2023版人教高中同步化學選擇性必修一：第四章化學反應與電能第一節(jié)原電池

第一節(jié)原電池1.認識化學能轉(zhuǎn)化為電能的實際意義及其重要應用。2.能分析原電池的工作原理,能設(shè)計簡單的原電池。3.能列舉常見的化學電源,并能利用相關(guān)信息分析化學電源的工作原理。

原電池的工作原理

1.原電池利用氧化還原反應原理將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。2.原電池構(gòu)成條件3.原電池工作原理(以鋅銅原電池為例)裝置

現(xiàn)象鋅片逐漸溶解,銅片上有紅色物質(zhì)析出,電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)

電極名稱Zn電極——負極Cu電極——正極得失電子失電子得電子電子流向流出流入反應類型氧化反應還原反應電極反應Zn-2e-

Zn2+Cu2++2e-

Cu總反應Zn+Cu2+

Zn2++Cu

原電池工作原理的應用

1.加快氧化還原反應的速率如:在鋅與稀硫酸反應時加入少量CuSO4溶液,能使產(chǎn)生H2的速率加快。2.比較金屬活動性強弱

3.設(shè)計原電池(1)電極材料的選擇。負極一般是活潑的金屬材料,正極一般選用活潑性比負極差的金屬材料或石墨等惰性電極。(2)電解質(zhì)溶液的選擇。電解質(zhì)溶液一般要能夠與負極發(fā)生反應。若是兩個“半

反應”分別在兩只燒杯中進行,一般左、右兩只燒杯中的電解質(zhì)溶液應與電極材

料具有相同的金屬陽離子。

化學電源

1.分類

2.判斷電池優(yōu)劣的主要標準(1)比能量:即單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少。(2)比功率:即單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小。(3)電池可儲存時間的長短。

3.一次電池隨著使用,電池中能發(fā)生氧化還原反應的物質(zhì)逐漸被消耗,當這些物質(zhì)被消耗到

一定程度時,電池就不能繼續(xù)使用了。一次電池中電解質(zhì)溶液制成膠狀,不流動,

也叫做干電池。實例:堿性鋅錳電池(1)構(gòu)造(2)工作原理負極反應:Zn+2OH--2e-

Zn(OH)2;正極反應:2MnO2+2H2O+2e-

2MnO(OH)+2OH-;總反應:Zn+2MnO2+2H2O

2MnO(OH)+Zn(OH)2。4.二次電池二次電池又稱可充電電池或蓄電池,放電后可以充電使活性物質(zhì)獲得再生,此類

電池可以重復使用。鉛酸蓄電池是常見的二次電池。它由兩組柵狀極板交替排列而成,其放電反應和

充電反應表示如下:Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O(1)負極是Pb,正極是PbO2,電解質(zhì)溶液是稀硫酸。(2)放電反應原理負極反應:Pb+S

-2e-

PbSO4;正極反應:PbO2+4H++S

+2e-

PbSO4+2H2O;放電過程中,正、負極質(zhì)量均增大,電解質(zhì)溶液的pH增大。(3)充電反應原理陰極(發(fā)生還原反應):PbSO4+2e-

Pb+S

;陽極(發(fā)生氧化反應):PbSO4+2H2O-2e-

PbO2+4H++S

;充電時,鉛酸蓄電池正極與直流電源④

正

極相連,負極與直流電源⑤

負

極相連。5.燃料電池(1)氫氧燃料電池用鉑作電極,不斷充入燃料(H2)和氧化劑(O2),分別在兩極發(fā)生氧

化反應和還原反應,電池總反應是⑥

2H2+O2

2H2O

。(2)氫氧燃料電池在不同介質(zhì)中的電極反應介質(zhì)負極反應正極反應酸性2H2-4e-

4H+O2+4H++4e-

2H2O中性2H2-4e-

4H+O2+2H2O+4e-

4OH-堿性2H2-4e-+4OH-

4H2OO2+2H2O+4e-

4OH-(3)除氫氣外,烴、肼、甲醇、氨、煤氣等液體或氣體均可作燃料電池的燃料。若將用導線相連的兩個鉑電極插入KOH溶液中,然后向兩極分別通入甲醇(CH3

OH)和氧氣,發(fā)生原電池反應。在負極發(fā)生氧化反應的是CH3OH,其最終產(chǎn)物是H2

O、C

,負極反應是⑦

2CH3OH-12e-+16OH-

2C

+12H2O

;正極反應是⑧

3O2+6H2O+12e-

12OH-

;總反應是⑨

2CH3OH+3O2+4OH-

2C

+

6H2O

。

判斷正誤,正確的畫“√”,錯誤的畫“?”。1.太陽能電池在航天器中應用廣泛,它不屬于原電池

(√)2.鋰電池的體積小,性能優(yōu)良,是一種在電子設(shè)備和交通工具中常用的電池(

√)3.以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池,放電過程中,H+從正極區(qū)向負極區(qū)遷移

(

?)4.CaO+H2O

Ca(OH)2是放熱反應,可設(shè)計成原電池

(

?)提示:該反應不是氧化還原反應,不能設(shè)計成原電池。5.氫氧燃料電池可將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能

(

?)提示:氫氧燃料電池屬于原電池,是將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,不能將熱能直接

轉(zhuǎn)化為電能。6.氫氧燃料電池工作時氧氣在正極被還原

(√)提示:氫氧燃料電池中,燃料作負極,發(fā)生失電子的氧化反應,氧氣在正極被還原。7.鋅錳電池工作一段時間后碳棒變細

(

?)提示:在鋅錳電池中,碳棒作正極,該電極上二氧化錳發(fā)生還原反應,該電極質(zhì)量不

會減小,碳棒不會變細。8.普通鋅錳電池中,鋅筒作正極

(

?)提示:在普通鋅錳電池中,鋅筒作負極。

原電池的工作原理及電極名稱的判斷“雙液”原電池裝置如下圖,回答相關(guān)問題:

問題1.如圖裝置中兩金屬表面如何變化?請分析銅片和鋅片上的反應。提示:Zn片逐漸溶解,Cu上有氣泡產(chǎn)生。鋅片:Zn-2e-

Zn2+;銅片:2H++2e-

H2↑。2.鹽橋中的陰離子為什么移向負極區(qū)?提示:外電路中電子由負極流向正極使正極帶上負電荷,吸引陽離子向正極定向

移動;由于負極失電子產(chǎn)生陽離子,吸引鹽橋中的陰離子向負極定向移動。3.結(jié)合該電池的構(gòu)造分析,判斷原電池的電極名稱有哪些方法?提示:電極材料活潑性、電極反應類型、電極現(xiàn)象、電子流動方向、內(nèi)電路中離

子的移動方向等。

原電池工作原理示意圖

原電池正、負極的判斷

將鎂條和鋁條平行插入一定濃度的氫氧化鈉溶液中,用導線連接形成原電池。下

列有關(guān)該裝置的敘述正確的是

()A.因鎂比鋁活潑,故鎂是原電池的負極,鋁為正極B.鋁條表面雖有氧化膜,但可不必處理C.該電池的內(nèi)、外電路中,電流均由電子定向移動形成D.鋁是原電池的負極,工作時溶液中會立即有白色沉淀生成B解析

A項,Al易與NaOH溶液反應,Al失電子作負極;B項,Al2O3能與NaOH溶液反

應,故不必處理;C項,內(nèi)電路靠陰、陽離子的定向移動形成電流;D項,電池剛開始

工作時NaOH過量,故Al反應后在溶液中是以Al

形式存在的,無沉淀。思路點撥首先分析電池的反應原理,然后確定還原劑、氧化劑,最后判斷電極材料。易錯警示

判斷原電池的正、負極時只考慮兩極的活潑性,沒有注意電極能否與電解質(zhì)溶液

反應,易錯選A。判斷原電池的正、負極,不能單純看金屬的活潑性,還要考慮電

解質(zhì)溶液的性質(zhì),同樣的電極在不同的電解質(zhì)溶液中表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。如本題

的鎂、鋁電極,在酸性溶液中,鎂是負極、鋁是正極,而在氫氧化鈉溶液中,鋁是負

極、鎂是正極;又如鐵、銅電極在稀硫酸中,鐵是負極、銅是正極,而在濃硝酸中,

鐵是正極、銅是負極。

一種新型熔融鹽燃料電池具有高發(fā)電效率?，F(xiàn)用Li2CO3和Na2CO3的熔融混合物

作電解質(zhì),一極通CO氣體,另一極通O2和CO2混合氣體,其總反應為2CO+O2

2CO2。問題1.指出該電池的正極、負極。提示:由電池總反應2CO+O2

2CO2可知,通CO的一極為電池負極,通O2和CO2混合氣體的一極為電池正極。2.你能寫出該電池的正極反應和負極反應嗎?提示:負極的電極反應為2CO+2C

-4e-

4CO2,正極的電極反應為O2+2CO2+4e-

2C

。

電極反應式的書寫(1)先標出原電池總反應中電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目,指出參與負極和正極反應的

物質(zhì)。(2)寫出一個比較容易書寫的電極反應(書寫時一定要注意電極產(chǎn)物是否與電解

質(zhì)溶液共存)。(3)在得失電子守恒的基礎(chǔ)上,用總反應減去寫出的電極反應式即得另一電極反

應。(4)充電的電極反應與放電的電極反應過程相反。

書寫燃料電池電極反應的三大步驟(1)先寫出燃料電池總反應一般都是可燃物在氧氣中燃燒的反應方程式。若燃燒產(chǎn)物能與電解質(zhì)溶液反應,

則燃燒產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液反應的方程式與其相加得總反應方程式。(2)再寫出燃料電池正極的電極反應

二次電池電極反應的書寫方法燃料電池正極都是O2得到電子發(fā)生還原反應,基礎(chǔ)反應為O2+4e-

2O2-。①電解質(zhì)為固體時,O2-可自由通過,正極的電極反應為O2+4e-

2O2-;②電解質(zhì)為熔融的碳酸鹽時,正極的電極反應為O2+2CO2+4e-

2C

;③電解質(zhì)處于中性或堿性環(huán)境時,正極的電極反應為O2+4e-+2H2O

4OH-;④電解質(zhì)處于酸性環(huán)境時,正極的電極反應為O2+4e-+4H+

2H2O。(3)最后寫出燃料電池負極的電極反應燃料電池負極的電極反應=燃料電池總反應-燃料電池正極的電極反應。

科學家近年來研制出一種新型細菌燃料電池,利用細菌將有機物轉(zhuǎn)化為甲烷,然

后將甲烷通入以KOH為電解質(zhì)的燃料電池發(fā)電。電池負極反應為

()A.CH4-8e-+8OH-

CO2+6H2OB.O2+4H++4e-

2H2OC.CH4+10OH--8e-

C

+7H2OD.O2+2H2O+4e-

4OH-

C思路點撥根據(jù)信息確定甲烷在負極上失去電子,發(fā)生氧化反應,然后根據(jù)電解質(zhì)性質(zhì)確定

氧化產(chǎn)物的形式。解析

甲烷燃料電池的總反應為CH4+2O2+2KOH

K2CO3+3H2O,首先根據(jù)負極發(fā)生氧化反應,正極發(fā)生還原反應,判斷出負極通入甲烷,正極通入氧氣,然后根

據(jù)