4.1 原电池 知识清单-2025-2026学年高二上学期化学人教版选择性必修1

选修一 第四章 第一节 原电池 知识点总结 ( 52 )选修1 第四章第一节 原电池 学科网（北京）股份有限公司 知识点一：原电池的工作原理 1、原电池的定义 原电池是将化学能转化为电能的装置。其实质是利用自发进行的氧化还原反应将化学能转化为电能。 2、原电池的构成条件 （1）具有活泼性不同的两个电极（可以是金属，也可以是石墨）。 （2）具有电解质溶液。 （3）构成闭合回路（两极接触或用导线连接）。 （4）能发生自发的氧化还原反应（本质条件）。 注意： 原电池的判定要先分析有无外接电源：有外接电源则为电解池，无外接电源则可能为原电池。 3、原电池的设计及表示方法 以Cu—Zn原电池为例，将氧化还原反应Zn+Cu2+=Cu+Zn2+设计成如图所示的原电池： 每一种原电池都是由两个“半电池”所组成。例如，Cu—Zn原电池就是由Zn和ZnSO4溶液、Cu和CuSO4溶液所构成的两个“半电池”组成。 原电池可用符号：（-）电极|电解质溶液|电极（+）表示。例如上述铜锌原电池可表示为：（-）Zn|ZnSO4(c1)||CuSO4(c2)|Cu（+） 习惯上把负极（-）写在左边，正极（+）写在右边。其中“|”表示两相界面，“||”表示盐桥，c表示溶液的浓度。 从理论上说，任何氧化还原反应都可以用原电池来表达。又如，一个烧杯中加入含有Fe3+和Fe2+的溶液另一个烧杯中放入含有Sn2+和Sn4+的溶液中；分别插入铂片作电极，用盐桥和导线等连接成为原电池，也会有电流产生。 在负极：Sn2+-2e-=Sn4+（氧化反应） 在正极：2Fe3++2e-=2Fe2+（还原反应） 原电池反应：Sn2++2Fe3+=Sn4++2Fe2+ 原电池符号为：（-）Pt|Sn2+(c1)，Sn4+（c2）||Fe3+(c3)，Fe2+（c4）|Pt（+） 1、 原电池的结构特点 导线的作用是传递电子，连接外电路。而盐桥的作用则是连接内电路。盐桥可使由它连接的两溶液保持电中性，否则锌盐会由于锌溶解成为Zn2+带上正电，铜盐会由于铜的析出减少了Cu2+带上了负电。 注意：盐桥中装有饱和的KCl等电解质溶液和琼脂制成的胶冻，胶冻的作用是防止管中的溶液流出。盐桥中的电解质很少进入相连的两池中。作用是使两个半电池中的溶液连成一个通路，优点是使原电池中氧化剂和还原剂近乎完全隔离，并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。 4、原电池的工作原理 设计一种装置使还原剂失去的电子通过导体间接地传递给氧化剂，在外电路中就可以观察到电流的产生，较活泼金属发生氧化反应，电子由较活泼金属通过导线流入不活泼金属，溶液中氧化性较强的阳离子在不活泼金属上得到电子被还原。例如， Cu—Zn原电池原理如图所示： 5、原电池中粒子的运动 （1）电子的运动 原电池工作时，电子由负极流向正极（电流由正极流向负极）。如铜锌原电池工作时，电子由负极（锌）经外电路（导线）流向正极（铜）。电子只能在金属导体中定向移动，不能在溶液中“穿梭”。 （2）离子的运动 ①不参与电极反应的离子不能定向移动，这种离子在溶液的各个区域浓度基本不变，如铜锌原电池工作时，H+向正极附近定向移动，而SO42-不能定向移动，溶液中各部分SO42-浓度基本保持不变。 ②在原电池中，参与电极反应的阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。因为负极失去电子，负极区域带正电荷的粒子多，根据溶液呈电中性，阴离子向负极区域移动；同理，正极区域的阳离子得到电子发生还原反应，阳离子减少，为了使溶液呈电中性，阳离子必须向正极移动。如铜锌原电池工作时，H+在正极消耗，溶液中负极区域的H+向正极移动补充消耗的H+。 6、原电池的电极反应和总反应式的书写 先分析正、负极，再根据正、负极反应规律去写电极反应式。 以铜、锌和稀H2SO4组成的原电池为例： 负极：（Zn片）：Zn-2e-=Zn2+（氧化反应） 正极：（Cu片）：2H++2e-=H2↑（还原反应） 总反应式：Zn+2H+=Zn2++H2↑ 注意： ①两极得失电子数相等； ②电极反应式常用“=”或用“→”； ③电极反应式中若有气体生成需加“↑”。 原电池的总反应式，一般把正极和负极的电极反应式相加而得。 若电解质为弱电解质，则相加时应把离子改为相应的弱电解质。如：铜、锌和CH3COOH的原电池的总反应式：Zn+2CH3COOH=Zn2++H2↑+2CH3COO- 如果题目给定的是总反应式，可分析此反应中的氧化反应或还原反应（分析有关因素的化合价变化情况），再选择一个简单变化情况去写电极反应式，另一极的电极反应式可直接写或将各反应式看成数学中的代数式，用总反应式减去已写出的电极反应式，即得结果。 知识点二：化学电源 化学电池包括一次电池、二次电池和燃料电池等几大类。 1、一次电池 一次电池又称干电池，包括锌锰电池、锌银电池和锂电池等。 最早使用的化学电池是锌锰电池（如图），石墨棒是正极，顶端有一铜帽；石墨棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸作隔膜；隔膜外时调成糊状的氯化铵，作为电解质溶液；电池外壳由锌筒制成，作负极；电池顶部用蜡和火漆封口。 干电池放电主要是通过锌筒上的锌失去电子，而被氧化成Zn2+而进入电解质溶液中，电解质溶液中的NH4+获得电子被还原成NH3，从而使灯泡在电子转移的过程中获得电能而发光。