1.2化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能電池課件上學(xué)期高二化學(xué)選擇性必修1

化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能——電池原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。1.原電池的定義與構(gòu)成條件(1)實(shí)驗(yàn)裝置

2.原電池的工作原理

檢流計(jì)指針電極表面變化情況(a)發(fā)生偏轉(zhuǎn)鋅片質(zhì)量減少,銅片質(zhì)量增加(b)發(fā)生偏轉(zhuǎn)鋅片質(zhì)量減少,銅片質(zhì)量增加(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(3)工作原理

負(fù)極正極電極材料鋅片銅片電極反應(yīng)Zn-2e-

Zn2+Cu2++2e-

Cu反應(yīng)類(lèi)型氧化反應(yīng)還原反應(yīng)電池反應(yīng)Zn+Cu2+

Cu+Zn2+電子流向電子由鋅片通過(guò)導(dǎo)線流向銅片離子移向陽(yáng)離子向正極移動(dòng),陰離子向負(fù)極移動(dòng)鹽橋作用構(gòu)成閉合回路,平衡電荷,傳導(dǎo)電流(1)原電池的相關(guān)概念①負(fù)極:電子流出的電極,發(fā)生氧化反應(yīng)。②正極:電子流入的電極,發(fā)生還原反應(yīng)。③電極反應(yīng):在電池中,氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)是在兩個(gè)電極上分別進(jìn)行的,分別相當(dāng)于氧化

還原反應(yīng)的一半,這種反應(yīng)常稱(chēng)為半反應(yīng)。在電極上進(jìn)行的半反應(yīng)叫作電極反應(yīng)。④電池反應(yīng):電池的兩個(gè)電極反應(yīng)組成電池的總反應(yīng),這個(gè)總反應(yīng)叫作電池反應(yīng)。(2)工作原理外電路中電子由負(fù)極流向正極,內(nèi)電路(電解質(zhì)溶液)中陰離子移向負(fù)極,陽(yáng)離子移向正極;兩

極之間溶液中離子的定向移動(dòng)和外部導(dǎo)線中電子的定向移動(dòng)構(gòu)成閉合回路,使兩個(gè)電極反

應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,發(fā)生有序的電子定向轉(zhuǎn)移過(guò)程,產(chǎn)生電流,實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。形成原電池后,化學(xué)反應(yīng)速率加快。如實(shí)驗(yàn)室制取H2時(shí),把鋅粒放入盛有稀硫酸的試管中,

加入幾滴硫酸銅溶液,化學(xué)反應(yīng)速率加快。一般作負(fù)極的金屬比作正極的金屬活潑。將需要保護(hù)的金屬制品用作原電池的正極而受到保護(hù)。4.設(shè)計(jì)原電池(詳見(jiàn)定點(diǎn)2)3.

原電池原理的應(yīng)用化學(xué)電源是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的實(shí)用裝置。4.

化學(xué)電源(1)鋅錳干電池①酸性鋅錳干電池負(fù)極(鋅)反應(yīng):Zn-2e-

Zn2+;正極(石墨)反應(yīng):2MnO2+2N

+2e-

Mn2O3+2NH3+H2O(有爭(zhēng)議)。②堿性鋅錳干電池負(fù)極(鋅)反應(yīng):Zn+2OH--2e-

ZnO+H2O;正極(石墨)反應(yīng):2MnO2+2H2O+2e-

2MnOOH+2OH-;電池反應(yīng):Zn+2MnO2+H2O

ZnO+2MnOOH。(2)鉛蓄電池裝置

放電負(fù)極:Pb+S

-2e-

PbSO4正極:PbO2+4H++S

+2e-

PbSO4+2H2O充電陰極:PbSO4+2e-

Pb+S

陽(yáng)極:PbSO4+2H2O-2e-

PbO2+4H++S

總反應(yīng)Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O鉛蓄電池是一種二次電池,電動(dòng)自行車(chē)、汽車(chē)等都要用到它。鉛蓄電池的性能優(yōu)良、

造價(jià)低、可多次充放電,其主要缺點(diǎn)是單位質(zhì)量電池釋放的電能少。(3)燃料電池①工作原理燃料電池是燃料(主要是可燃性氣體或液體)與氧化劑(一般是氧氣)及電解質(zhì)溶液共同組成

