原電池原理及電極方程式的書寫

原電池的原理及書寫技巧2021/5/91考綱點擊了解原電池的工作原理,能寫出電極反應和總方程式了解常見的化學電源的種類及其工作原理了解金屬發(fā)生電化學腐蝕的原因及防護措施綜合運用及分析2021/5/92一、原電池的原理1.定義:原電池是把______轉(zhuǎn)化為_____的裝置.原電池反應的本質(zhì)是____________________化學能電能2.構(gòu)成條件:(1)具有兩個活潑性不同的電極(2)具有電解質(zhì)溶液(3)形成閉合的電路如右圖,形成閉合電路的有_______,沒有形成閉合電路的有________.①②⑥③④⑤分析:圖1雖然具有兩個活潑性不同的電極,但是兩金屬沒有接觸或用導線連接,圖2應添加鹽橋,圖6沒有兩個活潑性不同的電極,因此①②⑥都沒有形成閉合電路發(fā)生氧化還原反應2021/5/933.原電池的兩級負極:活潑性____的金屬,發(fā)生反應的物質(zhì)是______,發(fā)生________的反應,生成物是_________.較強還原劑失去電子氧化產(chǎn)物正極:活潑性____的金屬,發(fā)生反應的物質(zhì)是______,發(fā)生________的反應,生成物是_________.較弱氧化劑得到電子還原產(chǎn)物指出下圖的正負極:①負極:Zn正極:Fe②負極:Zn正極:稀硫酸③負極:Fe正極:Cu④不形成原電池⑤負極:Zn正極:Zn2+⑥不形成原電池2021/5/94與原電池相關(guān)的概念2.電極：1.電路：外電路內(nèi)電路電子流向：失電子的一極向得電子的一極陽離子流動方向與電流方向一致正極：電子流入的一極負極：電子流出的一極陰離子流動方向與電子流動方向一致電流方向：與電子流動方向相反2021/5/95原電池原理

銅鋅原電池負極正極內(nèi)電路氧化反應還原劑還原反應氧化劑外電路陽離子失e，沿導線傳遞，有電流產(chǎn)生電解質(zhì)溶液陰離子陽離子2021/5/96三、關(guān)于原電池結(jié)構(gòu)的探究我們在必修2中學習過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，而且時間稍長電流就很快減弱，因此不適合實際應用。有沒有什么改進措施？將兩電極分開放置不同的區(qū)域,再添加鹽橋以代替原來的兩種溶液的直接接觸鹽橋制法：1)將熱的瓊膠溶液倒入U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形管，用棉花都住管口即可。2021/5/97此電池的優(yōu)點：能產(chǎn)生持續(xù)、穩(wěn)定的電流。鹽橋的作用：（1）使整個裝置構(gòu)成通路，代替兩溶液直接接觸。（2）平衡電荷.2021/5/98ABCDEFMNOVXVVXXXXV1.下列哪幾個裝置能形成原電池？2021/5/992.一個電池反應的離子方程式是Zn+Cu2+=Zn2++Cu,該反應的的原電池正確組合是（）ABCD正極ZnCuCuFe負極CuZnZnZn電解質(zhì)溶液CuCl2H2SO4CuSO4HClC2021/5/9101.某金屬能跟稀鹽酸作用發(fā)出氫氣，該金屬與鋅組成原電池時，鋅為負極，此金屬是()A.MgB.FeC.AlD.CuB2.由銅鋅和稀硫酸組成的原電池工作時，電解質(zhì)溶液的pH()A.不變B.先變大后變小C.逐漸變大D.逐漸變小C2021/5/9113.把a、b、c、d四塊金屬片浸入稀硫酸中，用導線兩兩相連組成原電池。若a、b相連時，a為負極；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到弱的為()A．a(chǎn)>b>c>dB．a(chǎn)>c>d>bC．c>a>b.>dD．b>d>c>aB2021/5/9124、如圖所示，在鐵圈和銀圈的焊接處，用一根棉線將其懸在盛水的燒杯中，使之平衡；小心的向燒杯中央滴入CuSO4溶液，片刻后可觀察到的現(xiàn)象是()

