+反应生成Fe2+,溶液中Fe2+浓度增大,

5、平衡左移,Ag+发生得电子的反应,Ag为正极,正确。 答案：D【随堂练习4】(1)把例2中A选项改为“在内电路中,电子从石墨电极流向银电极”是否正确?改为“电流从石墨电极通过灵敏电流计到银电极,然后通过盐桥到石墨电极”是否正确? (2)把B选项中的“K+”改为“NO3-”是否正确?撤掉盐桥是否还能构成原电池? (3)开始时,乙烧杯中发生的反应是(填“氧化反应”或“还原反应”)。答案:(1)不正确,电子不能通过电解质溶液;正确,从形成闭合回路,由定向移动的粒子形成电流的角度解答。(2)正确;不能。(3)氧化反应方法归纳(1)导线中的电流是从正极流向负极,而原电池内溶液中的电流正好相反,即阳离子从

6、负极流向正极,阴离子从正极流向负极,这样才能形成闭合回路。(2)电解质溶液中阴、阳离子的定向移动,与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整的闭合回路。(3)无论在原电池还是在电解池中,电子均不能通过电解质溶液。【随堂练习5】把a、b、c、d四块金属片浸泡在稀硫酸中，用导线两两连接，可组成若干原电池，若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，c为负极；a、c相连时，c为正极；b、d相连时，b为正极。则下列说法正确的是（ ） A.b的活动性一定在氢之后 B.若a与b相连，则a为原电池的正极 C.若c与 b相连，则b极上发生氧化反应D.若将稀硫酸换为NaOH溶液，a、c分别为镁、铝，则a极上有气泡产生

7、答案：D（教材全解P43例5）二、常见的化学电源1.一次电池(以碱性锌锰电池为例)负极:材料Zn,电极反应Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2。正极:材料MnO2,电极反应2MnO2+2e-+2H2O2MnOOH+2OH-总反应:Zn+2MnO2+2H2O2MnOOH+ Zn(OH)2特点：一次性电池；放电时间短，电压下降快；2.二次电池铅蓄电池负极:材料Pb,电极反应:Pb-2e-+SO42-PbSO4。正极:材料PbO2,电极反应:PbO2+2e-+4H+SO42-PbSO4+2H2O。总反应:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O特点：铅蓄电池的电压稳定，使用方便，安全可靠，

8、可再次充电使用。用途：目前汽车上使用的电瓶大多是铅蓄电池，它还广泛用于国防、生产、生活领域。镍镉电池 以Cd为负极，NiO(OH)为正极，KOH为电解质。特点：体积小，便于携带。可重复充电500次以上，寿命比铅蓄电池长。用途：广泛用于收录机、无线对讲机，电子闪光灯、电动剃须刀等。锂离子电池特点：新一代绿色电池，有能量高，电压高，质量轻，储存时间长等优点。用途：可用作笔记本电脑，移动电话，数码照相机，摄影机等低功耗电器的主流电源。3.燃料电池氢氧燃料电池酸性碱性负极反应2H2-4e-4H+2H2-4e-+4OH-4H2O正极反应O2+4e-+4H+2H2OO2+4e-+2H2O4OH-电池总反应

9、2H2+O22H2O还有甲烷燃料电池、甲醇燃料电池等。优点：能量转化率高；对环境友好；能长时间供电。【例3】汽车的启动电源常用铅蓄电池，放电时的电池反应如下：PbO2+Pb+2H2SO4=PbSO4+H2O，根据此反应判断下列叙述中正确的是（ ） A.Pb是负极 B.PbO2得电子，被氧化 C.负极反应是Pb+SO42-2e-=PbSO4 D.电池放电时，溶液酸性增强答案：AC（教材全解P44例7）【随堂练习6】如图为氢氧燃料电池原理示意图。据此图的提示，下列叙述不正确的是（ ）A.a电极是负极B.电池反应为2H2+O22H2OC.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源D.氢氧燃料电池是一种

10、不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置答案：B（教材全解P44例8）【随堂练习7】电子计算机所用纽扣电池的两极材料为锌和氧化银，电解质溶液为KOH溶液，其电极反应为：Zn + 2OH- -2e-=ZnO + H2O ， Ag2O +H2O + 2e-=2Ag +2OH- ，下列判断正确的是（ ）A锌为正极，Ag2O为负极                B锌为负极，Ag2O为正极C原电池工作时，正极区溶液

