《原電池的原理及應用》

原電池原理及應用

原電池以氧化還原反應為基礎，使氧化反應和還原反應分別在兩個電極上進行，從而產生電流，實現化學能向電能轉化的裝置。將化學能轉化成電能的裝置叫做原電池.

知識掃描1、概念:

從理論上說，任何一個自發(fā)的氧化還原反應均可設計成原電池。2、原電池的形成條件（3）

形成閉合回路（兩電極用導線連接，或接觸,或用鹽橋連接。）（2）電解質溶液

（1）兩導體作電極

知識掃描①活動性不同的金屬（或一種金屬和一種非金屬導體）;②兩不活潑的導體－石墨或Pt等（燃料電池電極）;③金屬和金屬氧化物(鉛蓄電池，銀鋅電池）.Zn－2e－=Zn2+2H++2e－=H2↑還原反應失去電子溶液中氧化性的微粒得到電子3、工作原理較活潑金屬不活潑金屬或石墨Zn2+H+H+

e-SO42-

溶液中，

從負極定向移動到正極，

從正極定向移動到負極，形成閉合回路?！稹稹稹稹餒2○SO42-CuZn負極正極陽離子陰離子知識掃描CuZn

氧化反應CuZn○○○○○○CuZn○○○○○○○○○○CuZn○○○CuZn○○○鹽橋的作用：Cl-向鋅鹽方向移動，K+向銅鹽方向移動，使Zn鹽和Cu鹽溶液一直保持電中性，從而使電子不斷從Zn極流向Cu極。原電池導線傳遞電子，溝通外電路；而鹽橋則傳遞正負離子，溝通內電路。

鹽橋保持溶液電中性，使兩個燒杯中的溶液連成一個通路。ZnSO4溶液CuSO4溶液原電池此原電池的優(yōu)點：能產生持續(xù)、穩(wěn)定的電流。原電池

此原電池是由兩個半電池組成的（鋅和鋅鹽溶液構成鋅半電池，銅和銅鹽溶液構成銅半電池）；半電池中的反應就是半反應,即電極反應。原電池4、正負極的判斷方法：（2）根據電流方向或電子流動的方向判斷（3）根據發(fā)生的反應判斷活潑性強的金屬作負極活潑性較弱的金屬或非金屬作正極電子流出的一極為負極,電子流進的一極為正極電流是由正極流向負極發(fā)生氧化反應的一極為負極,發(fā)生還原反應的一極為正極（4）根據反應的現象判斷

質量減輕的一極為負極,質量增加或有氣泡冒出的一極為正極（5）根據離子的定向移動方向判斷

陽離子移向正極，陰離子移向負極知識掃描（1）根據兩極材料判斷稀硫酸CFeACuZn硫酸銅溶液食鹽水FeCA負極：Zn-2e-=Zn2+正極：Cu2++2e-=Cu總：Zn+Cu2+＝Zn2++Cu負極：Fe-2e-=Fe2+正極：2H++2e-=H2↑總：Fe+2H+=Fe2++H2↑負極：2Fe-4e-=2Fe2+正極：2H2O

+O2+4e-

=4OH-總：2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)2↓

知識掃描5、電極反應式的書寫

僅有一個電極材料參與反應的原電池：負極：M-xe-=Mx+

正極：視電解質溶液而定

(1)酸性強析氫

(2)酸性弱或中性吸氧

(3)不活潑金屬鹽析出不活潑金屬方法點撥5、電極反應式的書寫負極：2Al+8OH－—6e-=2AlO2－

+4H2O正極：6H2O+6e-=3H2↑

+6OH－

總：2Al+2OH－

+2H2O=2AlO2－

+3H2↑

稀硫酸負極：Mg—2e-=Mg2+正極：2H++2e-

=H2↑總：Mg+2H+=Mg2++H2

↑判斷兩極時還要考慮電極與電解質溶液反應情況,更易與電解質溶液反應的一極作負極5、電極反應式的書寫知識掃描負極：Al+4OH－—3e-=AlO2－

+2H2O正極：2H2O+2e-=H2+2OH－

總：2Al+2OH－

+2H2O=2AlO2－

+3H2

負極：Cu—2e-=Cu2+正極：2H++NO3－

+e-=NO2+H2O總：Cu+4H++2NO3－=2NO2+Cu2++2H2O燃料電池介質電池反應：2H2+Ｏ２=2H2O

酸性負極正極中性負極

正極堿性負極正極2H2-4e-=4H+

O2+2H2O+4e-=4OH-2H2-4e-=4H+

O2+4H+

+4e-=2H2O2H2+4OH--4e-=4H2OO2+2H2O+4e-=4OH-要充分考慮電極反應后產物所處的介質----電解質環(huán)境，應將電解質溶液中參與電極反應的粒子寫進電極反應式。知識掃描5、電極反應式的書寫（燃料電池）例:

據報道，最近摩托羅拉公司研發(fā)了一種由甲醇和氧氣以及強堿做電解質溶液的新型手機電池，電量可達現在使用的鎳氫電池或鋰電池的十倍，可連續(xù)使用一個月才充一次電.試寫出該電池放電時的電極反應和總反應式.5、電極反應式的書寫（燃料電池）知識掃描