的原電池。燃料在原電池的負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),氧化劑在原電池的正極發(fā)生還原反應(yīng)。②常見(jiàn)的四種典型燃料電池名稱(chēng)電解質(zhì)電極反應(yīng)和總反應(yīng)氫氧燃料電池KOH正極:O2+4e-+2H2O

4OH-負(fù)極:2H2-4e-+4OH-

4H2O總反應(yīng):2H2+O2

2H2OH2SO4正極:O2+4e-+4H+

2H2O負(fù)極:2H2-4e-

4H+總反應(yīng):2H2+O2

2H2O甲烷燃料電池KOH正極:2O2+4H2O+8e-

8OH-負(fù)極:CH4+10OH--8e-

C

+7H2O總反應(yīng):CH4+2O2+2KOH

K2CO3+3H2O甲醇燃料電池KOH正極:3O2+6H2O+12e-

12OH-負(fù)極:2CH3OH+16OH--12e-

2C

+12H2O總反應(yīng):2CH3OH+3O2+4KOH

2K2CO3+6H2O肼燃料電池KOH正極:O2+2H2O+4e-

4OH-負(fù)極:N2H4+4OH--4e-

N2↑+4H2O總反應(yīng):N2H4+O2

N2+2H2O1.在鋅、銅、硫酸溶液構(gòu)成的原電池中,電子通過(guò)電解質(zhì)溶液形成閉合回路產(chǎn)生電流。這

種說(shuō)法正確嗎?()

提示：電解質(zhì)溶液內(nèi)部只有離子的定向移動(dòng),電子不能通過(guò)電解質(zhì)溶液。2.一般來(lái)說(shuō),帶有“鹽橋”的原電池比不帶“鹽橋”的原電池效率高。這種說(shuō)法正確嗎?

()提示：鹽橋中通常裝有瓊脂凝膠,內(nèi)含氯化鉀或硝酸銨。鹽橋中的離子能夠定向移動(dòng)。

鹽橋可隔離兩電極反應(yīng),使原電池能持續(xù)、穩(wěn)定地產(chǎn)生電流。知識(shí)辨析?√3.氫氧燃料電池可將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能。這種說(shuō)法正確嗎?提示：氫氧燃料電池屬于原電池,可將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,不能將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能。4.原電池工作時(shí),負(fù)極材料一定被氧化,正極材料一定被還原。這種說(shuō)法正確嗎?提示：一般原電池工作時(shí),負(fù)極上發(fā)生失電子的氧化反應(yīng),正極上發(fā)生得電子的還原反

應(yīng),但不一定是電極材料本身被氧化或還原,如燃料電池中正、負(fù)極材料均不參與反應(yīng)。()?()?1.

原電池的正、負(fù)極判斷1.由組成原電池的兩極的電極材料判斷。一般來(lái)說(shuō),通常兩種不同金屬在電解質(zhì)溶液中構(gòu)

成原電池時(shí),較活潑的金屬作負(fù)極。易錯(cuò)提醒

不能只考慮金屬活動(dòng)性的相對(duì)強(qiáng)弱,還要考慮電解質(zhì)溶液,故應(yīng)根據(jù)電池反應(yīng)來(lái)

確定正、負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng)的金屬作負(fù)極。如圖甲中Mg作負(fù)極,圖乙中Al作負(fù)極。

2.根據(jù)電流方向或電子流動(dòng)方向判斷。電流流入的一極或電子流出的一極為負(fù)極,電流流

出的一極或電子流入的一極為正極。3.根據(jù)原電池里電解質(zhì)溶液中離子的移動(dòng)方向判斷。在原電池的電解質(zhì)溶液中,陽(yáng)離子移

向正極,陰離子移向負(fù)極。4.根據(jù)原電池兩極發(fā)生的變化來(lái)判斷。若某一電極不斷溶解,質(zhì)量不斷減少,該電極發(fā)生氧

化反應(yīng),則此電極為原電池的負(fù)極;若某一電極有氣體產(chǎn)生或電極質(zhì)量不斷增加,該電極發(fā)生還原反應(yīng),則此電極為原電池的正極。5.在燃料電池中,兩電極只是載體,并不參與反應(yīng),可以通過(guò)總反應(yīng)式和定義來(lái)判斷,發(fā)生氧