11、pH减小      D原电池工作时，负极区溶液pH增大答案：（教材全解P47第6题）三、原电池正、负极的判断方法1.有两极的相对活泼型判断 一般相对活泼的金属为负极，相对不活泼的金属或导电的非金属为负极。注意：有时电极反应不能只看电极材料的活泼性强弱，还必须考虑电解质溶液的性质。如Al-Mg-NaOH溶液构成的原电池，由于Mg不与NaOH溶液反应，虽然金属性Al<Mg，但该条件下是Al作负极。2.由电子或电流的流向判断电流（外电路）由正极流向负极，电子则由负极经导线流向原电池的正极。3.由离子移动的方向判断阳离子移向原电池的正极，阴离子移

12、向原电池的负极。4.由原电池中的反应类型判断负极：失电子，发生氧化反应；正极：得电子，发生还原反应。5.由原电池中电极变化情况判断某一电极若不溶解，质量不断减小，则此电极为负极；若某一电极上有气体产生或电极质量不断增大，则此电极一般为正极。但也要注意特殊情况，如在铅蓄电池放电过程中，负极由Pb变为PbSO4，质量增加。【例4】看图回答下列问题。(1)上述四种原电池的装置中正极分别为 、 、 、 。 (2)B装置中a孔通入的气体为 (填“SO2”或“O2”)。(3)D装置中发生氧化反应的一极为 (填“a”或“b”)。解析：燃料为负极,所以A装置中a为正极;电子流出的一极为负极,故B装置

13、中b为正极,发生还原反应,通入氧化剂O2;C装置中铝与氢氧化钠溶液反应,所以铝失电子为负极,Mg为正极;D装置由阳离子H+的流向可知b为正极。答案：(1)abMgb(2)SO2(3)a【随堂练习8】某原电池装置如图所示，电池总反应为2Ag+Cl2=2AgCl。下列说法正确的是（ ）A正极反应为AgCleAgClB放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成C若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应随之改变D当电路中转移0.01 mol e时，交换膜左侧溶液中约减少0.02 mol离子答案：D（教材全解P45例9）【随堂练习9】Mg-H2O2电池可以驱动无人驾驶的潜航器。该电池以海水为电解

14、质溶液，示意图如下。该电池工作时，下列说法正确的是（ ）A . Mg电极是该电池的正极B. H2O2在石墨电极上发生氧化反应C. 石墨电极附近溶液的pH 增大D. 溶液中Cl向正极移动答案：C（教材全解P46高考零距离例题）四、原电池原理的应用1.加快化学反应的进行形成原电池后，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中的粒子在运动时相互间干扰减小，化学反应加快。例如实验室用Zn与稀硫酸反应制H2，常用粗锌，原因是粗锌中的杂质和锌、稀硫酸构成原电池，加快了反应的进行。2.比较金属活动性强弱金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属比正极的活泼。3.设计原电池从理论上讲，任何一个自发的

15、氧化还原反应都可以设计成原电池。已知一个氧化还原反应，(1)将氧化还原反应分成两个半反应：首先分析找出氧化剂和还原剂，一般还原剂为负极材料（或在负极上被氧化），氧化剂（电解质溶液中的阳离子）在正极上被还原。(2)根据原电池的反应特点,结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。【例5】已知电极材料:铁、铜、银、石墨、锌、铝;电解质溶液:CuCl2溶液、NaOH溶液、盐酸,按要求回答下列问题。(1)电工经常说的一句口头禅:“铜接铝,瞎糊弄”,所以电工操作上规定不能把铜导线与铝导线连接在一起使用,说明原因: 。(2)通常说的燃料电池都以铂为电极,将燃烧反应的化学能转化为电能,在燃料电池中,可燃物在

16、 极反应, 在另一极反应。(3)请运用原电池原理设计实验,验证Cu2+、Fe3+氧化性的强弱。请写出电极反应,负极 ；正极 ,并在方框内画出实验装置图。解析：(2)可燃物被氧化失电子,在电源负极发生氧化反应。(3)可利用氧化还原反应Cu+2Fe3+Cu2+2Fe2+来设计原电池。答案：(1)铜铝接触在潮湿的环境中形成原电池,加快了铝的腐蚀,易造成电路断路(2)负助燃物(3)Cu-2e-Cu2+2Fe3+2e-2Fe2+【随堂练习10】四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池;相连时,外电路电流从流向;相连时,为正极;相连时,上有气泡逸出;相连时,的质量减少。据此判断这四种金属活动性由大到小

