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化学能转化为电能——电池
第一课时
原电池的工作原理
1.原电池的概念：将_______能转化为_______能的装置。
2.构成原电池的条件：
（1）自发进行的 ______________ 反应。
（2）电极__________和电极__________。
（3）__________ 导体和 __________导体。
化学
电
氧化还原
材料
反应物
电子
离子
汽车等机动车往往需要配备电池，人造卫星、宇宙飞船等必须携带电池，人们在日常生活中也经常要使用电池……这些足以说明电池的重要作用。
现在，为满足人们生产和生活水平不断提高的需要，性能优异的新型电池相继出现，如锌银电池、锂电池、燃料电池等。那么，电池究竟是一种什么样的装置？他们在工作时，装置中发生了什么变化？
一.原电池的工作原理
活动探究 探秘铜锌原电池
预测:你认为图1—2—2所示装置是否能够构成原电池，将化学能转化为电能？请说明理由。
盐桥
盐桥中通常装有琼脂凝胶，内含氯化钾或硝酸铵。盐桥中的离子能够定向移动。通过盐桥可将两个相互隔离的电解质溶液连接起来，传导电流。
铜片、锌片、1mol·L-1CuSO4溶液、1mol·L-1ZnSO4溶液
烧杯、导线、盐桥、检流计
实验方案实施
1. 按装置(a)，完成实验并回答下列问题：
有关的实验现象是①锌片______，铜片______ ，CuSO4溶液颜色___________ ；
实验用品
溶解
加厚变亮
变浅
②电流表的指针___________，装置中的能量变化
是______________________ 。该装置称作原电池。
2.按装置（b），完成实验，并回答下列问题：
(1)实验过程中，能观察到的
实验现象是①锌片___________，
铜片_________；
②电流表指针_________；
③CuSO4溶液的颜色 __________________。
发生偏转
化学能转化为电能
溶解
加厚变亮
发生偏转
变浅
实验现象
实验装置编号 实验现象
a
b
锌片溶解，质量减轻；铜片加厚变亮，硫酸铜溶液颜色变浅，电流表指针发生偏转。
未插盐桥，无明显现象；插入盐桥，锌片溶解，铜片加厚变亮，硫酸铜溶液颜色变浅，电流表指针发生偏转。
实验结论
两套装置，检流计指针均发生偏转，说明均有电流产生，即发生了化学能转化为电能的过程，都形成了原电池。
1.分析（a）（b）两个原电池各部分的作用，确定其电极反应物、电极材料和离子导体。
2.分析（a）（b）两个原电池的工作原理，写出电极反应式。
3.分析（a）（b）两个原电池，说明各自的优缺点。
电极反应物
电极材料
离子导体
负极：Zn、正极：Cu
CuSO4溶液ZnSO4溶液、盐桥
负极：Zn、正极：CuSO4
负极：Zn、正极：CuSO4
负极：Zn、正极：Cu
CuSO4溶液
两个原电池的工作原理及电极反应式。
负极：Zn-2e-=Zn2+ 负极：Zn-2e-=Zn2+
正极：Cu2++2e-=Cu 正极：Cu2++2e-=Cu
总反应：Zn+Cu2+=Zn2++Cu 总反应：Zn+Cu2+=Zn2++Cu
思考交流
若用温度计测量溶液的温度，发现（a）装置溶液的温度略有升高，而（b）装置溶液的温度不变，试分析原因是什么？
对 比
两个原电池异同
电子流动电路
离子移动电路
电子流动电路
离子移动电路
单
液
电
池
双
液
电
池
相同点：
氧化还原反应原理；两个电极及电极反应；都能产生电流；
外电路均是电子的定向移动， 内电路均是离子的定向移动。
不同点：
单液电池Zn和Cu2+直接接触，两个半反应在同一区域进行，能量转化率低，电流强度弱不稳定，持续时间短。　　　
双液电池Zn和Cu2+不直接接触，两个半反应在不同区域进行，能量转化率高，电流强度大稳定，持续时间长。
归纳总结 原电池的工作原理分析
Zn+Cu2+=Zn2++Cu
Zn-2e-=Zn2+
Cu2++2e-=Cu