DA.鐵圈和銀圈左右搖擺不定B.保持平衡狀態(tài)C.鐵圈向下傾斜，銀圈向上傾斜D.銀圈向下傾斜，鐵圈向上傾斜2021/5/913二、原電池模型1.最簡單的原電池——銅鋅原電池結(jié)構(gòu)如圖所示電極總反應為:Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑用氧化還原反應的雙線橋?qū)Υ朔磻碾x子方程式進行分析：0+1+20Zn+2H+=Zn2++H2↑化合價升高，失2e－,被氧化，作還原劑化合價降低，得2e－

,被還原，作氧化劑負極反應分析:負極發(fā)生失去電子的反應,活潑電極失電子,發(fā)生反應的是還原劑,生成物是氧化產(chǎn)物則有Zn–2e－=Zn2+

正極反應分析:正極發(fā)生得到電子的反應,作氧化劑,這個反應中,得到電子的應該是H+則正極反應方程式應該為:2H++2e-=H2↑現(xiàn)象:鋅片逐漸溶解,銅片不消耗,但有氣泡在銅片上產(chǎn)生.2021/5/914書寫這個原電池的兩極反應方程式和總方程式:負極:________________________;正極:________________________;總反應:_______________________;Zn-2e-=Zn2+Cu2++2e-=CuZn+Cu2+=Zn2++Cu2021/5/915兩級金屬分別為Mg和Al,電解質(zhì)為NaOH溶液,請寫出它的兩極反應方程式和總反應方程式:負極:______________________________;正極:_______________________________;總反應:__________________________;請討論將電解質(zhì)換成鹽酸溶液時,該原電池又會怎么反應?2Al-6e-+8OH-=2AlO2-+4H2O2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2↑6H2O+6e-=3H2↑+6OH-2021/5/916與其電極反應方程式進行比對，可以得出寫原電池電極反應方程式的一個方法——氧化還原分析法：在負極發(fā)生反應的物質(zhì)是還原劑，發(fā)生失電子的反應，生成物是雙線橋終點所指的氧化產(chǎn)物；在正極發(fā)生反應的是氧化劑，發(fā)生得電子的反應，生成物是雙線橋終點所指的還原產(chǎn)物。這一方法在原電池設計和電極反應方程式書寫中有重要地位和作用！如果已知原電池的總反應，可以用這一方法很容易地確定正、負極反應物。2021/5/9172.普通鋅錳干電池（酸性）構(gòu)成：這種負極材料是鋅，正極材料是炭棒。在石墨周圍填充NH4Cl和淀粉糊作電極質(zhì)、還填有MnO2和炭黑作為去極劑以除去炭棒上的氫氣膜，減小電池的內(nèi)阻，反應后轉(zhuǎn)變?yōu)镸n2O3。對此電池的電極反應可以進行如下分析：負極反應是Zn失去電子變成Zn2+；失去的電子被什么物質(zhì)得到了呢？由已知條件，某種物質(zhì)得電子后生成了氫氣，生成的氫氣又被MnO2吸收，考慮到NH4+水解可以產(chǎn)生H+得電子變成氫氣，所以電極反應和總反應分別為：2021/5/918負極反應：Zn－2e-=Zn2+（失電子，電荷平衡）正極反應的過程：①2NH4++2H2ONH3+2H+（可逆反應）②2H++2e-=H2

③H2+2MnO2=Mn2O3+H2O正極總反應為:2NH4++2e-+2MnO2=2NH3+H2O+Mn2O3（注：NH4+水解本來是可逆反應，但是由于生成物被消耗，所以平衡向正反應方向移動。）2021/5/9193.堿性鋅錳電池構(gòu)成：負極材料是鋅；電解質(zhì)是KOH;正極材料是MnO2,在反應中變成MnOOH。對此電池進行分析：負極仍然是鋅失去電子，變成Zn2+，但是由于電解質(zhì)是KOH，產(chǎn)生的Zn2+會與OH－反應生成Zn(OH)2，于是可得出如下方程式：負極反應的過程：①Zn－2e－

=Zn2+②Zn2++2OH—＝Zn(OH)2負極總反應：Zn+2OH—－2e－=Zn(OH)2；2021/5/920根據(jù)已知條件，正極材料MnO2在反應中變成MnOOH。根據(jù)元素守恒，有兩種可能：1、OH-離子參與反應2、H2O參與反應；考慮到在負極消耗了OH-，則在正極反應中通常會使OH-會得以補充，故此判斷應該是H2O參與了反應且反應后生成OH-。這就是離子守恒原理在原電池當中的應用。這一反應的正極反應方程式為：2021/5/921正極反應：

