原電池原理及電極方程式的書寫

1、. 原電池的原理及書寫技巧原電池的原理及書寫技巧 .考綱點擊了解原電池的工作原理,能寫出電極反應和總方程式了解常見的化學電源的種類及其工作原理了解金屬發(fā)生電化學腐蝕的原因及防護措施綜合運用及分析.一、原電池的原理1.定義:原電池是把_轉化為_的裝置.原電原電池反應的本質是池反應的本質是_化學能電能2.構成條件:(1) 具有兩個活潑性不同的電極(2) 具有電解質溶液(3) 形成閉合的電路如右圖,形成閉合電路的有_,沒有形成閉合電路的有_.分析:圖1雖然具有兩個活潑性不同的電極,但是兩金屬沒有接觸或用導線連接,圖2應添加鹽橋,圖6沒有兩個活潑性不同的電極,因此都沒有形成閉合電路發(fā)生氧化還原反應.3

2、.原電池的兩級原電池的兩級負極:活潑性_的金屬,發(fā)生反應的物質是_,發(fā)生_的反應,生成物是_.較強還原劑失去電子氧化產物正極:活潑性_的金屬,發(fā)生反應的物質是_,發(fā)生_的反應,生成物是_.較弱氧化劑得到電子還原產物指出下圖的正負極:負極:Zn 正極:Fe負極:Zn 正極:稀硫酸負極:Fe 正極:Cu不形成原電池負極:Zn 正極:Zn2+不形成原電池.2.電極：電極：1.電路：電路：外電路外電路內電路內電路電子流向：失電子的一極向得電子的電子流向：失電子的一極向得電子的一極一極陽離子流動方向與電流方向一致陽離子流動方向與電流方向一致正極：電子流入的一極正極：電子流入的一極負極：電子流出的一極負極

3、：電子流出的一極陰離子流動方向與電子流動方向一致陰離子流動方向與電子流動方向一致電流方向：與電子流動方向相反電流方向：與電子流動方向相反. 銅鋅原電池銅鋅原電池負極負極正極正極 內電路內電路氧化反應氧化反應還原劑還原劑還原反應還原反應氧化劑氧化劑外電路外電路陽離子陽離子失失e，沿導線傳遞，有電流產生，沿導線傳遞，有電流產生電解質電解質溶液溶液陰離子陰離子陽離子陽離子.三、 關于原電池結構的探究 我們在必修我們在必修2中學習過的將鋅片和銅片中學習過的將鋅片和銅片 置于稀硫酸的原電池，如果用它做電源，置于稀硫酸的原電池，如果用它做電源，不但效率低，而且時間稍長電流就很快減不但效率低，而且時間稍長電

4、流就很快減弱，因此不適合實際應用弱，因此不適合實際應用。 有沒有什么改進措施？有沒有什么改進措施？將兩電極分開放置不同的區(qū)域將兩電極分開放置不同的區(qū)域,再添加鹽橋以代替原再添加鹽橋以代替原來的兩種溶液的直接接觸來的兩種溶液的直接接觸鹽橋制法：鹽橋制法：1)將熱的瓊膠溶液倒入將熱的瓊膠溶液倒入U形管中形管中(注意不要產注意不要產生裂隙生裂隙)，將冷卻后的，將冷卻后的U形管浸泡在形管浸泡在KCl或或NH4NO3的飽和的飽和溶液中即可。溶液中即可。2)將將KCl或或NH4NO3的飽和溶液裝入的飽和溶液裝入U形管，形管，用棉花都住管口即可。用棉花都住管口即可。.此電池的優(yōu)點：此電池的優(yōu)點： 能產生持續(xù)

