1、第第 3 节节 化学能转化为电能化学能转化为电能电池电池 第 1 课时 原电池的工作原理 化学电源 目标导航 预习导引 1.通过实验探究体验化学反应及其能量转化。 2.了解原电池的构造特点和工作原理,会判断、设计简单的原 电池,能够正确书写电极反应式和电池反应方程式。 3.了解盐桥的作用。 4.知道常见化学电源的种类以及银锌纽扣电池、铅蓄电池、 燃料电池的工作原理及其应用价值。 5.能根据已知的电池反应方程式,判断电池的正负极,书写电极 反应式 1.掌握原电池的构造特点及工作原理。 2.能根据常见的氧化还原反应设计原电池,书写电极反应式和 电池反应方程式。 3.能根据电池反应方程式,判断电池的
2、正负极并书写电极反应 式 目标导航 预习导引 1.原电池工作原理 (1)化学能与电能的相互转化,是能量转化的重要形式之一。原电 池是将化学能转化为电能的装置。 (2)原电池由两个半电池组成。半电池包括电极材料和电解质溶 液,两个隔离的半电池通过盐桥连接起来。半电池中的反应就是半 反应,即电极反应。在原电池中,负极上发生氧化反应,失去电子,电 子流出;正极上发生还原反应,得到电子,电子流入。电流由原电池 的正极流向负极,即电子由负极流向正极。 目标导航 预习导引 (3)原电池的工作原理(以铜锌原电池为例进行研究): 铜锌原电池构造和原理示意图 目标导航 预习导引 Zn为负极,Cu为正极;负极上发
3、生氧化反应,电极反应式为Zn-2e- Zn2+,正极上发生还原反应,电极反应式为 Cu2+2e- Cu;电 子流出的极是负极,电子流入的极是正极;电流方向是从正极流向 负极。盐桥中的盐溶液是含KCl饱和溶液的琼脂,盐桥中的Cl-会移 向ZnSO4溶液,K+移向CuSO4溶液,使ZnSO4溶液和CuSO4溶液均保 持电中性。该原电池工作一段时间后,两电极的质量变化为负极质 量减小,正极质量增加。 目标导航 预习导引 2.化学电源 (1)根据原电池的反应原理,人们设计和生产了多种化学电源,包 括一次电池、二次电池和燃料电池等。在化学电源中,一次电池最 常见。这种电池中发生氧化还原反应的物质大部分被
4、消耗后,就不 能再使用。使用最广泛的一次电池是干电池。 (2)碱性锌锰干电池比普通锌锰干电池性能优越,它的比能量大, 能提供较大电流并连续放电。目前,在我国碱性锌锰干电池正在逐 渐代替普通锌锰干电池。碱性锌锰电池的负极是Zn,正极是MnO2, 电解质是KOH,其总反应式为Zn+MnO2+H2O ZnO+Mn(OH)2。 目标导航 预习导引 (3)氢氧燃料电池正极通入氧气,负极通入氢气。其电极反应:负极 为 2H2+4OH-4e-4H2O,正极为 O2+2H2O + 4e-4OH-,总反应 式为 2H2+O22H2O。燃料电池的能量转换效率远高于普通燃料 燃烧的能量转换效率,应用燃料电池建立的发
5、电站,具有能量转换效 率高、排放的废弃物少、运行噪音小等优点。 (4)铅蓄电池是最常见的二次电池,性能优良、价格低廉、安全可 靠,可多次充放电,所以应用广泛。它由两组栅状极板交替排列而 成,正极板上覆盖有PbO2,负极板上覆盖有Pb,电解质是H2SO4。 放电时电极反应:负极为 Pb+SO4 2-2e- PbSO4, 正极为 PbO2+4H+SO4 2-+2e- PbSO4+2H2O, 放电时总反应式为 Pb+PbO2+2H2SO42H2O+2PbSO4。 铅蓄电池充电时电极反应:阴极为 PbSO4+2e-Pb+SO4 2-(还原 反应),阳极为 PbSO4+2H2O-2e-PbO2+4H+S
6、O4 2-(氧化反应),充电 时总反应式为 2H2O+2PbSO4Pb+PbO2+2H2SO4。 可见充电过程和放电过程是互为逆过程,可表示为 Pb+PbO2+2H2SO42H2O+2PbSO4。随着放电反应的进行,硫酸的 浓度不断下降,密度不断减小,人们常常根据硫酸密度的大小来判断 铅蓄电池是否需要充电。 目标导航 预习导引 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 一、原电池的工作原理 活动与探究 按如图装置安装并进行实验,观察并记录实验现象,并由现象推 测能量变化。完成下表: 装置1 装置2 装置3 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 产生电流的情况 电极变化情况 温度变化 能量变化
