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第四章 化学反应与能量
第一节 原电池
第1课时 原电池
教学目标
1、教学目标
1) 通过原电池实验，认识电极反应、电极材料、离子导体、电子导体是电池构成的四个基本要素，能设计简单的原电池。
2) 在分析锌铜原电池的过程中，逐渐建立原电池的系统分析思路；能根据电极反应、电流方向或离子的移动方向判断原电池的正极和负极。
3) 了解常见的化学电源，能运用原电池思维模型分析其工作原理，能运用电极反应表示其中发生的化学反应，体会变化与守恒思想。
4) 了解化学电源的发展史，能列举常见的化学电源；能从物质变化和能量变化的角度分析新型电池的研发和利用，培养责任意识和创新精神。
2、教学重点和难点
1) 重点：原电池的工作原理；电极反应的分析与表征。
2) 难点：原电池思维模型的构建。
新课导入
普通干电池
充电干电池
钮扣电池
笔记本电脑
专用电池
摄像机专用电池
手机电池
复习回顾
判断：下列装置中哪些属于原电池？
Zn
稀H2SO4
Zn
C
稀H2SO4
C
Zn
稀H2SO4
Cu
Zn
稀H2SO4
C
Zn
CuSO4
Cu
Zn
C2H5OH
Cu
Zn Cu
CuSO4
ZnSO4
复习回顾
一、组成原电池的条件
1) 具有两个能导电的电极 (金＋金、金＋非、非＋非)
2) 具有电解质溶液或熔融电解质
3) 电极间能形成闭合回路 (两电极接触或用导线连接)
4) 能自发进行的氧化还原反应 (本质条件)
Zn
CuSO4
Cu
复习回顾
二、工作原理
Cu
Zn
CuSO4
负极
Zn 2e ＝Zn2＋
氧化反应
失去电子
正极
还原反应
得到电子
失电子，沿导线传递，有电流产生
Cu＋2e ＝Cu2＋
外电路
内电路
电解质溶液中
阳离子移向正极
阴离子移向负极
单液电池
再探单液电池
CuSO4
－ ＋
Cu
Zn
A
e
I
e
预期现象
实际现象
Zn片溶解
Cu片上有Cu析出
电流表指针发生偏转
观察提示：
1、电流表指针偏转情况，工作一段时间有无变化
2、电解质溶液的变化
3、电极表面的变化
… …
？
实验一
再探单液电池
CuSO4
－ ＋
Cu
Zn
A
e
I
e
实际现象：
1) 电流表指针发生偏转
2) 铜片表面有铜析出
3) 锌片表面有铜析出
4) 随着时间的延续，电流减小，电流不稳定
5) 锌片表面逐渐被铜全部覆盖
再探单液电池
思考与交流一：
1、为什么电流会逐渐减小？
2、如何阻止Cu2＋在锌片表面还原？
CuSO4
－ ＋
Cu
Zn
A
e
I
e
原因：锌片与硫酸铜溶液直接接触，一段时间后，溶液中铜离子在锌片表面直接还原，少量的铜在锌片表面析出，即在锌表面也构成了原电池，加速铜在锌表面析出，使向外输出的电流强度减弱。当锌片表面被铜覆盖后，不再构成原电池。
将锌片与硫酸铜溶液隔离
再探单液电池
思考与交流：如何改进原电池装置？
CuSO4
－ ＋
Cu
Zn
A
e
I
e
Zn
Cu
CuSO4
改进
思考与交流一：
3、锌片可以插入什么溶液中？
4、怎样能使电解质溶液连通构成原电池？
ZnSO4
A
盐桥
盐桥：装有含KCl饱和溶液的琼胶，离子可在其中自由移动
双液—盐桥电池
科学视野
298.15K时一些离子在水溶液中的离子迁移率U (m2·S 1·V 1)
阳离子 离子迁移率 阴离子 离子迁移率
H＋ 36.30 OH 20.52
K＋ 7.62 SO42 8.27
Ba2＋ 6.59 Cl 7.91
Na＋ 5.19 NO3 7.40
Li＋ 4.01 HCO3 4.61
1) 溶液的导电能力与离子的迁移速率有关
2) 阴阳离子的迁移速率接近可以提高导电能力
双液—盐桥电池
实验二：教材P94·实验4 1：设计锌铜原电池
将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液用一个盐桥连接起来，然后将锌片和铜片用导线连接，并在中间串联一个电流表，观察现象。取出盐桥，观察电流表的指针有何变化。
Zn
Cu
CuSO4
ZnSO4
A
观察提示：
1、电流表指针偏转情况，工作一段时间有无变化
2、电极表面的变化