5、、穩(wěn)能產生持續(xù)、穩(wěn)定的電流。定的電流。.CuFeH2SO4CuZnH2SO4CuFeNaCl溶溶液液CuFeNaCl溶液溶液CuZn酒酒精精CuZnH2SO4H2SO4ABCDEFMnZnZ4OS2HNnZCu4OS2CuuC4OS2HOVXVVXXXXV1.1.下列哪幾個裝置能形成原電池？下列哪幾個裝置能形成原電池？.1. 1.某金屬能跟稀鹽酸作用發(fā)出氫氣，該金屬與鋅組成某金屬能跟稀鹽酸作用發(fā)出氫氣，該金屬與鋅組成原電池時，鋅為負極，此金屬是原電池時，鋅為負極，此金屬是( )( )A.Mg B.Fe C.Al D.CuA.Mg B.Fe C.Al D.Cu2.2.由銅鋅和稀硫酸組成的原電池工

6、作時，電解由銅鋅和稀硫酸組成的原電池工作時，電解質溶液的質溶液的 pH( )pH( )A.A.不變不變 B B. .先變大后變小先變大后變小 C C. .逐漸變大逐漸變大 D.D.逐漸變小逐漸變小C.3.把把a、b、c、d四塊金屬片浸入稀硫酸中，用導四塊金屬片浸入稀硫酸中，用導線兩兩相連組成原電池。若線兩兩相連組成原電池。若a、b相連時，相連時，a為負極為負極；c、d相連時，電流由相連時，電流由d到到c；a、c相連時，相連時，c極上極上產生大量氣泡，產生大量氣泡，b、d相連時，相連時，b上有大量氣泡產上有大量氣泡產生，則四種金屬的活動性順序由強到弱的為生，則四種金屬的活動性順序由強到弱的為 (

7、 )Aa b c d Ba c d b Cc a b . d Db d c a B.4、如圖所示，在鐵圈和銀圈的焊接處，用一根棉線、如圖所示，在鐵圈和銀圈的焊接處，用一根棉線將其懸在盛水的燒杯中，使之平衡；小心的向燒杯將其懸在盛水的燒杯中，使之平衡；小心的向燒杯中央滴入中央滴入CuSO4溶液，片刻后可觀察到的現(xiàn)象是溶液，片刻后可觀察到的現(xiàn)象是( ) D A. 鐵圈和銀圈左右搖擺不定鐵圈和銀圈左右搖擺不定B. 保持平衡狀態(tài)保持平衡狀態(tài)C. 鐵圈向下傾斜，銀圈向上傾斜鐵圈向下傾斜，銀圈向上傾斜D. 銀圈向下傾斜，鐵圈向上傾斜銀圈向下傾斜，鐵圈向上傾斜.二、原電池模型1.最簡單的原電池銅鋅原電池結構

8、如圖所示電極總反應為: Zn+H2SO4 =ZnSO4 +H2用氧化還原反應的雙線橋對此反應的離子方程式進行分析：0 +1 +2 0Zn + 2H+ = Zn2+ + H2 化合價升高，失2e,被氧化，作還原劑化合價降低，得2e , 被還原，作氧化劑負極反應分析:負極發(fā)生失去電子的反應,活潑電極失電子,發(fā)生反應的是還原劑,生成物是氧化產物則有Zn 2e = Zn2+ 正極反應分析:正極發(fā)生得到電子的反應,作氧化劑,這個反應中,得到電子的應該是H+則正極反應方程式應該為:2H+ + 2e- =H2現(xiàn)象:鋅片逐漸溶解,銅片不消耗,但有氣泡在銅片上產生.書寫這個原電池的兩極反應方程式和總方程式:負極

9、:_;正極:_;總反應:_;Zn-2e-=Zn2+Cu2+ + 2e- = CuZn +Cu2+ =Zn2+ +Cu.兩級金屬分別為Mg和Al,電解質為NaOH溶液,請寫出它的兩極反應方程式和總反應方程式:負極:_;正極:_;總反應:_;請討論將電解質換成鹽酸溶液時,該原電池又會怎么反應?2Al - 6e- + 8OH- = 2AlO2- + 4H2O2Al + 2OH- + 2H2O = 2AlO2- + 3H26H2O + 6e- = 3H2 + 6OH-. 與其電極反應方程式進行比對，可以得出寫原電池電極反應方程式的一個方法氧化還原分析法：在負極發(fā)生反應的物質是還原劑，發(fā)生失電子的反應，

