原电池及化学电源教案.docx

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原电池及化学电源教案

原电池

1、进一步了解原电池的工作原理；

2、能够写出原电池的电极反应式和原电池的总反应方程式。

要点一、原电池

1、概念：

将化学能转化为电能的装置叫原电池。

2、原电池的构成条件

①两个活泼性不同的电极（材料可以是金属或导电的非金属），分别发生氧化和还原反应。

负极：

活泼性强，失去电子发生氧化反应。

正极：

活泼性弱，溶液中阳离子得到电子发生还原反应。

②电解质溶液，电解质中阴离子向负极方向移动，阳离子向正极方向移动，阴阳离子定向移动形成内电路。

③导线将两电极连接，形成闭合回路。

④有能自发进行的氧化还原反应。

要点诠释：

a．原电池中，电极材料可能与电解质反应，也可能与电解质不反应。

如图：

b．形成闭合回路的方式有多种，可以是用导线连接两个电极，也可以是两电极直接接触。

如图：

要点二、原电池工作原理的实验探究

1、实验设计

①按照图示装置进行实验。

请观察两个金属片插入溶液后电流表指针位置的变化、金属电极表面的变化以及溶液温度的变化，分析是否有电流产生。

②按照下图组装实验装置，注意最后将盐桥插入两种电解质溶液中。

请观察反应过程中电流表指针位置的变化，判断是否有电流产生，并观察电极表面以及溶液温度的变化情况。

要点诠释：

盐桥的作用及优点

a．组成：

将热的饱和KCl或NH4NO3琼胶溶液倒入U形管中（不能产生裂隙），即可得到盐桥。

将冷却后的U形管浸泡在KCl饱和溶液或NH4NO3饱和溶液中备用。

b．作用：

使两个半电池中的溶液连成一个通路。

c．优点：

使原电池中的氧化剂和还原剂近乎完全隔离，并在不同区域之间实现了电子的定向移动，使原电池能持续、稳定地产生电流。

2、实验记录

电流产生情况

电极表面变化情况

温度变化情况

能量变化情况

（Ⅰ）

有电流产生

锌片质量减小，同时铜片上有红色物质析出，铜片质量增加

溶液温度升高

化学能转化为电能、热能

（Ⅱ）

有电流产生

锌片质量减小，铜片上有红色物质析出，铜片质量增加

溶液温度不变

化学能转化为电能

3、实验分析

①对于图甲装置

Zn片：

Zn－2e－＝Zn2+

Cu片：

Cu2++2e－＝Cu

同时在Zn片上，Zn可直接与CuSO4溶液反应，生成Cu与ZnSO4，因此该装置中既有化学能转化为电能，同时也有化学能转化为热能。

②对于图乙所示原电池

锌片：

负极，Zn－2e－＝Zn2+（氧化反应）

铜片：

正极，Cu2++2e－＝Cu（还原反应）

总化学方程式：

Zn+Cu2+＝Cu+Zn2+

4、实验原理分析：

（如图所示）

【典型例题】

类型一：

原电池原理及简单应用

例1有关原电池的下列说法中正确的是（）

A．在外电路中电子由正极流向负极

B．在原电池中，只有金属锌作负极

C．原电池工作时，阳离子向正极方向移动

D．原电池工作时，阳离子向负极方向移动

【答案】C

【解析】在原电池中，电子从负极流向正极，A错误；原电池中是活泼金属作负极，而不一定是锌；随着反应的进行，阳离子在正极被还原，所以电解质溶液中的阳离子向正极移动，而阴离子向负极移动。

举一反三：

【变式1】下列变化中属于原电池反应的是（）

A．在空气中金属铝表面迅速氧化成保护层

B．镀锌铁表面有划损时，仍然能阻止铁被氧化

C．红热的铁丝与冷水接触，表面形成蓝黑色的保护层

D．锌与稀硫酸反应时，加入少量的CuSO4溶液可使反应加快

【答案】BD

例2

如图所示的原电池装置中，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，则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棒和碳棒，则X为碳棒，Y为Zn棒

