原电池电解原理及其应用

原电池电解原理及其应用1第一页，共46页。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.负Zn－2e-=Zn2+氧化正2H++2e-=H2↑还原负Zn－2e-=Zn2+氧化正Cu2++2e-=Cu还原一、原电池2第二页，共46页。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-=CuZn-2e-=Zn2+Zn+Cu2+=Zn2++CuZn+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、原电池原理外电路内电路3第三页，共46页。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第四页，共46页。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：①根据电极材料②根据原电池电极发生的反应③根据电极增重还是减重④根据电极有气泡冒出：——负极——正极5第五页，共46页。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，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第六页，共46页。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第七页，共46页。实验：（选修4书76页实验4-1）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第八页，共46页。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第九页，共46页。三、化学电源［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第十页，共46页。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:①一次电池又称不可充电电池——如：干电池②二次电池又称充电电池——蓄电池③燃料电池3)优点:4)电池优劣的判断标准:①能量转换效率高，供能稳定可靠。②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。③易维护，可在各种环境下工作。①比能量［符号(A·h/kg)，(A·h/L)］指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少②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③电池的储存时间的长短11第十一页，共46页。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：PbH2SO4溶液负极（Pb）:

Pb-2e-+SO42

-=PbSO4Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

正极（PbO2）:PbO2+4H++SO42

-+2e-=PbSO4+2H2O总反应：(放电时)转移1mole-消耗多少molH2SO412第十二页，共46页。2PbSO4(s)+2H2O(l)Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)①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13第十三页，共46页。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……14第十四页，共46页。正确答案是（C）。(四)原电池原理应用：Zn-2e-=Zn2+阴极(精铜)：Cu2++2e-=Cu↓，阳极:4OH--4e-=2H2O+O2↑稍加分析后则不难看出，将等物质的量的Ag+、Pb2+、Na+、、、Cl－放入水中，Ag+与Cl－要生成不溶性的AgCl，Pb2+与要生成微溶性的PbSO4，最终得到的是NaNO3溶液，2H2-4e-+2O2－=2H2O阳极2Cl—-2e-=Cl2↑2C4H10+13O2=8CO2+10H2O活性电极不参与电极反应，发生反应的是溶液中的阳离子。①能量转换效率高，供能稳定可靠。第四十四页，共46页。2)将KCl或NH4NO3的饱和溶液装入U形管，用棉花都住管口即可。电解后，溶液中存在的金属阳离子除了Fe2+和盐桥制法：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。（已知：氧化性Fe2+＜Ni2+＜Cu2+）大有发展前景的燃料电池

燃料电池是利用氢气、天然气、甲醇等燃料与氧气或空气进行电化学反应时释放出来的化学能直接转化成电能的一类原电池。目前燃料电池的能量转化率可达近80%，约为火力发电的2倍。这是因为火力发电中放出的废热太多。燃料电池的噪声及硫氧化物、氮氧化物等废气污染都接近零；燃料电池发明于19世纪30年代末，经反复试验、改进，到20世纪60年代才开始进入实用阶段。第一代燃料电池的

大致情况如下：

(三)燃料电池15第十五页，共46页。氢氧燃料电池工作原理介质电池反应：2H2+Ｏ２=2H2O

酸性负极正极中性负极

正极碱性负极正极2H2-4e-=4H+

O2+4H+

+4e-=4H2O2H2-4e-=4H+

O2+2H2O+4e-=4OH-2H2+4OH--4e-=4H2OO2+2H2O+4e-=4OH-16第十六页，共46页。固体氢氧燃料电池固体电解质介质电池反应：2H2+Ｏ２=2H2O

负极正极负极

正极2H2-4e-+2O2－=2H2O

O2+4e-=2O2－

2H2-4e-=4H+

O2+4H+

+4e-=2H2O17第十七页，共46页。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-+

7H2OCH4+2O2+2KOH=K2CO3

+

3H2O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？18第十八页，共46页。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-+

24H2O2C2H6+7O2+8KOH=4K2CO3

+

10H2O3O2+6H2O+12e-=12OH-2CH3OH+16OH--12e-=2CO32-+

12H2O2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3

+

6H2O19第十九页，共46页。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+

10H2O2C4H10+13O2=8CO2

+

10H2O20第二十页，共46页。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21第二十一页，共46页。(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气放出；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：22第二十二页，共46页。(2)比较金属腐蚀的快慢例2：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：23第二十三页，共46页。例3：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)24第二十四页，共46页。例4：铝——空气燃料电池（海水）：负极：正极：电池总反应：3O2+12e-

