原電池工作原理 課件 【基礎(chǔ)建構(gòu)+拓展延伸】 高二上學(xué)期人教版（2019）化學(xué)選擇性必修1

第四章化學(xué)反應(yīng)與電能第一節(jié)原電池第1課時原電池的工作原理1.了解原電池的工作原理和構(gòu)成原電池的條件。(重點(diǎn))2.原電池原理的應(yīng)用；能正確書寫電極反應(yīng)式和電池反應(yīng)方程式。(重難點(diǎn))一、原電池1、概念：將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置叫做原電池。理解：①外形－－無外加電源②自發(fā)的氧化還原反應(yīng)才可能被設(shè)計成原電池CuZn

稀硫酸---Zn2+H+H+Zn－2e-=Zn2+負(fù)極正極2H+

+

2e-=H2↑總反應(yīng)式:Zn+2H+=Zn2++H2↑負(fù)正氧化反應(yīng)還原反應(yīng)現(xiàn)象：A原電池工作原理陽離子陰離子正極負(fù)極鋅棒溶解，銅棒上有氣泡負(fù)極正極Zn-2e-=Zn2+2H++2e-=H2↑還原劑(Zn)失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)氧化劑(H+)在銅極上得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)還原劑失去的電子從鋅極流出流入銅極經(jīng)外電路Zn2+H+SO42-電流方向電解質(zhì)中陰離子向負(fù)極移動，陽離子向正極移動1.原電池工作原理2、構(gòu)成原電池的條件（1）必須自發(fā)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)；（3）兩個電極必須插入電解質(zhì)溶液中或熔融的電解質(zhì)中；（4）兩個電極必須相連并形成閉合回路。（2）必須有兩種活潑性不同的導(dǎo)電材料作電極；兩種活潑不同的金屬。一種金屬與一種非金屬（如石墨）。兩電極都是其它材料。電極材料

兩極一液一反應(yīng)，閉合回路原電池的判斷方法隨堂小練ABCEFMN下列哪幾個裝置能形成原電池？OVXVVXXXV下列關(guān)于原電池的敘述中，正確的是（）A．把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，發(fā)生氧化還原反應(yīng)B．外電路中電子從負(fù)極流向正極C．電子從活潑金屬流向不活潑金屬，不活潑金屬為負(fù)極D．正極發(fā)生氧化反應(yīng)B隨堂小練單液原電池H2SO4

溶液A按此方法設(shè)計的原電池，如果用它做電源，不但效率低，而且時間稍長電流就很快減弱，因此不適合實(shí)際應(yīng)用。這是什么原因造成的呢？主要原因：負(fù)極與陽離子直接接觸【說明】由于裝置中Cu2+與Zn直接接觸，Zn失電子后，Cu2+可以直接在鋅片上得到電子，所以這種原電池的效率不高，電流在短時間內(nèi)就會衰減。ZnSO4溶液H2SO4溶液ZnCuA鹽橋中一般裝有飽和的KCl溶液和瓊脂制成的膠凍;膠凍的作用是防止管中溶液流出;K+和Cl-能在膠凍內(nèi)自由移動。鹽橋把鋅電極與H2SO4溶液分開注:這種用鹽橋連接的原電池也叫雙液原電池

[雙液原電池（帶鹽橋）]加入鹽橋后由兩個半電池組成的原電池工作原理：半電池中：還原性強(qiáng)的材料作負(fù)極，失電子被氧化外電路中：電子由負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線流向正極另半電池：電解質(zhì)溶液中氧化性強(qiáng)的離子在正極得電子被還原內(nèi)電路中：溶液中電解質(zhì)電離出的陰陽離子定向移動與兩極之間通過鹽橋構(gòu)成閉合回路。注：電子只能在兩極和外電路中流動，不可能進(jìn)入溶液中。即“電子不下水，離子不上岸”鋅半電池銅半電池電極反應(yīng)：負(fù)極：正極：總反應(yīng)：

Cu2++2e-=CuZn－2e-=Zn2+Zn+Cu2+=Zn2++Cu鋅銅原電池（鹽橋）ZnSO4溶液CuZnCuSO4溶液鹽橋[雙液原電池（帶鹽橋）]現(xiàn)象：鋅片逐漸溶解，銅片上有氣泡產(chǎn)生，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。此電池的優(yōu)點(diǎn)：能產(chǎn)生持續(xù)、穩(wěn)定的電流。裝置特點(diǎn)：