其电极反应为： 负极：Zn-2e-=Zn2+ 正极：2NH4++2e-=2NH3+H2；H2+2MnO2=Mn2O3+H2O 正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2++4NH3=[Zn(NH3)4]2+ 总反应：2Zn+4NH4Cl+2MnO2=[Zn(NH3)4]Cl2+ZnCl2+Mn2O3+H2O 碱性锌锰电池与上面介绍的锌锰电池的正、负极材料是一样的，区别在于电解质是KOH，其电极反应如下： 负极：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2 正极：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH（氢氧化氧锰）+2OH- 总反应：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2 注意：干电池的电压通常约为1.5V，不能充电再生。干电池的特点有：①能产生稳定的电流；②安全、耐用且便于携带；③能够适用于特殊用途；④便于回收处理，不污染环境或对环境产生影响较小。 2、二次电池 二次电池又称充电电池，它在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又可逆向进行，使生成物恢复原状，充放电可循环进行，至一定周期后终止。 （1） 铅蓄电池 最早使用的充电电池时铅蓄电池，目前汽车上使用的电瓶大多仍是铅蓄电池。它是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳，在正极上有一层棕褐色PbO2，负极板是海绵状金属铅，两极均浸在一定浓度的H2SO4溶液中，且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。 蓄电池放电时，电极反应为： 负极：Pb+SO42--2e-=PbSO4 正极：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O ( 放电 充电 )蓄电池充电和放电的总反应式为： Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O （2） 镍—镉碱性蓄电池 负极（Cd）：Cd+2OH--2e-=Cd(OH)2（氧化反应） 正极（NiO2）：NiO2+2H2O+2e-=Ni(OH)2+2OH-（还原反应） 总反应式：Cd+NiO2+2H2O=Cd(OH)2+Ni(OH)2 （3）新一代绿色电池——锂离子电池 特点：高能电池，电压高、质量轻、贮存时间长等。 用途：电脑、手表、心脏起搏器等。 注意：电池中含有汞、隔、铬、铅等大量毒性很强的重金属，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染，并通过食物链给人类的身体健康造成威胁和危害；另一方面，电池中的有色金属是宝贵的自然资源，如果能会后再利用，可以减少对环境的威胁和节约资源。 3、燃料电池 燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的化学电池。燃料电池和其他电池中的氧化还原反应一样都是一种自发的化学反应。燃料电池包括氢氧燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池、乙醇燃料电池和液态肼燃料电池等。 （1） 氢氧燃料电池 氢氧燃料电池时一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。在氢氧燃料电池中用多孔隔膜把电池分成三部分。电池的中间部分装有KOH溶液，左侧通入燃料H2，右侧通入氧化剂O2。 气体通过隔膜，缓慢扩散到KOH溶液中并发送下列电极反应： 负极：2H2-4e-+4OH-=4H2O 正极：O2+2H2O+4e-=4OH- 总反应：2H2+O2=2H2O 在298K，1.01×105Pa下，H2的燃烧热是237kJ/mol，从原则上说燃烧1molH2可以转换成237kJ的电功。如果通过加热蒸汽间接得到电能，则所产生的电能最多不超过237kJ×40%。若将它设计成一个电池，一般可以得到200kJ电功。电能的利用率较一般放电方式增加了一倍。燃料电池的突出优点是把化学能直接转变为电能而不经过热能这一中间形式，因此化学能的利用率很高而且减少了环境污染。 注意：如果将上面的电解质KOH改为酸，电极反应和总反应为： 负极：2H2-4e-=4H+ 正极：O2+4H++4e-=2H2O 总反应：2H2+O2=2H2O （2）甲烷燃料电池 甲烷燃料电池也称天然气燃料电池，用金属铂片插入KOH溶液作电极，在两极上分别通甲烷（燃料）和氧气（氧化剂）即可组成简易的甲烷燃料电池，其电极反应式为： 负极：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O 正极：2O2+4H2O+8e-=8OH- 总反应：CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O 注意：燃料电池与干电池或蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是用外加的设备提供燃料和氧化剂等，使反应能连续进行。 