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第四章 化学反应与电能
第一节 原电池
目录
CONTENTS
01
原电池的工作原理
化学电源
02
1
原电池的工作原理
现代生活离不开方便实用的化学电源，各种各样的化学电源都是依据原电池的原理制造的。
现代生活离不开方便实用的化学电源，各种各样的化学电源都是依据原电池的原理制造的。
1、概念：原电池是把________转化为_____的装置。
锌铜单液原电池示意图
化学能
电能
2、构成条件：
反应——自发进行的氧化还原反应（放热反应）
电极——两个活泼性不同的电极
溶液——电解质溶液
回路——形成闭合回路
内电路：电解质溶液作离子导体
外电路：导线作电子导体
原电池的工作原理
稀硫酸
锌片
铜片
Zn－2e－=Zn2+
氧化反应
负极
发生溶解
2H++2e－=H2↑
还原反应
正极
产生气泡
外电路
内电路
负极 沿导线 正极
正极 沿导线 负极
电子流向：
电流方向：
阳离子 正极
阴离子 负极
原电池总反应：_____________________
3、工作原理
注意：电子不下水，离子不上岸
Zn+2H+=Zn2++H2↑
原电池的工作原理
4、正负极判断
原电池的工作原理
5、电极反应式的书写
原电池的工作原理
(3)原电池放电时的正、负极(或电解池电解时的阴、阳极)的电极反应式都
应满足氧化还原反应的电子得失守衡。
电极反应式的书写规则
(1)原电池放电时的正、负极的电极反应式中各微粒的化学式均严格按照离子方程式的书写规则进行书写(即除了易溶且易电离的物质才可拆成离子形式，其它物质一律只写成化学式)。
(2)电极反应式不仅写出被氧化和被还原的物质及其产物外，还须包括该极
区周围电解质溶液中参加了离子反应的微粒在内。(注意：由于盐类的水解
程度一般很小，因此可不考虑某些离子的水解反应)
5、电极反应式的书写
写出Mg—Al—NaOH溶液原电池的电极反应式
写出Fe—Cu—浓硝酸原电池的电极反应式
负极：2Al - 6e- + 8OH— = 2AlO2— + 4H2O
正极：6H2O + 6e- = 6OH— + 3H2↑
负极：Cu - 2e- = Cu2+
正极：4H+ + 2e- + 2NO3— = 2NO2↑ + 2H2O
原电池的工作原理
6、原电池的应用
①比较金属性强弱
②加快氧化还原反应的速率
③防止金属被腐蚀
④制作电池
原电池的工作原理
请根据反应：Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu设计一个原电池。
CuSO4 溶液
Zn
Cu
①电流表指针发生偏转，但不稳定
②两个电极上都有红色物质生成
现象：
思考：如何才能得到持续稳定的电流？
原电池的工作原理
电流计指针不偏转，没有构成闭合回路（即:无电子定向移动）
CuSO4
ZnSO4 CuSO4
指针会偏转吗？
原电池的工作原理
解决问题的核心：使还原剂Zn与氧化剂CuSO4不直接接触
单液
双液
ZnSO4溶液
Zn
Cu
CuSO4溶液
ZnSO4溶液
Zn
Cu
CuSO4溶液
怎样能使其成为原电池？
×
原电池的工作原理
两个溶液间缺少离子导体，无法形成闭合回路
ZnSO4溶液
Zn
Cu
CuSO4溶液
KCl
ZnSO4溶液
Zn
Cu
CuSO4溶液
盐桥
－
＋
e-
ZnSO4溶液中：
Zn －2e - = Zn 2+
Cu2+ + 2e - = Cu
CuSO4溶液中：
两式相加得：
Zn + Cu2+ = Zn 2+ +Cu
怎样能使其成为原电池？
负极：
正极：
盐桥中通常装有含琼胶的KCl(或KNO3、NH4NO3)饱和溶液
原电池的工作原理
双液原电池
原电池的工作原理
随着反应的进行ZnSO4溶液中Zn2+离子浓度增大，为使ZnSO4溶液保持电中性，盐桥中的Cl-会移向ZnSO4溶液
随着反应的进行CuSO4溶液中Cu2+离子浓度减小，为使CuSO4溶液保持电中性，盐桥中的K+会移向CuSO4溶液
Zn - 2e- Zn2+
Cu2+ + 2e- Cu
双液原电池的工作原理
2、带盐桥原电池（双液原电池）的工作原理
普通原电池的缺点：____________________________________
________________________________________________________
盐桥的作用：___________________________________________
________________________________________________________
盐桥内的组成成分：_______________________________________________________
①断开电路并不能彻底终止反应
②向外输出电流小且不稳定，能量转化率低。
①连接内电路，形成闭合回路
②获得持续稳定的电流③减少副反应发生，能量转化率高。
通常装有含琼胶的KCl(或KNO3、NH4NO3等)饱和溶液
原电池的工作原理
