(五)第四節(jié)原電池原理及應(yīng)用.doc

第四節(jié) 原電池原理及其應(yīng)用新大綱要求:(1)原電池工作原理、構(gòu)成條件；（2）電極判斷、電極反應(yīng)和電池反應(yīng)書寫；（3）金屬的腐蝕防護(hù)；（4）原電池有關(guān)計(jì)算一、知識點(diǎn)鞏固史料：電池是如何發(fā)明的？電池在我們今天的生活中，可以說已經(jīng)成為不可離開的東西了：大到汽車用的蓄電池，小到電子表上的紐扣電池。你可知道，200多年前的電池發(fā)明過程中有一段曲折的故事，它至今仍能給我們以有益的啟迪。 1800年，英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)長收到了意大利帕費(fèi)亞大學(xué)物理學(xué)教授伏打 (AVolta，1745-1827)的一封信，信中說他制成了一種能夠提供“不會(huì)衰竭的電荷及無窮的電力”的儀器，這里所說的那種儀器，就是后來所說的伏打電池。那么，伏打是如何發(fā)明出這種電池的呢？事情還須回到一年前：伏打收到他的同胞、生理學(xué)家伽法尼的一篇論文。文中談到他的一次偶然發(fā)現(xiàn)：當(dāng)他把懸有去了皮的青蛙腿的銅鉤掛在鐵架臺(tái)上，發(fā)現(xiàn)蛙腿會(huì)發(fā)生奇異的痙攣現(xiàn)象。伽法尼從職業(yè)本能出發(fā)，把注意力集中到了肌肉收縮上，認(rèn)為這是一種由生物電引起的現(xiàn)象。起初伏打也曾這樣想，不久便對此產(chǎn)生了懷疑。物理學(xué)家的敏感把他的注意引到了兩種金屬的接觸上，他的結(jié)論是“接觸電”或“金屬電”，而非“生物電”。 接下來，伏打做的實(shí)驗(yàn)就是把不同的兩種金屬(鋅和銅)放進(jìn)食鹽水中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他成功了！世界上第一個(gè)原電池伏打電池就此誕生！ 1801年，拿破侖把伏打召到巴黎，親自授予獎(jiǎng)?wù)潞酮?jiǎng)金，并給予許多優(yōu)厚待遇。1.原電池（1）原理（以伏打電池為例作圖說明）Fe+H2SO4=FeSO4+H2電極名稱的確定從電子流向上看從氧化還原反應(yīng)中看金屬的活潑性上看膠粒的電泳、離子的定向移動(dòng)等反應(yīng)原理:氧化反應(yīng) Zn2e=Zn2+ 還原反應(yīng) 2H+Fe=H2原電池能化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，是將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩極進(jìn)行的氧化-還原反應(yīng)裝置（2）構(gòu)成條件（介紹一下通過鹽橋也可構(gòu)成原電池）兩個(gè)活潑性不同的電極電解質(zhì)溶液(單獨(dú)的電極不一定能電解質(zhì)溶液反應(yīng))形成閉合回路(或在溶液中接觸)2、金屬腐蝕及防護(hù)金屬腐蝕：金屬或合金周圍接觸到的物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而使金屬消耗的過程類型（1）化學(xué)腐蝕：金屬與非金屬直接接觸而發(fā)生反應(yīng)的腐蝕。（2）電化腐蝕析:以構(gòu)成微型原電池的形式進(jìn)行的金屬腐蝕；氫腐蝕吸 吸氧腐蝕以鋼鐵在空氣中的銹蝕為例說明 條件、現(xiàn)象、本質(zhì)、聯(lián)系（3）金屬腐蝕的快慢判斷方法： 原電池原理引起的腐蝕化學(xué)腐蝕有防腐蝕措施的腐蝕。同一種金屬腐蝕：強(qiáng)電解質(zhì)弱電解質(zhì)非電解質(zhì)溶液。