2023版人教高中同步化學(xué)選擇性必修一：第四章化學(xué)反應(yīng)與電能第一節(jié)原電池

第一節(jié)原電池1.認(rèn)識化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的實(shí)際意義及其重要應(yīng)用。2.能分析原電池的工作原理,能設(shè)計簡單的原電池。3.能列舉常見的化學(xué)電源,并能利用相關(guān)信息分析化學(xué)電源的工作原理。

原電池的工作原理

1.原電池利用氧化還原反應(yīng)原理將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。2.原電池構(gòu)成條件3.原電池工作原理(以鋅銅原電池為例)裝置

現(xiàn)象鋅片逐漸溶解,銅片上有紅色物質(zhì)析出,電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)

電極名稱Zn電極——負(fù)極Cu電極——正極得失電子失電子得電子電子流向流出流入反應(yīng)類型氧化反應(yīng)還原反應(yīng)電極反應(yīng)Zn-2e-

Zn2+Cu2++2e-

Cu總反應(yīng)Zn+Cu2+

Zn2++Cu

原電池工作原理的應(yīng)用

1.加快氧化還原反應(yīng)的速率如:在鋅與稀硫酸反應(yīng)時加入少量CuSO4溶液,能使產(chǎn)生H2的速率加快。2.比較金屬活動性強(qiáng)弱

3.設(shè)計原電池(1)電極材料的選擇。負(fù)極一般是活潑的金屬材料,正極一般選用活潑性比負(fù)極差的金屬材料或石墨等惰性電極。(2)電解質(zhì)溶液的選擇。電解質(zhì)溶液一般要能夠與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)。若是兩個“半

反應(yīng)”分別在兩只燒杯中進(jìn)行,一般左、右兩只燒杯中的電解質(zhì)溶液應(yīng)與電極材

料具有相同的金屬陽離子。

化學(xué)電源

1.分類

2.判斷電池優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)(1)比能量:即單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少。(2)比功率:即單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小。(3)電池可儲存時間的長短。

3.一次電池隨著使用,電池中能發(fā)生氧化還原反應(yīng)的物質(zhì)逐漸被消耗,當(dāng)這些物質(zhì)被消耗到

一定程度時,電池就不能繼續(xù)使用了。一次電池中電解質(zhì)溶液制成膠狀,不流動,

也叫做干電池。實(shí)例:堿性鋅錳電池(1)構(gòu)造(2)工作原理負(fù)極反應(yīng):Zn+2OH--2e-

Zn(OH)2;正極反應(yīng):2MnO2+2H2O+2e-

2MnO(OH)+2OH-;總反應(yīng):Zn+2MnO2+2H2O

2MnO(OH)+Zn(OH)2。4.二次電池二次電池又稱可充電電池或蓄電池,放電后可以充電使活性物質(zhì)獲得再生,此類

電池可以重復(fù)使用。鉛酸蓄電池是常見的二次電池。它由兩組柵狀極板交替排列而成,其放電反應(yīng)和

充電反應(yīng)表示如下:Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O(1)負(fù)極是Pb,正極是PbO2,電解質(zhì)溶液是稀硫酸。(2)放電反應(yīng)原理負(fù)極反應(yīng):Pb+S

-2e-

PbSO4;正極反應(yīng):PbO2+4H++S

+2e-

PbSO4+2H2O;放電過程中,正、負(fù)極質(zhì)量均增大,電解質(zhì)溶液的pH增大。(3)充電反應(yīng)原理陰極(發(fā)生還原反應(yīng)):PbSO4+2e-

Pb+S

;陽極(發(fā)生氧化反應(yīng)):PbSO4+2H2O-2e-

PbO2+4H++S

;充電時,鉛酸蓄電池正極與直流電源④

正

極相連,負(fù)極與直流電源⑤

負(fù)

極相連。5.燃料電池(1)氫氧燃料電池用鉑作電極,不斷充入燃料(H2)和氧化劑(O2),分別在兩極發(fā)生氧

化反應(yīng)和還原反應(yīng),電池總反應(yīng)是⑥

2H2+O2

2H2O

。(2)氫氧燃料電池在不同介質(zhì)中的電極反應(yīng)介質(zhì)負(fù)極反應(yīng)正極反應(yīng)酸性2H2-4e-

4H+O2+4H++4e-

2H2O中性2H2-4e-

4H+O2+2H2O+4e-

4OH-堿性2H2-4e-+4OH-

4H2OO2+2H2O+4e-

4OH-(3)除氫氣外,烴、肼、甲醇、氨、煤氣等液體或氣體均可作燃料電池的燃料。若將用導(dǎo)線相連的兩個鉑電極插入KOH溶液中,然后向兩極分別通入甲醇(CH3

