4.1 原电池 课件 2024-2025学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

第1讲 原电池与化学电源 第四章 化学反应与电能 选择性必修一 化学反应原理 一、原电池 1、概念： 将化学能转化成电能的装置叫做原电池。 理解： ①外形－－无外加电源 ②自发的氧化还原反应才可能被设计成原电池 电解池 Zn A Cu 稀硫酸 总反应：Zn + 2H+ = Zn2+ + H2↑ Zn失去电子 发生氧化反应 Zn－2e- = Zn2+ e- e- Zn2+ 发生溶解 负极 正极 e- e- 电子从锌片流出 经外电路 流入铜片 H+在铜片得到电子发生还原反应 2H+ + 2e- = H2↑ 产生气泡 H+ H+ SO42- H2 负极←阴离子 阳离子→正极 内电路 2、单液Cu－Zn原电池工作原理 3、构成原电池的条件 （1）必须自发进行氧化还原反应； （3）两个电极必须插入电解质溶液中或熔融的电解质中； （4）两个电极必须相连并形成闭合回路。 （2）必须有两种活泼性不同的导电材料作电极； 两种活泼不同的金属。 一种金属与一种非金属（如石墨）。 两电极都是其它材料。 电极材料 两极一液成回路，氧化还原是中心 4 判断下列装置能否构成原电池 （可以） （可以） （可以） （不可以） 原电池形成条件一：活泼性不同的两个电极 （可以） （不可以） 原电池形成条件二：电极插在电解质溶液中 原电池形成条件三：必须形成闭合回路 可以 （不可以） 5 单液原电池 H2SO4 溶液 A 按此方法设计的原电池，如果用它做电源，不但效率低，而且时间稍长电流就很快减弱，因此不适合实际应用。这是什么原因造成的呢？ 主要原因：负极与阳离子直接接触 【说明】由于装置中Cu2+与Zn直接接触，Zn失电子后， Cu2+可以直接在锌片上得到电子，所以这种原电池的效率不高，电流在短时间内就会衰减。 6 锌半电池 铜半电池 电极反应： 负极： 正极： 总反应： Cu2++2e- =Cu Zn－2e- =Zn2+ Zn + Cu2+= Zn2+ + Cu 锌铜原电池（盐桥） ZnSO4溶液 Cu Zn CuSO4溶液 盐桥 [双液原电池（带盐桥）] 盐桥：一种凝胶态的离子导体，里面通常装有含KCl饱和溶液的琼胶， K+和Cl-可在其中自由移动。 盐桥的作用：①形成闭合回路 ②平衡两侧的电荷，使溶液保持电中性； ③避免电极与电解质溶液的直接接触，放电更持久。 7 【思考】双液原电池电流弱的原因？ ①离子运动的距离长 ②离子运动的通道窄 ③离子容量小 【思考】若要增大电流可以如何改进？ 缩短盐桥的长度，增大盐桥的横截面积 阳离子交换膜：只允许阳离子通过 阴离子交换膜：只允许阴离子通过 质子交换膜：只允许H+通过 4、正负极判断 判断依据 负极 正极 电极材料 反应类型 电子流向 电极现象 离子流向 较活泼金属 较不活泼金属或非金属导体 氧化反应 还原反应 电子流出 电子流入 发生溶解 产生气体或质量增加 阴离子流向负极 阳离子流向正极 口诀：负氧正还 [特别提醒] 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。如： (1)Al在强碱溶液中比Mg更易失电子，Al作负极、Mg作正极。 (2)Fe、Al在浓HNO3中钝化后，比Cu更难失电子，Cu作负极、Fe、Al作正极。 ①判断右边原电池的正、负极，并写出电极反应式。 Cu C FeCl3溶液 负极： Cu 失电子 Cu - 2e- = Cu2+ 正极： Fe3+得电子 2Fe3+ + 2e- = 2Fe2+ A Cu+2FeCl3 =CuCl2 +2FeCl2 先写出总反应：即负极与电解质溶液反应 拆成离子方程式： Cu + 2Fe3＋ = Cu2＋ + 2Fe2＋ 根据化合价升降判断正负极 5、电极方程式的书写 简单原电池电极方程式的写法： 10 ②请写出右边原电池的电极方程式。 