（3）防護(hù)方法改變金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)在金屬表面覆蓋保護(hù)層電化學(xué)保護(hù)法二、重點(diǎn)難點(diǎn)釋疑1、元素金屬性強(qiáng)弱的比較方法（引導(dǎo)學(xué)生回答） 元素的金屬性越強(qiáng)，單質(zhì)越易失電子，其還原性越強(qiáng)；陽離子得電子能力越弱，陽離子的氧化性越弱。(1)根據(jù)元素在周期表中的位置進(jìn)行比較。 原子的最外層電子數(shù)越少，電子層數(shù)就越多，原于核對最外層電子的引力越小，原子越易失電子，其元素的金屬性越強(qiáng)，而原子結(jié)構(gòu)可以根據(jù)該元素在周期表中的位置反映出來 (2)根據(jù)不同單質(zhì)與同一氧化劑的反應(yīng)進(jìn)行比較。 (3)根據(jù)最高價(jià)氧化物的水化物的堿性強(qiáng)弱進(jìn)行比較。 元素的最高價(jià)氧化物的水化物的堿性越強(qiáng)，元素的金屬性越強(qiáng)。 (4)根據(jù)置換反應(yīng)進(jìn)行比較 (5)根據(jù)原電池電極進(jìn)行比較：原電池正極的金屬性較負(fù)極弱。 (6)根據(jù)電解時(shí)陽離子放電的先后進(jìn)行比較。 電解時(shí)越易放電(得電子)的陽離子，對應(yīng)元素的金屬性越弱。2、電池的分類及電極反應(yīng)按照其使用性質(zhì)可分為：干電池、蓄電池、燃料電池。按電池中電解質(zhì)性質(zhì)分為：堿性電池、酸性電池、中性電池。干電池也稱一次電池，即電池中的反應(yīng)物質(zhì)在進(jìn)行一次電化學(xué)反應(yīng)放電之后就不能再次使用了?，F(xiàn)在所用的一次電池主要有：鋅錳電池、堿性鋅錳電池、鋅銀扣式電池。蓄電池是可以反復(fù)使用、放電后可以充電使活性物質(zhì)復(fù)原、以便再重新放電的電池，也稱二次電池。該類電池主要有：鉛蓄電池、堿式鎳鎘電池、氫鎳電池。燃料電池在工作時(shí)不斷從外界輸入氧化劑和還原劑，同時(shí)將電極反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出電池。燃料電池是直接將燃燒反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，能量轉(zhuǎn)化率高，具有節(jié)約燃料、減小污染的特點(diǎn)。新型高能電池。隨著科技發(fā)展，在原有原始電池基礎(chǔ)上，發(fā)展了一些新型高性能電池并已在社會(huì)生產(chǎn)生活各方面廣泛應(yīng)用，如：鋰二氧化錳非水電解質(zhì)電池、鈉硫電池、海洋電池。幾種常見電池及電極反應(yīng) 化學(xué)電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，主要部分包括正負(fù)兩電極和電解質(zhì)。本文簡單介紹多種化學(xué)電池的電極反應(yīng)，以便讀看大致解一些化學(xué)電池工作時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。干電池（1）鋅錳干電池 Zn|NH4Cl溶液|C鋅錳干電池的負(fù)極為鋅筒，正極為石墨棒，放電時(shí)電極反應(yīng)為：負(fù)極Zn-2e-=Zn2+正極2Mn02+2NH4+2e=Mn2O3+H2O+2NH3 總反應(yīng)一般寫成： Zn+2NH4+2MnO2 =Mn2O3+H2O+2NH3 +Zn2+負(fù)極生成的Zn2+在一定程度上與正極生成的 NH3分子化合而生成鋅氨復(fù)雜離子(較正式的名稱為鋅氨配離子Zn(NH3)42+。 （2）堿性鋅錳電池 Zn|NaOH溶液|C電極反應(yīng)一般寫成：負(fù)極Zn+20H-+2e-=ZnO+H20 正極2Mn02+2H2O +2e-=Mn203+H2O+20H-總反應(yīng)方程式請讀者自行寫出。 以上兩種電池都是原電池，使用到一定程度便報(bào)廢，不能充電再生。蓄電池可充電能多次使用，一般正負(fù)電極都參與反應(yīng)（干電池只有負(fù)參與反應(yīng)） （1）鉛蓄電池 Pb|H2SO4|PbO2與原電池不同，蓄電池在使用到一定程度，可用外來直流電源將其充電再生，重復(fù)使用。例如鉛蓄電池在使用中（即放電中)的電極反應(yīng)為負(fù)極Pb+SO42-2e=PbSO4 正極Pb02+SO42-+4H+2e=PbS04+2H2O 放電時(shí)總反應(yīng)方程式寫成：Pb+Pb02+2H2S04=2PbS04+H2O 由此可理解為什么鉛蓄電池在使用中兩極有白色固體(PbS04)生成，而電池中硫酸的濃度逐漸減小。當(dāng)使用到一定程度，相應(yīng)的硫酸的密度降低到一定值(約為1.28克厘米-3)時(shí)，該蓄電池便必須充電后才能繼續(xù)使用。充電時(shí)將原來的負(fù)極作阻極、正極作陽極，充電過程中陰、陽兩極發(fā)生的反應(yīng)分別是放電時(shí)負(fù)、正兩極所發(fā)生的反應(yīng)的逆反應(yīng)。充龜時(shí)電池韻總反應(yīng)則是放電時(shí)總反應(yīng)的逆反應(yīng)。 （2）鎳鎘電池鎳鎘蓄電池在充電后正極 (鎳)上有Ni(OH)3，負(fù)極主要是鎘(含有一些鐵)，所用電解質(zhì)為KOH溶液。放電時(shí)發(fā)生的電極反應(yīng)式一般可寫成：負(fù)極：Cd+20H-2e-=Cd(OH)2正極2Ni(OH) +3e-= 2Ni(OH)2+20H-電池總反應(yīng)式請讀者自行寫出。根據(jù)這種蓄電池的原理已制成千電池形式的鎳鎘電池。這種干電池在使用過程中也可以充電。 （3）銀鋅蓄電池放電時(shí)電極反應(yīng)可寫成：負(fù)極Zn+20H-2e-=ZnO+ H2O 正極Ag2O+H20+2e-=2Ag+20H- 電池總反應(yīng)為：Zn+Ag2O=ZnO+2Ag 微型紐扣式銀鋅電池由正極殼、負(fù)極蓋 (二者都用不銹鋼做成)、絕緣密封圈、隔離膜、正極活性材料(AgO和少量石墨粉，后者起導(dǎo)電作用)、負(fù)極活性材料(含汞量很少的鋅汞合金)、電解質(zhì)溶液(濃KOH溶液)等組裝而成。質(zhì)量較好的可用約1年，最好的可用約2年。手表中用的一般就是這種紐扣式電池。這種電池用完后即報(bào)廢，不再去充電。 為什么在紐扣式銀鋅電池中的負(fù)極活性材料用的不是單純的鋅而是含汞量很少的鋅汞合金?這是因?yàn)槿绻昧藛渭兊匿\，電池在未工作時(shí)(即空置時(shí))就會(huì)被電池中的電解質(zhì)溶液腐蝕而放出氫氣,以致影響電池的使用壽命，而改用含汞雖然很少的鋅汞合金的話，可以使電池在未工作時(shí)鋅極被腐蝕的過程被阻止到最小的程度。不僅銀鋅電池是這樣，在其它某些電池中也采取同樣的措施。如在制造鋅錳干電池的傳統(tǒng)工藝中，鋅皮用氯化汞溶液處理，部分鋅發(fā)生了反應(yīng)：Zn+ Hg2+=Zn2+Hg生成的汞與未起反應(yīng)的鋅形成鋅汞合金。制造過程中控制HgCl2的用量，使生成的合金中含汞僅約0.25。汞太多則使鋅變脆。近年來正在研究干池等中不用汞的工藝以避免汞污染的危害。 燃料電池（1）氫氧燃料電池電極反應(yīng)為：負(fù)極：H2+2OH-2e=H2O 正極02+2H2O +2e=40H- 一般用30K0H溶液作這種電池的電解質(zhì)溶液。電極可用含有催化劑的多孔石墨電極(負(fù)極中催化劑可用鉑或鈀，正極中催化劑可用 AgO或CoO)。 （2）甲烷燃料電池結(jié)構(gòu)與氫氧燃料電池類似。