7、装置 1 无电流产生 无电极 温度升高 化学能转 变为热能 装置 2 有电流产生, 方向:由铜到锌 锌片变薄, 铜片变厚 无明显变化 化学能转 变为电能 装置 3 有电流产生, 方向:由铜到锌 锌片变薄, 铜片变厚 无明显变化 化学能转 变为电能 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 思考与交流 如何判断原电池的正负极? 答案：根据原电池两极发生的变化来判断。原电池的负极总 是失电子,发生氧化反应(负失氧);正极总是得电子,发生还原反应 (正得还)。 根据电流方向或电子流动方向判断。电流是由正极流向负极; 电子流动方向是由负极流向正极。 根据原电池里电解质溶液中离子的定向移动方向判断。在原
8、电池的电解质溶液中,阳离子移向的极是正极,阴离子移向的极是 负极。 由组成原电池两极的电极材料判断。一般是活动性较强的金 属为负极,活动性较弱的金属或能导电的非金属为正极。 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 根据原电池两极发生的现象判断。质量减小的电极为负极,有 金属析出或有气泡放出的一极为正极(此规则具有相当的局限性, 可用于一些常规原电池的电极判定,如Al-Cu与稀硫酸构成的电池, 但不适用于目前许多的新型燃料电池和可充电电池电极的判定)。 燃料电池,充入燃料(如H2、CO、CH4、CH3OH、N2H4等)的一 极为负极;充入助燃剂(如O2、NO2等)的一极为正极。 问题导学 即时检
9、测 一 二 三 四 五 原电池正负极一定要注意实际情况,如Mg-Al-NaOH(aq), Al是 负极;Al-Cu-浓硝酸,Cu是负极。 学习中常犯的错误是原电池正负极的判断,不一定是较活泼的 金属一定作负极,而要看是否发生氧化反应。如铁、铜和浓硝酸组 成的原电池,虽然铁的活动性比铜强,但常温下铁被浓硝酸钝化,因 此铜作负极,铁作正极。 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 二、电极反应式的书写 活动与探究 请根据离子方程式2Ag+Cu 2Ag + Cu2+设计一个原电池,画 出构造示意图,写出正负极反应。 答案：原电池结构示意图如图(任选一) 电极反应 负极:Cu-2e-Cu2+ 正极:2
10、Ag+2e-2Ag 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 思考与交流 如何书写原电池中的电极反应式? 答案：如果题目给定的是图示装置,先分析正、负极,再根据 正、负极反应规律写电极反应式。 如果题目给的是总反应式,可分析此反应中的氧化反应或还原 反应(即分析有关元素的化合价变化情况)。 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 原电池电极反应式及总反应式书写的三个步骤 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 三、锌锰干电池 活动与探究 请同学们分别写出碱性、酸性锌锰干电池的电极反应和电池反 应。 答案：碱性锌锰干电池 负极:Zn+2OH-2e-ZnO+H2O 正极:MnO2+2H2O+2e-M