2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-總反應式：

Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)22021/5/922通過這幾個例子可以發(fā)現(xiàn)這樣一個規(guī)律：活潑金屬作負極時，金屬失去電子后首先變成金屬陽離子，但是最終在原電池是以什么形式存在，還須考慮電解質(zhì)溶液的性質(zhì)。如銅鋅原電池、普通鋅錳干電池中Zn失去電子以后變成Zn2+；而堿性鋅錳電池中Zn變成Zn2+后還會與電解質(zhì)溶液中的2OH-反應生成Zn(OH)2。2021/5/9232、充電電池鉛蓄電池結(jié)構(gòu)：鉛蓄電池有用橡膠或者塑料制成的長方型外殼，一個電極板上有一層棕褐色的PbO2，另一個電極板是海綿狀金屬鉛，兩極均浸在密度為1.25g/cm3~1.28g/cm3的硫酸溶液中，且兩極用有微孔的橡膠或塑料隔開。對此電池用氧化還原分析法和電極半反應逐步推導法進行分析：2021/5/9241、體系中目前有兩種氧化劑，H+和PbO2。根據(jù)氧化還原反應的知識可知PbO2的氧化性強于H+，則根據(jù)氧化還原反應的先后律可知，是PbO2與Pb發(fā)生氧化還原反應。產(chǎn)物為+2價的Pb（化合價歸中原理）。2、Pb失電子，作負極，失電子后形成Pb2+，溶液中存在SO42-，所以Pb2+會與SO42-反應生成PbSO4。2021/5/925PbO2在酸性溶液中得到電子后化合價變?yōu)?2價（化合價歸中原理），作正極，在酸性溶液中最后生成H2O和PbSO4。于是可得方程式如下：負極反應：①Pb－2e-=Pb2+②Pb2++SO42-=PbSO4負極總反應：Pb－2e-+SO42-=PbSO4正極反應：PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O2021/5/926總反應Pb＋PbO2＋2H2SO4PbSO4＋2H2O放電充電2021/5/9273、燃料電池：我們通?？梢詫⑷剂想姵胤譃閮纱箢?，一類是普通燃料電池，一類是熔融鹽燃料電池。下面我們分別進行討論。2021/5/928（1）普通燃料電池氫氧燃料電池氫氧燃料電池是燃料電池的基礎(chǔ)，根據(jù)電解質(zhì)溶液性質(zhì)不同，我們可以將氫氧燃料電池分為三類，下面我們將為三類氫氧燃料電池進行一下對比。2021/5/929電池電解質(zhì)性質(zhì)負極反應正極反應總反應氫氧燃料電池（H2│H+│O2）酸性2H2