双液原电池解决了电池自损耗的问题
请根据以下反应设计一个能持续产生电流的原电池装置，画出装置图。
Cu+2AgNO3=Cu(NO3)2+2Ag
AgNO3
Ag Cu
Cu(NO3)2
A
原电池的工作原理
为获得较长时间的稳定电流，如何将 “Zn-稀H2SO4-Cu”组成的原电池（如左下图）进行简单改装？
A
稀H2SO4
锌片 铜片
ZnSO4
Zn Cu
H2SO4
A
原电池的工作原理
化学电源广泛的应用于生活、生产和科研中，那么：电池是工作原理是什么？如何产生电流的？
银锌
电池
干
电
池
铅酸
电池
镍氢
电池
燃料
电池
锂电池
市场上令人眼花缭乱的电池
2
化学电源
1、化学电源的分类
　　　　是各种化学电源的雏形,常分为以下三类:
(1)一次电池:也叫作_____________,放电后不可再充电。如：普通锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池等。
(2)二次电池:又称________________或蓄电池,放电后可以再充电而反复使用的电池。如：铅酸蓄电池、锂离子电池等。
(3)燃料电池:连续地将　　　　和　　　　的化学能直接转化为电能的化学电源。如：氢氧燃料电池等。
原电池
干电池
可充电电池
燃料
氧化剂
化学电源
2、化学电源的优点
(1)能量转化率高，供能稳定可靠。
(2)可以制成各种形状、大小和不同容量的电池及电池组，使用方便。
(3)方便携带、易于维护。
化学电源
3、判断电池优劣的主要标准
(1)比能量:单位质量或单位体积所能输出_______的多少,单位是(W·h)·kg-1
或(W·h)·L-1。
(2)比功率:单位质量或单位体积所能输出　　　的大小,单位是W·kg-1或W·L-1
(3)电池可储存时间的长短。
电能
功率
4、化学电源简介
（1）一次电池
①普通锌锰电池
负极（Zn）：_____________________________________
正极（C）：______________________________________
总反应：Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)
Zn-2e— =Zn2+
2NH4++2MnO2+2e— =2NH3+2MnO(OH)
化学电源
——放电后不可充电的电池
缺点：会发生自放电电解质氯化氨为酸性，会腐蚀电池的锌筒且反应有氢气生成，易造成电池膨胀及漏液现象
4、化学电源简介
（1）一次电池
化学电源
——放电后不可充电的电池
②碱性锌锰电池
负极（Zn）：________________________________
正极（MnO2）：______________________________
总反应：Zn+ 2MnO2+ 2H2O = 2MnOOH+ Zn(OH)2
Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2
2MnO2+ 2H2O+ 2e- = 2MnOOH+2OH-
特点：碱性干电池增大了正负极间的相对面积，用高导电性的氢氧化钾溶液替代了氯化铵、氯化锌溶液，锌变成粉末状，同时采用反应活性更高的二氧化锰粉，产生大电流和高电压，其比能量和可储存时间均有所提高
③锌银电池
负极：______________________________________
正极：______________________________________
总反应：Zn+ Ag2O+H2O = Zn(OH)2+ 2Ag
Zn +2OH－-2e- = Zn(OH)2
Ag2O + H2O+ 2e- = 2Ag+2OH－
化学电源
特点：体积小、重量轻，便于携带；能量密度高，寿命长，稳定性高，对环境友好。
不足：成本高，回收困难
（1）一次电池
——放电后不可充电的电池
（2）二次电池
①铅酸蓄电池总反应式：______________________________________
放电反应原理
负极：_______________________________________
正极：_______________________________________
放电过程中,负极质量的变化是___　,H2SO4溶液的浓度__________
Pb -2e- +SO42－= PbSO4
PbO2+ 2e- +SO42－ +4H+=PbSO4+2H2O
增大
减小
化学电源
——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
特点：电压稳定，使用方便，安全可靠，价格低廉
思考：铅蓄电池的电极反应物(Pb、PbO2)和放电后的产物(PbSO4)均以固体形式附着在电极材料表面，分析这样设计的目的。
目的：使电极反应物和产物富集在电极材料表面，充、放电时可以循环转化，实现电池重复使用。
②锂离子电池
总反应式：LixCy+Li1-xCoO2 LiCoO2+Cy
负极：嵌锂石墨(LixCy)__________________________
