2.2.3原电池 课件-2024-2025学年高一下学期鲁科版（2019）必修第二册

第2节 化学反应与能量的变化 ——原电池 第2章 化学键 化学反应规律 LOGO 高考对原电池的考察 LOGO 2 原电池的化学史 1800年 伏特发明人类历史上第一个电池 1836年 丹尼尔第一个实用电池 1859年 普兰特发明可充电铅酸电池 1868年 雷克兰士炭锌电池（锌锰电池） 1900年 爱迪生镍铁电池 1970年至今 锂离子电池 ①惠廷厄姆以锂为负极最早提出锂离子电池；②古迪纳夫改进阴极；③吉野章改进阳极。 LOGO 3 化学能的转化 ？ 化学能→电能→对外做电功 带电荷粒子移动一定距离→大量电子定向移动→电子转移 Zn+2H+ = Zn2++H2 自发进行的氧化还原反应 LOGO 4 原电池工作原理 Zn Cu 稀硫酸 Zn片溶解 有气泡冒出 1、原电池：通过 反应产生电流的装置， 将 能转化为 能。 【信息支持】物理学认为，产生电流的原因是电源给用电器提供了电势差，是由于在两个电极上有得失电子能力不同的物质，当形成闭合回路时，便会产生电流。 原电池将原本作为整体的氧化还原反应拆开，使之分别在两极发生，称之为电极反应。 2、 ①负极： 电子，发生 反应； 负极反应： ②正极： 电子，发生 反应； 正极反应： ③总反应： Zn－2e- = Zn2+ 2H++2e- = H2↑ Zn+2H+ = Zn2++H2↑ 氧化还原 化学 电 失 氧化 得 还原 负失氧 正得还 LOGO 5 原电池工作原理 外电路电子： 负极流向正极 内电路离子： 阴离子：向负极移动 阳离子：向正极移动 负极： 还原剂失去电子， 发生氧化反应。 正极： 氧化剂得到电子， 发生还原反应。 外电路电子和内电路离子定向移动形成电流 外电路 内电路 【思考】铜锌原电池是如何形成电流的闭合回路的？ 电子不下水 离子不上岸 LOGO 6 原电池工作原理 【思考】以下装置可构成原电池或有电流的是？ √ √ 实验项目 实验用品 实验结论 电极材料 试液 有无电流 相同电解质溶液不同电极 Zn、Cu 稀硫酸 Zn、石墨 稀硫酸 Zn、Zn 稀硫酸 Zn、Fe 稀硫酸 有 有 无 有 LOGO 7 原电池工作原理 类型 原电池的构成条件 原电池构成要素 将化学能转化为电能的本质 铜-锌-稀硫酸装置 稀硫酸 导线 活性不同的两电极（一般） 自发进行的氧化还原反应 电极反应物 电极材料 （提供电势差与反应场所） 电解质溶液 离子移动的媒介（内电路） 离子导体 闭合回路 电子移动的媒介（外电路） 电子导体 ①导电（有固定形状） ②不一定参与反应 【思考】活泼性强的金属一定是原电池的负极吗？ LOGO 8 小结 较活泼的一极（一般） 电子流出的一极 化合价升高的一极 发生氧化反应的一极 负离子移向的一极 负极 二、负极的判断方法 一、原电池工作原理 Zn Cu H2SO4溶液 电子：由负极流向正极 离子：阳离子移向正极，阴离子移向负极（正正负负） 负极：失去电子，发生氧化反应 正极：得到电子，发生还原反应 LOGO 9 单液原电池的改良 【思考】你认为一个电池能够实际使用的关键是什么？下面的电池可以做到吗？为什么？ LOGO 10 单液原电池的改良 预测实验现象 实验现象 铜片、锌片表面均附着红色固体， 电流表指针偏转， 但电流逐渐衰减。 锌片溶解，质量减小 铜片表面有红色固体析出 电流表指针偏转。 分析原因 Zn与Cu2+直接接触发生反应 电压、电流不稳 效率低 开路损耗 分析结果 LOGO 11 双液原电池 Zn与Cu2+直接接触发生反应 Zn与CuSO4溶液 不直接接触 关键 【思考】该装置能量转化率低的原因是什么？如何解决？ LOGO 12 双液原电池 盐桥中通常装有含琼脂的KCl（或硝酸铵）饱和溶液； 盐桥 是一种“离子导体” K+和Cl-能在内部自由移动 琼脂的作用是防止U管中溶液流出 ★盐桥的作用：①形成闭合回路；②平衡两侧的电荷，溶液呈电中性； ③避免电极与电解质溶液的直接接触，减少电流的衰减。 