第3節(jié)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能 電池第1課時(shí)原電池的工作原理化學(xué)電源 1 了解原電池的工作原理 能寫出電極反應(yīng)式和電池反應(yīng)方程式 2 掌握構(gòu)成原電池的條件 3 了解常見化學(xué)電源的種類 工作原理和用途 課程標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航 一 原電池 化學(xué)能 電能 負(fù)極 正極 負(fù) 正 化學(xué)能 電能 二 化學(xué)電源 做一做一次電池 二次電池與燃料電池各有哪些特點(diǎn) 提示 一次電池只能放電不能充電 使用后即棄去 可能造成環(huán)境污染 二次電池可以反復(fù)充放電 可多次重復(fù)使用 燃料電池是一種高效低污染的新型電池 1 在理論上不能用于設(shè)計(jì)原電池的化學(xué)反應(yīng)是 a h2so4 aq bacl2 aq 2hcl aq baso4 s h 0b 2ch3oh l 3o2 g 2co2 g 4h2o l h 0 c 4fe oh 2 s 2h2o l o2 g 4fe oh 3 s h 0d 3cu s 8hno3 aq 3cu no3 2 aq 2no g 4h2o l h 0解析 選a 用于設(shè)計(jì)成原電池的反應(yīng)一般為放熱的 可以自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng) 所以a不能 因?yàn)閍為復(fù)分解反應(yīng) 是非氧化還原反應(yīng) 2 原創(chuàng)題 在下圖中的8個(gè)裝置中 屬于原電池的是哪幾個(gè) 解析 構(gòu)成原電池要有四個(gè)基本條件 a 電解質(zhì)溶液 b 兩個(gè)電極 其中一個(gè)相對(duì)較活潑 另一個(gè)相對(duì)較不活潑 兩個(gè)電極直接或間接地連接在一起 并插入電解質(zhì)溶液中 c 能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應(yīng) d 形成閉合回路 符合上述條件 答案 3 將銅和鋅用導(dǎo)線連接插入到鹽酸中 關(guān)于該裝置的敘述 正確的是 a 鋅是負(fù)極 銅的表面有氣泡b 電子從銅極經(jīng)外電路流向鋅極c 溶液中cl 向銅極移動(dòng)d 溶液的ph基本沒有變化 解析 選a 鋅失去電子 電子從負(fù)極流向正極 電流方向與電子流向相反 b錯(cuò) 原電池中陰離子流向負(fù)極 c錯(cuò) h 在正極得電子生成h2 所以溶液中h 濃度降低 ph增大 d錯(cuò) 探究導(dǎo)引1鹽橋的作用是什么 提示 防止兩溶液直接接觸 避免氧化劑和還原劑直接反應(yīng) 溝通兩個(gè)半電池 保持其電荷平衡 使反應(yīng)能繼續(xù)進(jìn)行 探究導(dǎo)引2如何設(shè)計(jì)原電池 提示 一般來說 自發(fā)的氧化還原反應(yīng)都可以設(shè)計(jì)成相應(yīng)的原電池 具體設(shè)計(jì)時(shí) 先將氧化還原反應(yīng)拆分為兩個(gè)半反應(yīng) 即氧化反應(yīng)和還原反應(yīng) 然后根據(jù)構(gòu)成原電池的條件 選擇合適的電極材料及適宜的電解質(zhì)溶液 將兩電極用導(dǎo)線連接插入電解質(zhì)溶液形成閉合回路 該原電池的設(shè)計(jì)即獲成功 要點(diǎn)歸納1 電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置 因此只有氧化還原反應(yīng)可以設(shè)計(jì)成電池 在電池中 通過電極和導(dǎo)線將電子轉(zhuǎn)移變成了電子的定向移動(dòng) 將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分到兩個(gè)電極上進(jìn)行 使其成為兩個(gè) 半反應(yīng) 如銅鋅原電池 2 依據(jù)電池的工作原理 可以將氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)成原電池 設(shè)計(jì)思路如下 即時(shí)應(yīng)用1 利用反應(yīng)zn 2fecl3 zncl2 2fecl2設(shè)計(jì)一個(gè)原電池 在下圖方格內(nèi)畫出實(shí)驗(yàn)裝置圖 并指出正極材料為 電極反應(yīng)式為 負(fù)極材料為 電極反應(yīng)式為 解析 將zn 2fecl3 zncl2 2fecl2拆分為 zn 2e zn2 氧化反應(yīng) 2fe3 2e 2fe2 還原反應(yīng) 結(jié)合原電池的電極反應(yīng)特點(diǎn)分析可知 該電池的負(fù)極應(yīng)用鋅片 正極材料用活潑性比鋅弱的金屬或?qū)щ姷姆墙饘?