由兩個半電池組成，鋅和鋅鹽組成鋅半電池，銅和銅鹽組成銅半電池；每個半電池中的電極與電解質(zhì)溶液互不反應(yīng)，中間通過鹽橋連接形成閉合回路。

SO42－Zn2+e－e－SO42－Cu2+K+鹽橋工作示意圖CuZnK+Cl－K+Cl－K+Cl－K+Cl－K+Cl－Cl－K+K+Cl－K+K+K+Cl－Cl－K+Cl－Cl－Cl－由于鹽橋（如KCl）的存在，其中陰離子Cl-向ZnSO4溶液擴(kuò)散和遷移，陽離子K+則向CuSO4溶液擴(kuò)散和遷移，分別中和過剩的電荷，保持溶液的電中性，因而放電作用不間斷地進(jìn)行，一直到鋅片全部溶解或CuSO4溶液中的Cu2+幾乎完全沉淀下來。若電解質(zhì)溶液與KCl溶液反應(yīng)產(chǎn)生沉淀，可用NH4NO3代替KCl作鹽橋。在整個裝置的電流回路中，溶液中的電流通路是靠離子遷移完成的。取出鹽橋，Zn失去電子形成的Zn2+進(jìn)入ZnSO4溶液，ZnSO4溶液因Zn2+增多而帶正電荷。同時，CuSO4則由于Cu2+變?yōu)镃u，使得SO42-相對較多而帶負(fù)電荷。溶液不保持電中性，這兩種因素均會阻止電子從鋅片流向銅片，造成電流中斷。優(yōu)點(diǎn)：隔離氧化劑和還原劑，不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)電子定向移動，產(chǎn)生持續(xù)、穩(wěn)定的電流提高了能量轉(zhuǎn)換率2.連接內(nèi)電路，形成閉合回路1.平衡電荷，使連接的兩溶液保持電中性鹽橋的作用改進(jìn)后的原電池裝置有哪些優(yōu)點(diǎn)？2、提高了能量轉(zhuǎn)化率（化學(xué)能→電能）；3、有效避免了電極材料與電解質(zhì)溶液的直接反應(yīng)，能夠防止裝置中化學(xué)能的自動釋放（自放電）,增加了原電池的使用壽命。1、離子在鹽橋中作定向移動，減少了離子的混亂，使離子移動更加有序，能夠產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的電流；【啟示】氧化劑和還原劑不直接接觸也能發(fā)生反應(yīng)。用銅片、銀片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、導(dǎo)線和鹽橋（裝有瓊脂-KNO3的U型管）構(gòu)成一個原電池。以下有關(guān)該原電池的敘述正確的是（）①在外電路中，電流由銅電極流向銀電極②正極反應(yīng)為：Ag++e-=Ag③實(shí)驗(yàn)過程中取出鹽橋，原電池仍繼續(xù)工作④將銅片浸入AgNO3溶液中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)與該原電池反應(yīng)相同A．①② B．②③ C．②④ D．③④C隨堂小練1．為了避免鋅片與Cu2＋直接接觸發(fā)生反應(yīng)而影響原電池的放電效率，有人設(shè)計了如下裝置。(3)電池工作時，硫酸鋅溶液中SO42－向________移動，硫酸銅溶液中SO42－向________移動。(4)此鹽橋內(nèi)為飽和KCl溶液，鹽橋是通過________移動來導(dǎo)電的。在工作時，K＋移向________________。按要求完成以下填空：(1)此裝置工作時，可以觀察到的現(xiàn)象是___________________________________________________________，電池總反應(yīng)式為_______________________。(2)以上電池中，鋅和鋅鹽溶液組成____________，銅和銅鹽溶液組成____________，中間通過鹽橋連接起來。電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，鋅片逐漸溶解，銅片上有紅色物質(zhì)析出Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

鋅半電池銅半電池鋅電極鹽橋離子正極區(qū)(CuSO4溶液)正、負(fù)極的判斷根據(jù)電子流動方向電子流出的極電子流入的極——負(fù)極——正極陰離子移向的一極陽離子移向的一極根據(jù)離子流向微觀判斷——負(fù)極——正極發(fā)生氧化反應(yīng)的極發(fā)生還原反應(yīng)的極④根據(jù)電極有氣泡冒出——負(fù)極——正極