总反应方程式： 负极：Al，失e- 2Al - 6e－ ＝ 2Al3+ 2Al3+ + 8OH- =2AlO2- + 4H2O 负极总反应： 2Al +8OH- －6e－ ＝2AlO2- + 4H2O 正极：总反应－负极反应 6H2O ＋6e－ ＝6OH—＋ 3H2↑ Mg Al NaOH溶液 A 拆成离子方程式： 2Al + 2OH－ + 2H2O = 2AlO2－ + 3H2↑ 根据化合价升降判断正负极 2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2↑ 二、化学电池 化学电池 一次电池 二次电池 燃料电池 碱性锌锰电池 铅蓄电池 氢氧燃料电池等 锂离子电池 银锌蓄电池 普通锌锰电池 1、化学电池的分类 （一）一次电池 电池中的反应物质进行一次氧化还原反应并放电之后，就不能再次利用。 1、普通锌锰干电池 锌筒 石墨棒 MnO2和C 普通锌-锰干电池的结构 NH4Cl、ZnCl2 和 H2O等 总反应：Zn+2MnO2+2NH4+=Zn2++Mn2O3+2NH3+H2O   负极： Zn - 2e- = Zn2+ 正极：2MnO2+2NH4++2e- =Mn2O3+ 2NH3+H2O 优点：制作简单、价格便宜。缺点：放电时间短，电压下降快。 13 2.碱性锌锰电池 正极：MnO2 负极：Zn 负极： Zn + 2OH- -2e- =Zn(OH)2 正极： 2MnO2 + 2H2O+2e-=2MnOOH+2OH- 氢氧化氧锰 电解质：KOH 负极材料是什么？ 正极材料是什么？ 电解质溶液是什么？ 电极反应式如何书写？ 优点：比能量和储存时间有所提高，适用于大电流和连续放电(电流稳定，放电容量、时间增大几倍,不会气涨或漏液) 缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵 14 3.银锌电池 Zn为______,Ag2O为______ 电解液: 电极反应式: 负极: 正极: 总反应式: 优点：比能量大、电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。广泛用于电子手表、照相机、计算器和其他微型电子仪器。 Zn＋2OH－－2e-＝Zn(OH)2 Ag2O＋H2O＋2e-＝2Ag＋2OH－ 负极 正极 Zn＋Ag2O＋H2O＝2Ag＋Zn(OH)2 KOH溶液 15 铅蓄电池 1)正负极材料 正极：PbO2 负极：Pb 2)工作机制 电解质溶液：H2SO4(aq) 化学能 电能 放电 充电 充电电池中能量的转化关系： (二)二次电池(充电电池或蓄电池): 放电后可以再充电使活性物质获得再生；铅蓄电池、锂离子电池…… 其电池反应可以正向和逆向进行.蓄电池放电时为自发电池,充电时为电解池.充电后电池容量得到恢复,充放电次数可达千百次 . 16 放电过程总反应： Pb＋PbO2＋2H2SO4＝2PbSO4＋2H2O Pb＋SO42- －2e- ＝PbSO4 （氧化反应） 正极： PbO2＋4H+＋SO42- ＋2e-＝PbSO4 ＋2H2O （还原反应） 负极： 铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程。 1、铅酸蓄电池 PbSO4难溶于水 【思考】放电过程中，正负极质量和溶液pH如何变化？ 阳极： 阴极： 正负极质量都增加，pH增大 构造： 铅酸蓄电池由两组栅状极板交替排列而成，塑料外壳防止酸液泄漏。正极上覆盖有棕褐色的PbO2， 负极上覆盖有海绵状的金属Pb，正负电极之间用微孔塑料隔开， 两极均浸入30%H2SO4中。 17 例1.(2023·辽宁，11)某低成本储能电池原理如图所示。下列说法正确的是 A.放电时负极质量减小 B.储能过程中电能转变为化学能 C.放电时右侧H＋通过质子交换膜移向左侧 D.