原电池原理及电极方程式的书写

,原电池的原理及书写技巧,考纲点击,了解原电池的工作原理,能写出电极反应和总方程式,了解常见的化学电源的种类及其工作原理,了解金属发生电化学腐蚀的原因及防护措施,综合运用及分析,一、原电池的原理,1.定义:原电池是把_转化为_的装置.原电池反应的本质是_,化学能,电能,2.构成条件:,(1) 具有两个活泼性不同的电极 (2) 具有电解质溶液 (3) 形成闭合的电路,如右图,形成闭合电路的有_, 没有形成闭合电路的有_.,分析:图1虽然具有两个活泼性不同的电极,但是两金属没有接触或用导线连接,图2应添加盐桥,图6没有两个活泼性不同的电极,因此都没有形成闭合电路,发生氧化还原反应,3.原电池的两级,负极:活泼性_的金属,发生反应的物质是_,发生_的反应,生成物是_.,较强,还原剂,失去电子,氧化产物,正极:活泼性_的金属,发生反应的物质是_,发生_的反应,生成物是_.,较弱,氧化剂,得到电子,还原产物,指出下图的正负极:,负极:Zn 正极:Fe,负极:Zn 正极:稀硫酸,负极:Fe 正极:Cu,不形成原电池,负极:Zn 正极:Zn2+,不形成原电池,与原 电 池 相关的概念,2.电极：,1.电路：,外电路,内电路,电子流向：失电子的一极向得电子的一极,阳离子流动方向与电流方向一致,正极：电子流入的一极,负极：电子流出的一极,阴离子流动方向与电子流动方向一致,电流方向：与电子流动方向相反,原 电 池 原 理,铜锌原电池,负极,正极,内电路,氧化反应,还原剂,还原反应,氧化剂,外电路,阳离子,失e，沿导线传递，有电流产生,电解质溶液,阴离子,阳离子,三、 关于原电池结构的探究,我们在必修2中学习过的将锌片和铜片 置于稀硫酸的原电池，如果用它做电源，不但效率低，而且时间稍长电流就很快减弱，因此不适合实际应用。 有没有什么改进措施？,将两电极分开放置不同的区域,再添加盐桥以代替原来的两种溶液的直接接触,盐桥制法：1)将热的琼胶溶液倒入U形管中(注意不要产生裂隙)，将冷却后的U形管浸泡在KCl或NH4NO3的饱和溶液中即可。2)将KCl或NH4NO3的饱和溶液装入U形管，用棉花都住管口即可。,此电池的优点： 能产生持续、稳定的电流。,盐桥的作用： （1）使整个装置构成通路，代替两溶液直接接触。 （2）平衡电荷.,A,B,C,D,E,F,M,N,O,V,X,V,V,X,X,X,X,V,1.下列哪几个装置能形成原电池？,2.一个电池反应的离子方程式是 Zn+Cu2+=Zn2+ +Cu,该反应的的原电池正确组合是（ ）,C,1.某金属能跟稀盐酸作用发出氢气，该金属与锌组成原电池时，锌为负极，此金属是( ) A.Mg B.Fe C.Al D.Cu,B,2.由铜锌和稀硫酸组成的原电池工作时，电解质溶液的 pH( ) A.不变 B.先变大后变小 C.逐渐变大 D.逐渐变小,C,3.把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，电流由d到c；a、c相连时，c极上产生大量气泡，b、d相连时，b上有大量气泡产生，则四种金属的活动性顺序由强到弱的为 ( ) Aa b c d Ba c d b Cc a b . d Db d c a,B,4、如图所示，在铁圈和银圈的焊接处，用一根棉线 将其悬在盛水的烧杯中，使之平衡；小心的向烧杯 中央滴入CuSO4溶液，片刻后可观察到的现象是( ),D,A. 铁圈和银圈左右摇摆不定 B. 保持平衡状态 C. 铁圈向下倾斜，银圈向上倾斜 D. 银圈向下倾斜，铁圈向上倾斜,二、原电池模型,1.