17、的顺序是( )A.B.C. D.解析：由原电池原理判断金属活动性,外电路电流从流向,为正极,金属活动性>相连,为正极,金属活动性>相连,上有气泡(H2)逸出,为正极,金属活动性>相连,质量减少,则金属活动性>,即金属活动性顺序为>>>,B正确。五、原电池电极反应式的书写 注意:(1)因为电极反应式是氧化还原反应的一半,所以书写时一定要与氧化还原型离子方程式书写方法相联系;(2)电极反应式一定是离子反应。电极反应式的书写常见的步骤及方法分析氧化还原反应及题中信息分析电解质溶液依据电子得失守恒,得出总反应式1.水溶液中电极反应式书写方法例如:碱性CH3OH

18、燃料电池电极反应式的书写步骤: 步骤1,确定正负极和得失电子数目:负极为还原剂失电子:CH3OH-6e-、正极为氧化剂得电子:O2+4e-;步骤2,依据电解质溶液确定产物:负极:CH3OH-6e-CO32-(生成CO2,但会与碱反应生成CO32-)、正极:O2+4e-(注意当还原产物为-2价氧原子时,因为不知其存在形式是H2O还是OH-,不需要写出); 步骤3,配平除“H”、“O”元素之外的其他元素:负极:CH3OH-6e-CO32-、正极:O2+4e-;步骤4,用“H+”或“OH-”配平电荷:负极:CH3OH-6e-+8OH-CO32-、正极:O2+4e-4OH-;步骤5,补“H2O”配平H

19、元素:负极:CH3OH-6e-+8OH-CO32-+6H2O、正极:O2+4e-+2H2O4OH-;步骤6,最后用“O”检查是否正确:负极:CH3OH-6e-+8OH-CO32-+6H2O、正极:O2+4e-+2H2O4OH-;电池反应:依据得失电子守恒:负极×2+正极×3即得电池反应式。注意: 中性水溶液“”前不能出现H+和OH-,“”后可能出现H+或OH-; 酸性水溶液“”前后均不能出现OH-; 碱性水溶液“”前后均不能出现H+ 水溶液中不能出现O2-; 生成物是否与介质发生反应,如碱性介质中SO2、CO2、Fe3+、Fe2+、Mg2+、Al3+均会与OH-反应。【例6

20、】(1)与MnO2Zn电池类似,K2FeO4Zn也可以组成碱性电池,其电极反应式正极:FeO42-+3e-+4H2OFe(OH)3+5OH-,负极:Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2,该电池总反应的离子方程式为3Zn+2FeO42-+8H2O3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4OH-。(2)如果把“碱性电池”改为“酸性电池”,其电极反应式正极:FeO42-+3e-+8H+Fe3+4H2O,负极:Zn-2e-Zn2+,该电池总反应的离子方程式为3Zn+2FeO42-+16H+3Zn2+2Fe3+8H2O。解析:(1)正极发生得电子的还原反应,碱性条件下1个FeO42-得到3个电子生成Fe(O

21、H)3,即FeO42-+3e-Fe(OH)3,依据电荷守恒后面加5个OH-,即FeO42-+3e-Fe(OH)3+5OH-,依据H原子守恒FeO42-+3e-+4H2OFe(OH)3+5OH-,最后用O原子检查是否正确。负极反应为Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2;根据得失电子守恒两电极反应变为2FeO42-+6e-+8H2O2Fe(OH)3+10OH-、3Zn-6e-+6OH-3Zn(OH)2,相加即得电池反应式。(2)正极FeO42-+3e-Fe3+,依据电荷守恒前面加8个H+,FeO42-+3e-+8H+Fe3+,依据H原子守恒FeO42-+3e-+8H+Fe3+4H2O,最后用O原子

22、检查是否正确,经检查,正确;负极Zn-2e-Zn2+,电荷已守恒,正确;根据得失电子守恒两电极反应变为2FeO42-+6e-+16H+2Fe3+8H2O、3Zn-6e-3Zn2+,相加即得电池反应式。2.非水溶液中的电极反应式书写步骤与水溶液中类似,只是步骤4中改用题中所给阴、阳离子配平电荷。【例7】某汽车尾气分析仪以燃料电池为工作原理测定CO的浓度,其装置如图所示,该电池中电解质为氧化钇氧化钠,其中O2-可以在固体介质NAMCON中自由移动。(1)其电极反应式:负极CO-2e-+O2-CO2;正极O2+4e-2O2-;电池反应式为2CO+O2CO2。(2)如果把上述电池中的电解质“氧化钇氧化