失电子氧化反应
得电子还原反应
电池反应
氧化还原反应
阴离子流向
阳离子移向
负极
正极
导
线
电极
反应式
电极反应
（半反应）
离
子
导
体
电子流出
电子流入
Zn
Cu
在原电池中，氧化还原反应是在两个电极上分别进行的。每个电极上或是发生失去电子的变化，或是发生获得电子的变化，分别相当于氧化还原反应的一半，这种反应称为半反应。
电极反应
可以表示电极上物质的变化情况以及电子的转移情况的式子。
半反应
在电极上进行的半反应。
电极反应式
电池反应
原电池的两个电极反应组成电池的总反应。
原电池原理是将氧化反应和还原反应分开进行，还原剂在负极上失去电子发生氧化反应，电子通过导线流向正极，氧化剂在正极上得到电子发生还原反应。
正极得电子数目=负极失电子数目
铜锌原电池的电流是怎样产生的
铜锌原电池中，锌片上和 ZnSO4溶液中都存在 Zn2+。
在锌片和溶液的接触面上，水分子与金属表面的Zn2+相互吸引,发生水合作用，使部分 Zn”离开锌片进入溶液：
溶液中的 Zn2+也可以沉积到锌片的表面：
发生前一过程的趋势大于后一过程，并且锌片上的电子不能自由进入溶液，这就使锌片带有负电荷。锌片表面上的电子与溶液中的Zn”因异性电荷的吸引作用分别在金属-水界面的两侧聚积，最终在锌片和 ZnS0 溶液的界面处达到溶解与沉积的平衡状态：
此时，由于锌片与溶液的界面两侧电荷不均等，便产生了电势差。
类似地，铜片和 CuSO4溶液的界面处也存在 Cu2+与 Cu 的溶解与沉积平衡状态。
铜原子和锌原子失电子的能力不同，因此铜电极和锌电极的溶解-沉积平衡状态不一样，两个金属单质电极材料与其溶液之间的电势差不相等。锌原子比铜原子容易失电子，在锌电极的锌片表面上积累的电子比在铜电极的铜片表面上积累的电子多，因此将两极接通构成回路时电子由锌片流向铜片。电子的移动破坏了两极的溶解-沉积平衡，锌极的平衡由于电子移走而向 Zn2+溶解的方向移动，铜极的平衡由于电子移入而向 Cu沉积的方向移动，结果使电子能够持续流动形成电流。
1.简单原电池电极方程式的写法
判断右边原电池的正、负极，并写出电极反应式。
先写出总反应：
Cu+2FeCl3 = CuCl2 +2FeCl2
Cu
C
FeCl3溶液
拆成离子方程式：
Cu + 2Fe3＋ = Cu2＋ + 2Fe2＋
根据化合价升降判断正负极
负极： Cu - 2e- = Cu2+
正极： 2Fe3+ + 2e- = 2Fe2+
2.简单盐桥原电池设计
盐桥
Cu
C
CuCl2溶液
FeCl3溶液
G
将反应Cu+2FeCl3=2FeCl2+CuCl2 设计成双液盐桥电池
根据氧化还原反应电子转移判断电极反应
根据电极反应确定合适的电极材料和电解质溶液
负极： Cu - 2e- = Cu2+
正极： 2Fe3+ + 2e- = 2Fe2+
如图所示的原电池装置,X、Y为两电极,电解质溶液为稀硫酸,外电路中的电子流向如图所示,对此装置的下列说法正确的是 (　　)
A.外电路的电流方向为:X→外电路→Y
B.若两电极分别为Zn和石墨棒,则X为石墨棒,Y为Zn
C.若两电极都是金属,则它们的活动性为X>Y
D.X极上发生的是还原反应,Y极上发生的是氧化反应
【解析】由图可知,电子的流动方向是X→外电路→Y,则电流的方向就为Y→外电路→X;
X为原电池的负极,Y为正极,X的活动性比Y的强;X极应发生氧化反应,Y极应发生还原反应。
1.原电池电极(正极、负极)的判断依据有多种。试填写下表：
原电池正负极判断依据
判断依据 正极 负极
电极材料 _______________________ _________
电子流向 _________ _________
电极反应 _________ _________
电极现象 ___________________ _________
离子移向 阳离子移向 阴离子移向
判断依据 正极 负极
电极材料 _______________________ _________
电子流向 _________ _________