充电总反应：Pb＋　　 ＋2Fe3＋===PbSO4＋2Fe2＋ √ 放电时，负极上Pb失电子结合硫酸根离子生成PbSO4附着在负极上，负极质量增大，A错误； 储能过程中，该装置为电解池，将电能转化为化学能，B正确； 放电时，右侧为正极，电解质溶液中的阳离子向正极移动，左侧的H＋通过质子交换膜移向右侧，C错误； 充电时，总反应为PbSO4＋2Fe2＋===Pb＋ 　　 ＋2Fe3＋，D错误。 2、锂离子电池 负极： ； 正极： 。 总反应表示为： 用途：便携式电子设备(智能手机、笔记本电脑等)和交通工具(电动汽车、电动自行车等；大型储能电站等) LixCy-xe-=xLi++Cy Li1-xCoO2 +xLi+ + xe-= LiCoO2 负极:嵌锂石墨, 正极：LiCoO2(钴酸锂); 电解质溶液为LiPF6(六氟磷酸锂)的碳酸酯溶液（无水） LixCy+ Li1-xCoO2 = LiCoO2+Cy 优点：质量小、体积小、储存和输出能量大 19 (三)燃料电池 一种连续将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池. 电池的电极本身不包含活性物质,只是一个催化转化元件.工作时,燃料和氧化剂连续地由外部供给,在电极上不断地进行反应,生成物不断地被排除,于是电池就连续不断地提供电能.清洁、能量转换率高的特点。 可供选择的燃料很多，如:氢气、烃类、肼、甲醇、氨、煤气等液态或气态的燃料。 小型高性能燃料电池 20 1.氢氧燃料电池：一种高效低污染的新型电池。 正极:O2 + 4H+ + 4e-＝2H2O ; 正极:O2 + 2H2O ＋4e-＝4OH- ; 负极:2H2+4OH- －4e-＝4H2O 负极:2H2 - 4e-＝4H+ 总(电池)反应：2H2 + O2＝2H2O B.碱性条件(NaOH)下工作原理： 总(电池)反应：2H2 + O2＝2H2O A.酸性条件(HCl)下工作原理： 21 O2 + 4e-= 2O2－ 2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O 2、固体燃料电池 （1）写出燃烧反应的化学方程式（即总反应式）； （2）根据电解液改写燃料电池总反应； （3）写出正极的电极反应式(一般较简单)； （4）负极的电极反应式 = 燃料电池总反应式 - 正极的电极反应式。 燃料电池的电极反应式的书写步骤 方法指导 23 2、甲烷燃料电池 该电池用金属铂片插入H2SO4或KOH溶液中作电极，又在两极上分别通甲烷和氧气。电极反应： （1）电解质溶液为酸性（H2SO4溶液） 负极：CH4 + 2H2O - 8e-＝CO2 + 8H+ 正极：2O2 + 8H++ 8e-＝4H2O 总反应：CH4 + 2O2 ＝CO2 + 2H2O 负极：CH4 + 10OH- - 8e-＝CO32- + 7H2O 正极：2O2 + 4H2O + 8e-＝8OH- 总反应：CH4 + 2O2 + 2OH-＝CO32- + 3H2O （2）电解质溶液为碱性（NaOH溶液） 24 （1)甲醇燃料电池 （电解质为H2SO4 ） 电池总反应式： 正极： 负极： CH3OH - 6e- + 8OH- ＝ CO32- + 6H2O O2 + 4e- + 2H2O ＝ 4OH- 2CH3OH +3O2 + 4OH-＝2CO32- +6H2O 1、写出下列燃料电池的正负极和总反应的反应方程式 课堂训练 (2)甲醇燃料电池 （电解质为KOH） 电池总反应式： 正极： 负极： CH3OH-6e-+H2O = CO2+6H+ O2+4e-+4H+ = 2H2O 2CH3OH+3O2 = 2CO2+4H2O ③甲醇在固体氧化物(其中O2－可以在固体介质中自由移动) 正极： ， 负极： 。 ④甲醇在熔融碳酸盐(　 　) 正极(通入CO2)： ， 负极： 。 