最简单的原电池铜锌原电池,结构如图所示 电极总反应为:,Zn+H2SO4 =ZnSO4 +H2,用氧化还原反应的双线桥对此反应的离子方程式进行分析：,负极反应分析:负极发生失去电子的反应,活泼电极失电子,发生反应的是还原剂,生成物是氧化产物 则有Zn 2e = Zn2+,正极反应分析:正极发生得到电子的反应,作氧化剂,这个反应中,得到电子的应该是H+ 则正极反应方程式应该为:2H+ + 2e- =H2,现象:锌片逐渐溶解,铜片不消耗,但有气泡在铜片上产生.,书写这个原电池的两极反应方程式和总方程式:,负极:_; 正极:_; 总反应:_;,Zn-2e-=Zn2+,Cu2+ + 2e- = Cu,Zn +Cu2+ =Zn2+ +Cu,两级金属分别为Mg和Al,电解质为NaOH溶液,请写出它的两极反应方程式和总反应方程式:,负极:_; 正极:_;,总反应:_;,请讨论将电解质换成盐酸溶液时,该原电池又会怎么反应?,2Al - 6e- + 8OH- = 2AlO2- + 4H2O,2Al + 2OH- + 2H2O = 2AlO2- + 3H2,6H2O + 6e- = 3H2 + 6OH-,与其电极反应方程式进行比对，可以得出写原电池电极反应方程式的一个方法氧化还原分析法：在负极发生反应的物质是还原剂，发生失电子的反应，生成物是双线桥终点所指的氧化产物；在正极发生反应的是氧化剂，发生得电子的反应，生成物是双线桥终点所指的还原产物。这一方法在原电池设计和电极反应方程式书写中有重要地位和作用！如果已知原电池的总反应，可以用这一方法很容易地确定正、负极反应物。,2.普通锌锰干电池（酸性）,构成：这种负极材料是锌，正极材料是炭棒。在石墨周围填充NH4Cl和淀粉糊作电极质、还填有MnO2和炭黑作为去极剂以除去炭棒上的氢气膜，减小电池的内阻，反应后转变为Mn2O3。,对此电池的电极反应可以进行如下分析：负极反应是Zn失去电子变成Zn2+；失去的电子被什么物质得到了呢？由已知条件，某种物质得电子后生成了氢气，生成的氢气又被MnO2吸收，考虑到NH4+水解可以产生H+得电子变成氢气，所以电极反应和总反应分别为：,负极反应：Zn2e-= Zn2+（失电子，电荷平衡）,正极反应的过程：2NH4+ + 2H2O NH3 + 2H+（可逆反应） 2H+ + 2e- = H2 H2 + 2MnO2 = Mn2O3 + H2O,正极总反应为: 2NH4+2e-+2 MnO2=2NH3+H2O+Mn2O3（注：NH4+水解本来是可逆反应，但是由于生成物被消耗，所以平衡向正反应方向移动。）,3.碱性锌锰电池,构成：负极材料是锌；电解质是KOH;正极材料是MnO2,在反应中变成MnOOH。,对此电池进行分析：负极仍然是锌失去电子，变成Zn2+，但是由于电解质是KOH，产生的Zn2+会与OH反应生成Zn(OH)2，于是可得出如下方程式：,负极反应的过程：Zn2e = Zn2+ Zn2+ +2OH Zn(OH)2,负极总反应： Zn + 2OH2e=Zn(OH)2；,根据已知条件，正极材料MnO2在反应中变成MnOOH。根据元素守恒，有两种可能： 1、OH-离子参与反应 2、H2O参与反应； 考虑到在负极消耗了OH-，则在正极反应中通常会使OH-会得以补充，故此判断应该是H2O参与了反应且反应后生成OH-。这就是离子守恒原理在原电池当中的应用。这一反应的正极反应方程式为：,正极反应： 2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH- 总反应式： Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2,通过这几个例子可以发现这样一个规律：活泼金属作负极时，金属失去电子后首先变成金属阳离子，但是最终在原电池是以什么形式存在，还须考虑电解质溶液的性质。