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

【答案】C

【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强；X极应发生氧化反应，Y极应发生还原反应。

所以，A、B、D错误，C正确。

举一反三：

【变式1】X、Y、Z、W四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中，组成原电池。

X、Y相连时，X为负极；Z、W相连时，电流方向是W→Z；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡；W、Y相连时，W极发生氧化反应。

据此判断四种金属的活泼性顺序是（）

A．X＞Z＞W＞YB．Z＞X＞Y＞WC．W＞X＞Y＞ZD．Y＞W＞Z＞X

【答案】A

【解析】在原电池中，活泼金属作为电池的负极，失去电子，发生氧化反应；不活泼的金属作为电池的正极，得到电子，发生还原反应。

电子由负极经导线流向正极，与电流的方向相反（物理学中规定正电荷移动的方向为电流的方向）。

因此，X、Y相连时，X为负极，则活泼性X＞Y；Z、W相连时，电流方向是W→Z，则活泼性Z＞W；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡，则活泼性X＞Z；W、Y相连时，W极发生氧化反应，则活泼性W＞Y。

综上所述，可以得出金属的活泼性顺序是X＞Z＞W＞Y。

要点三、原电池中电荷移动方向

在原电池构成的闭合电路中，有电荷的流动；从电路的构成方面来说，有外电路上电荷的流动和内电路上电荷的流动；从电荷的类型方面来说，有电子的流动和阴、阳离子的流动，其中的具体情况见图。

要点四、原电池的电极判断

要点诠释：

活泼金属在原电池中不一定作负极。

如Mg—Al—NaOH溶液原电池，活泼性Mg＞Al，但此原电池中Al作负极，Mg作正极。

负极反应：

Al+4OH－－3e－＝AlO2－+2H2O，正极反应：

2H++2e－＝H2↑，总反应：

2Al+2NaOH+2H2O＝2NaAlO2+3H2↑。

判断一个原电池中的正负极，最根本的方法是：

失e－的一极是负极；得e－的一极为正极。

要点五、原电池电极反应式的书写

1、题目给定图示装置

2、题目给定总反应式

①分析化合价，确定电极反应物与产物，按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应的原理，写出正负电极的反应物与产物。

②在电极反应式的左边写出得失电子数，并使左右两边电荷守恒。

③根据质量守恒定律配平电极反应式。

3、几个注意点

①负极材料若不与电解质溶液发生反应，则负极失电子，空气中的O2得电子发生还原反应。

②电极反应式的书写必须遵守离子方程式的书写要求，如难溶物、难电离物、气体、单质、氧化物等均应写成化学式形式。

③注意电解质溶液的成分对正负极反应产物的影响。

如负极反应生成的阳离子若与电解质溶液的阴离子反应，则电解质溶液的阴离子应写入电极反应式，例如Fe与Cu在NaOH溶液中形成原电池，负极反应为Fe+2OH－－2e－＝Fe（OH）2。

【典型例题】

类型二：

电极反应式、电池反应式的书写

例4依据氧化还原反应：

2Ag+（aq）+Cu（s）＝Cu2+（aq）+2Ag（s）设计的原电池如图所示。

请回答下列问题：

（1）电极X的材料是________；电解质溶液Y是________；

（2）银电极为电池的________极，发生的电极反应为________；X电极上发生的电极反应为________；

（3）外电路中的电子是从________电极流向________电极。

【答案】

（1）CuAgNO3溶液

（2）正Ag++e－＝AgCu－2e－＝Cu2+（3）XAg

【解析】由氧化还原反应：

2Ag+（aq）+Cu（s）＝Cu2+（aq）+2Ag（s）可知，可以选用Cu（s）—Ag（s）—AgNO3（aq）构成简易的原电池，因此上图中电极X的材料是Cu，电解质溶液Y是AgNO3溶液，正极为Ag，正极上发生的反应为Ag++e－＝Ag，负极为Cu，负极上发生的反应为Cu－2e－＝Cu2+，在外电路电子由负极流向正极，即从X电极流向Ag电极。

