高中化學(xué)選擇性必修一 4.1 原電池 基礎(chǔ)知識講義

1、第一節(jié) 原電池一、原電池的工作原理（一）定義：將化學(xué)能轉(zhuǎn)化能電能的裝置（二）本質(zhì)：氧化還原反應(yīng)（三）工作原理：以銅-鋅原電池為例 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)電子通過導(dǎo)線流向正極正極得電子發(fā)生還原反應(yīng) 溶液中：陰離子負(fù)極，陽離子正極外電路電子導(dǎo)電，內(nèi)電路離子導(dǎo)電 電極反應(yīng)： 總反應(yīng)： Zn+Cu2+=Zn2+Cu注： 1、鹽橋的作用：（1）成分：含瓊膠的KCl飽和溶液 （2）作用：構(gòu)成通路，代替兩溶液直接接觸 平衡電荷：K+正極，Cl-負(fù)極 （3）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2、電子只能在兩極和外電路中流動(dòng)，不可能進(jìn)入溶

2、液中。即“電子不下水，離子不上岸”3、溶液中是由電解質(zhì)溶液中的陰陽離子定向移動(dòng)形成閉合回路的（四）條件：兩極一液一連線，氧化還原是條件1、兩個(gè)能導(dǎo)電的電極正極和負(fù)極：兩極的構(gòu)成情況：活潑性不同的兩種金屬 金屬和非金屬 金屬和化合物 惰性電極：Pt、C注：（1）很活潑的金屬單質(zhì)一般不作原電池的負(fù)極，如：K、Ca、Na等（2）有些原電池的兩極活潑性相同，如燃料電池2、要有電解質(zhì)溶液或熔融的電解質(zhì)電解質(zhì)溶液的情況：(1)電解質(zhì)溶液一般要能夠與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)(2)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：O2）(3)特殊：有鹽橋時(shí)，左右兩個(gè)容器中的電解質(zhì)溶液應(yīng)選擇與電極材料相同的陽離子溶液3、形成

3、閉合回路的情況：(1)導(dǎo)線相連 (2)電極直接接觸4、氧化還原反應(yīng)：氧化還原反應(yīng)是自發(fā)進(jìn)行的，但自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)不一定都能設(shè)計(jì)成原電池（五）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3、看回路形成閉合回路或兩極直接接觸4、看本質(zhì)有無氧化還原反應(yīng)發(fā)生（六）正負(fù)極的判斷方法：1、電極反應(yīng)：負(fù)極氧化反應(yīng)，正極還原反應(yīng)2、電子或電流的流向：電子：負(fù)正；電流：正負(fù)3、離子流向：陽離子正極，陰離子負(fù)極；即“正向正，負(fù)向負(fù)”4、電極材料：活潑金屬作負(fù)極，不活潑金屬、金屬氧化物、非金屬作正極注：不能簡單的依據(jù)金屬的活潑性來判斷，要看

4、反應(yīng)的具體情況5、其他：質(zhì)量增加正極，質(zhì)量減少負(fù)極，氣體正極，pH正極（七）電極反應(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)定存在堿性介質(zhì)中，若生成H+，結(jié)合OH-H2O酸性介質(zhì)中，若生成OH-,結(jié)合H+H2O堿性介質(zhì)中，若生成CO2，結(jié)合OH-CO32-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(gè)電極反應(yīng)式，可得另一個(gè)電極的反應(yīng)式5、規(guī)律：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：Mne-=Mn+ 堿性

5、介質(zhì)中： Mne-+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-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)“”（八）原電池的設(shè)計(jì)1、先將已知的氧化還原反應(yīng)拆分為兩個(gè)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(gè)半反應(yīng)，找出正負(fù)極材料及電解質(zhì)溶液3、按要求畫出原電池裝置圖（九）應(yīng)用1、形成原電池，可以加快氧化還原反應(yīng)的反應(yīng)的速率 2、通過原電池的電極，可以比較金屬活潑性強(qiáng)弱 3、設(shè)計(jì)化學(xué)電源 4、保護(hù)金屬設(shè)備：被保護(hù)金

6、屬作正極二、化學(xué)電源（一）分類：一次電池：就是放電后不可再充電的電池。隨著使用，一次電池中能發(fā)生氧化還原反應(yīng)的物質(zhì)逐漸被消耗，當(dāng)這些物質(zhì)被消耗到一定程度時(shí)，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(dòng)，也叫做干電池。二次電池：又稱可充電電池或蓄電池，是一類放電后可以再充電而反復(fù)使用的電池。即它在放電時(shí)所進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，在充電時(shí)可以逆向進(jìn)行（一般通過充電器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娺M(jìn)行充電），使電池恢復(fù)到放電前的狀態(tài)。這樣可以實(shí)現(xiàn)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ǚ烹姡?，再由電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能（充電）的循環(huán)。燃料電池：是一種連續(xù)的將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池。（二）優(yōu)點(diǎn)：1、化學(xué)電

7、池的能量轉(zhuǎn)化效率較高，供能穩(wěn)定可靠2、可以制成各種形狀、大小和容量不同的電池及電池組3、方便攜帶，易于維護(hù)（三）判斷電池優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)：1、比能量：電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少2、比功率：輸出功率的大小3、電池可儲存時(shí)間的長短（四）一次電池普通鋅錳電池、堿性鋅錳電池、鋅銀電池1、普通鋅錳干電池（1）電極材料及電極反應(yīng)：負(fù)極：鋅筒 Zn-2e-=Zn2+ 正極：石墨 2NH4+2MnO2+2e-=2NH3+Mn2O3+H2O總反應(yīng)：Zn+2MnO2+2NH4Cl=ZnCl2+2NH3+Mn2O3+H2O（2）電解質(zhì)：MnO2、NH4Cl、ZnCl2、淀粉等調(diào)成糊狀（3）缺點(diǎn)：新電池會