3、取出盐桥后的变化
双液—盐桥电池
如图所示连接实验装置
取出盐桥
实验操作
实
验
现
象
电流表
电极变化
1) 电流表的指针发生偏转；
2) 能产生持续稳定的电流
1) 锌片逐渐溶解
2) 铜片上有红色固体析出
电流表的指针回到零点
锌片不再溶解，铜片上也不再有红色固体析出
思考与交流二：盐桥中离子移动方向和盐桥的作用？
双液—盐桥电池
思考与交流二：盐桥中离子移动方向和盐桥的作用？
盐桥的作用
1) 联通两个溶液，使整个装置构成闭合回路；
2) 使两个溶液保持电中性，从而使电极反应持续进行。
盐桥变膜—离子交换膜电池
阴离子交换膜
离子交换膜电池
离子交换膜简介
离子交换膜：一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。
双极膜：由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。 双极膜内层为水层，工作时H2O解离成H+和OH-，分别通过交换膜向两侧发生迁移。
小结
离子交换膜电池
双液电池
单液电池
？
随堂练习
练、在下列氧化还原反应中，在一定条件下不能设计成原电池的反应是( )
2FeCl2＋Cl2＝2FeCl3
B. 2H2＋O2＝2H2O
C. Pb＋PbO2＋H2SO4＝2PbSO4＋2H2O
D. Na2S2O3＋H2SO4＝Na2SO4＋S＋SO2＋H2O
D
反应实质：将一个可以自发进行的氧化还原反应分开在两个区域进行，将两个区域用导线连接起来，电子则定向的由发生氧化反应的负极流向发生还原反应的正极，将化学能转化为电能。
原电池的电极反应书写(简单双液电池)
总反应：Zn ＋ CuSO4＝ZnSO4 ＋ Cu
负极(氧)：
正极(还)：
Zn 2e ＝Zn2＋
Cu2＋ ＋ 2e ＝Cu
一般书写步骤：
列物质、标得失
看环境、配守恒
两式加、验总式
负氧正还，列出参加反应的微粒和得失电子数
依据电解质溶液的酸碱性，选对应离子使电极反应式电荷守恒，巧用水使原子守恒
两极反应式相加，与总反应对照验证
随堂练习
练、反应6NO2＋8NH3＝7N2＋12H2O设计的电池装置如图所示，该装置既能有效消除氮氧化物的排放，减轻环境污染，又能充分利用化学能，下列说法不正确的是(　　)
A. 电流从右侧电极经过负载后流向左侧电极
B. 电极A上发生氧化反应，电极B为正极
C. 电极A的电极反应式为2NH3 6e ＝ N2 ＋ 6H＋
D. 当有2.24 L(标准状况)NO2被处理时，转移电子0.4 mol
第四章 化学反应与能量
第一节 原电池
第2课时 化学电源
从原电池到化学电源
化学电源：原电池原理＋生产工艺
化学电源
反
应
本
身
反
应
速
率
能
量
转
化
率
材料选择
浓度
催化剂
表面积
盐桥
比能量、比功率
安全、环保···
原电池
化学电源的类别及特点
化
学
电
源
一次电池
二次电池
燃料电池
又叫干电池，活性物质消耗到一定程度，就不能继续使用了，如锌锰干电池
又称可充电电池或蓄电池，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池，如蓄电池、锂离子电池等
一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源，如氢氧燃料电池
一次电池 — 碱性锌锰干电池
碱性锌锰干电池
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O＝Zn(OH)2＋2MnOOH
负极：
正极：
Zn 2e ＋2OH ＝Zn(OH)2
2H2O＋2e ＋2MnO2＝2OH ＋2MnOOH
一次电池 — 银锌电池
总反应：Zn＋Ag2O＋H2O＝2Ag＋Zn(OH)2
正极：
负极：
Ag2O＋H2O＋2e ＝2Ag＋2OH
Zn＋2OH 2e ＝Zn(OH)2
练、关于银锌电池的下列说法不正确的是( 　 )
A. Ag2O是正极，Zn是负极
B. Zn电极的电极反应式: Zn 2e +2OH ＝Zn(OH)2
C. 工作时，电池负极区溶液pH增大
D. 工作时，电流由Ag2O极经外电路流向Zn极
C
银锌电池
二次电池 — 铅酸蓄电池