电极反应 _________ _________
电极现象 ___________________ _________
离子移向 阳离子移向 阴离子移向
电极减轻
不活泼金属或非金属导体
活泼金属
电子流入
电子流出
还原反应
氧化反应
电极增重或产生气体
2.有一纽扣电池，其电极分别为Zn和Ag2O，以KOH溶液为电解质溶液，电池的总反应为Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2。
(1)Zn发生____反应，是___极，电极反应式是________________________。
(2)Ag2O发生______反应，是___极，
电极反应式是____________________ 。
Zn＋2OH－2e－===Zn(OH)2
Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－
氧化
负
还原
正
已知总反应式，书写电极反应式
(1)分析化合价，确定正极、负极的反应物与反应产物。
(2)在电极反应式的左边写出得失电子数，使得失电子守恒。
(3)根据质量守恒配平电极反应式。
(4)复杂电极反应式＝总反应式－简单的电极反应式。
原电池
正极
负极
离子导体
电子沿导线传递产生电流
阴
离
子
移
向
阳
离
子
移
向
为活泼金属且不断溶解
为不活泼金属或导电非金属
发生氧化反应
发生还原反应
第二课时 化学电源
生活中的化学电源
化学电源:将化学能转化为电能的装置
化学电源的分类
1.锌锰干电池
—
+
电池材料
工作原理
特点
Zn + 2OH- -2e- =Zn(OH)2
2MnO2+2 +2e-=2NH3+H2O+Mn2O3
负极：锌筒 正极：石墨 电解质溶液：氯化铵和氯化锌
电池材料
工作原理
特点
Zn+2OH--2e-==ZnO+H2O
2MnO2+2H2O+2e-==2MnOOH+2OH-
Zn+2MnO2+H2O==ZnO+2MnOOH
Pb+ SO42- -2e- =PbSO4
PbO2+ 4H++SO42- +2e- =2PbSO4 +2H2O
负极：Pb
正极：PO2
电解质溶液：H2SO4
负极：
正极：
总反应：
Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O
放电
充电
2.铅蓄电池
其他常见可充电电池
3.燃料电池
电极反应物：
负极——燃料 正极——氧化剂（氧气）
离子导体：
酸、碱、盐电解质溶液，熔融碳酸盐，固体电解质，质子交换膜等
制作一个简单的燃料电池
实验目的：利用所给试剂和仪器设计装置并进行实验，通过该装置将下列反应产生的化学能转化为电能。
2H2+O2=2H2O
实验用品：KOH溶液，稀硫酸，K2SO4溶液、石墨棒、U形管、橡胶塞、导线、电流表、电源。
思考：1.设计电池的基本思路是什么？
2.氢氧燃料电池中，正负极反应物是什么？如何获得这些反应物？
3.哪些物质可以用作氢氧燃料电池的电极材料？哪些物质可以用作氢氧燃料电池的离子导体？
石墨 KOH溶液，稀硫酸，K2SO4
实验方案的设计与实施
设计目标 设计思路及依据 实验装置 实验现象
选择实验用品 选择实验用品目的
获得氢气 和氧气
制作氢氧 燃料电池
稀硫酸(或K2SO4溶液)、石墨棒、U形管、橡胶塞、导线、电源
稀硫酸(或K2SO4溶液)作离子导体增强导电性；
石墨棒做电极；U形管、橡胶塞电解反应装置；
导线做电子导体；电源提供电能。
稀硫酸(或KOH溶液)、石墨棒、U形管、橡胶塞、导线、电流表
稀硫酸(或KOH溶液)作离子导体；
石墨棒做电极材料；U形管、橡胶塞电池反应装置；导线做电子导体；电流表检测电流。
石墨棒周围有气泡产生
电流表指针偏转
讨论：
1.尝试分析你设计你设计的氢氧燃料电池的工作原理，写出电极反应式。
2.若选择不同的电解质溶液（离子导体），对于电极反应式有哪些应影响？
3.你认为还可以从哪些方面来改进所设计的原电池？