為保證fe3 在正極得電子 電解質(zhì)溶液為fecl3等易溶的鐵鹽溶液 答案 pt2fe3 2e 2fe2 znzn 2e zn2 探究導(dǎo)引3可充電電池工作時(shí)離子如何移動(dòng) 提示 無論是原電池還是電解池 陽(yáng)離子一定移向發(fā)生還原反應(yīng)的極 陰離子一定移向發(fā)生氧化反應(yīng)的極 探究導(dǎo)引4可充電電池電極反應(yīng)式如何書寫 提示 電極反應(yīng)也要遵循電荷守恒 原子守恒 對(duì)于復(fù)雜的電極反應(yīng)式 可先寫出其中一個(gè)簡(jiǎn)單的電極反應(yīng)式 通常是負(fù)極 然后用總反應(yīng)方程式減去該電極反應(yīng)式即可得到另一個(gè)電極反應(yīng)式 要點(diǎn)歸納可充電電池屬于二次電池 是一種可反復(fù)使用的電池 當(dāng)電池放電時(shí) 是一種原電池 當(dāng)電池充電時(shí) 此時(shí)又是一種電解池 對(duì)于可充電電池 分析時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面 1 可充電電池的兩極可充電電池有放電和充電兩個(gè)過程 分析可充電電池的兩極 通常是借助于氧化還原反應(yīng)中化合價(jià)的變化 如高鐵電池 總反應(yīng)方程式為 放電時(shí)反應(yīng)方向是從左到右 鋅的化合價(jià)升高 發(fā)生氧化反應(yīng) 鋅為負(fù)極 鐵的化合價(jià)降低 發(fā)生還原反應(yīng) k2feo4為正極反應(yīng)物 充電時(shí)反應(yīng)從右到左 zn oh 2中鋅的化合價(jià)由 2價(jià)降為0價(jià) 發(fā)生還原反應(yīng) zn oh 2是陰極反應(yīng)物 fe oh 3中鐵的化合價(jià)由 3升高為 6價(jià) 發(fā)生氧化反應(yīng) fe oh 3為陽(yáng)極反應(yīng)物 特別提醒不論是放電時(shí)的正負(fù)極還是充電時(shí)的陰陽(yáng)極 均可以借助于化合價(jià)的變化加以判斷 2 離子移動(dòng)的方向原電池中陽(yáng)離子移向正極 陰離子移向負(fù)極 電解池中陽(yáng)離子移向陰極 陰離子移向陽(yáng)極 初學(xué)者往往在此處混淆 誤認(rèn)為原電池中是陰離子移向正極 對(duì)此可通過電子的流向加以判斷 在原電池中 電子由負(fù)極流向正極 溶液中的陽(yáng)離子應(yīng)移向正極去獲得電子 電解池中 電子由電源負(fù)極流入陰極 陽(yáng)離子應(yīng)移向陰極獲得電子 陰離子移向陽(yáng)極失去電子 電子沿導(dǎo)線流回電源正極 構(gòu)成一個(gè)閉合回路 3 電極反應(yīng)式的書寫分析時(shí)可首先從放電過程入手 首先分析反應(yīng)的總方程式 放電時(shí)負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng) 元素化合價(jià)升高 通常是電極本身或電極中充入的氣體失電子 正極則發(fā)生還原反應(yīng) 元素的化合價(jià)降低 其次分析充電過程 充電時(shí)的陰極反應(yīng)式與放電時(shí)的負(fù)極反應(yīng)式書寫方式正好相反 充電時(shí)的陽(yáng)極反應(yīng)式與放電時(shí)的正極反應(yīng)式書寫方向相反 第三 書寫時(shí)特別注意兩極反應(yīng)生成的離子能否在電解液中共存 若不能共存 則該離子還應(yīng)與電解質(zhì)溶液中的某種離子發(fā)生反應(yīng) 4 充放電后溶液ph的變化充放電后溶液ph的變化與兩極反應(yīng)有密切關(guān)系 可通過電極反應(yīng)式加以判斷 仍以高鐵電池為例 放電時(shí)負(fù)極消耗oh 負(fù)極附近溶液堿性減弱 充電時(shí)陰極產(chǎn)生oh 陰極附近oh 濃度增大 堿性增強(qiáng) 特別提醒ph的變化與電極反應(yīng)息息相關(guān) 不要忽略了電極產(chǎn)生的離子與電解質(zhì)自身的反應(yīng) 即時(shí)應(yīng)用2 2011 高考新課標(biāo)全國(guó)卷 鐵鎳蓄電池又稱愛迪生電池 放電時(shí)的總反應(yīng)為 fe ni2o3 3h2o fe oh 2 2ni oh 