11、n(OH)2+2OH- 电池反应:Zn+MnO2+H2OZnO+Mn(OH)2 酸性锌锰干电池 负极:Zn-2e-Zn2+ 正极:2NH4 +2e- 2NH3+H2 二氧化锰起氧化 H2的作用,其反应原理一般认为 H2+2MnO2Mn2O3+H2O 电池反应:Zn+2NH4Cl+2MnO2ZnCl2+2NH3+Mn2O3+H2O 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 迁移与应用 例1锌-锰碱性电池具有容量大、放电电流大的特点,因而得到广 泛应用。锌-锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液,电池总反应式 为Zn(s)+MnO2(s)+H2O(l) ZnO(s)+Mn(OH)2(s),下列说法错误 的
12、是( ) (导学号52160018) A.电池工作时,锌失去电子 B.电池正极的电极反应式为MnO2(s)+2H2O(l)+2e Mn(OH)2(s)+2OH-(aq) C.电池工作时,电子由正极通过外电路流向负极 D.外电路中每通过0.2 mol电子,锌的质量理论上减少6.5 g 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 解析：电池工作时,锌作负极失去电子,负极电极反应式为 Zn(s)+2OH-(aq)-2e- ZnO(s)+H2O(l),正极电极反应式为 MnO2(s)+2H2O(l)+2e- Mn(OH)2(s)+2OH-(aq)。在外电路,电子 由负极流向正极。通过0.2 mol电子,锌
13、消耗0.1 mol,其质量减少6.5 g。 答案：C 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 迁移训练1铁镍蓄电池放电时的总反应为: Fe+Ni2O3+3H2O Fe(OH)2+2Ni(OH)2 下列有关该电池的说法不正确的是( ) A.电池的电解液为碱性溶液,正极为Ni2O3、负极为Fe B.电池放电时,负极反应为Fe+2OH-2e- Fe(OH)2 C.电池充电过程中,阴极附近溶液的OH-的浓度减小 D.电池充电时,阳极反应为2Ni(OH)2+2OH-2e- Ni2O3+3H2O 答案：C 电极反应式的书写可以根据总反应式中元素化合价变化、物质 存在形式以及由正极反应与负极反应写总反应的规
14、律来书写。 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 四、二次电池铅蓄电池 活动与探究 法国科学家普朗特在1859年发明了铅蓄电池。直到今天,还在大 量使用,被人们称为“意义深远的发明”。铅蓄电池总反应 为:Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O,思考下列问题: (1)放电过程的电极反应式如何书写?放电后,电极质量如何变化? 溶液pH如何改变? (2)充电过程,阴极的电极反应式如何书写? 答案：(1)放电过程:负极 Pb+SO4 2-2e- PbSO4 正极 PbO2+4H+SO4 2-+2e- PbSO4+2H2O 从电极反应可以看出,放电后电极质量均增大 溶液pH随H+的消耗而
15、升高 (2)充电时,阴极反应:PbSO4+2e-Pb+SO4 2- 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 迁移与应用 例2现在电瓶车所用电池一般为铅蓄电池,如图所示,这是一种典 型的可充电电池,电池总反应式为: (导学号52160019) Pb+PbO2+4H+2SO4 2- 2PbSO4+2H2O 电池放电时,溶液的pH会 (填“增大”或“减小”),负极反应 式为 。充电时,铅蓄电池的负极应与电源的 极相连。 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 解析：铅蓄电池在放电时负极为Pb,失去电子发生氧化反应,Pb- 2e-+ PbSO4,正极为PbO2,得到电子发生还原反应;放电时, 铅蓄电池
