第6章 第3讲 化学能转化为电能―电池化学电源

一、原电池1．(2011年泉州模拟)如图所示的装置能够组成原电池产生电流的是________解析：依据构成原电池的三个条件分析：A中两电极相同；C中Zn应放入ZnSO4溶液，Cu应放入CuSO4溶液才可；D中没有构成闭合回路；E中酒精是非电解质；只有B符合条件。答案：B基础回归1．概念把________转化为_____的装置。2．构成条件(1)能自发地发生_________反应。(2)电解质溶液(构成电路或参加反应)。(3)由还原剂和导体构成____极系统，由氧化剂和导体构成____极系统。①两个的电极．②将电极插入中(4)形成_________(两电极接触或用导线连接)。化学能电能氧化还原负正闭合回路活泼性不同电解质溶液在如图所示的锌铜原电池中：Zn为____极，Cu为________极；负极上发生________反应，电极反应式为________________，正极上发生________反应，电极反应式为________________；电子流出的极是________极，电子流入的极是________极；电流方向______________________。盐桥中的盐溶液是____________溶液，其作用为________________________。盐桥中的________会移向ZnSO4溶液，________移向CuSO4溶液，使ZnSO4溶液和CuSO4溶液均保持电中性。该原电池工作一段时间后，两电极的质量___________________________________________。原电池的工作原理负正氧化Zn－2e－→Zn2＋Cu2＋＋2e－→Cu沿导线从Cu极流向Zn极饱和KCl还原Cl－K＋Zn极减小，Cu极增加提供定向移动的阴、阳离子负正1．原电池的工作原理[特别提醒]分析原电池时从负极发生氧化反应，正极发生还原反应入手。电池反应：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu。外电路：电子从负极流向正极，电流从正极流向负极。内电路：阴离子移向负极，阳离子移向正极。外电路、内电路共同形成闭合电路，形成电流，从而使化学能转化为电能。二、化学电源1．一次电池——碱性锌锰干电池负极材料：电极反应：正极材料：电极反应：ZnZn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2MnO22MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)22．二次电池(可充电电池)铅蓄电池是常见的二次电池，负极材料是，正极材料是.(1)放电时的反应①负极反应：②正极反应：③电池总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O(2)充电时的反应①阴极反应：②阳极反应：③电池总反应：2PbSO4＋2H2O=====通电Pb＋PbO2＋2H2SO4PbPbO2Pb＋SO2－4－2e－===PbSO4PbO2＋4H＋＋SO2－4＋2e－===PbSO4＋2H2OPbSO4＋2e－===Pb＋SO2－4PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO2－4思考感悟可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极如何连接？【提示】可逆电池充电时的电极接法为：3．燃料电池(1)氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池(2)燃料电池的电极本身活性物质，燃料和氧化剂连续地由供给。(3)充电电池是指既能将化学能转变成电能(即放电)又能将电能转变成化学能(充电)的一类特殊电池。充放电的反应不能理解为可逆反应(充、放电反应条件不同)。不包含外部2．原电池的正负极的判断问题：讨论原电池正、负极的判断方法有哪些？(1)由组成原电池的两极电极材料判断。由两种金属(或一种金属与一种非金属)作电极时，一般情况下较活泼的金属为负极，较不活泼的金属或能导电的非金属为正极。(2)根据电流方向或电子流动方向判断。电流由正极流向负极；电子由负极流向正极。(3)根据原电池中电解质溶液内离子的定向移动判断。在原电池的电解质溶液内，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。(4)根据原电池两极发生的反应来判断。原电池的负极总是失电子发生氧化反应，其正极总是得电子发生还原反应(不一定是电极本身得失电子，特别是正极)。(5)根据现象判断。溶解的一极为负极，增重或有气泡生成的一极为正极。(6)根据电池总反应判断，反应中的还原剂是负极的活性物质，对应的电极为负极；氧化剂则是正极的活性物质，对应的电极为正极。注意：判断电极时，不能简单地依据金属的活动性顺序来判断，要看反应的具体情况，例如：a.Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子，Al作负极，Mg作正极；b.Fe、Al在浓HNO3中钝化后，比Cu等金属更难失电子，Cu等金属作负极，Fe、Al作正极。考点二建模思想——电极反应式的书写1．一般电极反应式的书写列物质标得失——判断出电极反应产物，找出得失电子的数量看环境配守恒电极产物在电解质溶液的环境中，应能稳定存在，如碱性介质中生成的H＋应让其结合OH－生成水。电极反应式要根据电荷守恒、质量守恒、电子守恒等加以配平——两式加验总式——两电极反应式相加，与总反应式对照验证2．复杂电极反应式的书写复杂电极反应式＝总反应式－如CH4酸性燃料电池中，负极反应式为：CH4＋2O2===CO2＋2H2O……总反应式－(2O2＋8H＋＋8e－―→4H2O)……正极反应式CH4＋2H2O―→CO2＋8H＋＋8e－……负极反应式较简单一极的电极反应式注意：①注意电解质溶液的酸碱性：酸性条件用H＋或H2O配平；碱性条件用OH－或H2O配平。②除考虑反应前后有电子转移的元素的原子得失电子情况外，还必须考虑这些元素形成微粒在溶液中的主要存在形式。③同时写出正、负极电极反应式时，要调整得失电子数相等。三、金属的腐蚀与防护3．如图所示，各烧杯中盛有海水，铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为________。答案：⑤④②①③⑥1．金属腐蚀的类型化学腐蚀与电化学腐蚀2.析氢腐蚀与吸氧腐蚀(以Fe为例)的比较3.金属腐蚀的一般规律(1)电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防护措施的腐蚀。(2)对同一种金属来说，腐蚀的快慢：强电解质溶液＞弱电解质溶液＞非电解质溶液。(3)活泼性不同的两金属，活泼性差别越大，腐蚀越快。