電極反應(yīng)為： 負(fù)極 CH4+10OH-8e=CO32-+7H2O 正極 02+2H20+4e=40H-題目：固體氧化物燃料電池是由美國西屋（Westinghouse）公司研制開發(fā)的。它以固體氧化鋯 一 氧化釔為電解質(zhì)，這種固體電解質(zhì)在高溫下允許氧離子（）在其間通過。該電池的工作原理如圖3所示，其中多孔電極a、b均不參與電極反應(yīng)。下列判斷正確的是（ ）A有放電的a極為電池的負(fù)極B有放電的b極為電池的正極Ca極對應(yīng)的電極反應(yīng)為D該電池的總反應(yīng)方程式為其它 （1）海水電池1991年我國首創(chuàng)的以鋁空氣海水組成的新型電池，可用于航標(biāo)燈中。該電池用鋁作負(fù)極、石墨作正極。電極反應(yīng)為：負(fù)極4Al-12e=4Al3+正極302+6H2O +12e=120H-由于Al3+可與0H-化合生成Al(OH)3，所以該電池的總反應(yīng)方程式為：4A1+302+6H2O=4Al(OH)3，該電池的能量比普通干電池(鋅錳電池)高20-50倍。 （2）鋰電池 Li|LiI|I2 用鋰作負(fù)極的電池統(tǒng)鋰電池。在鋰電池中不能使用電解質(zhì)水溶液(為什么?)。迄今已陸續(xù)發(fā)明了不少品種的鋰電池，其中最著名的是鋰碘電池。這種電池中的電解質(zhì)是固體電解質(zhì)LiI，其中的導(dǎo)電離子是I-。該電池的電極反應(yīng)為：負(fù)極 2Li-2e=2Li+正極 I2+2e=2I-Li|LiAlCl4 (SOCl2)|C總反應(yīng)是：8Li+ 3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S試寫出電極反應(yīng)式負(fù)極：_正極：_ 微型鋰碘電池可作植入某些心臟病人體內(nèi)的心臟起搏器所用的電源，使用壽命長達(dá)10年，并有可能達(dá)14年，且對人體無不良影響。由于這種電池制作過程很復(fù)雜，所以價(jià)格昂貴。心臟起搏器中最早使用的電源為 Zn-Hg0電池，其使用壽命只有1.5-2年。 典型例題精析 例1 以下現(xiàn)象與電化腐蝕無關(guān)的是 A.黃銅(銅鋅合金)制作的銅鑼不易產(chǎn)生銅綠 B生鐵比軟鐵芯(幾乎是純鐵)容易生銹 C.銹制器件附有銅質(zhì)的配件，在接觸處易生鐵銹 D銀質(zhì)獎(jiǎng)牌久置后表面變暗 解析 D。本題考查對電化腐蝕的理解。 電化腐蝕是指不純的金屬(或合金)，接觸到電解質(zhì)溶液時(shí)發(fā)生了原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬原子失去電子而被氧化所引起的腐蝕。 選項(xiàng)A中黃銅是銅鋅合金，可以構(gòu)成原電池，但銅沒有鋅活潑，被腐蝕的是鋅而不是銅，所以不易產(chǎn)生銅綠； 選項(xiàng)B中生鐵是鐵碳合金，可以構(gòu)成原電池而使鐵腐蝕生銹，軟鐵芯幾乎是純鐵，不構(gòu)成原電池。 選項(xiàng)C中鐵與銅接觸則構(gòu)成原電池，鐵比銅活潑，鐵就腐蝕生成鐵銹。 所以A、B、C三個(gè)選項(xiàng)的現(xiàn)象均與電化腐蝕有關(guān)。 選項(xiàng)D中銀質(zhì)獎(jiǎng)牌是由較純的銀制做的，不構(gòu)成原電池，久置后表面變暗是跟空氣中的多種物質(zhì)反應(yīng)造成的。 例2 有一種原電池，它的一個(gè)電極材料是Ni02(在堿中NiO2氧化性比O2更強(qiáng)，還原產(chǎn)物是+2價(jià)的鎳的化合物，另一電極是鐵，電解質(zhì)溶液是21的氫氧化鉀溶液。