1、铅酸蓄电池
1) 铅酸蓄电池的结构
两组栅状极板交替排列
正极板上覆盖有PbO2
负极板上覆盖有金属Pb
离子导体：稀硫酸
二次电池 — 铅酸蓄电池
1、铅酸蓄电池
2) 铅酸蓄电池的工作原理
Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
放电
充电
放电过程 (原电池)
正极：
负极：
PbO2＋4H＋＋SO42 ＋2e ＝2PbSO4＋2H2O
Pb 2e ＋SO42 ＝PbSO4
充电过程 (电解池)
阴极：
阳极：
PbSO4＋2e ＝Pb＋SO42
2PbSO4＋2H2O 2e ＝PbO2＋4H＋＋SO42
充电：正接正、负接负
二次电池 — 铅酸蓄电池
1、铅酸蓄电池
1) 铅酸蓄电池的结构
两组栅状极板交替排列
正极板上覆盖有PbO2
负极板上覆盖有金属Pb
离子导体：稀硫酸
2) 铅酸蓄电池的工作原理
Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
放电
充电
3) 铅酸蓄电池的优、缺点
优点：电流稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉
缺点：单位质量输出的电能少(比能量低)，废弃电池污染环境
二次电池 — 锂离子电池
2、锂离子电池 (资料卡片)
1) 锂离子电池的优点：
质量小、体积小、储存和输出能量大等
2) 常见锂离子电池的材料组成
负极材料
正极材料
电解质溶液
嵌锂石墨(LixCy)
钴酸锂(LiCoO2)
六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸酯溶液
二次电池 — 锂离子电池
2、锂离子电池 (资料卡片)
1) 锂离子电池的优点：
质量小、体积小、储存和输出能量大等
2) 常见锂离子电池的材料组成
负极材料
正极材料
电解质溶液
嵌锂石墨(LixCy)
钴酸锂(LiCoO2)
六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸酯溶液
3) 锂离子电池的工作原理
放电：负极材料中的Li＋从LixCy中脱嵌进入电解质溶液中，移向正极，然后嵌入正极材料LiCoO2的层状结构中；
充电：阳极材料中的Li＋从LiCoO2中脱嵌进入电解质溶液中，移向阴极，然后嵌入阴极材料LixCy的层状结构中。
二次电池 — 锂离子电池
负极材料
正极材料
电解质溶液
嵌锂石墨(LixCy)
钴酸锂(LiCoO2)
六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸酯溶液
4) 锂离子电池电极反应式
放电
负极：
正极：
充电
阳极：
阴极：
LixCy xe ＝xLi＋＋Cy
Li1 xCoO2＋xLi＋＋xe ＝LiCoO2
LiCoO2 xe ＝Li1 xCoO2＋xLi＋
xLi＋＋Cy＋xe ＝LixCy
总反应： LixCy＋Li1 xCoO2 LiCoO2＋Cy
放电
充电
二次电池 — 锂离子电池
(16·四川) 某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池，放电时电池总反应为Li1 xCoO2＋LixC6＝LiCoO2＋C6 (x<1)；
下列关于该电池的说法不正确的是(　　)
A. 放电时，Li＋在电解质中由负极向正极迁移
B. 放电时，负极的电极反应式为LixC6 xe ＝xLi＋+C6
C. 充电时，若转移1 mol e ，石墨(C6)电极将增重7x g
D. 充电时，阳极电极反应式: LiCoO2 xe ＝Li1 xCoO2+xLi＋
C
燃料电池
1) 燃料电池构成
燃料
电极
离子导体
负极：还原剂(H2、N2H4、烃、甲醇等液体或气体燃料)
正极：氧化剂(一般是氧气或空气)
电极材料不参与氧化还原反应，一般具有很强的催化活性，多采用多孔碳或多孔镍、铂、钯等
电解质溶液(酸性、碱性、中性)或固体电解质或熔融盐
2) 工作特点：氧化剂和还原剂不是储存在电池内部，而是在工作时连续地由外部供给并在电极上进行反应，生成物不断地被排出，因此燃料电池能连续不断地提供电能。