16、的负极发生的是氧化反应,充电时应发生还原反应,故要 连接电源的负极。 答案：增大 Pb-2e-+ PbSO4 负 SO4 2- SO4 2- 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 迁移训练2下列关于铅蓄电池的说法,正确的是 ( )(导学号 52160020) A.在放电时,正极发生的反应是 Pb(s)+SO4 2-(aq)-2e- PbSO4(s) B.在放电时,该电池的负极材料是铅板 C.在充电时,电池中硫酸的浓度不断变小 D.在充电时,阳极发生的反应是 PbSO4(s)+2e-Pb(s)+SO4 2-(aq) 答案：B 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 五、氢氧燃料电池 活动与探究
17、 请同学们完成以下表格。 类型 电解质溶液为碱性 电解质溶液为酸性 电解质溶液为中性 负极 H2+2OH-2e- 2H2O 2H2-4e-4H+ 2H2-4e-4H+ 正极 O2+2H2O+4e- 4OH- O2+4H+4e- 2H2O O2+2H2O+4e- 4OH- 电池 反应 2H2+O22H2O 2H2+O22H2O 2H2+O22H2O 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 迁移与应用 例3科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池,利用细菌将有 机酸转化成为氢气,氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池发电。电 池负极反应为( ) (导学号52160021) 解析：根据该燃料电池是由H2进入
18、以磷酸为电解质的电池,即该 电池的负极应该是H2失电子被氧化,故选C项。 答案：C A.H2+2OH-2e-2H2O B.O2+4H+4e-2H2O C.H2-2e-2H+ D.O2+2H2O+4e-4OH- 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 迁移训练3科学家利用太阳能分解水生成的氢气在催化剂作用 下与二氧化碳反应生成甲醇,并开发出直接以甲醇为燃料的燃料电 池。已知,1 mol CH3OH(l)充分燃烧的H为-726.5 kJ mol-1。 在直接以甲醇为燃料的燃料电池中,电解质溶液呈酸性,负极的 反应式为 ,正极的反应式 为 。理想状态下,该燃料电池消耗 1 mol甲醇所能产生的最大电
19、能为702.1 kJ,则该燃料电池的理论效 率为 (燃料电池的理论效率是指电池所产生的最大电能与 燃料电池反应所能释放的全部能量之比)。 答案：CH3OH+H2O-6e- CO2+6H+ 3 2O2+6H +6e- 3H2O 96.6% 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 燃料电池正极反应物一般是氧气,正极发生得电子的还原反应, 所以可先写出正极反应式,正极反应的本质都是 O2得电子生成 O2-, 故正极反应式的基础都是 O2+4e-2O2-。正极产生 O2-的存在形 式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的 关系。 在酸性环境中,O2-不能单独存在,可供 O2-结合的微粒
20、有 H+和 H2O,O2-优先结合 H+生成 H2O。这样,在酸性电解质溶液中,正极反 应式为 O2+4H+4e-2H2O。 在中性或碱性环境中,O2-也不能单独存在,O2-只能结合 H2O 生成 OH-,故在中性或碱性电解质溶液中,正极反应式为 O2+2H2O+4e-4OH-。 问题导学 即时检测 一 二 三 四 五 在熔融的碳酸盐环境中(如 Li2CO3和 Na2CO3熔融盐混合 物),O2-也不能单独存在,O2-可结合 CO2生成 CO3 2-,则其正极反应式 为 O2+2CO2+4e-2CO3 2-。 电解质为固体电解质(如固体氧化锆氧化钇),该固体电解 质在高温下可允许 O2-在其间
