化學(xué)人教版（2023）選擇性必修第一冊(cè) 4.1.1原電池的工作原理 課件(共32張PPT)

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第四章化學(xué)反應(yīng)與電能

第一節(jié)原電池

第1課時(shí)原電池的工作原理

汽車等機(jī)動(dòng)車往往需要配備電池，人造衛(wèi)星、宇宙飛船等必須攜帶電池，人們?cè)谌粘Ｉ钪幸步?jīng)常要使用電池……這些足以說(shuō)明電池的重要作用。

現(xiàn)在，為滿足人們生產(chǎn)和生活水平不斷提高的需要，性能優(yōu)異的新型電池相繼出現(xiàn)，如鋅銀電池、鋰電池、燃料電池等。那么，電池究竟是一種什么樣的裝置？他們?cè)诠ぷ鲿r(shí)，裝置中發(fā)生了什么變化？

1．原電池：利用氧化還原反應(yīng)原理將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其反應(yīng)本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)。

一、原電池的工作原理

注：原電池中的化學(xué)能并非全部轉(zhuǎn)化為電能，有一部分轉(zhuǎn)化成熱能等其他形式的能量

氧化反應(yīng)

還原反應(yīng)

④有閉合回路

(–)

(＋)

Zn-2e-=Zn2+

Cu2++2e-=Cu

硫酸溶液

Zn

Cu

e-

SO42-

H+

A

Zn+2H+=Zn2++H2

①能自發(fā)的進(jìn)行

氧化還原反應(yīng)

③電解質(zhì)溶液

②一般有還原性差異的材料作兩個(gè)電極

Cu

2．原電池的構(gòu)成條件

(1)具有兩個(gè)活潑性不同的電極。

(2)合適的電解質(zhì)溶液。

(3)形成閉合回路(兩電極用導(dǎo)線相連或互相接觸并插入電解質(zhì)溶液中)。

(4)能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

兩極一液一回路先自發(fā)

負(fù)極：較活潑的金屬

正極：較不活潑的金屬、石墨等

上圖是我們?cè)诒匦?中學(xué)習(xí)過(guò)的將鋅片和銅片置于稀硫酸的原電池，如果用它做電源，不但效率低，而且時(shí)間稍長(zhǎng)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？有沒(méi)有什么改進(jìn)措施？

隨著時(shí)間的延續(xù),銅極上很快就聚集了許多氫氣泡，把銅極跟稀硫酸逐漸隔開(kāi)，這樣就增加了電池的內(nèi)阻，使電流不能暢通。這種作用稱為極化作用。

ZnSO4溶液

H2SO4溶液

Zn

Cu

A

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(dòng)。

鹽橋

為了解決以上問(wèn)題設(shè)計(jì)了如下圖所示的裝置

帶鹽橋的原電池

把鋅電極與H2SO4溶液分開(kāi)

注:這種用鹽橋連接的原電池也叫雙液原電池

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。

鹽橋

鹽橋制法：1)將熱的瓊膠溶液倒入U(xiǎn)形管中(注意不要產(chǎn)生裂隙)，將冷卻后的U形管浸泡在KCl或NH4NO3的飽和溶液中即可。2)將KCl或NH4NO3的飽和溶液裝入U(xiǎn)形管，用棉花都住管口即可。

瓊膠也稱瓊脂，是一種從海洋植物提取出來(lái)的膠體。

鹽橋的作用：a.連接內(nèi)電路，形成閉合回路；b.平衡兩側(cè)的電荷，K+→正極，Cl-→負(fù)極,使原電池不斷產(chǎn)生電流。

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(dòng)，產(chǎn)生持續(xù)、穩(wěn)定的電流

加入鹽橋后由兩個(gè)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(yáng)離子定向移動(dòng)與兩極之間通過(guò)鹽橋構(gòu)成閉合回路。