正极：钴酸锂(LiCoO2) __________________________
反应过程:放电时,Li+从石墨中脱嵌移向正极,嵌入钴酸锂晶体中,充电时,Li+从钴酸锂晶体中脱嵌,由正极回到负极,嵌入石墨中。这样在放电、充电时,锂离子往返于电池的正极、负极之间,完成　　　　与　　　　的相互转化。
化学能
电能
LixCy— xe-=xLi+ +Cy
Li1—xCoO2+xLi+ + xe-= LiCoO2
化学电源
（2）二次电池
——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
废旧电池中常含有重金属、酸和碱等物质，如果随意丢弃，会对生态环境和人体健康造成危害。因此，应当重视废旧电池的回收利用，这样既可以减少环境污染，又可以节约资源。
2022北京冬奥会的成功举办，不但给全世界留下了精彩纷呈的冰雪记忆，也创造了多项令人激动的世界“首次”。对于城市文化而言，北京市由此成为世界上的首座双奥之城，而对于汽车行业来说，北京冬奥则成为世界奥林匹克历史上，首次大规模应用新能源车型(氢燃料电池车) 的一届盛会。
化学电源
燃料电池的两个电极的作用：____________________
理论上讲，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池。除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等气体或液体。燃料电池的优点有：____________________
______________________________________________________________________________________________
导电、催化反应
①氧化剂与燃料在工作时不断由外部供给，生成物不断被排出，能连续不断的提供电能②能量转换率高，节约能源③绿色环保，对环境友好。
化学电源
（3）燃料电池
——是一种连续的将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源
氢氧燃料电池
基本构造：
电解质溶液 电极 电极反应式
酸性（H2SO4） 负极
正极
中性（K2SO4） 负极
正极
碱性（KOH） 负极
正极
2H2 - 4e- = 4H+
O2+ 4H+ + 4e- = 2H2O
2H2- 4e-+ 4OH- = 4H2O
O2+ 2H2O+ 4e- = 4OH-
2H2 - 4e- = 4H+
O2+ 2H2O+ 4e- = 4OH-
化学电源
思考：酸性(碱性)条件下，甲烷、肼、甲醇、氨作为燃料时，负极的电极反应式？
电解质 电极反应式或总反应式 ①酸性介质 正极
负极
总反应
②碱性介质 正极
负极
总反应
以CO为燃料,请分别写出电解质符合下列条件的正、负极的电极反应式和总反应式(填入表格中)。
O2+ 4H++ 4e- = 2H2O
2CO+2H2O - 4e-=2CO2 +4H+
2CO+O2=2CO2
O2+ 2H2O+ 4e- = 4OH-
2CO+8OH— - 4e-=2CO32— +4H2O
2CO+O2+4OH—=2CO32— +2H2O
化学电源
③固体氧化物(其中O2-可以在固体介质中自由移动) 正极
负极
总反应
④熔融碳酸盐(CO32—) 正极
负极
总反应
O2+4e- = 2O2—
2CO+2O2- - e- = 2CO2
2CO+O2=2CO2
O2+ 2CO2+ 4e- = 2CO32—
2CO+2CO32— - 4e-=4CO2
2CO+O2=2CO2
化学电源
1．质子交换膜燃料电池的工作原理如图所示，下列叙述正确的是(　　)
A．通入氧气的电极发生氧化反应
B．通入氢气的电极为正极
C．导电离子为质子，且在电池内部由正极定向
移动至负极
D．正极的电极反应式为：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
随堂练习
D
2．一种熔融碳酸盐燃料电池原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是(　　)
A．反应CH4＋H2O 3H2＋CO，每消耗1 mol CH4转移12 mol电子
B．电极A上H2参与的电极反应为H2＋2OH-－2e- == 2H2O
C．电池工作时，CO32-向电极B移动
D．电极B上发生的电极反应为O2＋2CO2＋4e-==2CO32-
随堂练习
D
3. (2024年江西卷)我国学者发明了一种新型多功能甲醛－硝酸盐电池，可同时处理废水中的甲醛和硝酸根离子(如图)。下列说法正确的是（ ）
A. CuAg电极反应为
2HCHO＋2H2O－4e－＝2HCOO－＋H2↑＋2OH－
B. CuRu电极反应为
NO3－＋6H2O＋8e－＝NH3↑＋9OH－
C. 放电过程中，OH－通过质子交换膜从左室传递到右室
D. 处理废水过程中溶液pH不变，无需补加KOH
真题再现
B

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