如铜锌原电池、普通锌锰干电池中Zn失去电子以后变成Zn2+；而碱性锌锰电池中Zn变成Zn2+后还会与电解质溶液中的2OH-反应生成Zn(OH)2。,2、充电电池,铅蓄电池 结构：铅蓄电池有用橡胶或者塑料制成的长方型外壳，一个电极板上有一层棕褐色的PbO2，另一个电极板是海绵状金属铅，两极均浸在密度为1.25g/cm31.28g/cm3的硫酸溶液中，且两极用有微孔的橡胶或塑料隔开。,对此电池用氧化还原分析法和电极半反应逐步推导法进行分析：,1、体系中目前有两种氧化剂，H+和PbO2。根据氧化还原反应的知识可知PbO2的氧化性强于H+，则根据氧化还原反应的先后律可知，是PbO2与Pb发生氧化还原反应。产物为+2价的Pb（化合价归中原理）。,2、Pb失电子，作负极，失电子后形成Pb2+，溶液中存在SO42-，所以Pb2+会与SO42-反应生成PbSO4。,PbO2在酸性溶液中得到电子后化合价变为+2价（化合价归中原理），作正极，在酸性溶液中最后生成H2O和PbSO4。于是可得方程式如下： 负极反应： Pb2e-=Pb2+ Pb2+SO42-=PbSO4 负极总反应： Pb2e-+SO42-=PbSO4 正极反应： PbO2+2e-+4H+SO42-= PbSO4+2H2O,总反应,3、燃料电池：,我们通常可以将燃料电池分为两大类，一类是普通燃料电池，一类是熔融盐燃料电池。下面我们分别进行讨论。,（1）普通燃料电池 氢氧燃料电池 氢氧燃料电池是燃料电池的基础，根据电解质溶液性质不同，我们可以将氢氧燃料电池分为三类，下面我们将为三类氢氧燃料电池进行一下对比。,对此三个反应我们逐一分析:,甲烷、空气、KOH燃料电池 通过对氢氧燃料电池研究所得出的结论，可以先确定该燃料电池的总反应。 即 CH4 +2O2 =CO2 +2H2O，由于反应是在碱性电解质溶液中进行的，所以产生的CO2会被OH-吸收生成CO32-， 即：CO2 + 2OH-CO32-+ H2O，,两个反应相加即得,总反应离子方程式为： CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O 电池正极反应，是氧气在碱性条件下得电子的反应，即与氢氧燃料电池中碱性条件下的正极反应相同， 正极反应： O2+4e-+2H2O=4OH-,负极反应可以用总反应减去正极反应得到： CH4+2O2+2OH-2（O2+4e-+2H2O）= CO32-+3H2O2×4OH- 移项、化简后得 负极反应： CH48e-+10OH-= CO32-+7H2O,上例中的方法是书写电极反应的另一个常用方法电极反应合并法：其表达式是： 电极总反应负极反应+正极反应 应当注意的是：两个半反应合并后，总反应要合理。这也是检验所写的电极方程式是否正确的方法，合并不是两个半反应直接相加，要使失电子和得电子的总数相等后再相加。合并后的总方程式要符合客观事实。如中性介质中的氢氧燃料电池。 正极反应+负极反应为：,2H24e-+O2+4e-+2H2O=4OH-+4H+ 合并后得2H2+O2+2H2O=4OH-+4H+ 这一反应方程式不符合客观事实，OH-与H+不能大量共存于同一溶液中，它们要反应生成H2O。所以最后其方程式应为：2H2 + O2 = 2H2O。,（2）熔融盐电池 与普通燃料电池稍有区别的是，熔融盐电池电解质不是溶液，而是熔融的电解质。实际上由于电解质成份更为简单（只有熔融电解质，没有水），所以这类电池的反应也比较简单。为了便于大家掌握，我们仍然从最简单的熔融盐电池入手进行分析。,氢氧熔融盐燃料电池 氢氧燃料电池，电解质在熔融状态分别能传导O2- 或H+，书写电极反应方程式时要依据电解质的性质。 （）传导O2-型，如