原电池、电解原理及其应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2011届高考化学第二轮复习,知识点10：化学反应与能量,电化学,一、基本概念与基本理论,原电池(化学电源)、电解池（精炼池、电镀池）,1,1、概念：原电池是_的装置。,原电池反应的本质是_反应。,将化学能转化为电能,氧化还原反应,例：,如右图所示，组成的原电池：,（1）当电解质溶液为,稀H,2,SO,4,时：,Zn电极是_（填“正”或“负”）极，,其电极反应为_，该反应,是_（填“氧化”或“还原”，下同）反应；,Cu电极是_极，其电极反应为,_,该反应是_反应。,（2）当电解质溶液为,CuSO,4,溶液,时：Zn电极,是_极，其电极反应为_，,该反应是_反应；Cu电极是_极，,其电极反应为_,该反应_反应.,负,Zn 2e,-,=Zn,2+,氧化,正,2H,+,+2e,-,=H,2,还原,负,Zn 2e,-,=Zn,2+,氧化,正,Cu,2+,+2e,-,=Cu,还原,一、原电池,2,氧化反应,Zn-2e=Zn,2+,铜锌原电池,电解质溶液,盐桥,失e，沿导线传递，有电流产生,还原反应,Cu,2+,+2e,-,=Cu,阴离子,阳离子,总反应：,负极,正极,Cu,2+,+2e,-,=Cu,Zn-2e,-,=Zn,2+,Zn+Cu,2+,=Zn,2+,+Cu,Zn+CuSO,4,=ZnSO,4,+Cu,(离子方程式）,（化学方程式）,电极反应,正极：,负极：,（氧化反应）,（还原反应）,阳离子,2、原 电 池 原 理,外电路,内电路,3,3、原电池的形成条件：,两极一液一连线,（1）有两种活动性不同的金属（或一种是非金属单质或金属氧化物）作电极。,（2）电极材料均插入电解质溶液中。,（3）两极相连形成闭合电路。,（4）内部条件：,能自发进行氧化还原反应。,4,4、原电池的正负极的判断方法,微观判断,（根据电子流动方向,）,电子流出的极,电子流入的极,负极,正极,较活泼的电极材料,较不活泼的电极材料,质量增加的电极,工作后,质量减少的电极,负极,正极,正极,负极,工作后，有气泡冒出的电极为正极,发生氧化反应的极,发生还原反应的极,宏观判断,：,根据电极材料,根据原电池电极,发生的反应,根据电极增重还是减重,根据电极有气泡冒出：,负极,正极,5,造成的主要原因,：由于在铜极上很快就聚集了许多氢气泡，把铜极跟稀硫酸逐渐隔开，这样就增加了电池的内阻，使电流不能畅通。这种作用称为,极化作用,。,二、对原电 池工作原理的进一步探究,为了避免发生这种现象，设计如下图所示的原电池装置，你能解释它的工作原理吗？,？提出问题：,右图是我们在必修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，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。,这是什么原因造成的呢？有没有什么改进措施？,6,此电池的优点：,能产生持续、稳定的电流。,锌半电池，,铜半电池,7,实验：（选修4书76页实验4-1）,实验探索,实验现象：,分析,：改进后的装置为什么能够持续、稳定的产生电流？盐桥在此的作用是什么？,有盐桥存在时电流计指针发生偏转，即有电流通过电路。,取出盐桥，电流计指针即回到零点，说明没有电流通过。,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NH,4,NO,3,的饱和溶液中即可。2)将KCl或NH,4,NO,3,的饱和溶液装入U形管，用棉花都住管口即可。,8,盐桥的作用：,（,1,）使整个装置构成通路，代替两溶液直接接触,。,得出结论,由于盐桥（如,KCl,）的存在，其中阴离子,Cl,-,向,ZnSO,4,溶液扩散和迁移，阳离子,K,+,则向,CuSO,4,溶液扩散和迁移，分别中和过剩的电荷，保持溶液的电中性，因而放电作用不间断地进行，一直到锌片全部溶解或,CuSO,4,溶液中的,Cu,2+,几乎完全沉淀下来。