要点六、原电池原理在化学中的应用

1、设计原电池

从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应，都可以设计成原电池。

关键：

电解质溶液：

一般能与负极反应。

或者溶解在溶液中的物质（如O2）与负极反应。

电极材料：

一般较活泼的金属作负极，较不活泼的金属或非金属作正极。

设计思路：

设计思路

实例

以自发的氧化还原反应为基础

2FeCl3+Cu＝2FeCl2+CuCl2

把氧化还原反应分为氧化反应和还原反应两个半反应，从而确定电极反应

氧化反应（负极）：

Cu－2e－＝Cu2+；

还原反应（正极）：

2Fe3++2e－＝2Fe2+

以两极反应原理为依据，确定电极材料及电解质溶液

负极材料：

Cu；

正极材料：

石墨或铂或比Cu不活泼的其他金属；

电解质溶液：

FeCl3溶液

画出示意图

2、原电池工作原理的其他应用

①制造种类电池

②金属的腐蚀与防护

③判断金属的活泼性

④加快反应的速率

构成原电池时反应速率比直接接触的反应速率快。

如实验室制取H2时，用粗锌与稀H2SO4反应比用纯锌时的速率快。

【典型例题】

类型三：

原电池的设计

例3利用反应Zn+2Fe3+＝Zn2++2Fe2+设计一个原电池，在下边方框内画出实验装置图，并指出正极为________，电极反应式为________；负极为________，电极反应式为________。

【答案】Pt2Fe3++2e－＝2Fe2+ZnZn－2e－＝Zn2+实验装置图如下：

或

【解析】根据已知的氧化还原反应设计原电池的思路是，首先将已知的反应拆成两个半反应（即氧化反应和还原反应）：

Zn－2e－＝Zn2+，2Fe3++2e－＝2Fe2+；然后再结合原电池的电极反应特点分析可知，该电池的负极应用Zn作材料，正极要保证Fe3+得到负极失去的电子，可选用Pt或碳棒等，电解质溶液只能选用含Fe3+的电解质溶液，如FeCl3溶液等。

举一反三：

【变式1】如图所示装置中，电流表A发生偏转，a极逐渐变粗，同时b极逐渐变细，c为电解质溶液，则a、b、c应是下列各组中的（）

A．a是Zn、b是Cu、c为稀H2SO4

B．a是Cu、b是Zn、c为稀H2SO4

c．a是Fe、b是Ag、c为AgNO3溶液

D．a是Ag、b是Fe、c为AgNO3溶液

【答案】D

【解析】原电池工作时，a极逐渐变粗，同时b极逐渐变细，说明b极失去电子是负极，a极上金属离子得电子是正极，电解质溶液中含有相同的金属离子。

知识点七、化学电池

1、定义

化学电池是将化学能转变成电能的装置。

2、分类

3、化学电池的优点

①化学电池的能量转换效率较高，供能稳定可靠。

②可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池及电池组。

③使用方便，易于维护，并可在各种环境下工作。

4、判断电池优劣的主要标准

①比能量：

即单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位（W·h）/k或（W·h）/L。

②比功率：

即单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位W/kg或W/L。

③电池的可储存时间的长短。

知识点八、常见的化学电池

电池

负极反应

正极反应

总反应式

一次

电池

普通干电池

（Zn、MnO2、NH4Cl、C）

Zn－2e－＝Zn2+

2MnO2+2NH4++2e－

＝2NH3+Mn2O3+H2O

2MnO2+2NH4++Zn＝

2NH3+Mn2O3+H2O+Zn2+

碱性锌锰电池

（Zn、KOH、MnO2）

Zn+2OH－－2e－

＝Zn（OH）2

2MnO2+2H2O+2e－

＝2MnOOH+2OH－

Zn+2MnO2+2H2O＝

2MnOOH+Zn（OH）2

锌银电池

（Zn、KOH、Ag2O）

Zn+2OH－－2e－

＝Zn（OH）2

Ag2O+H2O+2e－

＝2Ag+2OH－

Zn+Ag2O+H2O＝

Zn（OH）2+2Ag

二次电池

铅蓄电池

（Pb、H2SO4、PbO2）

Pb+SO42－－2e－

＝PbSO4

PbO2+4H++SO42－+2e－＝PbSO4+2H2O

Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O

氢镍电池

[H2、OH－、NiO（OH）]