10、生成物是雙線橋終點所指的氧化產物；在正極發(fā)生反應的是氧化劑，發(fā)生得電子的反應，生成物是雙線橋終點所指的還原產物。這一方法在原電池設計和電極反應方程式書寫中有重要地位和作用！如果已知原電池的總反應，可以用這一方法很容易地確定正、負極反應物。.2.普通鋅錳干電池（酸性） 構成：這種負極材料是鋅，正極材料是炭棒。在石墨周圍填充NH4Cl和淀粉糊作電極質、還填有MnO2和炭黑作為去極劑以除去炭棒上的氫氣膜，減小電池的內阻，反應后轉變?yōu)镸n2O3。 對此電池的電極反應可以進行如下分析：負極反應是Zn失去電子變成Zn2+；失去的電子被什么物質得到了呢？由已知條件，某種物質得電子后生成了氫氣，生成的氫氣又被

11、MnO2吸收，考慮到NH4+水解可以產生H+得電子變成氫氣，所以電極反應和總反應分別為：.負極反應：Zn2e-= Zn2+（失電子，電荷平衡）正極反應的過程：2NH4+ + 2H2O NH3 + 2H+（可逆反應）2H+ + 2e- = H2 H2 + 2MnO2 = Mn2O3 + H2O正極總反應為:2NH4+2e-+2 MnO2=2NH3+H2O+Mn2O3（注：NH4+水解本來是可逆反應，但是由于生成物被消耗，所以平衡向正反應方向移動。）.3.堿性鋅錳電池 構成：負極材料是鋅；電解質是KOH;正極材料是MnO2,在反應中變成MnOOH。對此電池進行分析：負極仍然是鋅失去電子，變成Zn2

12、+，但是由于電解質是KOH，產生的Zn2+會與OH反應生成Zn(OH)2，于是可得出如下方程式：負極反應的過程：Zn2e = Zn2+Zn2+ +2OH Zn(OH)2負極總反應： Zn + 2OH2e=Zn(OH)2；. 根據(jù)根據(jù)，正極材料，正極材料MnOMnO2 2在反應中變成在反應中變成MnOOHMnOOH。根據(jù)元素守恒，有兩種可能：。根據(jù)元素守恒，有兩種可能： 考慮到在負極考慮到在負極了了OHOH- -，則在正極反應中，則在正極反應中通常會使通常會使OHOH- -會會，故此判斷應該是，故此判斷應該是這就是這就是在原電池當中的應用。這一反在原電池當中的應用。這一反應的正極反應方程式為：應

13、的正極反應方程式為： .正極反應：正極反應： 2MnO2MnO2 2+2H+2H2 2O+2eO+2e- -=2MnOOH+2OH=2MnOOH+2OH- -總反應式：總反應式： Zn+2MnOZn+2MnO2 2+2H+2H2 2O=2MnOOH+Zn(OH)O=2MnOOH+Zn(OH)2 2. 通過這幾個例子可以發(fā)現(xiàn)這樣一個通過這幾個例子可以發(fā)現(xiàn)這樣一個：如銅鋅原電池、普通鋅錳干電池如銅鋅原電池、普通鋅錳干電池中中ZnZn失去電子以后變成失去電子以后變成ZnZn2+2+；而堿性鋅錳；而堿性鋅錳電池中電池中ZnZn變成變成ZnZn2+2+后還會與電解質溶液中后還會與電解質溶液中的的2OH2

14、OH- -反應生成反應生成Zn(OH)Zn(OH)2 2。 .2 2、充電電池、充電電池鉛蓄電池鉛蓄電池結構：鉛蓄電池有用橡膠或者塑料制結構：鉛蓄電池有用橡膠或者塑料制成的長方型外殼，一個電極板上有一層成的長方型外殼，一個電極板上有一層棕褐色的棕褐色的PbOPbO2 2，另一個電極板是海綿狀，另一個電極板是海綿狀金屬鉛，兩極均浸在密度為金屬鉛，兩極均浸在密度為1.25g/cm31.28g/cm31.25g/cm31.28g/cm3的硫酸溶液中，的硫酸溶液中，且兩極用有微孔的橡膠或塑料隔開。且兩極用有微孔的橡膠或塑料隔開。 對此電池用對此電池用和和進行分析：進行分析：. 1 1、體系中目前有、體