下列對電池的敘述和有關(guān)反應(yīng)正確的是 A此電池必須密封，防止空氣進(jìn)入 B鐵是負(fù)極，放電時(shí)，鐵失電子成能自由移動(dòng)的Fe2+，負(fù)極反應(yīng)是：Fe-2e-Fe2+ C.放電時(shí)，正極反應(yīng)是：2H+2e-H2 D放電時(shí)，正極反應(yīng)為：Ni02+2e-Ni2+202- E放電時(shí)的總反應(yīng)為：Fe+NiO2+2H20=Fe(OH)2+Ni(OH)2 解析 因電池的電解質(zhì)是KOH溶液，應(yīng)防止與空氣接觸，否則KOH會(huì)與空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)生成K2C03，所以A正確。書寫電池電極反應(yīng)時(shí)，也要遵循離子反應(yīng)書寫原則，能溶于水的強(qiáng)電解質(zhì)才能寫成離子。此外還要注意電解質(zhì)溶液的酸堿性。在酸溶液中，可能發(fā)生消耗H+和產(chǎn)生H+的反應(yīng)，不可能發(fā)生消耗 OH-和生成OH-的反應(yīng)；在堿溶液中，一般可能發(fā)生消耗OH-和生成OH-的反應(yīng)，不發(fā)生消耗 H+或生成H+弱堿金屬離子的反應(yīng)。因此B、C、 D選項(xiàng)是錯(cuò)誤的。在KOH溶液中，負(fù)極反應(yīng)的產(chǎn)物是Fe(OH)2： Fe-2e-+2OH-Fe(OH)2 正極反應(yīng)為：NiO2+2e-+2H20Ni(OH)2+20H- 從正負(fù)電極反應(yīng)可判斷選項(xiàng)E是正確的。 例3 有人設(shè)計(jì)一種燃料電池，是利用乙烷與氧氣反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。用吸咐在多孔鎳板上的乙烷作負(fù)極材料，用吸附在多孔鎳板上的空氣作正極材料，30的氫氧化鉀溶液為電解質(zhì)。試寫出這種燃料電池放電時(shí)正負(fù)電極反應(yīng)和總反應(yīng)的離子方程式。 解析 乙烷在O2中燃燒的反應(yīng)式為： 2C2H6+7024CO2+6H20 在電池的堿性環(huán)境下負(fù)極乙烷緩氧化產(chǎn)物之一是K2CO3以，2mol乙烷共失電子28mol，乙烷中+1價(jià)的氫變成水和生成CO32-都要消耗 OH-，方程式各物質(zhì)的系數(shù)可根據(jù)元素守恒和電荷守恒進(jìn)行配平。正極上是O2得電子首先生成02-，02-在溶液中不能存在而與水電離出的H+結(jié)合生成OH-。有關(guān)反應(yīng)為： 負(fù)極：2C2H6+360H-28e4CO32-+24H20 正極：7O2+28e-+14H2028OH- 總反應(yīng)：2C2H6+702+80H-CO32-+10H20 例4 下列關(guān)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述不正確的是 A.把銅片和鐵片緊靠在一起浸入稀硫酸中，銅片表面出現(xiàn)氣泡 B.用鋅片做陽極，鐵片做陰極，電解氯化鋅水溶液，鐵片表面出現(xiàn)一層鋅 C.把銅片插入三氯化鐵溶液中，在銅片表面出現(xiàn)一層鐵 D.把鋅粒放人盛有鹽酸的試管中，加入幾滴氯化銅溶液，氣泡放出速率加快。 解析 C。本題考查電化學(xué)知識，涉及到原電池、電解、電鍍等多方面知識。涵蓋內(nèi)容比較廣，能夠考查考生知識的全面性和綜合性。 選項(xiàng)A：把銅片和鐵片緊靠在一起浸入稀硫酸中，即可構(gòu)成CuFe原電池。由于鐵比銅金屬性強(qiáng)，所以鐵失去電子做負(fù)極，銅片做正極，氫離子在銅片上得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，放出氫氣，所以銅片表面出現(xiàn)氣泡。 