OH)和氧氣,發(fā)生原電池反應(yīng)。在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)的是CH3OH,其最終產(chǎn)物是H2

O、C

,負(fù)極反應(yīng)是⑦

2CH3OH-12e-+16OH-

2C

+12H2O

;正極反應(yīng)是⑧

3O2+6H2O+12e-

12OH-

;總反應(yīng)是⑨

2CH3OH+3O2+4OH-

2C

+

6H2O

。

判斷正誤,正確的畫“√”,錯誤的畫“?”。1.太陽能電池在航天器中應(yīng)用廣泛,它不屬于原電池

(√)2.鋰電池的體積小,性能優(yōu)良,是一種在電子設(shè)備和交通工具中常用的電池(

√)3.以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池,放電過程中,H+從正極區(qū)向負(fù)極區(qū)遷移

(

?)4.CaO+H2O

Ca(OH)2是放熱反應(yīng),可設(shè)計成原電池

(

?)提示:該反應(yīng)不是氧化還原反應(yīng),不能設(shè)計成原電池。5.氫氧燃料電池可將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能

(

?)提示:氫氧燃料電池屬于原電池,是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,不能將熱能直接

轉(zhuǎn)化為電能。6.氫氧燃料電池工作時氧氣在正極被還原

(√)提示:氫氧燃料電池中,燃料作負(fù)極,發(fā)生失電子的氧化反應(yīng),氧氣在正極被還原。7.鋅錳電池工作一段時間后碳棒變細(xì)

(

?)提示:在鋅錳電池中,碳棒作正極,該電極上二氧化錳發(fā)生還原反應(yīng),該電極質(zhì)量不

會減小,碳棒不會變細(xì)。8.普通鋅錳電池中,鋅筒作正極

(

?)提示:在普通鋅錳電池中,鋅筒作負(fù)極。

原電池的工作原理及電極名稱的判斷“雙液”原電池裝置如下圖,回答相關(guān)問題:

問題1.如圖裝置中兩金屬表面如何變化?請分析銅片和鋅片上的反應(yīng)。提示:Zn片逐漸溶解,Cu上有氣泡產(chǎn)生。鋅片:Zn-2e-

Zn2+;銅片:2H++2e-

H2↑。2.鹽橋中的陰離子為什么移向負(fù)極區(qū)?提示:外電路中電子由負(fù)極流向正極使正極帶上負(fù)電荷,吸引陽離子向正極定向

移動;由于負(fù)極失電子產(chǎn)生陽離子,吸引鹽橋中的陰離子向負(fù)極定向移動。3.結(jié)合該電池的構(gòu)造分析,判斷原電池的電極名稱有哪些方法?提示:電極材料活潑性、電極反應(yīng)類型、電極現(xiàn)象、電子流動方向、內(nèi)電路中離

子的移動方向等。

原電池工作原理示意圖

原電池正、負(fù)極的判斷

將鎂條和鋁條平行插入一定濃度的氫氧化鈉溶液中,用導(dǎo)線連接形成原電池。下

列有關(guān)該裝置的敘述正確的是

()A.因鎂比鋁活潑,故鎂是原電池的負(fù)極,鋁為正極B.鋁條表面雖有氧化膜,但可不必處理C.該電池的內(nèi)、外電路中,電流均由電子定向移動形成D.鋁是原電池的負(fù)極,工作時溶液中會立即有白色沉淀生成B解析

A項(xiàng),Al易與NaOH溶液反應(yīng),Al失電子作負(fù)極;B項(xiàng),Al2O3能與NaOH溶液反

應(yīng),故不必處理;C項(xiàng),內(nèi)電路靠陰、陽離子的定向移動形成電流;D項(xiàng),電池剛開始

工作時NaOH過量,故Al反應(yīng)后在溶液中是以Al

形式存在的,無沉淀。思路點(diǎn)撥首先分析電池的反應(yīng)原理,然后確定還原劑、氧化劑,最后判斷電極材料。易錯警示

判斷原電池的正、負(fù)極時只考慮兩極的活潑性,沒有注意電極能否與電解質(zhì)溶液

反應(yīng),易錯選A。判斷原電池的正、負(fù)極,不能單純看金屬的活潑性,還要考慮電

解質(zhì)溶液的性質(zhì),同樣的電極在不同的電解質(zhì)溶液中表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。如本題

