2012步步高一轮江苏专用苏教版化学课件：专题6 第2讲 原电池工作原理 化学电源

第2讲原电池工作原理化学电源基础盘点一、原电池1．定义原电池是把转化为的装置。化学能电能2．原电池的构成条件(1)两个的电极(或)。(2)将电极插入中。(3)用导线连接电极(或直接接触)。(4)能自发进行反应。活动性不同两种金属一种金属和一种可以导电的非金属电解质溶液形成闭合回路氧化还原3．工作原理(以锌—铜原电池为例，如图所示)电极名称负极正极电极材料电极反应反应类型氧化反应还原反应电子流向由沿导线流向负极正极ZnCuZn－2e－===Zn2＋Cu2＋＋2e－===Cu二、几种常见的化学电源电池负极反应正极反应总反应式一次电池(锌锰干电池)酸性锌锰干电池________________________________________碱性锌锰干电池__________________________2MnO2＋2H2O＋2e－==2MnOOH＋2OH－____________________________________2MnOOH＋Zn-2e－==Zn2＋2NH＋2e－==2NH3↑＋H2↑Zn＋2OH－-2e-==Zn(OH)2Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2二次电池(铅蓄电池)————————————————___________________________________________________燃料电池(氢氧燃料电池)酸性氢氧燃料电池2H2→4H＋＋4e－O2＋4e－＋4H＋→2H2O2H2＋O2===2H2O碱性氢氧燃料电池2H2＋4OH→4H2O＋4e－O2＋4e－＋2H2O→4OH－2H2＋O2===2H2OPb(s)-2e-+PbSO4(s)PbO2(s)＋2e－＋4H＋(aq)＋==PbSO4(s)＋2H2O(l)Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)==2PbSO4(s)＋2H2O(l)SO2－4(aq)==SO2－4(aq)注意①铅蓄电池在充电时，负极接外加电源的负极，作阴极，发生还原反应，电极反应式为：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO2－4(aq)；正极接外加电源的正极，作阳极，发生氧化反应，电极反应式为：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO2－4(aq)②燃料电池和普通电池不同，必须使用辅助电极，电极本身不参与反应，所采用的燃料一般为H2、CH4、CH3OH等，助燃剂一般为O2(或空气)。③化学电源优劣的判断标准：单位质量或单位体积所能输出电能的多少，或输出功率的大小，电池的使用寿命的长短，以及对环境污染程度的大小。(－)Zn|CuSO4|Cu(＋)原电池工作原理如下所示：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。考点精讲考点一原电池的工作原理及正负极的判断1．原电池的工作原理内电路：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。2．原电池的正负极的判断讨论原电池正、负极的判断方法有：(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。例1(2009·福建理综，11)控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2＋＋I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是()A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3＋被还原C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态D．电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极解析由图示结合原电池原理分析可知，Fe3＋得电子变成Fe2＋被还原，I－失去电子变成I2被氧化，所以A、B正确；电流计读数为零时Fe3＋得电子速率等于Fe2＋失电子速率，反应达到平衡状态；D项在甲中溶入FeCl2固体，平衡2Fe3＋＋2I－2＋＋I2向左移动，I2被还原为I－，乙中石墨为正极，D不正确。答案D规律方法判断正、负极的基础是氧化还原反应，发生氧化反应的一极为负极，发生还原反应的一极为正极。即时巩固1将镁条、铝条平行插入盛有一定浓度NaOH溶液的烧杯中，用导线和电流表连接成原电池，装置如图所示。此电池工作时，下列叙述正确的是()A.Mg比Al活泼，Mg失去电子被氧化成Mg2＋B．铝条表面虽有氧化膜，但可不必处理C．该电池的内外电路中，电流均是由电子定向移动形成的D．Al是电池负极，工作一段时间后溶液中会有白色沉淀析出答案BD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看环境配守恒两式加验总式判断出电极反应产物,找出得失电子的数量两电极反应式相加,与总反应式对照验证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。2．复杂电极反应式的书写复杂电极反应式＝总反应式-较简单一极的电极的电极反应式如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－8e－===CO2＋8H＋……负极反应式注意：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。例2(2008·宁夏理综，10)一种燃料电池中发生的化学反应为：在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。该电池负极发生的反应是()A．CH3OH(g)＋O2(g)－2e－===H2O(l)＋CO2(g)＋2H＋(aq)B．O2(g)＋4H＋(aq)＋4e－===2H2O(l)C．CH3OH(g)＋H2O(l)－6e－===CO2(g)＋6H＋(aq)D．O2(g)＋2H2O(l)＋4e－===4OH－解析该燃料电池的总反应为：2CH3OH(g)＋3O2(g)===4H2O(l)＋2CO2(g)，由于在酸性溶液中正极反应应为：O2(g)＋4H＋(aq)＋4e－===2H2O(l)，两式相减，负极反应为：CH3OH(g)＋H2O(l)===CO2(g)＋6H＋(aq)＋6e－。答案C规律方法有关电化学部分的电极反应式及电池反应式的书写与离子方程式的书写有很大关系，若后者掌握的不牢固，前者的书写将会遇到较大的困难，更易造成失误。即时巩固2(2008·北京理综，5)据报道，我国拥有完全自主产权的氢氧燃料电池车已在北京奥运会期间为运动员提供服务。某种氢氧燃料电池的电解液为KOH溶液，下列有关该电池的叙述不正确的是()A．正极反应式为：O2＋2H2O＋4e－===4OH－B．工作一段时间后，电解液中KOH的物质的量不变C．该燃料电池的总反应方程式为：2H2＋O2===2H2OD．用该电池电解CuCl2溶液，产生2.24LCl2(标准状况)时，有0.1mol电子转移解析燃料电池的负极通入的是燃料H2，发生氧化反应，正极通入O2发生还原反应，因为电解质溶液为碱性，所以电极与电池反应为负极：2H2－4e－＋4OH－===4H2O正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－电池反应：2H2＋O2===2H2O，A、C正确，由电池反应可以看出反应中只有水生成，所以KOH的物质的量未变化，但浓度变小，B正确；当电解CuCl2时，阳极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑，当生成标准状况下2.24LCl2(即0.1mol)时，转移的电子数为0.2mol，D项错误。答案D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－2e－===Cu2＋正极：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋2H2＋O2=======碱性溶液2H2OPt(H2)Pt(O2)KOH负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－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，活动金属腐蚀越快。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－2e－===Cu2＋。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－2e－===Cu2＋。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