(4)对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快。(5)O2浓度越大，腐蚀越快。4．金属的防护(1)利用原电池原理——保护法。在被保护的钢铁设备上装上若干较活泼金属如，让被保护的金属作原电池的，例如在船舶的外壳装上锌块。(2)利用电解池原理——保护法。用被保护的钢铁设备作，惰性电极作，外接直流电源。5．其他方法改变金属内部结构，如；加涂防护层如、、等方法。牺牲阳极的阴极锌正极外加电源的阴极阴极阳极不锈钢电镀喷漆涂油脂考点三原电池原理的应用1．加快氧化还原反应的速率一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率增大。例如，在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。2．比较金属活动性强弱两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。例如，有两种金属a、b，用导线连接后插入到稀H2SO4中，观察到a溶解，b极上有气泡产生，则金属a作负极，比金属b活泼。3．用于金属的防护使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。例如，要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。4．设计电池，制造化学电源理论上能自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池。(1)将氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个半反应，分别作原电池的负极和正极。(2)确定电极材料如发生氧化反应的物质为金属单质，可用该金属直接作负极；如为气体(如H2)或溶液中的还原性离子，可用惰性电极(如Pt、碳棒)作负极。发生还原反应的电极材料必须不如负极材料活泼。(3)确定电解质溶液一般选用反应物中的电解质溶液即可。(4)构成闭合回路。如根据以下两个反应设计的原电池如下表所示：原理负极正极电解质溶液电极反应2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2CuC(Fe3＋)FeCl3负极：Cu→Cu2＋＋2e－正极：2Fe3＋＋2e－→2Fe2＋2H2＋O22H2OPt(H2)Pt(O2)KOH负极：2H2＋4OH－→4H2O＋4e－正极：O2＋2H2O＋4e－→4OH－碱性溶液5.探究金属腐蚀的快慢规律(1)不同类型的腐蚀规律电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防护措施的腐蚀(2)电化学腐蚀规律①对同一种金属来说，腐蚀的快慢：强电解质溶液＞弱电解质溶液＞非电解质溶液。②活动性不同的两金属：活动性差别越大，活泼金属腐蚀越快。③对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快，且氧化剂的浓度越高，腐蚀越快。④对于不同氧化剂来说，氧化性越强，金属腐蚀越快。例3部分铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式：________。(2)若将(1)中的反应设计成原电池，请画出原电池的装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。正极反应：____________；负极反应：____________。解析(1)该反应是FeCl3氧化金属铜，离子方程式为：2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋。(2)将(1)中反应设计成原电池必须是Cu作负极，选择比铜不活泼的金属或碳棒作正极，FeCl3溶液作电解质溶液。正极反应：2Fe3＋＋2e－―→2Fe2＋；负极反应：Cu―→Cu2＋＋2e－。答案(1)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋(2)如图所示；正极反应：Fe3＋＋e－―→Fe2＋(或2Fe3＋＋2e－―→2Fe2＋)；负极反应：Cu―→Cu2＋＋2e－。规律方法原电池的设计关键是负极材料和电解质溶液的成分，一般来说，在总反应中失电子的物质作负极或某物质在负极上失电子发生氧化反应，溶液的某离子或物质在正极上得电子，发生还原反应。即时巩固3根据下列氧化还原反应设计一个原电池：2FeCl3＋Fe===3FeCl2。要求：(1)画出此原电池的装置图，装置可采用烧杯。(2)注明原电池的正、负极和外电路中电子的流向。(3)写出两个电极上发生的电极反应。解析根据原电池的构成条件——发生还原反应的物质作正极(或在正极上发生还原反应)，发生氧化反应的物质作负极(或在负极上发生氧化反应)。在上述反应里，固体铁中铁元素的化合价升高，发生氧化反应，应作原电池的负极；FeCl3中铁元素的化合价降低，发生还原反应，但因FeCl3易溶于水，不能直接作电极，所以要选用一种活动性比铁弱且与FeCl3溶液不反应的固体作辅助电极，这里可以采用石墨棒等。答案(1)装置图如下：(2)电池的正、负极及外电路中电子的流向如图所示。(3)负极(Fe)：Fe―→Fe2＋＋2e－；正极(C)：2Fe3＋＋2e－―→2Fe2＋。高考集训题组一原电池正、负极的判断与电极反应式的书写1．(2010·广东理综，23改编)铜锌原电池(如图)工作时，下列叙述正确的是()A．正极反应为：Zn―→Zn2＋＋2e－B．电池反应为：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋CuC．在外电路中，电子从正极流向负极D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液解析本题考查原电池。电池的正极得电子，A选项错误；结合该电池的装置图可知，该过程中涉及的氧化还原反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，B选项正确；外电路中，电子从负极流向正极，C选项错误；在烧杯中由Zn失去电子形成Zn2＋，使得该烧杯中正电荷的离子增加，为维持电中性，K＋应该通过盐桥流向CuSO4所在的右烧杯，D选项错误。答案B2．(2009·浙江理综，12)市场上经常见到的标记为Li－ion的电池称为“锂离子电池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体)，电解质为一种能传导Li＋的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应式为：Li＋2Li0.35NiO2放电充电2Li0.85NiO2下列说法不正确的是