第五章 化学反应与能量 第3讲 原电池 化学电源 第1课时-2025年高考化学一轮复习

第五章 化学反应与能量 第3讲 原电池 化学电源 第1课时 1 目录 CONTENTS 原电池 01 化学电源 02 2 原电池 3 一、原电池 1.定义 把化学能转化成电能的装置，称为原电池 2.构成条件 ①具有两个能导电的电极 ②具有电解质溶液或熔融电解质 ④能自发进行氧化还原反应 一般为两种活动性不同的金属或金属与能导电的非金属（石墨等） ③电极间形成闭合回路 用导线连接两极与电解质溶液共同形成闭合回路， 也可以让两个电极直接接触 即原电池的总反应 4 一、原电池 外电路： 内电路： 阳离子 → 正极 阴离子 → 负极 负极 → 正极 正极→ 负极 电子e-： 电流I： 负极 正极 “电子不下水，离子不上岸” 3.粒子移动方向 5 一、原电池 4.双液-盐桥原电池 双液 - 盐桥原电池的优点 使原电池中的氧化反应和还原反应近乎完全隔离,在不同区域之间实现了电子的定向移动,使原电池能持续、稳定地产生电流并有利于最大限度地将化学能转化为电能。 6 一、原电池 4.双液-盐桥原电池 盐桥 装有饱和的KCl等溶液和琼脂制成的琼胶 琼胶的作用是防止管中溶液流出 K+和Cl-能在琼胶内自由移动 离子只出不进 7 一、原电池 4.双液-盐桥原电池 盐桥的作用 沟通内电路，形成闭合回路 平衡电荷，使溶液保持电中性 避免电极与电解质溶液直接反应，放电更持久。 Zn Cu ZnSO4溶液 CuSO4溶液 A Zn2+ Cu2+ Cl- K+ 盐桥 一个原电池由两个半电池组成，一个发生氧化反应，一个发生还原反应，两个半电池用盐桥连接。半电池又叫电极 锌半电池 铜半电池 8 一、原电池 5.原电池原理的应用 根据构成原电池的条件来设计原电池，先由电池反应写出电极反应 根据原电池原理设计原电池 还原剂＋氧化剂===氧化产物＋还原产物 还原剂－ne－===氧化产物 氧化剂＋ne－===还原产物 确定电极材料，再确定电解质溶液，最后形成闭合回路，构成原电池。 9 一、原电池 5.原电池原理的应用 根据原电池原理设计原电池 (4)画出原电池装置图。画原电池装置图时注意电极材料和导线的粗细差异，电解质溶液也要画出，并进行相应标注。 (1)根据总反应分析化合价变化，找出氧化反应和还原反应。 (2)根据负极发生氧化反应，正极发生还原反应确定原电池的正、负极。 (3)结合正、负极和电极反应确定电极材料和电解质溶液等，完成原电池装置的设计。 10 1.利用：Cu+2AgNO3=Cu(NO3)2+2Ag的反应原理，设计带盐桥的原电池装置. 电极材料：负极是 ， 正极可以是 等。 电极反应式： 电解质溶液： 正极(还原反应)：2Ag+ + 2e- = 2 Ag 负极(氧化反应)：Cu – 2e- = Cu2+ AgNO3 、CuSO4或者：AgNO3、 Cu(NO3)2 Cu Ag或C、Pt AgNO3溶液 Ag Cu(NO3)2溶液 Cu （+） （—） CuSO4溶液 C Pt (盐桥: 含 的琼脂) KNO3饱和溶液 课堂检测 课堂检测 2.利用反应:5Fe2++MnO4- + 8H+=5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O 设计一个带盐桥的原电池装置. FeSO4(aq) Pt Pt 酸性KMnO4(aq) 盐桥 负极： 正极： Fe2+ - e- =Fe3+ MnO4- + 5 e- + 8H+=Mn2++4H2O 电极材料： . Pt、石墨C (—) ( + ) 一、原电池 5.原电池原理的应用 如在Zn与稀硫酸的反应体系中加入少量CuSO4溶液，Zn能置换出少量Cu，在溶液中Zn、Cu、稀硫酸构成原电池，可以加快产生H2的速率。 加快氧化还原反应速率 13 一、原电池 5.原电池原理的应用 如金属a、b用导线连接后插入稀硫酸中，若金属b上有气泡产生，根据原电池原理可判断b为正极，金属活动性a>b。 比较金属活动性的强弱 特例：Mg/Al/NaOH溶液形成的原电池中 Al作负极，Mg作正极，但金属活动性：Mg>Al。 特例：Cu/Fe/浓硝酸形成的原电池中 Cu作负极，Fe作正极，但金属活动性：Fe> Cu。 14 一、原电池 5.原电池原理的应用 如要保护一个铁闸门，可用导线将其与锌块相连，使锌块作原电池的负极，铁闸门作正极。 用于金属的防护 15 课堂检测 1.有下图所示的四个装置， 回答相关问题： (1)图①中，Mg作____极。 (2)图②中，Mg作____极，写出负极反应式： ，正极反应式： ， 总反应的离子方程式： 。 