H2+2OH－－2e－

＝2H2O

2NiO（OH）+2H2O+2e－＝2Ni（OH）2+2OH－

2NiO（OH）+H2

2Ni（OH）2

燃料电池

氢氧燃料电池

（H2、H+、O2）

2H2－4e－＝4H+

O2+4H++4e－

＝2H2O

2H2+O2＝2H2O

氢氧燃料电池

（H2、Na2SO4、O2）

2H2－4e－＝4H+

O2+2H2O+4e－

＝4OH－

2H2+O2＝2H2O

氢氧燃料电池

（H2、OH－、O2）

2H2+4OH－－4e－

＝4H2O

O2+2H2O+4e－

＝4OH－

2H2+O2＝2H2O

知识点九、各种化学电池的特点

名称

一次电池（干电池）

二次电池（充电电池或蓄电池）

燃料电池

定义

发生氧化还原反应的物质消耗到一定程度，就不能再使用

放电后可以再充电使发生氧化还原反应的物质获得再生

一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池

特点

电解质溶液制成胶状，不流动

可以多次重复使用

工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排除，于是电池就连续不断地提供电能

举例

普通的锌锰电池、碱性锌锰电池

铅蓄电池、氢镍电池、镉镍电池

氢氧燃料电池、CH4燃料电池、CH3OH燃料电池

【典型例题】

类型四：

常见的化学电源

例1下列说法中正确的是（）

A．碱性锌锰电池是二次电池

B．铅蓄电池是一次电池

C．二次电池又叫蓄电池，它放电后可以再充电使活性物质获得再生

D．燃料电池的活性物质储存在电池内

【答案】C

【解析】碱性锌锰电池是一次电池，铅蓄电池是二次电池，燃料电池的活性物质没有储存在电池内而是从外界不断输入电池。

例2普通锌锰干电池在放电时电池总反应方程式可以表示为：

Zn+2MnO2+2NH4+＝Zn2++Mn2O3+2NH3+H2O。

此电池放电时，正极（碳棒）上发生反应的物质是（）

A．MnO2和NH4+B．Zn2+和NH4+C．ZnD．碳棒

【答案】A

【解析】在电池的正极上发生的是得e－的还原反应，是总反应中氧化剂发生反应的电极。

由普通锌锰干电池的总反应式可知，MnO2与NH4+发生的反应为正极反应。

举一反三：

【变式1】生产铅蓄电池时，在两极板上的铅锑合金上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是：

2PbSO4+2H2O

PbO2+Pb+2H2SO4

下列对铅蓄电池的说法中错误的是（）

A．需要定期补充硫酸

B．工作时Pb是负极，PbO2是正极

C．工作时负极上发生的反应是Pb－2e－+SO42－＝PbSO4

D．工作时电解质溶液的密度减小

【答案】A

【解析】铅蓄电池在工作时相当于原电池，发生氧化反应的物质是负极，发生还原反应的物质是正极，所以Pb是负极，PbO2是正极；在工作时，负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2+，而Pb2+又与溶液中的SO42－生成PbSO4沉淀；放电时消耗硫酸的量与充电时生成硫酸的量相等，说明H2SO4不用补充；放电时，H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物质的量浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。