LOGO 13 双液原电池 负极：Zn-2e-=Zn2+ 正极：Cu2++2e-=Cu 总反应：Zn+Cu2+=Zn2++Cu 双液原电池 单液原电池 LOGO 14 双液原电池 【思考】若用温度计测量溶液的温度，发现（a）装置溶液的温度略有升高，而（b）装置溶液的温度不变，试分析原因是什么？ LOGO 15 双液原电池 离子交换膜：一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。 阳离子交换膜 阴离子交换膜 LOGO 16 总结 自发的氧化还原反应 还原剂 + 氧化剂 氧化产物 + 还原产物 还原性 氧化性 氧化反应 还原反应 分开进行 原电池 正极材料 正极反应物 负极 负极材料 负极反应物 正极 电子导体 离子导体 形成闭合回路 （盐桥） （失去电子） （得到电子） LOGO 17 设计简单原电池 负 正 电极材料 LOGO 18 设计简单原电池 【拓展提升】把Cu+2FeCl3=2FeCl2+CuCl2反应设计为原电池，画出装置图，标出电子的流向，并写出电极反应方程式。 Cu C FeCl3溶液 根据电极反应确定合适的电极材料和电解质溶液 LOGO 19 设计简单原电池 利用反应 2Fe3+ + 2I- =2Fe2+ + I2 设计一个双液原电池，画出装置简图。 离子导体 电极材料 电子导体 电极反应物 KI 溶液、盐桥、FeCl3 溶液 导线 石墨 I-、Fe3+ K+ Cl- 负极 正极 LOGO 20 设计简单原电池 氧化还原反应 原电池 氧化反应 还原反应 分开进行 形成 闭合回路 (失电子) (得电子) 负极材料 正极 电子导体 负极 正极材料 负极反应物 正极反应物 离子 导体 【小结】设计原电池的基本思路 LOGO 21 燃料电池 燃料电池不同于一般的电池，它的特点是电池的正、负极反应物分别是氧化剂和燃料。工作时，将反应物分别不断地输入电池的两极，通过燃料（如氢气）在负极发生氧化反应、氧化剂（如氧气）在正极发生还原反应，实现一个相当于燃烧反应的电池反应，将化学能转化为电能。燃料电池具有能量利用率高、可持续使用和污染轻等优点，已成为一种发展前景十分广阔的化学电源。 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。 LOGO 22 燃料电池 LOGO 23 燃料电池 2H2O = 2H2↑+O2↑ 电解 【学以致用】尝试分析 ①构成要素 ②电子和电流方向 ③写出正负极反应 1、氢氧燃料电池 LOGO 24 燃料电池 e- 电流 H+ SO42- 电极反应单独写：最简 两个电极同时写：得失相等 1、氢氧燃料电池 （1）酸性 （2）碱性 负极：2H2-4e-=4H+ 正极：O2+4H+ +4eˉ= 2H2O 总式：2H2+O2= 2H2O 负极：2H2-4e-+4OHˉ=4H2O 正极：O2+2H2O+4eˉ=4OHˉ 总式：2H2+O2= 2H2O LOGO 25 燃料电池 找还原剂 写出稳定的电极产物 找正负 使守恒 看环境 相加减 ②电荷守恒 ③原子守恒 ①电子守恒 正极+负极=总反应式 找氧化剂 酸性补H＋ 碱性补OH－ 给什么补什么 如何准确书写电极反应呢？ LOGO 26 燃料电池 H2O OH－ O2－ CO32- 酸性 碱性 熔融氧化物 熔融碳酸盐 H2－2e－＝2H＋ H2－2e－＋OH－＝H2O H+ H2O 酸性 碱性 如何准确找出稳定电极产物呢？ H2 O2 O2＋4e－＋2H2O＝4OH－ O2＋4e－＋4H＋＝2H2O O2＋4e－＝2O2－ O2＋4e－＋2CO2＝2CO32－ LOGO 27 燃料电池 CO32- （或HCO3-） 碱性 M CO2 CH4－8e－＋10OH－＝CO32-＋7H2O 2CH4－16e－＋18OH－＝2HCO3-＋13H2O Ag－e－＋Cl－＝AgCl Zn－2e－＋2OH－＝Zn(OH)2 Al－3e－＋4OH－＝AlO2-＋2H2O Pb + SO42- -2e-＝PbSO4 Mn＋ 失ne- 盐酸 碱性 碱性 硫酸 如何准确找出稳定电极产物呢？ LOGO 28 燃料电池 写出甲烷燃料电池的电极反应式及总反应式。 (1)甲烷、氧气/KOH溶液燃料电池 负极： 正极： 总反应式： CH4 - 8e- + 10OH- ＝ CO32- + 7H2O 2O2 + 8e- + 4H2O ＝ 8OH- CH4+2O2+2OH -＝CO32-+3H2O (2)甲烷、氧气/H2SO4溶液燃料电池 CH4 - 8e-+ 2H2O = CO2 +8H+ 2O2 + 8e- + 8H+ = 4H2O CH4 + 2O2 = CO2+ 2H2O 负极： 正极： 总反应式： LOGO 29 燃料电池 (3)甲烷-氧气/熔融氧化物(高温下能传导O2-)燃料电池 CH4 - 8e-+ 4O2- = CO2 + 2H2O 2O2 + 8e- = 4O2- CH4 + 2O2 = CO2+ 2H2O 负极： 正极： 总反应式： (4)甲烷-氧气/熔融碳酸盐(熔融K2CO3)燃料电池 CH4 - 8e-+ 4CO32- = 5CO2 + 2H2O 2O2 + 8e- +4CO2 = 4CO32- CH4 + 2O2 = CO2+ 2H2O 负极： 正极： 总反应式： 写出甲烷燃料电池的电极反应式及总反应式。 LOGO 30 化学电池 化学电池的分类 干电池（一次电池） 充电电池（二次电池） 燃料电池 能量转换效率高 能长时间供电 不可循环使用 可多次循环使用 LOGO 31 1、一次电池：锌锰干电池（酸/碱性）、锂锰电池、锂铁电池、银锌纽扣电池 （1）酸性锌锰干电池 化学电池 负极反应物和负极材料 负极：Zn-2e-=Zn2+ 总反应：Zn+2NH4++2MnO2 = 2NH3 +H2O+Mn2O3+Zn2+ 正极：2NH4++2MnO2+2e-= 2NH3 +H2O+Mn2O3 正极反应物 正极材料 离子导体 Zn、MnO2/NH4Cl溶液（糊状） 负极 正极 电极 还原剂 氧化产物 电极 氧化剂 还原产物 C MnO2 Mn2O3 Zn Zn Zn2+ LOGO 32 化学电池 负极：Zn+2OH--2e- =Zn(OH)2 总反应：Zn+2MnO2 +2H2O = 2MnOOH+Zn(OH)2 正极：2MnO2 +2H2O+2e- = 2MnOOH +2OH- 1、一次电池：锌锰干电池（酸/碱性）、锂锰电池、锂铁电池、银锌纽扣电池 （2）碱性锌锰干电池 【思考】①放电过程中正极和负极溶液pH如何变化？ ②每转移2mol电子，正极和负极增重各多少克？ LOGO 33 化学电池 总反应：Zn+Ag2O=ZnO+2Ag ③正极：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH- ②负极：Zn+2OH--2e-=ZnO+H2O 1、一次电池：锌锰干电池（酸/碱性）、锂锰电池、锂铁电池、银锌纽扣电池 （3）银锌纽扣电池 Zn、Ag2O/KOH溶液 负极 正极 电极 还原剂 氧化产物 电极 氧化剂 还原产物 金属 Zn Zn(OH)2 金属 Ag2O Ag LOGO 34 铅蓄电池构造示意图 化学电池 2、二次电池：铅蓄电池、锂离子电池、镍氢电池等。 （1）铅蓄电池 放电 负极：Pb - 2e- + SO42- = PbSO4 正极：PbO2 + 2e- + SO42- + 4H+ = PbSO4 + 2H2O 充电 阴极：PbSO4 + 2e- = Pb + SO42- 阳极：PbSO4 - 2e- + 2H2O = PbO2 + 4H+ + SO42- LOGO 35 Cd+2NiOOH+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2 总反应： 放电 充电 化学电池 正极：2NiOOH + 2H2O + 2e-＝2Ni(OH)2 + 2OH- 负极：Cd + 2OH- -2e-＝Cd(OH)2 镍镉蓄电池 负极：Cd 正极：NiOOH 离子导体：KOH溶液 2、二次电池：铅蓄电池、锂离子电池、镍氢电池等。 （2）镍镉蓄电池 LOGO 36 化学电池 正极：2NiOOH + 2H2O + 2e-＝2Ni(OH)2 + 2OH- 负极：Zn+2OH--2e-=ZnO+H2O 负极：Zn 正极：NiOOH 离子导体：KOH溶液 Zn+2NiOOH + H2O ZnO + 2Ni(OH)2 总反应： 放电 充电 镍锌蓄电池 2、二次电池：铅蓄电池、锂离子电池、镍氢电池等。 （3）镍锌蓄电池 LOGO 37 化学电池 锂离子电池/LiPF6的碳酸酯溶液 负极 正极 电极 还原剂 氧化产物 电极 氧化剂 还原产物 负极：LixCy - xe- = xLi++Cy 正极：Li1-xCoO2 +xLi+ + xe-= LiCoO2 总反应式：LixCy+ Li1-xCoO2 LiCoO2+Cy 放电 充电 嵌锂石墨 LixCy Li+ 金属 Li1-xCoO2 LiCoO2 (钴酸锂) 2、二次电池：铅蓄电池、锂离子电池、镍氢电池等。 （4）锂离子电池 LOGO 38 化学电池 Li元素的化合价为＋1价，O元素的化合价为－2价，所以Li1－xMn2O4（或Li1－xCoO2）中x值越大，则Mn（或Co）元素的化合价越高。 关于锂离子电池电极反应式的书写要点 正极：Li1－xMn2O4和LiMn2O4（或Li1－xCoO2和LiCoO2） 负极：Li或LixCy Li1－xMn2O4＋xe－＋xLi＋＝LiMn2O4 Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋＝LiCoO2 先原子守恒，再电荷守恒，检查电子是否守恒。 经验： 正极： LOGO 39 原电池的诺贝尔奖 北京时间2019年10月9日消息，瑞典皇家科学院今天宣布，将2019年诺贝尔化学奖授予德州大学奥斯汀分校教授John·B·Goodenough，纽约州立大学宾汉姆顿分校教授M·Stanley·Whittingham，以及日本名城大学教授吉野彰，以表彰他们“开发锂离子电池”中做出的贡献。 LOGO 40 原电池的应用 （1）加快化学反应速率 （2）比较不同金属的活泼性（做负极的金属更活泼） 实验室用锌粒制取氢气时，常向稀硫酸溶液中滴加几滴硫酸铜溶液为什么？ 形成Cu-Zn原电池，加快反应速率 LOGO 41 原电池的应用 （3）认识金属的腐蚀 （4）金属的防腐蚀措施 ①比较白铁（镀锌铁）和马口铁（镀锡铁）破损后的腐蚀速率？ ①在涂保护层②形成合金③外接较活泼的金属（浸在电解质溶液中） ②生铁易生锈还是纯铁易生锈？ NaCl Fe C O2 LOGO 42 原电池的应用 考察要点 ①能量转换 ②电极名称与电极反应类型 ③电极反应式与总反应方程式的书写 ④电子流向与电流流向 ⑤离子移动方向，电极周围pH电、解质溶液的pH变化 ⑥增重减重的相关计算 LOGO 43 原电池的电池方程式 1.微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含 CH3COO-的溶液为例)。 2L 2.5mol·L-1 CuSO4溶液 2L 0.5mol·L-1 CuSO4溶液 Cu(Ⅰ) Cu(Ⅱ) 2.浓差电池 浓差电池是一种利用电解质溶液浓度差产生电势差而形成的电池，理论上当电解质溶液的浓度相等时停止放电 LOGO 44 3．分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是(　　) A．①②中Mg作负极，③④中Fe作负极 B．②中Mg作正极，电极反应式为6H2O＋6e－=6OH－＋3H2↑ C．③中Fe作负极，电极反应式为Fe－2e－=Fe2＋ D．④中Cu作正极，电极反应式为2H＋＋2e-=H2↑ 学案习题 B LOGO 45 学案习题 4．