的鎂、鋁電極,在酸性溶液中,鎂是負(fù)極、鋁是正極,而在氫氧化鈉溶液中,鋁是負(fù)

極、鎂是正極;又如鐵、銅電極在稀硫酸中,鐵是負(fù)極、銅是正極,而在濃硝酸中,

鐵是正極、銅是負(fù)極。

一種新型熔融鹽燃料電池具有高發(fā)電效率。現(xiàn)用Li2CO3和Na2CO3的熔融混合物

作電解質(zhì),一極通CO氣體,另一極通O2和CO2混合氣體,其總反應(yīng)為2CO+O2

2CO2。問題1.指出該電池的正極、負(fù)極。提示:由電池總反應(yīng)2CO+O2

2CO2可知,通CO的一極為電池負(fù)極,通O2和CO2混合氣體的一極為電池正極。2.你能寫出該電池的正極反應(yīng)和負(fù)極反應(yīng)嗎?提示:負(fù)極的電極反應(yīng)為2CO+2C

-4e-

4CO2,正極的電極反應(yīng)為O2+2CO2+4e-

2C

。

電極反應(yīng)式的書寫(1)先標(biāo)出原電池總反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目,指出參與負(fù)極和正極反應(yīng)的

物質(zhì)。(2)寫出一個比較容易書寫的電極反應(yīng)(書寫時一定要注意電極產(chǎn)物是否與電解

質(zhì)溶液共存)。(3)在得失電子守恒的基礎(chǔ)上,用總反應(yīng)減去寫出的電極反應(yīng)式即得另一電極反

應(yīng)。(4)充電的電極反應(yīng)與放電的電極反應(yīng)過程相反。

書寫燃料電池電極反應(yīng)的三大步驟(1)先寫出燃料電池總反應(yīng)一般都是可燃物在氧氣中燃燒的反應(yīng)方程式。若燃燒產(chǎn)物能與電解質(zhì)溶液反應(yīng),

則燃燒產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液反應(yīng)的方程式與其相加得總反應(yīng)方程式。(2)再寫出燃料電池正極的電極反應(yīng)

二次電池電極反應(yīng)的書寫方法燃料電池正極都是O2得到電子發(fā)生還原反應(yīng),基礎(chǔ)反應(yīng)為O2+4e-

2O2-。①電解質(zhì)為固體時,O2-可自由通過,正極的電極反應(yīng)為O2+4e-

2O2-;②電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽時,正極的電極反應(yīng)為O2+2CO2+4e-

2C

;③電解質(zhì)處于中性或堿性環(huán)境時,正極的電極反應(yīng)為O2+4e-+2H2O

4OH-;④電解質(zhì)處于酸性環(huán)境時,正極的電極反應(yīng)為O2+4e-+4H+

2H2O。(3)最后寫出燃料電池負(fù)極的電極反應(yīng)燃料電池負(fù)極的電極反應(yīng)=燃料電池總反應(yīng)-燃料電池正極的電極反應(yīng)。

科學(xué)家近年來研制出一種新型細(xì)菌燃料電池,利用細(xì)菌將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷,然

后將甲烷通入以KOH為電解質(zhì)的燃料電池發(fā)電。電池負(fù)極反應(yīng)為

()A.CH4-8e-+8OH-

CO2+6H2OB.O2+4H++4e-

2H2OC.CH4+10OH--8e-

C

+7H2OD.O2+2H2O+4e-

4OH-

C思路點(diǎn)撥根據(jù)信息確定甲烷在負(fù)極上失去電子,發(fā)生氧化反應(yīng),然后根據(jù)電解質(zhì)性質(zhì)確定

氧化產(chǎn)物的形式。解析

甲烷燃料電池的總反應(yīng)為CH4+2O2+2KOH

K2CO3+3H2O,首先根據(jù)負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),正極發(fā)生還原反應(yīng),判斷出負(fù)極通入甲烷,正極通入氧氣,然后根

據(jù)