第17講原電池化學電源

第17講原電池化學電源【考綱要求】1.理解原電池的構成、工作原理及應用,能書寫電極反應和總反應方程式。2.了解常見化學電源的種類及其工作原理?？键c1原電池及其工作原理及應用知識梳理1.概念和反應本質(zhì)原電池是把化學能轉化為電能的裝置,其反應本質(zhì)是

。氧化還原反應2.構成條件反應能發(fā)生

的氧化還原反應(一般是活潑性強的金屬與電解質(zhì)溶液反應)電極一般是活潑性不同的兩電極(金屬或

)閉合回路形成需三個條件:①

;②兩電極直接或間接接觸;③兩電極插入電解質(zhì)溶液中自發(fā)進行石墨電解質(zhì)溶液3.工作原理單液原電池雙液原電池裝置圖電極與電極反應負極(

片):

(

反應)正極(

片):

(

反應) 電子流向由

片沿導線流向

片鋅氧化銅還原鋅銅離子遷移方向陰離子向

遷移;陽離子向

遷移電池反應方程式_____________________兩類裝置的不同點還原劑Zn與氧化劑Cu2+直接接觸,既有化學能轉化為電能,又有化學能轉化為熱能,造成能量損耗Zn與氧化劑Cu2+不直接接觸,僅有化學能轉化為電能,避免了能量損耗,故電流穩(wěn)定,持續(xù)時間長負極正極4.原電池原理的四大應用(1)比較金屬活動性強弱兩種金屬分別作原電池的兩極時,一般作

極的金屬比作

極的金屬活潑。(2)加快氧化還原反應的速率一個

進行的氧化還原反應,設計成原電池時反應速率

。例如,在Zn與稀H2SO4反應時加入少量CuSO4溶液能使產(chǎn)生H2的反應速率加快。(3)設計制作化學電源①必須是能自發(fā)進行且

的氧化還原反應。②正、負極材料的選擇:根據(jù)氧化還原關系找出正、負極材料,一般選擇______________的金屬作為

;

的金屬或可導電的非金屬(如石墨等)作為

。負正增大自發(fā)放熱活潑性較強負極活潑性較弱正極③電解質(zhì)溶液的選擇:電解質(zhì)溶液一般要能夠與負極發(fā)生反應,或者電解質(zhì)溶液中溶解的其他物質(zhì)能與負極發(fā)生反應(如溶解于溶液中的空氣)。但如果設計含有鹽橋的原電池,則兩個容器中的電解質(zhì)溶液選擇與電極材料相同的________,如在Cu-Zn構成的原電池中,負極Zn浸泡在含有Zn2+的電解質(zhì)溶液中,而正極Cu浸泡在含有Cu2+的電解質(zhì)溶液中。實例:根據(jù)Cu+2Ag+

Cu2++2Ag設計原電池:陽離子(4)用于金屬的防護(犧牲陽極陰極保護法)使被保護的金屬制品作原電池

而得到保護。例如,要保護一個鐵質(zhì)的輸水管道或鋼鐵橋梁等,可用導線將其與一塊鋅塊相連,使鋅作原電池的負極。正極【多維思考】提示:(1)×(2)√(3)√(4)×(5)×(6)×判斷下列說法是否正確,正確的打“√”,錯誤的打“×”。(1)CaO+H2O

Ca(OH)2,可以放出大量的熱,故可把該反應設計成原電池,把其中的化學能轉化為電能。()(2)在原電池中,發(fā)生氧化反應的電極一定是負極。()(3)其他條件均相同,帶有“鹽橋”的原電池比不帶“鹽橋”的原電池電流持續(xù)時間長。()(4)某原電池反應為Cu+2AgNO3

Cu(NO3)2+2Ag,裝置中的鹽橋內(nèi)可以是含瓊脂的KCl飽和溶液。()(5)因為鐵的活潑性強于銅,所以將鐵、銅用導線連接后放入濃硝酸中組成原電池,必是鐵作負極、銅作正極。()(6)兩種活潑性不同的金屬組成原電池的兩極,活潑金屬一定作負極。()提示:(7)×