+6H2O=12OH-4Al-12e-=4Al3+4Al+3O2+6H2O

=4Al(OH)3(3)原电池设计：25第二十五页，共46页。例5：原电池设计：1、用Zn、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HNO34、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26第二十六页，共46页。CuCl2溶液阴离子移向阳极阴极氧化反应还原反应电子流向阳离子移向e-e-Cu2++2e-=2Cu↓2Cl--2e-=Cl2↑电解池1.电解原理

电解:CuCl2Cu+Cl2↑电解27第二十七页，共46页。2.离子放电顺序（要记住）阴离子失去电子而阳离子得到电子的过程叫放电。

①活性材料作电极时：金属在阳极失电子被氧化成阳离子进人溶液，阴离子不放电。②用惰性电极(Pt、Au、石墨、钛等)时：溶液中阴离子的放电顺序（由难到易）是：金属材料>S

2->SO32->I

->Br

->Cl

->OH

->NO3->SO42-(等含氧酸根离子）>F-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：Ag+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>(H+)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca+>K+28第二十八页，共46页。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”。29第二十九页，共46页。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--2e-=Cl2↑阴极：Cu2++2e-=2Cu↓

CuCl2Cu+Cl2↑电解减小增大CuCl2CuCl2溶液30第三十页，共46页。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H2ONa2SO4溶液2H2O2H2↑+O2↑电解31第三十一页，共46页。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-=Cl2↑阴极:2H++2e-=H2↑2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑

+Cl2↑电解减小增大

加HClNaCl溶液32第三十二页，共46页。实例电极反应浓度PH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CuOCuSO4溶液33第三十三页，共46页。高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn+2K2FeO4+8H2O3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH下列叙述不正确的是（）

A．放电时负极反应为：Zn—2e—+2OH—=Zn(OH)2B．充电时阳极反应为：

Fe(OH)3—3e—+5OH—=FeO42—+4H2OC．放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4

被氧化

D．放电时正极附近溶液的碱性增强放电

[例题1]充电C34第三十四页，共46页。放电时为原电池，负极发生氧化反应，充电时为电解池，阳极发生还原反应。结合电极总反应式可判断A、B正确；

放电时每转移3mol电子，正极应该有1molK2FeO4被还原（Fe的价态由+6降为+3）放电时由于正极生成KOH所以碱性增强。选（C）解析：35第三十五页，共46页。例2、金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是（）（已知：氧化性Fe2+＜Ni2+＜Cu2+）A．阳极发生还原反应，其电极反应式：

Ni2++2e—=NiB．电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加相等C．电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2+

和

Zn2+D．电解后，电解槽底部的阳极泥中只有Cu和PtD36第三十六页，共46页。解析：电解池阳极发生氧化反应，所以阳极反应为Ni—2e—=Ni2+；电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加不相等，因为粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质，当阳极溶解Fe而阴极析出Ni时，阳极质量的减少与阴极质量的增加就不相等；电解后，溶液中存在的金属阳离子除了Fe2+

和

Zn2+还可能存在Ni2+；电解后，电解槽底部的阳极泥中不可能存在Fe、

Zn，因为Fe、Zn比Ni活泼，所以只存在Cu和Pt。（Fe、Zn、Cu、Pt已知：氧化性Fe2+＜Ni2+＜Cu2+）37第三十七页，共46页。、例题3、C向水中加入等物质的量的Ag+、Pb2+、Na+、Cl－，

SO42-、NO3-将该溶液倒入惰性材料作电极的电解槽中，通电片刻。氧化产物与还原产物的质量比为（）（A）35.5：108（B）16：207

（C）8：1 （D）108：35.538第三十八页，共46页。、易误认为Ag+在阴极上放电析出Ag，Cl－在阳极上放电析出Cl2，从而误选（A）。稍加分析后则不难看出，将等物质的量的Ag+、Pb2+、Na+、、、Cl－放入水中，Ag+与Cl－要生成不溶性的AgCl，Pb2+与要生成微溶性的PbSO4，最终得到的是NaNO3溶液，用惰性电极电解此溶液的产物是H2和O2。正确答案是（C）。解析：39第三十九页，共46页。

例题4、用石墨作电极电解AlCl3溶液时,图示的电解液变化曲线合理的是:pH7ApH7B时间时间沉淀量C沉淀量D时间时间AD40第四十页，共46页。电解规律（惰性电极）小结

阳极：S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根>F-

ⅠⅡⅢⅣⅠ+Ⅲ区：电解本身型如CuCl2Ⅰ+Ⅳ区：放氢生碱型如NaClⅡ+Ⅲ区：放氧生酸型如CuSO4、AgNO3Ⅱ+Ⅳ区：电解水型如Na2SO4、H2SO4

、NaOH阴极：Ag+>Fe3+>Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+>H+>Al3+>Mg2+>Na+41第四十一页，共46页。电解类型举例