负 正 6H2O＋6e－=6OH－＋3H2↑ 2Al +8OH--6e-=2AlO2-+4H2O 2Al +2OH- +2H2O=2AlO2- + 3H2↑ 16 (3)图③中，Fe作____极，写出负极反应式 , 正极反应式：____________________________________， 总反应的化学方程式: 。 正 Cu－2e－=Cu2＋ 2NO3- + 2e- + 4 H+ = 2NO2 + 2H2O Cu＋4HNO3(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O 课堂检测 1.有下图所示的四个装置， 回答相关问题： 17 课堂检测 1.有下图所示的四个装置， 回答相关问题： (4)图④装置能否构成原电池？___(填“能”或“否”)，若能构成原电池，正极为___，电极反应式为____________________ (若不能构成原电池，后两问不用回答)。 能 Cu O2＋4e－＋2H2O=4OH－ 18 化学电源 19 二、化学电源 1.化学电源 将化学能变成电能的装置 广泛应用于移动电话、照相机、计算器、遥控器、汽车、卫星等。 优点 能量转换效率高，供能稳定可靠 可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组，使用方便 易维护，可在各种环境下工作。 20 二、化学电源 2.电池优劣的判断标准 比能量 比功率 电池的可储存时间的长短 ［单位：(w·h/kg)，(w·h/L)］ 指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少 [单位：（W/kg，W/L)] 指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小. 除特殊情况外，质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池，更易满足使用者需求。 21 二、化学电源 3.化学电源的分类 放电之后不能充电（内部的氧化还原反应无法逆向进行） 一次电池 一次电池的电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。 常见一次电池有普通锌锰干电池、碱性锌锰干电池、银锌电池等。 22 二、化学电源 3.化学电源的分类 一次电池 正极 负极 电解质溶液 e- + - 逐渐消耗 不断被还原 电池电压逐渐降低，最后失效 锌锰干电池构造原理 锌锰干电池 23 二、化学电源 3.化学电源的分类 一次电池 锌锰干电池 负极：Zn—2e— === Zn2+ 正极：2MnO2 +2NH4+ + 2e— = 2 MnOOH + 2NH3↑ 总反应：Zn+2NH4+ +2MnO2 =Zn2++2NH3↑ +2 MnOOH 容易漏液（锌外壳变薄；糊状NH4Cl显酸性） 锌锰干电池的缺点: 24 二、化学电源 3.化学电源的分类 一次电池 碱性锌锰干电池 湿的氢氧化钾 NH4Cl糊状 电解液 负极： Zn + 2OH- - 2e- =Zn(OH)2 正极： 2MnO2+2H2O+2e- = 2MnO(OH) + 2OH- 总反应： Zn+2MnO2+2H2O=Zn(OH)2+ 2MnO(OH) 25 二、化学电源 3.化学电源的分类 一次电池 银锌电池 正极: Ag2O; 负极：Zn; 电解质: KOH溶液 Zn－2e-＋2OH－＝Zn(OH)2 Ag2O＋H2O＋2e-＝2Ag＋2OH－ Zn＋Ag2O＋H2O＝2Ag＋Zn(OH)2 负极: 正极: 总反应式: 26 二、化学电源 充电电池又称二次电池，放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。 汽车用铅酸蓄电池 镍氢电池 3.化学电源的分类 二次电池 27 二、化学电源 正极： PbO2 负极：Pb 电解质溶液：稀硫酸 总反应： Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O 放电 充电 负极：Pb + SO42- －2e- == PbSO4 正极：PbO2 +4H+ + SO42- +2e- == PbSO4 +2H2O 3.化学电源的分类 二次电池 铅酸蓄电池 28 二、化学电源 3.化学电源的分类 二次电池 锂电池 总反应： 正极：  负极：  LixCy +Li1-xCoO2 LiCoO2＋Cy 放电 充电 负极材料：嵌锂层状石墨(LixC6 ) 正极材料：钴酸锂(Li1-xCoO2) 电解液：锂导电有机电解液 LixCy－xe－＝ xLi++Cy Li1-xCoO2+xLi+ +xe-＝LiCoO2 29 二、化学电源 3.化学电源的分类 二次电池 锂电池 →负极生成的Li＋经过电解质定向移动到正极。 