3) 优点：能量利用率高、可连续使用、污染少等
燃料电池
4) 燃料电池分类 (依据：离子导体可传导的离子不同)
燃料
氧气
离子导体
酸性介质
可传导H＋
碱性介质
可传导OH
固体氧化物可传导O2
熔融碳酸盐
可传导CO32
正负极判断：燃料为负、氧气为正
燃料电池
5) 氢氧燃料电池
负极
反应
正极
反应
总反应
电解质溶液
H2SO4溶液
KOH溶液
K2SO4溶液
2H2 4e ＝4H+
O2+4e +4H+
＝2H2O
2H2 4e ＝4H+
O2+4e +2H2O
＝4OH
2H2+4OH 4e
＝4H2O
O2+4e +2H2O
＝4OH
2H2 + O2 ＝ 2H2O
小结：
1) 负极产物：酸性、中性→H+；碱性→H2O
2) 正极产物：酸性→H2O；中性、碱性→OH
燃料电池
6) 乙醇燃料电池
离子导体
H2SO4
溶液
KOH
溶液
熔融
碳酸盐
固体
氧化物
电极反应
总反应
负：
正：
负：
正：
负：
正：
负：
正：
C2H5OH 12e +3H2O＝2CO2↑+12H+
O2+4e +4H＋＝2H2O
C2H5OH+3O2
＝2CO2+3H2O
C2H5OH 12e +16OH ＝2CO32 +11H2O
O2+4e +2H2O＝4OH
C2H5OH+3O2+4OH
＝2CO32 +5H2O
C2H5OH 12e +6CO32 ＝8CO2↑+3H2O
O2+4e +2CO2＝2CO32
C2H5OH+3O2
＝2CO2+3H2O
C2H5OH 12e +6O2 ＝2CO2↑+3H2O
O2+4e ＝2O2
C2H5OH+3O2
＝2CO2+3H2O
口诀：C四、H一、O减二、N变N2不计算
燃料电池
小结：有机燃料电池两极产物
1) 正极：酸性(H2O)、碱性(OH )、固体氧化物(O2 )、熔融碳酸盐(CO32 )
2) 负极产物：碳元素碱性：一般为CO32 ；其他CO2
H2SO4
溶液
KOH
溶液
负：
正：
负：
正：
C2H5OH 12e +3H2O＝2CO2↑+12H+
O2+4e +4H＋＝2H2O
C2H5OH+3O2
＝2CO2+3H2O
C2H5OH 12e +16OH ＝2CO32 +11H2O
O2+4e +2H2O＝4OH
C2H5OH+3O2+4OH
＝2CO32 +5H2O
思考：正、负极区、电解质溶液中的pH变化？
口诀：正增负减
随堂练习
练、甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：
①电池的负极是___(填a或b)电极，
该极的电极反应式为_____________________________
②电池工作一段时间后电解质溶液的pH_____(填“增大”
“减小”或“不变”)
a
CH4+10OH 8e ＝CO32 +7H2O
减小
随堂练习
练、N2H4暴露在空气中容易爆炸，但是
以其为燃料的燃料电池是一种理想的电
池，具有容量大、能量转化效率高、产
物无污染等特点，其工作原理如图所示，
下列叙述正确的是(　　)
A. 电池工作时，正极附近的pH降低
B. 当消耗1 mol O2时，有2 mol Na＋由甲槽向乙槽迁移
C. 负极反应式为4OH + N2H4 4e ＝N2↑ + 4H2O
D. 若去掉阳离子交换膜，电池也能正常工作
C
随堂练习
(2020·国Ⅲ) 一种高性能的碱性硼化钒(VB2) 空气电池如图所示，其中在VB2电极发生反应: VB2＋16OH 11e ＝VO43 ＋2B(OH) 4 ＋4H2O该电池工作时，下列说法错误的是(　　)
B
A. 负载通过0.04 mol电子时，有0.224 L(标准状况)O2参与反应
B. 正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高
C. 电池总反应为4VB2＋11O2＋20OH ＋6H2O＝8B(OH)4 ＋4VO43
D. 电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极
谢谢

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