質(zhì)量增加的電極工作后質(zhì)量減少的電極——正極——負(fù)極工作后，有氣泡冒出的電極為正極較活潑的電極材料較不活潑的電極材料—負(fù)極—正極①根據(jù)電極材料宏觀判斷②根據(jù)原電池電極發(fā)生的反應(yīng)③根據(jù)電極質(zhì)量的變化[特別提醒]

判斷電極時，不能簡單地依據(jù)金屬的活動性順序來判斷，要看反應(yīng)的具體情況。如：(1)Al在強(qiáng)堿溶液中比Mg更易失電子，Al作負(fù)極、Mg作正極。(2)Fe、Al在濃HNO3中鈍化后，比Cu更難失電子，Cu作負(fù)極、Fe、Al作正極。1.比較金屬活動性強(qiáng)弱

一般原電池中，活潑金屬作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，較不活潑金屬作正極，發(fā)生還原反應(yīng)。2.加快氧化還原反應(yīng)的速率構(gòu)成原電池的反應(yīng)速率比直接接觸的反應(yīng)速率快。

例如：實(shí)驗(yàn)室制取氫氣時，粗鋅比純鋅與稀硫酸反應(yīng)速率快；或向溶液中滴入幾滴硫酸銅溶液，產(chǎn)生氫氣的速率加快。原電池原理的應(yīng)用練習(xí)1：把a(bǔ)、b、c、d四塊金屬片浸入稀硫酸中，用導(dǎo)線兩兩相連組成原電池。若a、b相連時，a為負(fù)極，c、d相連時，電流由d到c；a、c相連時c極上產(chǎn)生大量氣泡，b、d相連時，b上有大量氣泡產(chǎn)生，則四種金屬的活動性順序由強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋?/p>

）A．a(chǎn)＞b＞c＞dB．a(chǎn)＞c＞d＞bC．c＞a＞b＞dD．b＞d＞c＞aB4.設(shè)計化學(xué)電池(1)理論上，任何自發(fā)的氧化還原反應(yīng)都可以設(shè)計成原電池。(2)外電路：還原性較強(qiáng)的物質(zhì)在負(fù)極上失去電子，氧化性較強(qiáng)的物質(zhì)在正極上得到電子。(3)內(nèi)電路：將兩電極浸入電解質(zhì)溶液中，陰、陽離子作定向移動。原電池的設(shè)計思路——“兩極一液一反應(yīng)閉合回路”原電池原理的應(yīng)用3.用于金屬的防護(hù)

使被保護(hù)的金屬制品作原電池正極而得到保護(hù)。

例如：要保護(hù)一個鐵質(zhì)的輸水管道或鋼鐵橋梁等，可用導(dǎo)線將其與鋅塊相連，使鋅作為原電池的負(fù)極。設(shè)計步驟1、先將已知能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)拆分為兩個半反應(yīng)2、根據(jù)原電池的電極反應(yīng)特點(diǎn)，結(jié)合兩個半反應(yīng)，找出正負(fù)極材料及電解質(zhì)溶液3、組成閉合回路原電池的設(shè)計思路——“兩極一液一連線”4、按要求畫出原電池裝置圖設(shè)計原電池的步驟首先確定反應(yīng)必須是能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。正負(fù)極材料的選擇：根據(jù)氧化還原反應(yīng)關(guān)系找出正、負(fù)極材料，若反應(yīng)中有金屬單質(zhì)，一般選擇活潑性較強(qiáng)的金屬作為負(fù)極，活潑性較弱的金屬或可到店的非金屬（如石墨等）作為正極；若反應(yīng)中沒有金屬單質(zhì)，一般用石墨作電極電解質(zhì)溶液的選擇：電解質(zhì)溶液一般要能夠與負(fù)極反應(yīng)，或者電解質(zhì)溶液中溶解的其他物質(zhì)能與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)（如溶解于溶液中的空氣）。但如果氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩個容器中進(jìn)行（中間連接鹽橋），則兩個容器中的電解質(zhì)溶液選擇與電解材料相同的陽離子。注：若負(fù)極材料為參與電極反應(yīng)，參與反應(yīng)的是兩種電解質(zhì)，則兩種電解質(zhì)溶液分別置于兩個容器中，一般用石墨做電解，中間用鹽橋連接。設(shè)計鹽橋原電池的思路：Zn+2Ag+=Zn2++2Ag還原劑和氧化產(chǎn)物為負(fù)極的半電池氧化劑和還原產(chǎn)物為正極的半電池根據(jù)電極反應(yīng)確定合適的電極材料和電解質(zhì)溶液外電路用導(dǎo)線連通，可以接用電器內(nèi)電路是將電極浸入電解質(zhì)溶液中，并通過鹽橋溝通內(nèi)電路畫出裝置示意圖例題：在Cu-Zn原電池中，200mLH2SO4溶液的濃度為0.125mol/L,若工作一段時間后，從裝置中共收集到0.168L升氣體，則流過導(dǎo)線的電子為