某同学设计如下原电池，其工作原理如图所示。下列说法不正确的是(　　) A．该装置将化学能转化为电能  B．负极的电极反应式是Ag - e- = Ag+ C．电池的总反应式是Ag+ + I- = AgI  D．盐桥(含KNO3的琼脂)中NO3-从左向右移动 BD LOGO 46 1．(20天津11)熔融钠—硫电池性能优良，是具有应用前景的储能电池。如图中的电池反应为2Na＋xS ⇌ Na2Sx(x＝5～3，难溶于熔融硫)，下列说法错误的是(　　) A．Na2S4的电子式为 B．放电时正极反应为xS+2Na+ +2e- = Na2Sx C．Na和Na2Sx分别为电池的负极和正极 D．该电池是以Na-β-Al2O3为隔膜的二次电池 学案习题 放电 充电 C LOGO 47 2．(20全国Ⅰ12)科学家近年发明了一种新型Zn—CO2水介质电池。电池示意图如下，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。 下列说法错误的是(　　) A．放电时,负极反应为Zn－2e－＋4OH－=Zn(OH)42- B．放电时,1 molCO2转化为HCOOH，转移的电子数为2mol C．充电时,电池总反应为2Zn(OH)42- = 2Zn+O2↑+4OH-+2H2O D．充电时,正极溶液中OH－浓度升高 学案习题 双极隔膜：该膜的特点是在直流电场的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH-并分别通过阴膜和阳膜，作为H+和OH-离子源。 D LOGO 48 学案习题 3．(20全国卷Ⅲ12)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)—空气电池如下图所示，其中在VB2电极发生反应：VB2＋16OH--11e-=VO43-＋2B(OH)4-＋4H2O 该电池工作时，下列说法错误的是(　　) A.负载通过0.04 mol电子时，有0.224 L(标准状况)O2参与反应 B.正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高 C.电池总反应为4VB2＋11O2＋20OH-＋6H2O=8B(OH)4-＋4VO43- D.电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极 B LOGO 49 学案习题 ⑵科学家研发的“全氢电池”的工作原理如图所示，该电池工作一段时间后，右池溶液的导电能力几乎不变。下列有关该电池的说法正确的是___________(填字母)。 a．电池的总反应是2H2＋O2=2H2O b．左边电极上的电势高于右边电极上的电势 c．负极的电极反应式是H2－2e-＋2OH-=2H2O d．装置中所用的是阴离子交换膜 e．产生能源的源泉是酸和碱的中和能 c e LOGO 50 学案习题 3．锂锰电池的体积小，性能优良，是常用的一次电池。该电池的反应原理如图所示，其中电解质LiClO4溶于混合有机溶剂中，Li＋通过电解质迁移进入MnO2晶格中，生成LiMnO2。回答下列问题： ⑴外电路的电流方向是由______(填“a”或“b”，下同)极流向 _______极。 ⑵电池的正极反应式为________________________________。 MnO2 + e- + Li+ = LiMnO2    b a LOGO 51 学案习题 4．⑴直接硼氢燃料电池(DBFC)是以NaBH4溶液为负极燃料的一种高比能电池，其工作原理如图所示，则通入空气的一极是________(填“正极”或“负极”)，此电池负极的电极反应式为____________________________________________。 　BH4- - 8e-＋8OH- = BO2-＋6H2O　 正极 LOGO 52 Lavf57.83.100 $$