例3（2014天津高考）锂离子电池的总反应为：

LixC+Li1﹣xCoO2

C+LiCoO2；

锂硫电池的总反应为：

2Li+S

Li2S。

有关上述两种电池说法正确的是（　　）

A．锂离子电池放电时，Li+向负极迁移

B．锂硫电池充电时，锂电极发生还原反应

C．理论上两种电池的比能量相同

D．

图中表示用锂离子电池给锂硫电池充电

【思路点拨】电池充电的实质是把放电时发生的变化再复原的过程，即放电是原电池、充电是电解的过程，解决该类题目时，先分清原电池放电时的正、负极，再根据电池充电时阳极接正极、阴极接负极的原理进行分析。

【答案】B

【解析】A、原电池中阳离子向正极移动，则锂离子电池放电时，Li+向正极迁移，故A错误；

B、锂硫电池充电时，锂电极与外接电源的负极相连，锂电极上Li+得电子发生还原反应，故B正确；

C、比能量是参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小，锂硫电池放电时负极为Li，锂离子电池放电时负极为LixC，两种电池的负极材料不同，所以比能量不同，故C错误；

D、用锂离子电池给锂硫电池充电时，Li为阴极，应与负极C相连，S为阳极应与正极LiCoO2相连，故D错误；

故选B。

【总结升华】原电池中应注意的3个“方向”：

（1）外电路中电子移动方向：

负极→正极，电流方向：

正极→负极；

（2）电池内部离子移动方向：

阴离子→负极，阳离子→正极；

（3）盐桥中（含饱和KCl溶液）离子移动方向：

K+→正极，Cl-→负极。

知识点十、化学电池电极反应式的书写

1、根据装置书写电极反应式

①先分析题目给定的图示装置，确定原电池正负极上的反应物质，并标出电子得失的数目。

②电极反应式的书写

a．负极：

活泼金属或H2失去电子生成阳离子；若电解质溶液中的阴离子与生成的阳离子不共存，则该阴离子应写入负极反应式。

如铅蓄电池，负极：

Pb+SO42－－2e－＝PbSO4。

b．正极：

阳离子得到电子生成单质或O2得到电子，若反应物是O2，则有以下规律：

电解质溶液是碱性或中性：

O2+2H2O+4e－＝4OH－

电解质溶液是酸性；O2+4H++4e－＝2H2O

③正负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。

2、给出总反应式，写电极反应式

如果题目给定的是总反应式，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），选择一个简单的变化去写电极反应式，另一极的电极反应式可直接写或将各反应式看作数学中的代数式，用总反应式减去已写出的电极反应式，即得结果。

以2H2+O2＝2H2O为例，当电解质溶液为KOH溶液时的电极反应式的书写步骤如下。

①根据总反应方程式分析有关元素化合价的变化情况，确定2molH2失掉4mol电子，初步确定负极反应为：

2H2－4e－＝4H+。

②根据电解质溶液为碱性，与H+不能共存，反应生成水，推出OH－应写入负极反应式为：

2H2+4OH－－4e－＝4H2O。

③用总反应式2H2+O2＝2H2O减去负极反应式得正极反应式为：

2H2O+O2+4e－＝4OH－。

3、可充电电池电极反应式的书写

在书写可充电电池电极反应式时，要明确电池和电极，放电为原电池，充电为电解池。

①原电池的负极与电解池的阳极发生氧化反应，对应元素化合价升高；

②原电池的正极与电解池的阴极发生还原反应，对应元素化合价降低。

要点诠释：

书写燃料电池的电极反应式时，首先要明确电解质是酸、碱还是熔融盐。

在酸性电解质溶液中电极反应式中不能出现OH－，碱性电解质溶液中电极反应式中不要出现H+，同时还要分清燃料是H+还是含碳燃料（CO、CH4、CH3OH、C2H5OH……），但无论是哪一种燃料在碱性条件下正极反应式都是一样的，即O2+4e－+2H2O＝4OH－。