燃料电池工作原理
除了氢气外，甲烷、甲醇和乙醇等也可以用作燃料电池的负极反应物。氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，它可以使用不同的电解质如 KOH 溶液、H3PO4 溶液、熔融碳酸盐、固体电解质或质子交换膜等作为离子导体。
例如，当以KOH 溶液作为离子导体时氢氧燃料电池的电极反应为:
碱性氢氧燃料电池（离子导体KOH溶液）：
负极：
正极：

电池反应：
酸性和碱性氢氧燃料电池中，反应进行一段时间后电解质溶液的pH分别如何变化？
碱性氢氧燃料电池中pH变小，酸性氢氧燃料电池中pH变大。
氢氧燃料电池的反应产物只有水，不产生污染，因而备受青睐。氢氧燃料电池应用在载人航天器上，产生的水还可以供航天员饮用。近年来氢燃料电池汽车发展迅速，2022年北京冬奥会大规模示范运营我国自主研发的氢燃料电池汽车，助推绿色发展。
燃料电池具有能量利用效率高、可连续使用和污染轻等优点，已成为一种发展前景十分广阔的化学电源。
氢氧燃料电池中的电极反应
氢氧燃料电池的负极上发生的是氢气被氧化为 H”的反应。如果该反应是在碱性条件下进行的，生成的 H”瞬间即与溶液中大量存在的 OH 结合生成水，因此实际发生的电极反应为:
如果反应是在酸性条件或中性条件下进行的，则电极反应为:
类似地，在氢氧燃料电池的正极，氧气中的氧元素被还原为-2 价。通常情况下2价的氧元素只能存在于水分子和 OH 中，因此，如果是酸性条件，电极反应为
如果为中性或碱性条件，则电极反应为
由此可见，在书写电极反应时，除了应该考虑反应前后有电子转移的元素的原子得失电子的情况外，还必须考虑这些元素的原子得失电子后形成的产物在溶液中的主要存在形式。
1.写出下列原电池装置中各部分的作用并分析其电极反应和离子移动方向。
2.在如图所示装置中，一段时间后，银片质量会增加，
请分析产生上述现象的原因:________________________________________
3.纽扣电池的两极材料分别是锌和氧化银，离子导体是KOH 溶液。放电时两个电极的电极反应分别为:
下列说法中，正确的是( )
A.锌是负极反应物，氧化银是正极反应物
B.锌发生还原反应，氧化银发生氧化反应
C.溶液中OH- 向正极移动，K+、H+ 向负极移动
D.在电池放电过程中，电解质溶液的酸碱性基本保持不变
介质 电池反应：2H2 +O2 == 2H2O
负极
正极
负极
正极
2H2-4e-+2O2－==2H2O
O2+4e-==2O2－
2H2-4e-==4H+
O2+4H++4e-==2H2O
归纳总结
1.燃料电池、充电电池的一般解题思路：
已知电池反应，根据化合价升降，确定正负极反应的物质；注意电解质溶液可能参与电极反应，判断电极反应式的对错或电解质溶液pH的变化。
2.书写电极反应式的方法：
（1）将两极反应的电子得失数配平后，相加得到总反应。总反应减去一电极反应式即得到另一电极反应式；
（2）负极失电子所得氧化产物和正极得电子所得还原产物与溶液的酸碱性有关（如＋4价的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在碱性溶液中则以CO32－形式存在）。
Zn+2OH--2e-==ZnO+H2O
2MnO2+2H2O+2e-==2MnOOH+2OH-
Zn+2MnO2+H2O==ZnO+2MnOOH
Pb+ SO42- -2e- =PbSO4
PbO2+ 4H++SO42- +2e- =2PbSO4 +2H2O
Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O
放电
充电
2H2－4e-==4H+
O2+4e-＋4H+==2H2O
负极：
正极：
负极：
正极：
2H2+4OH-－4e-==4H2O
O2+ 2H2O+4e-==4OH-

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