,若电解质溶液与,KCl,溶液反应产生沉淀，可用,NH,4,NO,3,代替,KCl,作盐桥。,（,2,）平衡电荷。,在整个装置的电流回路中，溶液中的电流通路是,靠离子迁移完成,的。,取出盐桥，,Zn,失去电子形成的,Zn,2+,进入,ZnSO,4,溶液，,ZnSO,4,溶液因,Zn,2+,增多而带正电荷。同时，,CuSO,4,则由于,Cu,2+,变为,Cu,，使得,SO,4,2-,相对较多而带负电荷。溶液不保持电中性，这两种因素均会阻止电子从锌片流向铜片，造成电流中断。,9,三、化学电源,学与问,在日常生活和学习中，你用过哪些电池，你知道电池的其它应用吗？,电池,化学电池,太阳能电池,原子能电池,将化学能转换成电能的装置,将太阳能转换成电能的装置,将放射性同位素自然衰变时产生的热能通过热能转换器转变为电能的装置,10,知识点1：化学电池,1)概念:,将化学能变成电能的装置,2)分类:,一次电池又称不可充电电池如：干电池,二次电池又称充电电池蓄电池,燃料电池,3)优点:,4)电池优劣的判断标准:,能量转换效率高，供能稳定可靠。,可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组，使用方便。,易维护，可在各种环境下工作。,比能量,符号(Ah/kg)，(Ah/L),指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少,比功率,符号是W/kg，W/L),指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小,电池的储存时间的长短,11,电池铅蓄电池,1、电极材料及原料,2、电解质溶液,3、电极反应式：,正极：,PbO,2,负极：,Pb,H,2,SO,4,溶液,负极（Pb）:,Pb-2e,-,+SO,4,2,-,=PbSO,4,Pb+PbO,2,+2H,2,SO,4,=2PbSO,4,+2H,2,O,正极（PbO,2,）:,PbO,2,+4H,+,+SO,4,2,-,+2e,-,=PbSO,4,+2H,2,O,总反应：,(放电时),转移1mole-消耗多少mol,H,2,SO,4,12,2PbSO,4,(s)+2H,2,O(l),Pb(s)+PbO,2,(s)+2H,2,SO,4,(aq),充电过程,PbSO,4,(s)+2e,-,=Pb(s)+SO,4,2-,(aq),还原反应,阴极：,阳极：,PbSO,4,(s)+2H,2,O(l)-2e,-,=PbO,2,(s)+4H,+,(aq),+SO,4,2-,(aq),氧化反应,接电源负极,接电源正极,充电过程总反应：,2PbSO,4,(s)+2H,2,O(l)=Pb(s)+PbO,2,(s)+2H,2,SO,4,(aq),铅蓄电池的充放电过程：,放电,充电,13,3)铅蓄电池优缺点简析,缺点：,比能量低、笨重、废弃电池污染环境,优点：,可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉,其它二次电池,镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄电池,14,大有发展前景的燃料电池,燃料电池,是利用,氢气、天然气、甲醇,等燃料与,氧气或空气,进行电化学反应时释放出来的化学能直接转化成电能的一类原电池。目前,燃料电池的能量转化率可达近80%，约为火力发电的2倍,。这是因为火力发电中放出的废热太多。燃料电池的,噪声,及硫氧化物、氮氧化物等,废气污染都接近零,；,燃料电池发明于19世纪30年代末，经反复试验、改进，到20世纪60年代才开始进入实用阶段。