2下列有關(guān)該電池的說法不正確的是 a 電池的電解液為堿性溶液 正極為ni2o3 負(fù)極為feb 電池放電時(shí) 負(fù)極反應(yīng)為fe 2oh 2e fe oh 2c 電池充電過程中 陰極附近溶液的ph降低d 電池充電時(shí) 陽(yáng)極反應(yīng)為2ni oh 2 2oh 2e ni2o3 3h2o 解析 選c a項(xiàng) 由電池反應(yīng)可知 ni2o3 ni oh 2 ni的化合價(jià)由 3價(jià) 2價(jià) 化合價(jià)降低 發(fā)生還原反應(yīng) 故ni2o3為正極 fe fe oh 2 fe的化合價(jià)由0價(jià) 2價(jià) 化合價(jià)升高 發(fā)生氧化反應(yīng) 故fe為負(fù)極 正確 b項(xiàng) 負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng) fe 2oh 2e fe oh 2 正確 c項(xiàng) 陰極發(fā)生還原反應(yīng) fe oh 2 2e fe 2oh c oh 增大 溶液的ph增大 故錯(cuò)誤 d項(xiàng) 陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng) 電極反應(yīng)為2ni oh 2 2oh 2e ni2o3 3h2o 正確 探究導(dǎo)引5如何書寫燃料電池電極反應(yīng)式 提示 燃料電池可先寫出總反應(yīng) 因?yàn)榭偡磻?yīng)是其完全燃燒的方程式或其完全燃燒的方程式與介質(zhì)反應(yīng)的總和 然后再寫出其中一個(gè)簡(jiǎn)單的電極反應(yīng) 兩式在轉(zhuǎn)移電子數(shù)相等的情況下相減可得另一電極反應(yīng) 此外 還應(yīng)注意電解質(zhì)的狀態(tài)和溶液的酸堿性 要點(diǎn)歸納燃料電池是將可燃物 如h2 甲醇 丁烷 甲烷等 燃燒時(shí)放出的熱量以電能的形式展現(xiàn)出來的裝置 具有高效能 低污染的特點(diǎn) 燃料電池的總反應(yīng)方程式就是該可燃物燃燒的化學(xué)方程式 不加反應(yīng)條件 如甲烷 氧氣燃料電池 就是以多孔鉑電極或活性炭電極做正 負(fù)極 ch4和o2分別在兩極反應(yīng) 即時(shí)應(yīng)用3 2012 鄭州高二統(tǒng)考 可用于電動(dòng)汽車的鋁 空氣燃料電池通常以nacl溶液或naoh溶液為電解質(zhì)溶液 鋁合金為負(fù)極 空氣電極為正極 下列說法正確的是 a 以nacl溶液或naoh溶液為電解液時(shí) 正極反應(yīng)都為o2 2h2o 4e 4oh b 以naoh溶液為電解液時(shí) 負(fù)極反應(yīng)為al 3oh 3e al oh 3 c 以naoh溶液為電解液 電池在工作過程中電解液的ph保持不變d 電池工作時(shí) 電子通過外電路從正極流向負(fù)極 解析 選a 本題是考查一種固體燃料電池的原理 電解質(zhì)溶液分別為nacl溶液或naoh溶液時(shí)電極反應(yīng)式為 負(fù)極 al 3e al3 al 4oh 3e al oh 4 正極 2h2o o2 4e 4oh 故總的反應(yīng)式為4al 3o2 6h2o 4al oh 3 或4al 6h2o 3o2 4oh 4 al oh 4 以naoh為電解液時(shí)ph發(fā)生變化 用如圖所示的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 反應(yīng)一段時(shí)間后斷開k 向右側(cè)燒杯中加入0 1molcuo后cuso4溶液恰好恢復(fù)到反應(yīng)前的濃度 下列說法中不正確的是 a 銅棒為正極 其電極反應(yīng)式為 2h 2e h2 b 燒杯右側(cè)碳棒為陰極 其電極表面有紅色物質(zhì)析出c 反應(yīng)中消耗鋅的質(zhì)量為13gd 導(dǎo)線中通過電子的物質(zhì)的量為0 2mol 解析 左側(cè)裝置為zn cu h2so4原電池 zn為負(fù)極 cu為正極 右側(cè)裝置為用惰性電極電解cuso4溶液 左側(cè)碳棒為陽(yáng)極 右側(cè)碳棒為陰極 有銅析出 電解質(zhì)中加入0 1molcuo恢復(fù)原狀態(tài) 則知電解生成銅0 1mol 轉(zhuǎn)移電子數(shù)0 2mol 消耗zn0 1mol 6 5g 答案 c 名師點(diǎn)睛 判斷正 負(fù)極時(shí)的一般思路為 1 一般較活潑的金屬做負(fù)極 發(fā)生氧化反應(yīng) 較不活潑的金屬或非金屬導(dǎo)體做正極 