燃燒反應式

2CH3OH＋3O2＝2CO2＋4H2O電池總反應

2CH3OH＋3O2＋４OH－＝2CO32－＋6H2O負極:2CH3OH－12e－＋

16OH

－＝2CO32－＋12H2O正極:3O2＋6H2O＋12e－＝12OH－方法點撥5、電極反應式的書寫

燃料電池1.先寫燃燒反應式,再寫電池總反應式2.然后寫正極反應式3.最后用電池總反應式減去正極反應式,所得就是負極反應式4.注意電極反應產物與電解質溶液離子是否反應,正確利用“三守恒”(2006重慶理綜)鉛蓄電池是典型的可充型電池，正負極板是惰性材料，電池總反應式：Pb+PbO2+4H++2SO42-2PbSO4＋2H2O請回答下列問題：放電時：正極的電極反應式是

電解液中H2SO4的濃度將變

；當外電路通過1mol電子時，理論上負極板的質量增加

g。

放電充電PbO2+2e－+SO42-+4H+=PbSO4+2H2O；

（負極：Pb-2e－+SO42-=PbSO4

）變小48知識掃描5、電極反應式的書寫（蓄電池）方法點撥5、電極反應式的書寫可充電電池1.確定放電時為原電池2.放電時,發(fā)生氧化反應的物質為負極,發(fā)生還原反應的物質為正極3.注意電極反應產物與電解質溶液離子是否反應4.利用“三守恒”1、化學電池化學電池是將化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置。它主要包括一次電池、二次電池、燃料電池。一次電池（干電池）：活性物質消耗到一定程度，就不能使用；二次電池（充電電池或蓄電池）：放電后可以再充電使活性物質獲得再生；燃料電池：一種連續(xù)將燃料和氧化劑的化學能直接轉換成電能的化學電池。化學電源2、化學電池的分類化學電池一次電池二次電池燃料電池堿性鋅錳電池鉛蓄電池氫氧燃料電池鋰離子電池銀鋅蓄電池普通鋅錳干電池鋅銀紐扣電池化學電源3、化學電源的組成正極：常選用金屬氧化物負極：常選用較活潑金屬與活性物質一起構成電極的添加劑一般有：導電劑、粘結劑、緩蝕劑等。電解液：高導電率，化學穩(wěn)定性好、不易揮發(fā)、易于長期貯存隔膜：較高離子傳輸能力，較低電子導電能力，好的化學穩(wěn)定性和一定的機械強度?；瘜W電源4、衡量電池優(yōu)劣的指標比能量：電池單位質量或單位體積所能輸出電能的多少，符號(W·h)/kg,(W·h)/L比功率：電池單位質量或單位體積所能輸出功率的大小，符號W/kg,W/L儲存時間：電池的儲存時間的長短除特殊情況外，質量輕、體積小而輸出電能多、功率大、儲存時間長的電池，更適合使用者的需要?；瘜W電源一、一次電池(又叫干電池)普通鋅錳電池堿性電池

鋅筒石墨棒MnO2和C普通鋅-錳干電池的結構NH4Cl、ZnCl2

和H2O等1、普通干電池負極正極電池反應：（Zn）：Zn–2e-=Zn2+（MnO2和C）：優(yōu)點：制作簡單、價格便宜。缺點：放電時間短，電壓下降快。2NH4++2MnO2+2e-=2NH3↑+Mn2O3+H2OZn+2NH4++2MnO2=Zn2++2NH3↑+Mn2O3+H2O一次電池2、堿性鋅-錳干電池電解質：KOH負極：——ZnZn+2OH--2e-

=Zn(OH)2正極：——MnO22MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-

缺點：多數只能一次使用，不能充電；價格較貴優(yōu)點：比能量和儲存時間有所提高，適用于大電流和連續(xù)放電電池反應：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2氫氧化氧錳一次電池3、鋅銀鈕扣電池正極：Ag2O+H2O+

2e-=2Ag+2OH-負極：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2鋅銀電池的負極是Zn，正極是Ag2O，電解質是KOH。總反應:Zn+Ag2O+H2O＝2Ag+Zn(OH)2一次電池4、鋰電池鋰是密度最小的金屬，用鋰作為電池的負極，跟用相同質量的其他金屬作負極相比較，使用壽命大大延長。一次電池4、鋰電池（非水有機溶劑電解液）負極：2Li-2e-=2Li+，正極：I2+2e-=2I-，總反應：2Li+I2=2LiI跟其它金屬作負極相比，使用壽命延長，高能、質輕、電壓高、工作效率高、儲存壽命長。為什么？與作負極材料的金屬相比較，相同質量時鋰提供電子數最多。一次電池二、二次電池1、鉛蓄電池鉛蓄電池是以平行排列的鉛、鉛銻合金或鉛鈣合金柵板為主架，柵格中交替地填充著負極和正極地鉛和二氧化鉛，電解質為H2SO4溶液。H2SO4二次電池特點：又稱充電電池或蓄電池，放電后可以再充電，使活性物質可以獲得再生。這類電池可反復多次使用。二次電池放電過程總反應：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2OPb+SO42--2e-=PbSO4