(8)√

(9)√

(10)×

(11)×(7)原電池工作時,溶液中的陽離子向負極移動,鹽橋中的陽離子向正極移動。(

)(8)電工操作中規(guī)定不能把銅導線與鋁導線連接在一起使用,是因為銅、鋁在潮濕的環(huán)境中形成原電池,加快了鋁的腐蝕,易造成斷路。(

)(9)鋅與鹽酸反應時,用粗鋅比用純鋅產(chǎn)生H2的速率要快。(

)(10)C+H2O

CO+H2可設計成原電池。(

)(11)將氧化還原反應設計成原電池,可以把物質(zhì)內(nèi)部的能量全部轉化為電能。(

)考點演練考向一原電池的工作原理1.關于原電池的敘述正確的是(

)A.原電池工作時,電極上不一定都發(fā)生氧化還原反應B.某可逆電池充、放電時的反應式為Li1-xNiO2+xLiLiNiO2,放電時此電池的負極材料是Li1-xNiO2C.鉛、銀和鹽酸構成的原電池工作時,鉛板上有5.175g鉛溶解,正極上就有1120mL(標準狀況)氣體析出D.在理論上可將反應CH4(g)+2O2(g)

CO2(g)+2H2O(l)ΔH<0設計成原電池解析:A中原電池工作時電極上一定都發(fā)生氧化反應或還原反應;B中電池放電時,負極材料是Li;C中通過電子守恒計算知正極上生成的氣體在標準狀況下應為560mL。D2.(2015·天津卷)鋅銅原電池裝置如圖所示,其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過,下列有關敘述正確的是(

)A.銅電極上發(fā)生氧化反應B.電池工作一段時間后,甲池的c()減小C.電池工作一段時間后,乙池溶液的總質(zhì)量增加D.陰陽離子分別通過交換膜向負極和正極移動,保持溶液中電荷平衡C解析:鋅電極是原電池的負極,發(fā)生氧化反應,銅電極是原電池的正極,發(fā)生還原反應,A項錯誤;陽離子交換膜不允許陰離子通過,所以電池工作一段時間后,甲池的c()不變,B項錯誤;乙池發(fā)生的電極反應為Cu2++2e-

Cu,溶液中Cu2+逐漸減少,為維持溶液中的電荷平衡,Zn2+會不斷移向乙池,使溶液質(zhì)量增加,C項正確;陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過,D項錯誤?？枷蚨姵氐男纬蓷l件及正負極的判斷3.下列示意圖中能構成原電池的是(

)B解析:Cu、C與稀硫酸不反應,A裝置不能構成原電池;Al與氫氧化鈉溶液發(fā)生氧化還原反應,B裝置能構成原電池;C裝置中兩電極相同,不能構成原電池;D裝置中缺少鹽橋。4.(2017·河北滄州一中模擬)分析下圖所示的四個原電池裝置,其中結論正確的是(

)B方法技巧判斷原電池正、負極的五種方法注意:原電池的正極和負極與電極材料的性質(zhì)有關,也與電解質(zhì)溶液有關,不要形成活潑電極一定作負極的思維定式?？枷蛉姵卦淼膽?.(2017·河北衡水模擬)一個原電池的總反應的離子方程式是Zn+Cu2+

Zn2++Cu,該原電池的合理組成是(

)正極負極電解質(zhì)溶液AZnCuCuCl2溶液BCuZnH2SO4溶液CCuZnCuSO4溶液DZnFeCuCl2C6.有A、B、C、D四種金屬,做如下實驗:①將A與B用導線連接起來,浸入電解質(zhì)溶液中,B不易被腐蝕;②將A、D分別投入等物質(zhì)的量濃度的鹽酸中,D比A反應劇烈;③將銅浸入B的鹽溶液里,無明顯變化,如果把銅浸入C的鹽溶液里,有金屬C析出。據(jù)此判斷它們的活動性由強到弱的順序是(

)A.A>B>C>D B.C>D>A>BC.D>A>B>C D.A>B>D>CC解析:①A與B用導線連接后浸入電解質(zhì)溶液中會構成原電池,B不易被腐蝕,說明B為原電池的正極,說明金屬活動性:A>B;②A、D與等物質(zhì)的量濃度的鹽酸反應,D比A反應劇烈,說明金屬活動性:D>A;③根據(jù)置換反應規(guī)律,Cu不能置換出B,說明金屬活動性:B>Cu,Cu能置換出C,說明金屬活動性:Cu>C。則四種金屬活動性的排列順序是D>A>B>C?？键c2三類常見的化學電源知識梳理1.一次電池2.二次電池鉛蓄電池是最常見的二次電池,總反應為Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O 3.燃料電池氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池,分為酸性和堿性兩種。種類酸性堿性負極反應式__________________________________________正極反應式_____________________________________________電池總反應2H2+O22H2O【多維思考】1.判斷下列說法是否正確,正確的打“√”,錯誤的打“×”。(1)堿性鋅錳干電池是一次電池,其中MnO2是催化劑,可使鋅錳干電池的比能量高、可儲存時間長。()(2)手機、電腦中使用的鋰電池屬于一次電池。()(3)鉛蓄電池放電時,正極與負極質(zhì)量均增加。()(4)若使反應Fe+2Fe3+