15、系中目前有氧化劑，氧化劑，和和。根據(jù)氧化還原反應的知識可。根據(jù)氧化還原反應的知識可知知PbOPbO2 2的的H H+ +，則根據(jù)氧化，則根據(jù)氧化還原反應的還原反應的可知，是可知，是PbOPbO2 2與與PbPb發(fā)生氧化還原反應。產物為發(fā)生氧化還原反應。產物為+2+2價價的的PbPb（）。）。2、Pb失電子，作負極，失電子后形成失電子，作負極，失電子后形成Pb2+，溶液中存在，溶液中存在SO42-，所以，所以Pb2+會與會與SO42-反應生成反應生成PbSO4。. PbOPbO2 2在酸性溶液中得到電子后化合價變?yōu)樵谒嵝匀芤褐械玫诫娮雍蠡蟽r變?yōu)?2+2價（化合價歸中原理），作正極，在酸價（化合

16、價歸中原理），作正極，在酸性溶液中最后生成性溶液中最后生成H H2 2O O和和PbSOPbSO4 4。于是可得方。于是可得方程式如下：程式如下：.總反應總反應PbPbPbOPbO2 22H2H2 2SOSO4 4 PbSO PbSO4 42H2H2 2O O 放電充電.3、燃料電池：、燃料電池：我們通常可以將燃料電池分為兩我們通?？梢詫⑷剂想姵胤譃閮纱箢?，一類是普通燃料電池，一大類，一類是普通燃料電池，一類是熔融鹽燃料電池。下面我們類是熔融鹽燃料電池。下面我們分別進行討論。分別進行討論。 .（1）普通燃料電池）普通燃料電池氫氧燃料電池氫氧燃料電池氫氧燃料電池是燃料電池的基礎氫氧燃料電池是燃料

17、電池的基礎，根據(jù)電解質溶液性質不同，我們，根據(jù)電解質溶液性質不同，我們可以將氫氧燃料電池分為三類，下可以將氫氧燃料電池分為三類，下面我們將為三類氫氧燃料電池進行面我們將為三類氫氧燃料電池進行一下對比。一下對比。.對此三個反應我們逐一分析對此三個反應我們逐一分析:. 甲烷、空氣、甲烷、空氣、KOHKOH燃料電池燃料電池 通過對氫氧燃料電池研究所得出的結論，通過對氫氧燃料電池研究所得出的結論，可以可以該燃料電池的該燃料電池的。 即即 CH CH4 4 +2O +2O2 2 =CO =CO2 2 +2H +2H2 2O O，由于反應是在堿，由于反應是在堿性電解質溶液中進行的，所以產生的性電解質溶液中

18、進行的，所以產生的COCO2 2會會被被OHOH- -吸收生成吸收生成COCO3 32-2-， 即：即：COCO2 2 + 2OH + 2OH- -COCO3 32-2-+ H+ H2 2O O，. 兩個反應相加即得兩個反應相加即得, ,總反應離子方程式為：總反應離子方程式為： CHCH4 4+2O+2O2 2+2OH+2OH- -=CO=CO3 32-2-+3H+3H2 2O O 電池正極反應，是氧氣在堿性條件下得電電池正極反應，是氧氣在堿性條件下得電子的反應，即與子的反應，即與電池中電池中條件條件下的下的相同，相同， 正極反應：正極反應： O O2 2+4e+4e- -+2H+2H2 2O