拓展应用 拓展一：原电池电极的判断方法 1、材料判断法 一般情况：活泼的金属为负极；活泼性较弱的金属或石墨为正极。若有强氧化性的材料，则该材料作正极，如O2、PbO2等。 2、原理判断法 （1）负极总是失电子发生氧化反应，正极总是得电子发生还原反应。 （2）电流是由正极流向负极；电子流动方向是负极流向正极。 （3）阳离子移向的是正极，阴离子移向的是负极。 3、现象判断法 溶解的为负极，增量或有气泡放出的为正极。 注意： （1） 不要认为“活泼金属一定做负极”， 如右图甲池中Mg作负极：Mg-2e-=Mg2+， Al作正极：2H++2e=H2↑； 乙池中由于镁不与强碱反应而Al和NaOH溶液的反应能自发进行，所以Al作负极； 2Al-6e-+8OH-=2AlO2-+4H2O， Mg作正极：6H2O+6e-=3H2↑+6OH-。 （2） 原电池电极和电极反应可以变换。例如在Fe、Pb和浓HNO3构成原电池中，开始时，电解质是浓HNO3，Fe在浓HNO3中钝化，所以开始时，Pb是负极；后来，浓HNO3变成稀HNO3，Fe的钝化被解除，Fe成为原电池的负极。 拓展二：原电池工作原理的应用 1、利用原电池原理设计新型化学电池 2、改变化学反应速率 例如，在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。 3、进行金属活泼性强弱比较 两种金属分别做原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。 2、 用于金属的防护 使被保护的金属制品做原电池正极而被保护。例如，要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌块作原电池的负极 拓展三：二次电池电极反应式的书写方法 ( 放电 充电 ) ( 放电 充电 )首先明确电池的正负极、电极材料和电解质溶液的性质，还要注放电或充电的方向。例如，铅蓄电池其总反应式为：Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O 其电极反应式的书写步骤为： （1） 放电时的电极反应式 放电时，为原电池原理，总反应中已指明放电方向从左向右的过程，即可逆符号左边为反应物，右边为生成物。 ①由化合价的升降判断负、正极的反应物 负极：Pb 正极：PbO2 ②主产物 负极：PbSO4 正极：PbSO4 ③由化合价升降确定电子得失的数目 负极：失2e- 正极：得2e- ④电极反应关系式 负极：Pb-2e-=PbSO4 正极：PbO2+2e-=PbSO4 ⑤考虑电解质溶液，再利用电荷守恒、质量守恒调整反应式 负极：Pb-2e-+SO42-=PbSO4 正极：PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O （2） 充电时的电极反应式 充电时，是总反应式的逆向过程，氧化剂、还原剂都为PbSO4。分析反应过程 阴极（发生还原反应或与外电源负极相连）反应过程：PbSO4Pb。 阳极（发生氧化反应或与外电源正极相连）反应过程：PbSO4PbO2。 充电时电极反应 阴极：PbSO4+2e-=Pb+SO42- 阳极：PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H++SO42- 拓展四：燃料电池电极反应式的书写方法 1、确定总反应 燃料电池的总反应式通常为燃料在氧气中的燃烧反应，如甲烷的燃烧反应：CH4+2O2=CO2+2H2O 这个反应是不是燃料电池的总反应，还要结合电解液成分来具体分析，如果是酸性电解质，这个反应是燃料电池的总反应；如果是碱性电解质，还要考虑：CO2+2OH-=CO32-+H2O所以燃料电池的总反应为：CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O。 2、确定简单的电极反应 一般来说，燃料电池的正极反应式比较简单，通常有如下几种写法： 酸性电解质中：O2+4H++4e-=2H2O 碱性电解质中：O2+2H2O+4e-=4OH- 熔融盐电解质中：O2+4e-=2O2- 1、 确定负极的电极反应 复杂电极反应式=总反应式-简单一极的电极反应式 燃料电池的总反应减去正极（负极）反应即得负极（正极）反应，电极式相减时要注意电子守恒。如： （1） CH4酸性燃料电池： 总反应：CH4+2O2=CO2+2H2O-正极反应： 2O2+8H++8e-=4H2O=负极反应：CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+ （2） CH4碱性燃料电池： 总反应：CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O-正极反应： 2O2+4H2O+8e-=8OH-=负极反应： CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O （3） CH4熔融盐燃料电池： 总反应：CH4+2O2=CO2+2H2O-正极反应：2O2+8e-=4O2-= 负极反应：CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O 新思维教育化学聂老师 电话：13384730903 ( 1 )选修4 第四章第二节 化学电源 学科网（北京）股份有限公司 ( 1 )选修4 第四章第四节 金属的电化学腐蚀与防护 学科网（北京）股份有限公司 $