mol,溶液的pH值變_________？（溶液體積變化忽略不計）0.2解得：y

＝0.015(mol)x＝0.015(mol)＝＝3.75×10﹣4(mol/L)∴pH＝-lg3.75×10－4＝4-lg3.75答：……－0.015根據(jù)電極反應(yīng)：正極：負(fù)極：Zn－2e-＝Zn2+2H++2e-

＝H2↑得：2222.4x

y0.168解：0.2×0.125×2c(H+)余∴2H+——

2e——H2↑大0.015原電池的電極法反應(yīng)式的書寫1、分析電極反應(yīng)：負(fù)極氧化產(chǎn)物正極還原產(chǎn)物氧化反應(yīng)，失電子還原反應(yīng)，得電子2、注意電解質(zhì)溶液環(huán)境：電極產(chǎn)物在電解質(zhì)溶液中應(yīng)穩(wěn)定存在①酸性介質(zhì)中，若生成OH-,結(jié)合H+→H2O②堿性介質(zhì)中，若生成H+，結(jié)合OH-→H2O③堿性介質(zhì)中，若生成CO2，結(jié)合OH-→CO32-

④堿性介質(zhì)中，若生成金屬陽離子，則可能會結(jié)合OH-→沉淀M(OH)n3、遵守三大守恒：質(zhì)量守恒、電荷守恒、轉(zhuǎn)移電子守恒4、兩極反應(yīng)式疊加得總反應(yīng)式，總反應(yīng)式減去其中一個電極反應(yīng)式，可得另一個電極的反應(yīng)式5、規(guī)律：①一般來說，金屬作負(fù)極的原電池負(fù)極：酸性或中性介質(zhì)中：M—ne-=Mnn+

堿性介質(zhì)中:M—ne-+nOH-=M(OH)n正極：酸性介質(zhì)中：2H++2e-=H2↑陽離子與金屬反應(yīng)的介質(zhì)中：NX++xe-=N陽離子不與金屬反應(yīng)的介質(zhì)中：O2+4e-+2H2O=4OH-

②特殊：鋁鎂氫氧化鈉電解質(zhì)，鋁銅濃硝酸電解質(zhì)注：電極反應(yīng)式中若有氣體生成，需加“↑”；若有固體生成，一般不標(biāo)“↓”[例題1]請寫出右邊原電池的電極反應(yīng)式。MgAlNaOH溶液A先寫出總反應(yīng)：即負(fù)極與電解質(zhì)溶液反應(yīng)2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑2Al+2H2O+2OH－=2AlO2－+3H2↑拆成離子方程式：根據(jù)化合價升降判斷正負(fù)極負(fù)極：Al，失e-。2Al-6e－＝2Al3+2Al3++8OH-=2AlO2-+4H2O負(fù)極總反應(yīng)：2Al+8OH-－6e－＝2AlO2-+4H2O正極：總反應(yīng)－負(fù)極反應(yīng)：6H2O＋6e－＝6OH—＋3H2↑-6e-+6e-[例題2]Al和Cu作電極所構(gòu)成的原電池電解質(zhì)溶液為稀硫酸①Al作____極,②Cu作____極電極反應(yīng)式是：負(fù)極___________________正極___________________總反應(yīng)式_____________________負(fù)正2Al-6e-=2Al3+6H++6e-=3H2↑2Al+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2↑(2Al+6H+=2Al3++3H2↑)變式Al和Cu作電極所構(gòu)成的原電池電解質(zhì)溶液為濃硝酸①Al作____極②Cu作____極電極反應(yīng)式是：負(fù)極___________________正極______________