－4e－＝4H+O2+4e－

+4H+=2H2O2H2+O2=2H2O氫氧燃料電池（H2│Na2SO4│O2）中性2H2

－4e－

=4H+O2+4e－

+2H2O=

4OH－氫氧燃料電池（H2│OH—│O2）堿性2H2

－4e－

+4OH－

=2H2OO2+4e－

+2H2O=4OH－對此三個反應我們逐一分析:2021/5/930甲烷、空氣、KOH燃料電池通過對氫氧燃料電池研究所得出的結(jié)論，可以先確定該燃料電池的總反應。即CH4+2O2=CO2+2H2O，由于反應是在堿性電解質(zhì)溶液中進行的，所以產(chǎn)生的CO2會被OH-吸收生成CO32-，即：CO2+2OH-＝CO32-+H2O，2021/5/931兩個反應相加即得,總反應離子方程式為：CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O電池正極反應，是氧氣在堿性條件下得電子的反應，即與氫氧燃料電池中堿性條件下的正極反應相同，正極反應：O2+4e-+2H2O=4OH-2021/5/932負極反應可以用總反應減去正極反應得到：CH4+2O2+2OH-－2（O2+4e-+2H2O）=CO32-+3H2O－2×4OH-移項、化簡后得負極反應：CH4－8e-+10OH-=CO32-+7H2O2021/5/933上例中的方法是書寫電極反應的另一個常用方法——電極反應合并法：其表達式是：電極總反應＝負極反應+正極反應應當注意的是：兩個半反應合并后，總反應要合理。這也是檢驗所寫的電極方程式是否正確的方法，①合并不是兩個半反應直接相加，要使失電子和得電子的總數(shù)相等后再相加。②合并后的總方程式要符合客觀事實。如中性介質(zhì)中的氫氧燃料電池。正極反應+負極反應為：2021/5/9342H2－4e-+O2+4e-+2H2O=4OH-+4H+合并后得2H2+O2+2H2O=4OH-+4H+這一反應方程式不符合客觀事實，OH-與H+不能大量共存于同一溶液中，它們要反應生成H2O。所以最后其方程式應為：2H2+O2=2H2O。2021/5/935（2）熔融鹽電池與普通燃料電池稍有區(qū)別的是，熔融鹽電池電解質(zhì)不是溶液，而是熔融的電解質(zhì)。實際上由于電解質(zhì)成份更為簡單（只有熔融電解質(zhì)，沒有水），所以這類電池的反應也比較簡單。為了便于大家掌握，我們?nèi)匀粡淖詈唵蔚娜廴邴}電池入手進行分析。2021/5/936氫氧熔融鹽燃料電池氫氧燃料電池，電解質(zhì)在熔融狀態(tài)分別能傳導O2-

或H+，書寫電極反應方程式時要依據(jù)電解質(zhì)的性質(zhì)。（Ⅰ）傳導O2-型，如熔融氧化物作電解質(zhì)時可以傳輸O2-，此時電極反應應如下：負極：2H2-4e-+2O2-=2H2O正極：O2+4e-=2O2-2021/5/937（Ⅱ）傳導H+型，如以磷酸為電解質(zhì)的燃料電池可以傳導H+，其電極反應如下：負極：H2-2e-=2H+正極：O2+4e-+4H+=2H2O總反應仍是：2H2+O2=2H2O2021/5/938丁烷——空氣燃料電池，其電解質(zhì)是摻雜氧化釔（Y2O3）的氧化鋯（ZrO2）熔融晶體。分析：摻雜氧化釔（Y2O3）的氧化鋯（ZrO2）晶體在熔融狀態(tài)能傳導O2-，因此O2-參與負極反應；燃料電池的總反應通常與其燃燒化學方程式相同。即為：2C4H10+13O2=8CO2+10H2O。2021/5/939則其正極反應為：O2+4e-=2O2-總反應：2C4H10+13O2=8CO2+10H2O負極反應＝總反應－正極反應，得負極反應：C4H10－26e-＋13O2-=4CO2＋5H2O2021/5/940甲醇——空氣燃料電池構(gòu)成：甲醇為燃氣，空氣與CO2混合氣體作為助燃劑，碳酸鋰和碳酸鈉的混合熔融鹽作為電解質(zhì)。分析：作為燃料電池，總的效果就是把燃料進行燃燒，故電池總反應與燃料燃燒化學方程式相同：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O。2021/5/941用氧化還原反應原理進行分析：2021/5/942可以得出CH3OH失電子為還原劑，是電池負極材料。從原電池結(jié)構(gòu)來看，原電池是把氧化反應與還原反應分開在不同區(qū)域進行，再以適當方式連接起來的一種裝置。因此有以下事實擺在眼前：

1.CH3OH并不能與O2直接接觸。2.CH3OH反應生成CO2和H2O。按1molCH3OH參與反應計算，要生成1molCO2和2molH2O。于是問題產(chǎn)生了，多出來的氧原子來自哪里？答案就只有一個CH3OH只能與電解質(zhì)電離出來的CO32-反應。所以我們推理得知其負極反應為：2021/5/943負極反應：2CH3OH-12e-+6CO32-=8CO2+4H2O根據(jù)離子守恒原理，其正極反應中必定要生成CO32-，或用一個更簡單的方法——電極反應合并法:總反應－負極反應，得正極反應：3O2+12e-+6CO2=6CO32-2021/5/944對上述燃料電池進行歸納總結(jié)，我們可以得出燃料電池電極反應方程式書寫的一些規(guī)律。燃料電池的總反應通常是燃料的燃燒反應。燃料電池中通常有O2參與反應并得到電子，O2的變化規(guī)律為：酸性條件下生成H2O；中性、堿性條件下生成OH-；熔融氧化物生成O2-；熔融碳酸鹽O2與CO2