8、自動(dòng)放電，鋅皮腐蝕逐漸變薄、放電后電壓下降較快、電量小、易氣脹或漏液、存放時(shí)間縮短不易長時(shí)間連續(xù)使用（4）優(yōu)點(diǎn)：制作簡單，價(jià)格便宜2、堿性鋅錳電池（1）電極材料及電極反應(yīng)：負(fù)極：鋅筒 Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2 正極：MnO2 2MnO2+2e-+2H2O=2MnO(OH)(氫氧化氧錳)+2OH-（MnO2作為正極反應(yīng)物，得電子被還原為MnO(OH)） 總反應(yīng)： Zn+2MnO2+2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)2（2）電解質(zhì)：將NH4Cl換成濕的KOH（3）優(yōu)點(diǎn)：比能量和可儲存時(shí)間均有所提高，是普通干電池的升級換代產(chǎn)品（五）二次電池（可充電電池）舉例：鉛酸蓄電池1、電極材

9、料：負(fù)極：Pb 正極：PbO2 電解質(zhì)：H2SO42、電極反應(yīng)式：負(fù)極：Pb-2e-+SO42-=PbSO4 正極：PbO2+4H+2e-+SO42-=PbSO4+2H2O 總反應(yīng)：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O3、工作特點(diǎn)：電壓穩(wěn)定，使用方便，安全可靠，價(jià)格低廉；但比能量低，笨重，廢棄電池污染環(huán)境4、接線方式：充電時(shí)，待充電電池的負(fù)極要接電源的負(fù)極，待充電電池的正極要接電源的正極，即正接正，負(fù)接負(fù)注：放電：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；充電：電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能（六）燃料電池1、工作原理連續(xù)將氫氣、烴、肼、甲醇、氨、煤氣等液體或氣體燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。電極本身不包含活性物質(zhì)

10、，不參與氧化還原反應(yīng)。工作時(shí)，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給，在電極上不斷地進(jìn)行反應(yīng)，生成物不斷被排除2、特點(diǎn)：（1）燃料電池中，燃料（還原性氣體等）作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化劑（通常為氧氣）作正極發(fā)生還原反應(yīng)（2）燃料電池的電極材料一般為惰性電極，具有很強(qiáng)的催化活性，如鉑電極、活性炭電極等（3）燃料電池在使用過程中，并沒有發(fā)生燃料與氧化劑之間的直接燃燒，而是在兩極之間發(fā)生了放電，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能（4）燃料的燃燒是一種劇烈的氧化還原反應(yīng)，而燃料電池則是平穩(wěn)的氧化還原反應(yīng)（5）燃料直接燃燒時(shí)，大量的熱能釋放到空氣中，利用率低；燃料電池工作時(shí)，能量轉(zhuǎn)化率較高，是一種高效、環(huán)境友好的發(fā)電裝置（6）燃

11、料電池的反應(yīng)物并不儲存在電池內(nèi)部，而是由外設(shè)裝備提供燃料和氧化劑3、燃料電池與一般化學(xué)電池的區(qū)別一般化學(xué)電池的活性物質(zhì)儲存在電池內(nèi)部，故而限制了電池的容量，而燃料電池的電極本身不包含活性物質(zhì)，只是一個(gè)催化轉(zhuǎn)化元件。它工作時(shí)，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給，在電極上不斷地進(jìn)行反應(yīng)，生成物不斷地被排除，于是電池就連續(xù)不斷地提供電能4、優(yōu)點(diǎn)燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率超過80%，遠(yuǎn)高于普通燃燒過程（能量轉(zhuǎn)化率僅30%多），可以持續(xù)使用，噪音低，不污染環(huán)境。既有利于節(jié)約能源，又綠色環(huán)保，具有廣闊的發(fā)展前景，被譽(yù)為“綠色發(fā)電站”5、種類（1）氫氧燃料電池電解質(zhì)酸性中性堿性負(fù)極反應(yīng)H2-2e-=2H+H2-2e-=

12、2H+H2-2e-+2OH-=2H2O正極反應(yīng)O2+4e-+4H+=2H2OO2+4e-+2H2O=4OH-O2+4e+2H2O=4OH-總反應(yīng)2H2+O2=2H2O（2）甲烷燃料電池電解質(zhì)H2SO4KOH負(fù)極反應(yīng)CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O正極反應(yīng)O2+4e-+4H+=2H2OO2+4e-+2H2O=4OH-總反應(yīng)CH4+2O2=CO2+2H2OCH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O（3）甲醇燃料電池電解質(zhì)H2SO4KOH負(fù)極反應(yīng)CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O正極反應(yīng)O2+4e-+4H+=2H2OO2+4e-+2H2O=4OH-總反應(yīng)2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O（4）熔融鹽電池例如：用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì)的燃料電池，CO為燃料，空氣與CO2的混合氣為助燃?xì)?，制得?50下工作的燃料電池，在工作過程中，電解質(zhì)熔融鹽的組成、濃度不變電極反應(yīng)式：負(fù)極：2CO+2CO32-4e-=4CO2 正極：O2+2CO2+4e-=2CO32-