负极材料： 金属锂或锂合金 非水电解质溶液 →负极反应均为Li－e－=Li＋ 二、化学电源 3.化学电源的分类 二次电池 锂电池 锂离子电池的充放电过程，就是Li＋的嵌入和脱嵌过程。 简单说，锂离子电池就是依靠Li＋在正极和负极之间移动来实现充、放电的二次电池。 摇椅理论 二、化学电源 3.化学电源的分类 二次电池 锂电池 以锂离子电池反应为例：CoO2 + LiC6 LiCoO2 + C6 负极：LiC6 － e－－Li＋ = C6 正极：CoO2 + Li＋ + e－ = LiCoO2 放电： Li＋ 脱嵌 嵌入 e- e- →放电时,负极Li＋浓度大，Li＋从负极脱嵌，经电解质向正极扩散并嵌入正极。负极的e－同时释放通过外电路，经过用电器到达正极与Li＋复合。 Li＋和e－寄居在在电极材料的空隙中。回正极的Li＋越多，流经外电路的电子越多(放电越多)。 LiC6 － e－= C6 +Li＋ 二、化学电源 3.化学电源的分类 二次电池 锂电池 →充电时，在电场的驱动下Li＋从正极材料中脱嵌，经过电解质，嵌入到负极材料石墨的微孔中，负极处于富锂态，正极处于贫锂态。同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证两极的电荷平衡，嵌入的Li＋越多，补偿的电子越多(充电越多)。 以锂离子电池反应为例：CoO2 + LiC6 LiCoO2 + C6 充电： 阴极：C6 + e－+ Li＋ =LiC6 阳极：LiCoO2 - e－ =CoO2 + Li＋ Li＋ 脱嵌 嵌入 e- e- 1.锂-液态多硫电池具有能量密度高、储能成本低等优点，以熔融金属锂、熔融硫和多硫化锂[Li2Sx(2≤x≤8)]分别作两个电极的反应物，固体Al2O3陶瓷(可传导Li+)为电解质，其反应原理如图所示。下列说法错误的是 D A.该电池比钠-液态多硫电池的比能量高 B.放电时，内电路中Li+的移动方向为 从电极a到电极b C.Al2O3的作用是导电、隔离电极反应物 D.充电时，外电路中通过0.2 mol电子， 阳极区单质硫的质量增加3.2 g 负极 正极 √ √ √ 阳极 Li2Sx -2e- = 2Li+ + x S 生成硫的质量为3.2x g 课堂检测 2.我国科学工作者正在研发中的最具诱人前景的锂离子电池——镍锰酸锂/钛酸锂电池具有充电时间短、续航时间长、输出电压高等优点。该电池的正极材料为LiNi0.5Mn1.5O4，负极材料为Li4Ti5O12，充、放电时的总反应为LiNi0.5Mn1.5O4+Li4Ti5O12 Li1-xNi0.5Mn1.5O4+Li4+xTi5O12 (已知充、放电过程中Mn元素保持稳定的+4价不变； Ni有两种价态：+2、+4；Ti有两种价态：+3、+4)。 据以上信息判断下列说法错误的是 (　　) A.电池的隔膜为阳离子交换膜 B.充电时阳极材料中的Ni元素发生氧化反应，Li+从阳极脱嵌出来 C.放电时负极的电极反应可表示为Li4Ti5O12－xe-= Li4+xTi5O12－xLi+ D.1 mol负极材料嵌入0.3 mol Li+时，有0.3 mol的Ti元素被还原 C √ √ 负极 正极 +xLi+ √ 二、化学电源 3.化学电源的分类 燃料电池 将燃料（如氢气、甲烷、乙醇）和氧化剂(如氧气）的化学能直接转化为电能的电化学反应装置， 具有清洁、安全、高效等特点。 燃料电池的能量转化率可以达到80%以上。 反应物不储存在电池内部，由外设设备提供燃料和氧化剂。 36 二、化学电源 3.化学电源的分类 燃料电池 氢氧燃料电池 酸性电解质 碱性电解质 负极反应 2H2－4e—＝ 4H+ 2H2＋4OH—－4e—＝ 4H2O 正极反应 O2 ＋4H+ ＋4e—＝ 2H2O O2＋2H2O＋4e— ＝ 4OH— 总反应 2H2 + O2 ＝ 2H2O 37 二、化学电源 正极：2O2＋8H+＋8e—＝4H2O 总反应：CH4 ＋ 2O2 ＝CO2＋2H2O O2 CH4 负极 正极 酸性电解质下反应式： 负极：CH4＋2H2O－8e—＝CO2＋8H+ 3.化学电源的分类 燃料电池 甲烷燃料电池 38 二、化学电源 O2 CH4 负极 正极 3.化学电源的分类 燃料电池 甲烷燃料电池 正极：2O2＋4H2O＋8e—＝8OH— 总反应：CH4 ＋ 2O2 ＋ 2OH—＝CO32- ＋3H2O 碱性电解质下反应式： 负极：CH4＋10 OH—－8e—＝CO32-＋7H2O 39 二、化学电源 微提醒 燃料电池书写步骤 ①析价态，定正负 ②列物质 ③标得失 ④看环境，配守恒 补项原则：酸性介质（缺H补H+，缺O补H2O）； 碱性介质（缺H补H2O，缺O补OH-）； 熔融氧化物使用O2-；熔融碳酸盐使用CO32-。 $$