19、=4OHO=4OH- -. 負極反應可以用總反應減去正極反應得到負極反應可以用總反應減去正極反應得到：CHCH4 4+2O+2O2 2+2OH+2OH- -2 2（O O2 2+4e-+2H+4e-+2H2 2O O）= = CO CO3 32-2-+3H+3H2 2O O2 24OH4OH- - 移項、化簡后得移項、化簡后得 負極反應：負極反應： CHCH4 48e8e- -+10OH+10OH- -= CO= CO3 32-2-+7H+7H2 2O O. 上例中的方法是書寫電極反應的另一個常用上例中的方法是書寫電極反應的另一個常用方法方法：其表達式是：其表達式是： 應當注意的是：兩個半反應

20、合并后，應當注意的是：兩個半反應合并后，。這也是檢驗所寫的電極方程式是否。這也是檢驗所寫的電極方程式是否正確的方法，合并不是兩個半反應直接相正確的方法，合并不是兩個半反應直接相加，要使失電子和得電子的總數(shù)相等后再相加，要使失電子和得電子的總數(shù)相等后再相加。合并后的總方程式要符合客觀事實。加。合并后的總方程式要符合客觀事實。如中性介質中的氫氧燃料電池。如中性介質中的氫氧燃料電池。 正極反應正極反應+ +負極反應為：負極反應為： . 2H2H2 24e4e- -+O+O2 2+4e+4e- -+2H+2H2 2O=4OHO=4OH- -+4H+4H+ + 合并后得合并后得2H2H2 2+O+O2

21、2+2H+2H2 2O=4OHO=4OH- -+4H+4H+ + 這一反應方程式不符合客觀事實，這一反應方程式不符合客觀事實，OHOH- -與與H H+ +不能大量共存于同一溶液中，它不能大量共存于同一溶液中，它們要反應生成們要反應生成H H2 2O O。所以最后其方程式。所以最后其方程式應為：應為：2H2H2 2 + O + O2 2 = 2H = 2H2 2O O。. （2 2）熔融鹽電池）熔融鹽電池 與普通燃料電池稍有與普通燃料電池稍有的是，熔融鹽電的是，熔融鹽電池電解質不是溶液，而是池電解質不是溶液，而是。實際上由于實際上由于更為簡單（只有熔更為簡單（只有熔融電解質，沒有水），所以這類

22、電池的反融電解質，沒有水），所以這類電池的反應也比較簡單。為了便于大家掌握，我們應也比較簡單。為了便于大家掌握，我們仍然從最簡單的熔融鹽電池入手進行分析仍然從最簡單的熔融鹽電池入手進行分析。. 氫氧熔融鹽燃料電池氫氧熔融鹽燃料電池 氫氧燃料電池，電解質在熔融狀態(tài)分別能氫氧燃料電池，電解質在熔融狀態(tài)分別能傳導傳導O O2-2- 或或H H+ +，書寫電極反應方程式時要依，書寫電極反應方程式時要依據(jù)電解質的性質。據(jù)電解質的性質。 （），如熔融，如熔融作電解質作電解質時可以傳輸時可以傳輸O O2-2-，此時電極反應應如下：，此時電極反應應如下： 負極：負極：2H2H2 2-4e-4e- -+2O+2

23、O2-2-=2H=2H2 2O O 正極：正極：O O2 2+4e+4e- -=2O=2O2-2-. （），如以磷酸為電解質的燃料，如以磷酸為電解質的燃料電池可以傳導電池可以傳導H H+ +，其電極反應如下：，其電極反應如下： 負極：負極：H H2 2-2e-=2H-2e-=2H+ + 正極：正極：O O2 2+4e+4e- -+4H+4H+ += 2H= 2H2 2O O 總反應仍是：總反應仍是：2H2H2 2+O+O2 2=2H=2H2 2O O. 丁烷丁烷空氣燃料電池，空氣燃料電池， 其電解質是摻雜氧化釔（其電解質是摻雜氧化釔（Y Y2 2O O3 3）的氧化鋯（）的氧化鋯（ZrOZrO