O2＋4e－===2O2－ CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O 课堂训练 1、写出下列燃料电池的正负极和总反应的反应方程式 N₂H4－4e- +4OH- = N₂ ↑ + 4H₂O O₂ + 4e- + 2H₂O = 4OH- N₂H4 + O₂ = N₂↑ + 2H₂O （5）肼燃料电池 （电解质为KOH ） 电池总反应式： 正极： 负极： 1、写出下列燃料电池的正负极和总反应的反应方程式 课堂训练 （6）肼燃料电池 （电解质为H2SO4 ） 电池总反应式： 正极： 负极： N₂H4 + O₂ = N₂↑ + 2H₂O O2 + 4H+ + 4e－ = 2H2O N₂H4－4e- = N₂ ↑ + 4H+ 三、新型化学电源（高考考察重点） 类型一　固体电解质电池 例2.以硝酸盐为离子导体的Na-O2电池装置与其某一电极M附近的反应机理如图所示。下列说法错误的是 A.镍电极上发生还原反应 B.M的电极反应为4Na＋＋O2＋2　 　＋2e－ ===4NaNO2 C.Na2O是该过程中的中间产物 D.固体电解质能起到隔绝空气的作用 √ 金属钠为活泼金属，作负极，镍电极为正极，正极上得到电子，发生还原反应，故A正确； 由原理图可知，Na2O属于该过程中的中间产物，故C正确； 固体电解质能够防止钠直接与氧气反应，能起到隔绝空气的作用，故D正确。 类型二　打破思维定势的浓差电池 (1)浓差电池是仅由一种物质由高浓度向低浓度扩散而引发的一类电池。电池内部，当某种电解质离子或分子浓度越大时，其氧化性或还原性越强。 (2)“浓差电池”的分析方法 浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。两侧半电池中的特定物质有浓度差，离子均是由“高浓度”移向“低浓度”，依据阳离子移向正极区域、阴离子移向负极区域判断电池的正、负极，这是解题的关键。 例3.(2023·山东，11改编)利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所示，甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液，向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法正确的是 A.甲室Cu电极为正极 B.隔膜为阳离子膜 C.电池总反应：Cu2＋＋4NH3===[Cu(NH3)4]2＋ D.NH3扩散到乙室不会对电池电动势产生影响 √ 向甲室加入足量氨水后电池开始工作，则甲室Cu电极溶解，变为铜离子与氨气形成[Cu(NH3)4]2＋，因此甲室Cu电极为负极，故A错误； 原电池内电路中阳离子向正极移动，若隔膜为阳离 子膜，电极溶解生成的铜离子要向右侧移动，通入氨气要消耗铜离子，显然左侧阳离子不断减小，明显不利于电池反应正向进行，故B错误； 负极反应是Cu－2e－＋4NH3===[Cu(NH3)4]2＋，正极反应是Cu2＋＋2e－===Cu，则电池总反应为Cu2＋＋4NH3===[Cu(NH3)4]2＋，故C正确； NH3扩散到乙室会与铜离子反应生成[Cu(NH3)4]2＋，铜离子浓度降低，铜离子得电子能力减弱，因此将对电池电动势产生影响，故D错误。 例4.浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。将两个完全相同的电极浸入两个溶质相同但浓度不同的电解质溶液中构成的浓差电池，称为双液浓差电池。模拟工业上电渗析法实现海水(用氯化钠溶液代替)淡化的装置如图所示。下列说法错误的是 A.　　 向Cu(1)极区域迁移 B.C(2)极发生还原反应 C.