如果是含碳燃料，负极反应式的书写同CH4作负极时的书写方法相同，只是需要配上不同的化学计量数。

一般来说，燃料电池的总反应式与燃料燃烧的反应方程式相同，因此可以通过将两极加和的方法，判断各极反应方程式的书写是否正确。

【典型例题】

类型五：

电极方程式的书写

例4天津是我国研发和生产锂离子电池的重要基地。

锂离子电池正极材料是含锂的二氧化钴（LiCoO2），充电时LiCoO2中Li被还原，并以原子形式嵌入电池负极材料碳（C6）中，以LiC6表示。

电池反应为LiCoO2+C6

CoO2+LiC6。

则下列说法正确的是（）

A．放电时，电池的正极反应为LiC6－e－＝Li++C6

B．放电时，电池的正极反应为CoO2+Li++e－＝LiCoO2

C．羧酸、醇等含活泼氢的有机物可用作锂离子电池的电解质

D．锂离子电池的比能量（单位质量释放的能量）低

【答案】B

【解析】A项，放电时，电池的正极得e－，发生还原反应，A项错误；B项，放电时发生原电池反应，电池正极反应为还原反应，B项正确；C项，含活泼氢的有机物作电解质，易得电子；D项，锂的相对原子质量小，其密度小，所以锂离子电池的比能量高。

故选B。

举一反三：

【变式1】某可充电的锂离子电池以LiMn2O4为正极，嵌入锂的碳材料为负极，含Li+导电固体为电解质。

放电时的电池反应为：

Li+LiMn2O4=Li2Mn2O4。

下列说法正确的是

A．放电时，LiMn2O4发生氧化反应

B．放电时，正极反应为：

Li++LiMn2O4+e－=Li2Mn2O4

C．充电时，LiMn2O4发生氧化反应

D．充电时，阳极反应为：

Li++e-=Li

【答案】B

【变式2】（2015武汉模拟）可以将反应Zn+Br2====ZnBr2设计成原电池，下列4个电极反应：

①Br2+2e-====2Br-，②2Br--2e-====Br2，③Zn-2e-====Zn2+，④Zn2++2e-====Zn，其中表示放电时负极和正极反应的分别是（）

A．②和③　　　　　　　B．②和①

C．③和①D．④和①

【答案】C

【解析】放电时负极反应物为Zn，失电子被氧化，正极反应物为Br2，得电子被还原。

知识点十一、新型电池

1、菠菜电池

科学家参照光合作用原理，利用生物技术手段发明了一种新型菠菜电池。

科学家们首先从菠菜的叶绿体中分离出多种蛋白质，并将这些蛋白质分子与一种肽分子混合，这种肽分子能在蛋白质分子外形成保护层，为其创造类似植物叶片内的生存环境。

之后，科学家又将提取出的蛋白质分子铺在一层金质薄膜上，而后在其最上方再加一层有机导电材料，做成一个类似“三明治”的装置。

当光照射到这个“三明治”上时，装置内会发生光合作用，最终产生电流。

2、水充电池

水充电池的发明使水直接转化为电能成为现实。

当水流动时，因摩擦而充满带正、负电荷的物质，与固体相互吸引，这样就会产生一个很薄的带静电荷的水流层，也叫双电荷层或者电偶层，如果将这两种电荷分开，就能使其像我们日常生活中使用的电池那样提供电能。

这种“水充电池”无污染、无毒并且易于携带，预计在不久的将来，这种电池就可以投入商用了。

3、生物热电池

生物热电池是一块植有数千个微型热电发生器的芯片。

它利用“热电偶效应”发电，即将两种不同的材料连接起来组成一个闭合回路，如果两个连接点的温度不一样，就能产生微小的电压。

该装置用碲化铋半导体材料制造，其中掺入了杂质，使得一端富有多余的电子，另一端则因为缺少了电子而带正电，这样的制造方法使热电偶的发电能力比同等规模的金属装置更强。

“生物热电池”能够持续工作约30年，这就可以减少更换电池的次数。

4、汽油电池

设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是本世纪最富有挑战性的课题之一。

最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通人空气，另一电极通入汽油蒸气，电池的电解质是掺杂了YO3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2－。

5、溶氧生物电池

用作人体心