注：電子只能在兩極和外電路中流動(dòng)，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-=Cu

Zn－2e-=Zn2+

Zn+Cu2+=Zn2++Cu

ZnSO4溶液

Cu

Zn

CuSO4溶液

鹽橋

雙液原電池（帶鹽橋）

裝置特點(diǎn)：

由兩個(gè)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(gè)半電池中的電極與電解質(zhì)溶液互不反應(yīng)，中間通過(guò)鹽橋連接形成閉合回路。

SO42－

Zn2+

e－

e－

SO42－

Cu2+

K+

Cu

Zn

K+

Cl－

K+

Cl－

K+

Cl－

K+

Cl－

K+

Cl－

Cl－

K+

K+

Cl－

K+

K+

K+

Cl－

Cl－

K+

Cl－

Cl－

Cl－

有鹽橋的原電池工作示意圖

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(yáng)離子K+則向CuSO4溶液擴(kuò)散和遷移，分別中和過(guò)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(lái)。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(gè)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(shí)，CuSO4則由于Cu2+變?yōu)镃u，使得SO42-相對(duì)較多而帶負(fù)電荷。溶液不保持電中性，這兩種因素均會(huì)阻止電子從鋅片流向銅片，造成電流中斷。

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(dòng)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(dòng)，減少了離子的混亂，使離子移動(dòng)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)。

答：(1)鋅銅原電池工作時(shí)，電子由鋅片沿導(dǎo)線移向銅片，陰離子(Cl-、SO42-)在電解質(zhì)溶液中移向鋅片，陽(yáng)離子(K+、Cu2+)移向銅片。

(2)負(fù)極：Zn-2e-=Zn2+

正極：Cu2++2e-=Cu

總反應(yīng)：Zn+Cu2+=Cu+Zn2+

電極：Zn—負(fù)極，Cu—正極

工作原理：負(fù)極→失電子→發(fā)生氧化反應(yīng)→電子通過(guò)導(dǎo)線流向正極→正極→得電子→發(fā)生還原反應(yīng)

電極反應(yīng)：

總反應(yīng)：Zn+Cu2+=Zn2++Cu

溶液中：陰離子→負(fù)極，陽(yáng)離子→正極

外電路—電子導(dǎo)電，內(nèi)電路—離子導(dǎo)電

4.原電池的工作原理(以Zn-Cu原電池為例)

電極Zn電極Cu電極

電極名稱負(fù)極正極

得失電子失電子得電子

電子流向流出流入

反應(yīng)類型氧化反應(yīng)還原反應(yīng)

電極反應(yīng)式Zn-2e-=Zn2+Cu2++2e-=Cu

總反應(yīng)式Zn+Cu2+=Zn2++Cu

判斷依據(jù)正極負(fù)極

電極材料

電子流向

電極反應(yīng)

電極現(xiàn)象

離子移向陽(yáng)離子移向陰離子移向

電極減輕

不活潑金屬或非金屬導(dǎo)體

活潑金屬

電子流入

電子流出

還原反應(yīng)

氧化反應(yīng)

電極增重或產(chǎn)生氣體

原電池電極(正極、負(fù)極)的判斷依據(jù)

小結(jié)：

原電池原理是將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分開(kāi)進(jìn)行，還原劑在負(fù)極上失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電子通過(guò)導(dǎo)線流向正極，氧化劑在正極上得到電子發(fā)生還原反應(yīng)。

正極得電子數(shù)目=負(fù)極失電子數(shù)目

5．能否構(gòu)成原電池的判斷——四看

①看電極——兩極為導(dǎo)體且存在活潑性差異（燃料電池的電極一般為惰性電極）

②看溶液——兩極插入電解質(zhì)溶液中（或接觸）

③看回路——形成閉合回路或兩極直接接觸

④看本質(zhì)——有無(wú)自發(fā)的氧化還原反應(yīng)發(fā)生

6．原電池的電極法反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)

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+→H2O

②堿性介質(zhì)中，若生成H+，結(jié)合OH-→H2O

③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(yáng)離子，則可能會(huì)結(jié)合OH-→沉淀M(OH)n

3、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(gè)電極反應(yīng)式，可得另一個(gè)電極的反應(yīng)式