第一代燃料电池的,大致情况如下：,(三),燃料电池,15,氢氧燃料电池工作原理,介质,电池反应：,2H,2,+,=2H,2,O,酸性,负极,正极,中性,负极,正极,碱性,负极,正极,2H,2,-4e,-,=4H,+,O,2,+4H,+,+4e,-,=4H,2,O,2H,2,-4e,-,=4H,+,O,2,+2H,2,O+4e,-,=4OH,-,2H,2,+4OH,-,-4e,-,=4H,2,O,O,2,+2H,2,O+4e,-,=4OH,-,16,固体氢氧燃料电池,固体电解质介质,电池反应：,2H,2,+,=2H,2,O,负极,正极,负极,正极,2H,2,-4e,-,+2O,2,=2H,2,O,O,2,+4e,-,=2O,2,2H,2,-4e,-,=4H,+,O,2,+4H,+,+4e,-,=2H,2,O,17,它是以两根金属铂片插入,KOH溶液,中作电极，又在两极上分别通入甲烷,和氧气。电极反应为：,负极：,正极：,电池总反应：,2O,2,+4H,2,O+8e,-,=8OH,-,CH,4,+10OH,-,-8e,-,=CO,3,2-,+,7H,2,O,CH,4,+2O,2,+2KOH=K,2,CO,3,+,3 H,2,O,甲烷新型燃料电池,分析溶液的pH变化。电解质为KOH溶液,若用C,2,H,6,、CH,3,OH呢？,18,C,2,H,6,燃料电池、电解质为KOH溶液,负极：,正极：,电池总反应：,CH,3,OH,燃料电池、电解质为KOH溶液,负极：,正极：,电池总反应：,7O,2,+14H,2,O+28e,-,=28OH,-,2C,2,H,6,+36OH,-,-28e,-,=4CO,3,2-,+,24H,2,O,2C,2,H,6,+7O,2,+8KOH=4K,2,CO,3,+,10 H,2,O,3O,2,+6H,2,O+12e,-,=12OH,-,2CH,3,OH+16OH,-,-12e,-,=2CO,3,2-,+,12H,2,O,2CH,3,OH+3O,2,+4KOH=2K,2,CO,3,+,6 H,2,O,19,C,4,H,10,、空气,燃料电池、电解质为熔融K,2,CO,3,用稀土金属材料作电极（具有催化作用）,负极：,正极：,电池总反应：,13O,2,+52e,-,+26CO,2,=26CO,3,2-,2C,4,H,10,-52e,-,+26CO,3,2-,=34,CO,2,+,10H,2,O,2C,4,H,10,+13O,2,=8CO,2,+,10 H,2,O,20,1.利用原电池原理设计新型化学电池；,2.改变化学反应速率，如实验室用粗锌与硫酸反应制取氢气；,3.进行金属活动性强弱比较；,4.电化学保护法，即将金属作为原电池的正极而受到保护。如在铁器表面镀锌。,三、原电池的主要应用：,5.,解释某些化学现象,21,(1)比较金属活动性强弱。,例1：,下列叙述中，可以说明金属甲比乙活泼性强的是,C.将甲乙作电极组成原电池时甲是负极；,A.甲和乙用导线连接插入稀盐酸溶液中，乙溶解，甲,上有H,2,气放出,；,B.在氧化还原反应中，甲比乙失去的电子多,；,D.同价态的阳离子，甲比乙的氧化性强；,(四)原电池原理应用：,22,(2)比较金属腐蚀的快慢,例2：,下列各情况，在其中Fe片腐蚀由,快,到,慢,的顺序是,(5),(2),(1),(3),(4),原电池原理应用：,23,例3：,下列装置中四块相同的Zn片，放置一段时间后腐蚀速,率由,慢,到,快,的顺序是,(4),(2),(1),(3),24,例4：,铝空气燃料电池（海水）：,负极：,正极：,电池总反应：,3O,2,+12e,-,+6H,2,O=12OH,-,4Al-12e,-,=4Al,3+,4Al+3O,2,+6H,2,O,=4Al(OH),3,(3)原电池设计：,25,例5：,原电池设计：,1、用Zn、,Cu作两极,，NaCl作电解质溶液，试分析写出两极反应式,2、铝镁NaOH电池,3、铜铁浓HNO,3,4、试根据反应：Cu+2AgNO,3,=Cu(NO,3,)+2Ag设计成原电池，画出装置图，并写出电极反应式。若用到盐桥，则盐桥中电解质可用,。,5、Fe+2Fe,3+,=3Fe,2+,Cu+2Fe,3+,=2Fe,2+,+Cu,2+,6、如何使反应：Cu+2H,+,=Cu,2+,+H,2,发生？,KNO,3,溶液,26,CuCl,2,溶液,阴离子移向,阳极,阴极,氧化反应,还原反应,电子流向,阳离子移向,e,-,e,-,Cu,2+,+2e,-,=2Cu,2Cl,