膜1为阳离子交换膜 D.C(2)极反应：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑ √ 为使交换膜两侧硫酸铜溶液的浓度相等，即阴离子交换膜左侧溶液c(CuSO4)增大，右侧溶液c(CuSO4)减小，又因为只允许阴离子迁移，故交换膜左侧铜电极溶解，c(Cu2＋)增大；交换膜右侧铜电极上析出铜，c(Cu2＋)减小，即Cu(1)极为负极，发生氧化反应：Cu－2e－===Cu2＋；Cu(2)极为正极，发生还原反应：Cu2＋＋2e－===Cu，　　由阴离子交换膜右侧向左侧迁移。 类型三　基于废物利用的微生物燃料电池 例5.利用某新型微生物电池可消除水中碳水化合物的污染，其工作原理如图所示，下列有关说法正确的是 A.X电极是负极 B.Y电极上的反应式：Cm(H2O)n－4me－=== 　mCO2↑＋(n－2m)H2O＋4mH＋ C.H＋由左向右移动 D.有1 mol CO2生成时，消耗1 mol MnO2 √ 根据装置图，X电极上MnO2转化成Mn2＋，化合价降低，发生还原反应，作正极，A错误； Y电极为负极，Cm(H2O)n中C的平均化合价由0价升高为＋4价，电极反应式为Cm(H2O)n－4me－===mCO2↑＋(n－2m)H2O＋4mH＋，B正确； 根据原电池工作原理，阳离子由负极向正极移动，即H＋由右向左移动，C错误； 正极反应式为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O，建立关系式为2mMnO2～ 4me－～mCO2，有1 mol CO2生成时，消耗2 mol MnO2，D错误。 类型四　太阳能转化电池 例6.我国科学家在太阳能光电催化—化学耦合分解H2S研究中获得新进展，相关装置如图所示。下列说法不正确的是 A.该装置的总反应为 B.能量转化方式主要为“光能→电能→化学能” C.a极上发生的电极反应为Fe2＋－e－===Fe3＋ D.a极区需不断补充含Fe3＋和Fe2＋的溶液 √ 该装置发生的有关反应为H2S＋2Fe3＋===2H＋＋S＋2Fe2＋(a极区)、2Fe2＋－2e－===2Fe3＋(a极)、2H＋＋2e－===H2(b极)，结合反应条件得 到总反应：H2S　 　　H2＋S，A、C正确； 该制氢工艺中光能转化为电能，最终转化为化学能，B正确； a极区涉及两步反应，第一步利用氧化性强的Fe3＋高效捕获H2S得到硫和还原性的Fe2＋，第二步是还原性的Fe2＋在a极表面失去电子生成氧化性强的Fe3＋，这两步反应反复循环进行，所以a极区无需补充含Fe3＋和Fe2＋的溶液，D错误。 类型五　液流储能电池 例7.(2022·辽宁，14)某储能电池原理如图。下列说法正确的是 A.放电时负极反应：Na3Ti2(PO4)3－2e－=== 　NaTi2(PO4)3＋2Na＋ B.放电时Cl－透过多孔活性炭电极 向CCl4中迁移 C.放电时每转移1 mol电子，理论 上CCl4吸收0.5 mol Cl2 D.充电过程中，NaCl溶液浓度增大 √ 放电时负极失电子，发生氧化反应，电极反应：Na3Ti2(PO4)3－2e－===NaTi2(PO4)3 ＋2Na＋，故A正确； 放电时，阴离子移向负极，则放电时Cl－透过多孔活性炭电极向NaCl中迁移，故B错误； 正极电极反应：Cl2＋2e－===2Cl－，放电时每转移1 mol电子，理论上CCl4释放0.5 mol Cl2，故C错误； 充电过程中，阳极电极反应：2Cl－－2e－===Cl2 ↑，消耗氯离子，阴极消耗Na＋，NaCl溶液浓度减小，故D错误。 PbSO4＋2e－===Pb＋SO PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO SO SO 正极 O2＋4e－＋2CO2===2CO CH3OH－6e－＋3CO===4CO2＋2H2O CO NO 根据原理图可知，M电极的电极反应为2Na＋＋NO＋2e－===Na2O＋NO，然后又发生2Na2O＋O2===2Na2O2和2NO＋O2===2NO，故B错误； SO SO H2SH2＋S $$