選項(xiàng)B：是一個(gè)電解池，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)： Zn-2e-=Zn2+，陰極發(fā)生還原反應(yīng)。Zn2+ 2e-=Zn，因此實(shí)際上就是電鍍，做陰極的鐵片為鍍件，其表面鍍上一層鋅。 選項(xiàng)C：由于Fe3+離子的氧化性較強(qiáng)，可將 Cu氧化，而自身被還原為Fe2+2Fe3+Cu= 2Fe2+Cu2+。但不能生成單質(zhì)鐵。 選項(xiàng)D.純鋅與鹽酸的反應(yīng)速率較慢，當(dāng)?shù)稳霂椎蜟uCl2溶液后，可發(fā)生：Zn+Cu2+=Zn2+Cu的反應(yīng)，這時(shí)在鋅的表面會(huì)附著上銅，這樣就可以構(gòu)成Cu-Zn原電池而發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，鋅做原電池的負(fù)極：Zn-2e-=Zn2+，銅做原電池的正極：2H+2e-=H2。由于可構(gòu)成無數(shù)個(gè)微電池，大大加快了反應(yīng)速率。例5.熔融鹽燃料電池具有高的發(fā)電效率,因而受到重視,可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混和物作電解質(zhì),CO為陽極燃?xì)?空氣與CO2的混和氣為陰極助燃?xì)?制得在650下工作的燃料電池.完成有關(guān)的電池反應(yīng):（2000年理科高考綜合卷26題）陽極電極反應(yīng)式:2CO+2CO32-4CO2+4e陰極反應(yīng):_總反應(yīng)式_解題思路：直接書寫陰極的電極反應(yīng)較困難，而總反應(yīng)式的書寫較容易，針對此情況，在此不妨打破常規(guī)，進(jìn)行逆向思維。先寫出難度較小的總反應(yīng)式，再根據(jù)題給條件的陽極電極反應(yīng)式寫出陰極反應(yīng)式。 2CO+O2 = 2CO2（2CO+2CO32-4CO2+4e） O2+4e+CO2=CO32-由于陽極氣和陰極氣反應(yīng)后生成的CO2不和Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混和物反應(yīng)，所以總反應(yīng)就是2CO+O2=2CO2 。 將總反應(yīng)式減去信息中提供的陽極電極反應(yīng)： 就能得到陰極電極反應(yīng)式：知識點(diǎn)針對性訓(xùn)練1.電子表所用電池材料為Zn和Ag2O，電解質(zhì) 溶液為KOH，電極反應(yīng)Zn+20H-2e- Zn0+H2O， Ag20+H20+2e-2Ag+2OH-列正確項(xiàng) A.Zn為正極，Ag20為負(fù)極 B.Zn為負(fù)極，Ag2O為正極 C.電池工作時(shí)負(fù)極區(qū)溶液PH減小 D.電池工作時(shí)負(fù)極區(qū)溶液PH增大 2.實(shí)驗(yàn)先用鉛蓄電池作為電源電解飽和食鹽水，已知電池反應(yīng)為 負(fù)極：Pb-2e-+SO42-PbSO4 正極：Pb02+4H+SO42-+2e-PbSO4+2H2O今制取0.05molCl2耗H2SO4物質(zhì)的量為 A.0.025mol B.0.05mol C.0.1mol D.0.20mol3.X、Y、Z、W四種金屬，X可以從Y的鹽溶液中 置換出Y、X和Z組成原電池時(shí)，Z為正極。Y和Z兩種離子在同一溶液中被電解時(shí)陰極上只析出Y，M離子氧化性大于Y離子，則四種金屬活潑性由強(qiáng)到弱順序?yàn)?( ) A.X、Y、Z、M B.X、Z、M、Y C.M、Z、X、Y D.X、Z、Y、M4.下圖中各燒杯里的鐵釘，生銹最快的是5.某原電池總反應(yīng)離子方程式為：2