3Fe2+以原電池方式進行,可用鋅、鐵作電極材料。()(5)燃料電池工作時燃料在電池中燃燒,然后熱能轉化為電能。()提示:(1)×(2)×(3)√(4)×(5)×提示:(6)√

(7)×(8)√2.可充電電池充電時電極與外接電源的正、負極如何連接?提示:考點演練考向一一次電池1.(2017·甘肅蘭州模擬)被稱為“軟電池”的紙質(zhì)電池,采用一個薄層紙片(在其一邊鍍鋅,在其另一邊鍍二氧化錳)作為傳導體。在紙內(nèi)的離子“流過”水和氧化鋅組成的電解液。電池總反應為Zn+2MnO2+H2O

ZnO+2MnOOH。下列說法正確的是(

)A.該電池的正極為鋅B.該電池反應中二氧化錳起催化劑作用C.當0.1molZn完全溶解時,流經(jīng)電解液的電子個數(shù)約為1.204×1023D.電池正極反應式為MnO2+e-+H2O

MnOOH+OH-D解析:由電池反應知,Zn元素化合價由0價變?yōu)?2價,Zn失電子作負極,A錯誤;該電池中二氧化錳參加反應且作氧化劑,B錯誤;電子不進入電解質(zhì)溶液,電解質(zhì)溶液導電是通過離子定向移動形成電流,C錯誤;正極上二氧化錳得電子發(fā)生還原反應,電極反應式為MnO2+e-+H2O

MnOOH+OH-,D正確。2.Li-SOCl2電池可用于心臟起搏器。該電池的電極材料分別為鋰和碳,電解液是LiAlCl4-SOCl2。電池的總反應可表示為4Li+2SOCl2

4LiCl+S+SO2。請回答下列問題:(1)電池的負極材料為

,發(fā)生的電極反應為

。

(2)電池正極發(fā)生的電極反應為

。

解析:分析元素的化合價變化可知,Li被氧化,為還原劑,SOCl2被還原,為氧化劑。(1)負極材料為Li(還原劑),4Li-4e-

4Li+。(2)正極反應式可由總反應式減去負極反應式得到:2SOCl2+4e-

4Cl-+S+SO2。答案:(1)鋰4Li-4e-

4Li+(2)2SOCl2+4e-

4Cl-+S+SO2考向二二次電池3.(2017·全國Ⅲ卷)全固態(tài)鋰硫電池能量密度高、成本低,其工作原理如圖所示,其中電極a常用摻有石墨烯的S8材料,電池反應為:16Li+xS8

8Li2Sx(2≤x≤8)。下列說法錯誤的是(

)A.電池工作時,正極可發(fā)生反應:2Li2S6+2Li++2e-

3Li2S4B.電池工作時,外電路中流過0.02mol電子,負極材料減重0.14gC.石墨烯的作用主要是提高電極a的導電性D.電池充電時間越長,電池中Li2S2的量越多D解析:電池工作時,正極反應為xS8+16e-+16Li+

8Li2Sx,可發(fā)生2Li2S6+2Li++2e-

3Li2S4的還原反應,A正確;外電路流過0.02mol電子,則負極耗Li:0.02mol×7g/mol=0.14g,B正確;石墨烯具有良好的導電性,而S8沒有,故石墨烯的作用主要是提高電極a的導電性,C正確;電池充電時,a接電源的正極,發(fā)生氧化反應,故充電時間越長電池中Li2S2的量會越少,D錯誤。4.某二次電池充、放電的化學方程式為2K2S2+KI3

K2S4+3KI。與其他設備連接的電路如圖所示。當閉合開關K時,X附近溶液先變紅。則下列說法正確的是(

)A.放電時,電極A發(fā)生還原反應B.A的電極反應式為3I--2e-C.當有0.1molK+通過離子交換膜,X電極上產(chǎn)生氣體1.12L(標準狀況下)D.電池充電時,B電極要與外電源的正極相連,電極上發(fā)生還原反應C解析:當閉合開關K時,下部就是一個電解池,電解NaCl溶液,X附近溶液先變紅,故H+在X放電,則X是陰極,Y就是陽極,由此可知A是負極,B是正極。A為負極,發(fā)生氧化反應,元素的化合價升高,由該二次電池充、放電的化學方程式中的元素化合價的改變來看,是K2S2在負極反應,A、B錯誤;X極發(fā)生:2H++2e-