24、2 2）熔融晶體。）熔融晶體。 分析：摻雜氧化釔（分析：摻雜氧化釔（Y Y2 2O O3 3）的氧化鋯（）的氧化鋯（ZrOZrO2 2）晶體在熔融狀態(tài)能傳導）晶體在熔融狀態(tài)能傳導O O2-2-，因此，因此O O2-2-參與參與負極反應；燃料電池的總反應通常與其燃負極反應；燃料電池的總反應通常與其燃燒化學方程式相同。即為：燒化學方程式相同。即為：2C2C4 4H H1010+13O+13O2 2=8CO=8CO2 2+ 10H+ 10H2 2O O。. 則其正極反應為：則其正極反應為：O O2 2+4e+4e- -= 2O= 2O2-2- 總反應：總反應： 2C2C4 4H H1010+13O+

25、13O2 2=8CO=8CO2 2+ 10H+ 10H2 2O O 負極反應總反應正極反應，得負極反應總反應正極反應，得 負極反應：負極反應： C C4 4H H101026e26e- -13O13O2-2-=4CO=4CO2 25H5H2 2O O. 甲醇甲醇空氣燃料電池空氣燃料電池 構成：甲醇為燃氣，空氣與構成：甲醇為燃氣，空氣與COCO2 2混合氣體作混合氣體作為助燃劑，碳酸鋰和碳酸鈉的混合熔融鹽為助燃劑，碳酸鋰和碳酸鈉的混合熔融鹽作為電解質。作為電解質。 分析：作為燃料電池，總的效果就是把燃分析：作為燃料電池，總的效果就是把燃料進行燃燒，故電池總反應與燃料燃燒化料進行燃燒，故電池總反應

26、與燃料燃燒化學方程式相同：學方程式相同：2CH2CH3 3OH+3OOH+3O2 2=2CO=2CO2 2+4H+4H2 2O O。 . 用氧化還原反應原理進行分析：用氧化還原反應原理進行分析：. 可以得出可以得出CHCH3 3OHOH失電子為失電子為，是電池負極材料，是電池負極材料。從原電池結構來看，原電池是把氧化反應與還原。從原電池結構來看，原電池是把氧化反應與還原反應分開在不同區(qū)域進行，再以適當方式連接起來反應分開在不同區(qū)域進行，再以適當方式連接起來的一種裝置。因此有以下事實擺在眼前：的一種裝置。因此有以下事實擺在眼前： 1.CH 1.CH3 3OHOH并并與與O O2 2直接接觸。直接

27、接觸。 2.CH 2.CH3 3OHOH反應生成反應生成COCO2 2和和H H2 2O O。按。按1molCH1molCH3 3OHOH參與參與反應計算，要生成反應計算，要生成1mol CO1mol CO2 2和和2molH2molH2 2O O。 于是問題產生了，于是問題產生了，的氧原子來自哪里？的氧原子來自哪里？ 答案就只有一個答案就只有一個CHCH3 3OHOH只能與電解質電離出來只能與電解質電離出來的的COCO3 32-2-反應。所以我們推理得知其負極反應為：反應。所以我們推理得知其負極反應為：. 負極反應：負極反應： 2CH2CH3 3OH-12eOH-12e- -+6CO+6CO

28、3 32-2-=8CO=8CO2 2+4H+4H2 2O O 根據(jù)根據(jù)原理，其正極反應中原理，其正極反應中要生成要生成COCO3 32-2-，或用一個，或用一個的方法的方法電極反應合電極反應合并法并法: :，得，得 正極反應：正極反應： 3O3O2 2+12e+12e- -+6CO+6CO2 2=6CO=6CO3 32-2-.對上述燃料電池進行歸納對上述燃料電池進行歸納，我們可以，我們可以得出燃料電池電極反應方程式書寫的一些得出燃料電池電極反應方程式書寫的一些。燃料電池的。燃料電池的是是。燃料電池中。燃料電池中2并并得到電子，得到電子，的變化規(guī)律為：的變化規(guī)律為：條件下條件下生成生成；條件下生成條件下生成；熔熔融氧化物生成融氧化物生成；O2與與CO2反反應生成應生成；其其余類推。余類推。. 通過對上述原電