5、規(guī)律：①一般來(lái)說(shuō)，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(yáng)離子與金屬反應(yīng)的介質(zhì)中：NX++xe-=N

陽(yáng)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)“↓”

1．鹽橋在原電池裝置中的作用是什么若撤去鹽橋，電流表的指針如何變化？

答案:①連接兩個(gè)“半電池”,形成閉合回路;②鹽橋中,陽(yáng)離子移向正極區(qū)電解質(zhì)溶液中,陰離子移向負(fù)極區(qū)電解質(zhì)溶液中,使氧化還原反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,不斷產(chǎn)生電流。若撤去鹽橋、電流表的指針會(huì)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

答案:原電池的電解質(zhì)溶液中,陰離子向負(fù)極移動(dòng),陽(yáng)離子向正極移動(dòng)?？珊?jiǎn)記為:正正負(fù)負(fù)[解釋:正(指陽(yáng)離子)→正(指正極)、負(fù)(指陰離子)→負(fù)(指負(fù)極)]。

【思考與討論】

2．原電池工作時(shí),陰、陽(yáng)離子在電解質(zhì)溶液中的運(yùn)動(dòng)方向是怎樣的

1．判斷下列裝置能構(gòu)成原電池的是（）

1．判斷下列那些裝置可以構(gòu)成原電池

H2SO4

ZnZn

（1）

石墨

石墨

H2SO4

（2）

H2SO4

Zn石墨

（3）

ZnCu

H2SO4

（4）

CuSO4

ZnCu

（5）

C2H5OH

ZnCu

（6）

ZnCu

ZnSO4CuSO4

（7）

2．某原電池裝置如圖所示。下列有關(guān)敘述中正確的是()

(鹽橋中裝有含瓊膠的KCl飽和溶液)

A．Fe作正極，發(fā)生氧化反應(yīng)

B．工作一段時(shí)間后，兩燒杯中溶液pH均不變

C．負(fù)極反應(yīng)：2H＋＋2e－===H2↑

D．工作一段時(shí)間后，NaCl溶液中c(Cl－)增大

解析:該裝置是原電池。A項(xiàng)，在該原電池中Fe作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)；B項(xiàng)，工作一段時(shí)間后，左邊的燒杯中會(huì)含有大量的Fe2＋，溶液的pH減小，右邊燒杯中的H＋不斷放電產(chǎn)生氫氣，因此燒杯中溶液pH會(huì)逐漸增大；C項(xiàng)，負(fù)極反應(yīng)是Fe－2e－===Fe2＋；D項(xiàng)，工作一段時(shí)間后，左側(cè)燒杯中由于Fe2＋不斷進(jìn)入溶液，根據(jù)溶液呈電中性原則，鹽橋中的Cl－會(huì)進(jìn)入該燒杯溶液中，則該燒杯溶液中c(Cl－)增大。

D

3．下列裝置中，哪些能構(gòu)成原電池？其他不能構(gòu)成原電池的原因是什么？

解析:裝置D能構(gòu)成原電池；裝置A不能構(gòu)成原電池，原因是酒精為非電解質(zhì)；裝置B不能構(gòu)成原電池，原因是沒(méi)有形成閉合回路；裝置C不能構(gòu)成原電池，原因是兩個(gè)金屬電極的活潑性相同。

D

4．下列燒杯中盛放的都是稀硫酸，在銅電極上能產(chǎn)生氣泡的是()

ABCD

解析:B、C選項(xiàng)均無(wú)化學(xué)反應(yīng)；D選項(xiàng)Zn與稀硫酸反應(yīng)，但裝置不能形成閉合回路，只有A符合要求。

A

5．下列有關(guān)電化學(xué)知識(shí)的描述正確的是()

A．行人踩踏發(fā)電瓷磚(原理是利用行人踩踏地板產(chǎn)生的振動(dòng)來(lái)發(fā)電)是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能

B．某原電池反應(yīng)為Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag，裝置中的鹽橋可以裝有含瓊膠的KCl飽和溶液

C．因