正極：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O

氧化反應

還原反應負極：①放電過程鉛蓄電池充電的反應則是上述反應的逆過程二次電池②充電過程PbSO4+2e-=Pb+SO42-

還原反應陰極：陽極：PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H++SO42-

氧化反應接電源負極接電源正極充電過程總反應：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4鉛蓄電池的充放電過程：Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O放電充電二次電池缺點：比能量低、笨重、廢棄電池污染環(huán)境優(yōu)點：可重復使用、電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價格低廉二次電池(白色沉淀)過程放電過程充電過程負極反應正極反應兩電極質量硫酸溶液能量轉換Pb(鉛)→PbSO4(硫酸鉛)PbO2→PbSO4增加硫酸濃度變小,密度變小化學能→電能PbSO4→

PbO2PbSO4(硫酸鉛)→

Pb(鉛)減少硫酸濃度變大,密度變大電能→化學能(負極)(正極)(電解液)電池反應Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O放電充電二次電池2.鎳氫電池圓柱可充鎳氫電池

方形可充鎳氫電池

鎳氫（MH-Ni)電池負極：1/2H2+OH--e-=H2O正極：NiOOH+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-電池反應：1/2H2+NiOOHNi(OH)2

放電充電二次電池能量密度高；無鎘污染，是一種綠色電池；可大電流快速充放電；電池工作電壓為1.2V；在小型便攜電子器件、電動工具、電動車輛和混合動力車上逐步得到應用。Ni/MH電池優(yōu)點：二次電池3.鋰離子電池電池式：電池反應：LiCoO2＋C6CoO2＋LiC6

二次電池鋰離子電池的優(yōu)越性能

相對于傳統(tǒng)的鎘鎳電池(Ni/Cd)和氫鎳電池(Ni/MH),鋰離子電池的電壓大約是它們的3倍;重量比能量密度提高了約3倍;對于同樣的功率消耗，鋰離子電池的使用期限約為鎳鎘電池的2.25~2.57倍.現在鋰離子電池已經是電子信息產品設計人員的普通配置.1.工作電壓高2.比能量大3.循環(huán)壽命長4.自放電率低5.無記憶效應6.污染小二次電池電池名稱電壓主要優(yōu)缺點普通電池（鋅錳電池）1.5V優(yōu)點：使用方便，便宜。缺點：壽命、存放期短，約1.5年，不能充電。堿性鋅錳電池1.5V優(yōu)點：電容量大，使用壽命長。缺點:不能充電，價格較高。鋅銀紐扣電池1.5V優(yōu)點：體積和質量都小，壽命長，約2年缺點：不能充電，價格高。鎳鎘電池1.3V優(yōu)點：體積小，質量輕，壽命長，可充放電約3000次。缺點：價格高。鉛蓄電池2V優(yōu)點：電壓穩(wěn)，電容量大，可充電便宜。缺點：笨重，防震性差，不防漏部分主流產品供電基本原理、性能和相對價格二次電池一次電池一次電池二次電池三、燃料電池燃料電池是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學能直接轉換成電能的化學電池。（氫氣、烴、肼、甲醇、氨、煤氣燃料電池……）1、氫氧燃料電池酸性電解質：堿性電解質負極:2H2-4e-+4OH-==4H2O正極:O2+2H2O+4e-==4OH-總反應:2H2+O2==2H2O負極：2H2-4e-==4H+正極：O2+4H++4e-==2H2O總反應：2H2+O2==2H2O燃料電池燃料電池介質電池反應：2H2+Ｏ２=2H2O

酸性負極正極中性負極

正極堿性負極正極2H2-4e-=4H+

O2+2H2O+4e-=4OH-2H2-4e-=4H+

O2+4H+

+4e-=2H2O2H2+4OH--4e-=4H2OO2+2H2O+4e-=4OH-燃料電池書寫電極反應式應注意以下幾點2．負極失電子所得氧化產物和正極得電子所得還原產物，與溶液的酸堿性有關（如+4價的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在堿性溶液中以CO32-形式存在）；1．將兩極反應的電子得失數配平后，相加得到總反應，總反應減去一極反應即得到另一極反應；3．溶液中不存在O2-：在酸性溶液中它與H+結合成H2O、在堿性或中性溶液中它與水結合成OH-；燃料電池2、鋁-空氣-海水電池

1991年，我國首創(chuàng)，用作海上標志燈。以海水為電解液，靠空氣中的氧使鋁不斷氧化而產生電流。

負極：4A1-12e-

＝4A13+

正極：3O2+6H2O+12e-

＝12OH-

電池總反應式：4A1+3O2+6H2O＝4A1(OH)3

這種海水電池比“干電池”的能量高20～50倍。燃料電池3、甲烷-氧燃料電池該電池用金屬鉑片插入KOH溶液中作電極，又在兩極上分別通甲烷和氧氣:

負極：CH4+10OH--8e-

＝CO32-+7H2O

正極：2O2