21、通过,故其正极反应式应为 O2+4e- 2O2-。 问题导学 即时检测 1 2 3 4 5 1.下图所示的装置能够组成原电池且产生电流的是( ) 解析：由于A中两电极金属相同,D中乙醇水溶液不是电解质溶 液,B中未形成闭合回路,因此A、B、D不能组成原电池而C符合构 成原电池的条件,可形成原电池。 答案：C 问题导学 即时检测 1 2 3 4 5 2.(2016课标全国甲,11)Mg-AgCl电池是一种以海水为电解质溶液 的水激活电池。下列叙述错误的是( ) A.负极反应式为 Mg-2e-Mg2+ B.正极反应式为 Ag+e-Ag C.电池放电时 Cl-由正极向负极迁移 D.负极会发生副反应
22、Mg+2H2OMg(OH)2+H2 解析：Mg-AgCl 海水电池中,Mg为活泼金属,作负极,发生反应:Mg- 2e-Mg2+,A 项正确;AgCl 在正极反应:AgCl+e-Ag+Cl-,B 项错 误;原电池中,阴离子向负极移动,C 项正确;Mg可与 H2O 缓慢反 应,D 项正确。 答案：B 问题导学 即时检测 1 2 3 4 5 3.可用于电动汽车的铝-空气燃料电池,通常以NaCl溶液或NaOH溶 液为电解液,铝合金为负极,空气中的O2为正极反应物。下列说法 正确的是( ) (导学号52160022) A.以 NaCl 溶液或 NaOH 溶液为电解液时,正极反应都 为:O2+2H2O+4
23、e-4OH- B.以 NaOH 溶液为电解液时,负极反应为:Al+3OH-3e-Al(OH)3 C.以 NaOH 溶液为电解液时,电池在工作过程中电解液的 OH-的浓 度保持不变 D.电池工作时,电子通过外电路从正极流向负极 问题导学 即时检测 1 2 3 4 5 解析：电解质溶液显碱性或中性,该燃料电极的正极反应 为:O2+2H2O+4e-4OH-,A 对;铝作负极,负极反应应该是铝失去电 子变为铝离子,在氢氧化钠溶液中铝离子继续与过量的碱反应生成 四羟基合铝酸根离子,因此负极反应为:Al+4OH-3e- Al(OH)4-,B 错;该电池在碱性条件下消耗了碱,反应式为 4Al+3O2+6H2
24、O+4OH-4Al(OH)4-,溶液 OH-浓度减小,C 错;电池 工作时,电子从负极经过外电路流到正极,D 错。 答案：A 问题导学 即时检测 1 2 3 4 5 4.Zpower电池使用锌聚合物作为阳极、银纳米颗粒作为阴极,其安 全性类似于传统的碱性电池,并且其材料95%可回收,该电池的容量 比同体积的锂电池高30%。 银锌电池广泛用作各种电子仪器的电源,它的充、放电过程可表示 为2Ag+Zn(OH)2 Ag2O+Zn+H2O。根据上述信息回答下列问题: (导学号52160023) (1)电池在放电时,作为负极的是 ,电极反应式 为 ;正极电极反应式 为 。 (2)该电池属于 (填“酸”“
25、碱”或“中”)性电池。 (3)写出充电时的反应式: 阳极: ; 阴极: 。 问题导学 即时检测 1 2 3 4 5 解析：(1)明确电池放电的过程即发生原电池反应的过程,其电池反 应方程式为:Zn+Ag2O+H2O 2Ag+Zn(OH)2,被氧化的Zn为负极, 则Ag2O为正极。 (2)从产物分别为金属氧化物和金属氢氧化物的实际来看,该电池的 电解质溶液应为碱性。 (3)充电时发生电解池反应,Ag/Ag2O为阳极,Zn/Zn(OH)2为阴极,分 别发生氧化反应和还原反应。 答案：(1)Zn Zn+2OH-2e-Zn(OH)2 Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH- (2)碱 (3)2Ag+2OH-2e-Ag2O+H2O Zn(OH)2+2e-Zn+2OH- 问题导学 即时检测 1 2 3 4 5 5.用铜、银、AgNO3溶液设计一个原电池,这一原电池的正极 是 ,负极是 ,负极的电极反应 是 ,总反应是 。 解析：构成原电池必须满足的三个条件,即:闭合回路,活动性不同 的电极,电解质溶液。再由装置特征,两电极中活泼的金属为负极 失电子,发生氧化反应,另一极即为正极。 答案：Ag Cu Cu-2e-Cu2+ Cu+2Ag+Cu2+2Ag