H2↑,有0.1molK+通過離子交換膜時轉移電子為0.1mol,生成H2為0.05mol,體積為1.12L,C正確;電池充電時,B電極要與外電源的正極相連,電極上發(fā)生氧化反應,D錯誤。易錯警示1.二次電池充電時,電池正極接外接電源正極,負極接外接電源負極。2.充電電池是既能將化學能轉化為電能(放電),又能將電能轉化為化學能(充電)的一類特殊電池。需要注意的是充電、放電的反應不能理解為可逆反應。3.充電時的電極反應與放電時的電極反應過程相反,充電時的陽極反應恰與放電時的正極反應相反,充電時的陰極反應恰與放電時的負極反應相反?？枷蛉剂想姵?.(2017·甘肅蘭州模擬)關于如圖微生物燃料電池結構示意圖的說法:①微生物促進了電子的轉移②微生物所在電極區(qū)放電時發(fā)生還原反應③放電過程中,H+從正極區(qū)移向負極區(qū)④正極反應式為MnO2+4H++2e-

Mn2++2H2O,正確的是(

)A.④B.①③ C.①④D.②③C解析:①在微生物作用下Cm(H2O)n轉化為CO2促進電子的轉移,正確;②微生物在右側,右側電極為電源的負極,所以微生物所在電極區(qū)放電時發(fā)生氧化反應,錯誤;③根據(jù)電流的方向,放電過程中,H+從負極區(qū)移向正極區(qū),錯誤;④電池左側為電池的正極區(qū),MnO2在H+條件下發(fā)生得電子反應,所以正極反應式為MnO2+4H++2e-

Mn2++2H2O,④正確。C方法規(guī)律根據(jù)電極產(chǎn)物判斷燃料電池正、負極的方法1.在酸性燃料電池中,有H2O生成的是正極,有CO2生成的是負極。2.在堿性燃料電池中有H2O生成的是負極,其另一極為正極。3.在熔融鹽或熔融氧化物燃料電池中,生成CO2的是負極,其另一極為正極。微點突破5電極反應式的書寫電化學學習中電極反應式的書寫成為學生學習這部分知識的攔路虎,掌握電極反應式的書寫規(guī)律和技巧是學好電化學的前提。對電極反應式的書寫歸納如下。1.電極反應式書寫的一般步驟(類似氧化還原反應方程式的書寫)2.已知總方程式,書寫電極反應式(1)書寫步驟①步驟一:寫出電池總反應式,標出電子轉移的方向和數(shù)目(ne-)。②步驟二:找出正、負極,失電子的電極(物質(zhì))為負極;確定溶液的酸堿性。③步驟三:寫電極反應式。負極反應:還原劑-ne-

氧化產(chǎn)物正極反應:氧化劑+ne-

還原產(chǎn)物(2)書寫技巧若某電極反應式較難寫時,可先寫出較易的電極反應式,用總反應式減去較易的電極反應式,即可得出較難寫的電極反應式。如CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料電池中:總反應式:CH3OCH3+3O2

2CO2+3H2O正極:3O2+12H++12e-

6H2O負極:CH3OCH3+3H2O-12e-

2CO2+12H+特別提示:簡單電極反應中轉移的電子數(shù),必須與總方程式中轉移的電子數(shù)相同。3.燃料電池電極反應式的書寫第一步:寫出燃料電池反應的總反應式燃料電池的總反應與燃料的燃燒反應一致,若產(chǎn)物能和電解質(zhì)反應則總反應為加合后的反應。如甲烷燃料電池(電解質(zhì)溶液為NaOH溶液)的反應式為CH4+2O2

CO2+2H2O①CO2+2NaOH

Na2CO3+H2O②①式+②式得燃料電池總反應式為CH4+2O2+2NaOH

Na2CO3+3H2O。第二步:寫出電池的正極反應式根據(jù)燃料電池的特點,一般在正極上發(fā)生還原反應的物質(zhì)是O2,隨著電解質(zhì)溶液的不同,其電極反應式有所不同,大致有以下四種情況:第三步:根據(jù)電池總反應式和正極反應式,寫出負極反應式電池反應的總反應式-電池正極反應式=電池負極反應式。因為O2不是負極反應物,因此兩個反應式相減時要徹底消除O2?！绢}組鞏固】1.(1)分析如圖所示的三個裝置,回答下列問題:①裝置a中鋁電極上的電極反應式為

。

②裝置b中產(chǎn)生氣泡的電極為

(填“鐵”或“銅”)電極,裝置c中銅電極上的電極反應式為

。

(2)燃料電池是一種高效低污染的新型電池。燃料電池所用燃料可以是氫氣,也可以是其他燃料,如甲烷、肼等。如圖是甲烷燃料電池原理示意圖,回答下列問題:①電池的負極是

(填“a”或“b”)電極,該極的電極反應式為