23、钠,其中O2-可以在固体介质NAMCON中自由移动”改为熔融的K2CO3,则电极反应式:负极CO-2e-+CO32-2CO2;正极O2+4e-+2CO22CO32-;电池反应式为2CO+O2CO2。解析:(1)判断正负极,依据化合价升降可知燃料CO在负极发生失电子的氧化反应,空气中的O2在正极发生得电子的还原反应。步骤1,负极:CO-2e-、正极:O2+4e-;步骤2,负极:CO-2e-CO2、正极:O2+4e-;步骤3,配平除“O”元素之外的其他元素:负极:CO-2e-CO2、正极:O2+4e-;步骤4,用“O2-”配平电荷:负极:CO-2e-+O2-CO2、正极:O2+4e-2O2-;检查

24、;电池反应:依据得失电子守恒:负极×2+正极即得电池反应式。(2)中的反应式注意用“CO32-”配平电荷。3.分析实验现象、判断电极方程式正误分析电极及电极区的pH及实验现象时,要从电极反应式入手;分析电解质溶液中的pH及实验现象时,要从电池反应式入手。【例8】某新型铝空气燃料电池,以铝合金为负极,在正极通入空气,若以NaCl溶液或NaOH溶液为电解质溶液。下列说法正确的是( C )A.若以NaCl溶液为电解质溶液,电池正极反应为:O2+4H+4e-2H2OB.若以NaCl溶液为电解质溶液,铝合金附近的pH增大C.若以NaOH溶液为电解质溶液,电池负极反应为:Al+4OH-3e-Al

25、O2-+2H2OD.若以NaOH溶液为电解质溶液,电池在工作过程中电解质溶液的pH保持不变A选项不是酸性溶液,所以反应式等号前不能出现H+,正确的为O2+2H2O+4e-4OH-;B选项负极电极反应式为Al-3e-Al3+,Al3+水解显酸性,所以pH减小,错误;C选项是碱性溶液,正确;D选项应用电池反应判断,依据得失电子守恒,正极反应式O2+2H2O+4e-4OH-乘以3再加负极反应式Al+4OH-3e-AlO2-+2H2O乘以4得:4Al+3O2+4OH-4AlO2-+2H2O,OH-被消耗,溶液pH降低,D错误。【随堂练习4】分别写出甲烷燃料电池在下列环境下的电极反应式：(1)已知酸性条

26、件下燃料电池总反应式：CH42O2=CO22H2O；燃料电池正极反应式：O24H4e=2H2O；则燃料电池的负极反应式为_。(2)已知碱性条件下燃料电池总反应式：CH42O22OH=CO3H2O；燃料电池正极反应式：O22H2O4e=4OH；则燃料电池的负极反应式为_。(3)在固体电解质(高温下能传导O2)中燃料电池总反应式：CH42O2=CO22H2O；燃料电池正极反应式：O24e=2O2；则燃料电池的负极反应式为_。(4)在熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下燃料电池总反应式：CH42O2=CO22H2O；燃料电池正极反应式：O22CO24e=2CO；则燃料电池的负极反应式为_。解析：本题

27、考查在不同环境下燃料电池电极反应式的书写方法。(1)由×2即可得该条件下的负极反应式；(2)由×2即可得出该条件下的负极反应式；(3)由×2即为该条件下的负极反应式；(4)由×2即为所求的负极反应式。答案：(1)CH48e2H2O=CO28H(2)CH410OH8e=CO7H2O(3)CH44O28e=CO22H2O(4)CH44CO8e=5CO22H2O课后练习1.下列说法正确的是（ ） A.原电池是把电能转化为化学能的装置 B.原电池中电子流出的一极是正极，发生氧化反应 C.原电池两极均发生氧化还原反应 D.原电池内部的阳离子向正极移动2.把a、b、c、d四块金属片浸泡在稀硫酸中，用导线两两连接，可组成若干原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，电流由d经导线流向c；a、c相连时，c极上产生大量气泡；b、d相连时，d极发生氧化反应。四种金属的活动性由强到弱的顺序是（ ） A.a>b>c>d B.a>c>d>b C.c>a>b>d D.b>d>c>a3.如图所示的原电池装置，X、Y为两电极，电解质溶液为稀硫酸，对此装置的下列说法正确的是（ ） A外电路中的电流方向为：X外电路Y B若两个电极分别为Zn和碳棒，则X为碳棒，Y为Zn C若两