化反應(yīng)的氣體或物質(zhì)所對(duì)應(yīng)的電極為負(fù)極。一種以液態(tài)肼(N2H4)為燃料的電池裝置如圖所示,該電池用空氣中的氧氣作為氧化

劑,KOH溶液作為電解質(zhì)溶液。下列關(guān)于該電池的敘述正確的是

(

)B.a電極的電極反應(yīng)式:N2H4+4OH--4e-

N2↑+4H2OC.電池工作時(shí),電子從b電極經(jīng)過(guò)負(fù)載流向a電極D.電池工作時(shí),K+從正極移向負(fù)極典例B解析N2H4中的N元素化合價(jià)由-2價(jià)變?yōu)镹2中的0價(jià),N2H4失去電子,所以a電極為負(fù)極,b電

極為正極,故A錯(cuò)誤;a電極上,N2H4失去電子,與電解質(zhì)溶液中的氫氧根離子反應(yīng)生成氮?dú)夂?/p>

水,電極反應(yīng)式為N2H4+4OH--4e-

N2↑+4H2O,故B正確;電池工作時(shí),電子從負(fù)極(a電極)經(jīng)過(guò)負(fù)載流向正極(b電極),故C錯(cuò)誤;電池工作時(shí),K+從負(fù)極移向正極,故D錯(cuò)誤。(1)負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),向外電路提供電子。(2)正極發(fā)生還原反應(yīng),從外電路中得到電子。(3)原電池的兩電極浸在電解質(zhì)溶液中,通過(guò)電解質(zhì)溶液中陰、陽(yáng)離子的定向移動(dòng)和外部導(dǎo)

線中電子的定向移動(dòng)構(gòu)成閉合回路,產(chǎn)生電流。以自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)原電池。首先,把氧化還原反應(yīng)拆分為氧化反應(yīng)

和還原反應(yīng),從而確定電極反應(yīng);其次,結(jié)合兩電極反應(yīng)確定原電池的正、負(fù)極以及電極材

料、電解質(zhì)溶液等;最后,用導(dǎo)線連接正、負(fù)極構(gòu)成閉合回路,即可構(gòu)成原電池。3.確定電極材料,如發(fā)生氧化反應(yīng)的物質(zhì)為金屬單質(zhì),可用該金屬直接作為負(fù)極材料。2.

根據(jù)原電池原理設(shè)計(jì)原電池兩電極材料的選擇包括以下幾種情況:(1)活動(dòng)性不同的兩種金屬。如銅鋅原電池中,鋅是負(fù)極,銅是正極。(2)金屬和非金屬。如鋅錳干電池中,鋅是負(fù)極,石墨是正極。(3)金屬和化合物。如鉛蓄電池中,鉛是負(fù)極,二氧化鉛是正極。(4)惰性電極,兩電極材料可以相同。如氫氧燃料電池中,正、負(fù)極均為惰性電極。4.根據(jù)實(shí)際情況確定電解質(zhì)溶液,若設(shè)計(jì)的原電池中含有鹽橋,需保證每個(gè)半電池中電極材

料與電解質(zhì)溶液均不能發(fā)生反應(yīng)。(1)利用反應(yīng)Cu+2FeCl3

CuCl2+2FeCl2設(shè)計(jì)成如圖所示的原電池。

請(qǐng)回答下列問(wèn)題:①寫(xiě)出電極反應(yīng)式。正極:

;負(fù)極:

。②圖中X溶液是

,Y溶液是

。③原電池工作時(shí),鹽橋中的

(填“陽(yáng)”或“陰”)離子向X溶液方向移動(dòng)。典例(2)控制合適的條件,將反應(yīng)2Fe3++2I-

2Fe2++I2設(shè)計(jì)成如圖所示的原電池。

請(qǐng)回答下列問(wèn)題:①反應(yīng)開(kāi)始時(shí),乙中石墨電極上發(fā)生

(填“氧化”或“還原”)反應(yīng),電極反應(yīng)式為

。甲中石墨電極上發(fā)生

(填“氧化”或“還原”)反應(yīng),電極反應(yīng)式為

。②電流表讀數(shù)為0時(shí),反應(yīng)達(dá)到

狀態(tài)。解析

(1)①該原電池中Cu作負(fù)極,電極反應(yīng)式為Cu-2e-

Cu2+;C作正極,電極反應(yīng)式為2Fe3++2e-

2Fe2+。②X溶液應(yīng)為FeCl3溶液,Y溶液應(yīng)為CuCl2溶液。③原電池工作時(shí),鹽橋中的陽(yáng)離子向正極移動(dòng),即向X溶液方向移動(dòng)。(2)①根據(jù)題圖并結(jié)合原電池反應(yīng)2Fe3++2I-

2Fe2++I2;可知乙中石墨電極為負(fù)極,I-失電子發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為2I--2e-

I2,甲中石墨電極為正極,Fe3+得電子發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)式為2Fe3++2e-

2Fe2+。②當(dāng)電流表讀數(shù)為0時(shí),說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。答案

(1)①2Fe3++2e-

2Fe2+Cu-2e-

Cu2+②FeCl3溶液CuCl2溶液③陽(yáng)

(2)①氧化2I--2e-

I2還原2Fe3++2e-

2Fe2+②平衡

3.原電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)(1)拆分法若已知電池的總反應(yīng)方程式,先分析元素化合價(jià),確定正、負(fù)極的反應(yīng)物和生成物以及電子

轉(zhuǎn)移數(shù)目,將氧化還原反應(yīng)拆分為氧化反應(yīng)(負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng))和還原反應(yīng)(正極發(fā)生還原

反應(yīng)),根據(jù)電荷守恒、原子守恒配平,從而得出正、負(fù)極的電極反應(yīng)式。(2)加減法正極反應(yīng)式加負(fù)極反應(yīng)式等于總反應(yīng)式,如果已知電池的總反應(yīng)式,要求寫(xiě)出電極反應(yīng)式,

可以先寫(xiě)出較易寫(xiě)出的電極反應(yīng)式,然后用總反應(yīng)式減去較易寫(xiě)出的電極反應(yīng)式,即可得出

較難寫(xiě)出的電極反應(yīng)式。如:CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料電池中,利用總反應(yīng)式與較易寫(xiě)出

的正極反應(yīng)式得出負(fù)極反應(yīng)式。總反應(yīng)式:CH3OCH3+3O2

2CO2+3H2O正極:3O2+12H++12e-

6H2O負(fù)極:CH3OCH3+3H2O-12e-

2CO2+12H+(1)兩電極得失電子數(shù)目相等。(2)電極反應(yīng)式中若有氣體生成,需要加“↑”;單質(zhì)、非電解質(zhì)、弱電解質(zhì)或難溶物均用

化學(xué)式表示,其余用離子符號(hào)表示。(3)書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式時(shí)要保證電荷守恒、原子守恒,可在電極反應(yīng)式一端根據(jù)需要添加H+、

OH-或H2O。電化學(xué)在生產(chǎn)、生活和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。回答下列問(wèn)題:(1)新型電池中的鋁電池類(lèi)型較多。①Al-空氣燃料電池可用作電動(dòng)汽車(chē)的電源,該電池多使用NaOH溶液為電解液。電池工作

過(guò)程中電解液的pH

(填“增大”“減小”或“不變”)。②Li-Al/FeS是一種二次電池,可用作車(chē)載電源,放電時(shí)電池總反應(yīng)為2Li+FeS

Li2S+Fe,充電時(shí),陰極的電極反應(yīng)式為

。(2)甲醇燃料電池由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量轉(zhuǎn)化率高、對(duì)環(huán)境無(wú)污染,可作為常規(guī)能源的替代

品而越來(lái)越受到關(guān)注,其工作原理如圖,質(zhì)子交換膜左右兩側(cè)的溶液均為1L1.5mol·L-1H2

SO4溶液。典例①通入氣體a的電極是電池的

(填“正”或“負(fù)”)極,其電極反應(yīng)式為

。②當(dāng)電池中有2mol電子發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí),左右兩側(cè)溶液的質(zhì)量之差為

g(忽略氣體的溶

解,