發(fā)生還原反應(yīng) 本身不變 2 不要形成 活潑金屬一定做負(fù)極 的思維定勢(shì) 例如鎂鋁原電池 若電解質(zhì)溶液為稀h2so4 則mg做負(fù)極 mg 2e mg2 al做正極 2h 2e h2 若電解質(zhì)溶液為naoh溶液 al與naoh溶液的反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行 故al做負(fù)極 2al 8oh 6e 2 al oh 4 mg做正極 6h2o 6e 3h2 6oh 3 負(fù)極為電子流出的一極 4 一般溶解的一極為負(fù)極 質(zhì)量增加或有氣體生成的一極為正極 5 通入還原性氣體 ch4 h2等 的一極為負(fù)極 通入氧化性氣體 o2 的一極為正極 提示 上述右側(cè)裝置中右側(cè)碳棒做陰極 電極不發(fā)生反應(yīng) 左側(cè)碳棒為陽(yáng)極 若換為鐵棒 則鐵失電子 電解時(shí)發(fā)生總反應(yīng)為cu2 fe cu fe2 加入0 1molcuo后無法恢復(fù)原狀態(tài) 互動(dòng)探究若將插入cuso4溶液中的右側(cè)石墨棒換為鐵棒 則對(duì)原題有無影響 若換左側(cè)的呢 2012 北大附中高二期中考試 將氧化還原反應(yīng)2h2 o2 2h2o設(shè)計(jì)成原電池 1 利用氫氣和氧氣 氫氧化鉀溶液構(gòu)成燃料電池 則負(fù)極通入的氣體應(yīng)是 正極通入的氣體是 電極反應(yīng)為 正極 負(fù)極 2 若把koh溶液改為稀硫酸做電解質(zhì)溶液 則電極反應(yīng)為 正極 負(fù)極 3 1 和 2 的電解質(zhì)溶液不同 反應(yīng)進(jìn)行后 其溶液的酸堿性各有何變化 4 若把h2改為ch3oh koh溶液做電解質(zhì)溶液 則電極反應(yīng)為 正極 負(fù)極 電池反應(yīng)為 思路點(diǎn)撥 氫氧燃料電池 h2都在負(fù)極失e 電解質(zhì)溶液顯酸性 則h2 2e 2h 電解質(zhì)溶液顯堿性 則生成的h 與oh 生成h2o 負(fù)極反應(yīng)式與正極相加一定等于總反應(yīng) 解析 1 由電池反應(yīng)可知在反應(yīng)中h2被氧化 o2被還原 h2應(yīng)該在負(fù)極上反應(yīng) o2應(yīng)該在正極上反應(yīng) 又因?yàn)槭菈A溶液 不可能有h 參加或生成 故負(fù)極的電極反應(yīng)為2h2 4oh 4e 4h2o 正極的電極反應(yīng)為o2 2h2o 4e 4oh 2 若將電解質(zhì)溶液換為酸溶液 此時(shí)應(yīng)考慮不可能有oh 生成 故負(fù)極的電極反應(yīng)為2h2 4e 4h 正極的電極反應(yīng)為o2 4h 4e 2h2o 3 由于前者在堿性條件下反應(yīng) koh的量不變 但工作時(shí)h2o增多 故溶液變稀 堿性減弱 而后者為酸溶液 h2so4的量不變 h2o增多 故溶液變稀 酸性減弱 答案 1 h2o2o2 2h2o 4e 4oh 2h2 4oh 4e 4h2o 2 o2 4h 4e 2h2o2h2 4e 4h 規(guī)律方法 寫燃料電池電極反應(yīng)式以下三個(gè)方面特別要注意 電池的負(fù)極一定是可燃性物質(zhì)失電子 發(fā)生氧化反應(yīng) 電池的正極一定是助燃性物質(zhì)得電子 發(fā)生還原反應(yīng) 電極材料一般不參加化學(xué)反應(yīng) 只起傳導(dǎo)電子的作用 寫電極反應(yīng)式時(shí) 一定要注意電解質(zhì)是什么 在堿性電解質(zhì)溶液中 電極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)h 酸性電解質(zhì)溶液中 電極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)oh 經(jīng)典案例 某化學(xué)興趣小組為了探究鋁電極在原電池中的作用 設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果記錄如下 1 實(shí)驗(yàn)1 2中 鋁分別做 極 極 2 實(shí)驗(yàn)3中鋁做 極 理由是 鋁電極的電極反應(yīng)式為 3 實(shí)驗(yàn)4中電流計(jì)指針偏向鋁的原因是 4 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 總結(jié)在原電池中金屬鋁做正極還是負(fù)極 受哪些因素影響 解析 因?yàn)榻饘俚幕顫娦詍g al cu mg al都能與稀鹽酸反應(yīng) cu不