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第二单元化学能与电能的转化第1课时原电池的工作原理化学电源,一、原电池1.原电池的概念和构成条件：(1)概念：将_转化为_的装置。(2)构成条件。,化学能,电能,2.铜锌原电池：(1)现象：锌片_，铜片上有_，电流表指针发生偏转。,逐渐溶解,红色物质沉积,(2)原理分析。,负极,正极,失,得,流出,流入,氧化反应,还原反应,Zn-2e-=Zn2+,Cu2+2e-=Cu,Zn+Cu2+=Zn2+Cu,3.原电池的组成和工作原理：(1)组成：两个半电池通过盐桥连接起来。两个半电池：包括电极材料和电解质溶液，其中相对活泼的金属作_，较不活泼的金属或导电的非金属作_。盐桥。,ZnSO4,CuSO4,通路,负极,正极,(2)工作原理：外电路。负极_电子，发生_反应；正极_电子，发生_反应。内电路：阴离子向_移动，阳离子向_移动。,给出,氧化,得到,还原,负极,正极,二、化学电源1.化学电源的分类和特点：,2.常见化学电源：(1)银锌钮扣电池。,Zn,Ag2O,KOH,Zn+2OH-2e-=Zn(OH)2,(2)普通锌锰干电池。,锌筒,石墨棒,氯化铵,Zn-2e-=Zn2+,(3)碱性锌锰干电池。,Zn,MnO2,KOH,Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2,2MnO2+Zn+2H2O=2MnOOH+,Zn(OH)2,(4)铅蓄电池。构造：以两组平行的栅状铅合金极板为主架；负极板覆盖_，正极板覆盖_。原理：a.放电时。负极：_(_反应)；正极：_(_反应)；总反应：PbO2+Pb+4H+2=2PbSO4+2H2O。,Pb+-2e-=PbSO4,PbO2+4H+2e-=PbSO4+2H2O,Pb,PbO2,氧化,还原,b.充电时：铅蓄电池的充电反应是放电反应的_。阴极：_(_反应)；阳极：_(_反应)；总反应：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+4H+2。c.充、放电总化学方程式。_。,PbSO4+2e-=Pb+,PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H+,逆过程,还原,氧化,Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O,特点。优点：性能优良，价格低廉，安全可靠，可多次充放电。缺点：比能量低，废弃物污染环境。,(5)燃料电池(以氢氧燃料电池为例)。原理：a.碱性电解质：负极：_；正极：_；总电池反应：H2+O2=H2O。,H2-2e-+2OH-=2H2O,b.酸性电解质：负极：_；正极：_；总电池反应：H2+O2=H2O。特点：能量转换效率高，排放废弃物少。,H2-2e-=2H+,1.辨析下列说法的正误。(1)原电池电解质溶液中，阳离子移向正极。()(2)锌铜原电池中，铜片得电子。()(3)二次电池的充、放电反应是可逆反应。()(4)锌与稀硫酸反应时，加几滴硫酸铜溶液，可加快反应速率。()(5)所有化学反应的化学能均可转化为电能。(),【答案解析】(1)。分析：原电池电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极。(2)。分析：锌铜原电池中，铜为正极，但得电子的是溶液中的阳离子，而不是铜片。(3)。分析：二次电池的充、放电反应是相反的过程，但反应条件不同，因此不是可逆反应。,(4)。分析：锌与硫酸铜反应置换出的铜附着在锌片上，构成锌铜原电池，加快了反应速率。(5)。分析：只有放热的氧化还原反应的化学能才能转化为电能，非氧化还原反应的化学能不能转化为电能。,2.下列有关化学电源的叙述错误的是()A.干电池根据电池内的电解质分为酸性电池和碱性电池B.干电池中碳棒为正极C.铅蓄电池是可充电电池D.铅蓄电池中的PbO2为负极【解析】选D。干电池中碳棒为正极，电解质可为酸性，也可为碱性，A、B正确；铅蓄电池是可充电电池，C正确；铅蓄电池中PbO2的电极反应为PbO2+4H+2e-=PbSO4+2H2O，故该电极发生还原反应，为正极，D错。,3.关于下图所示的原电池，下列说法正确的是()A.锌是电池的负极，发生还原反应B.盐桥中的阳离子向硫酸铜溶液中迁移C.电流从锌电极通过电流计流向铜电极D.铜电极上发生的电极反应是2H+2e-=H2,【解析】选B。锌是负极，发生氧化反应，A错；Cu为正极，盐桥中的阳离子移向正极，B正确；电子由锌极流向铜极，电流由铜极流向锌极，C错；铜电极上发生的反应为Cu2+2e-=Cu，D错。,4.关于原电池的说法正确的是()A.在正极上发生氧化反应B.某电极上有氢气产生，则此电极为正极C.在外电路电子流出的为正极D.在负极上发生还原反应【解析】选B。正极发生还原反应，A错；产生H2的电极上得电子，发生还原反应，是正极，B正确；外电路中电子由负极流向正极，C错；负极发生氧化反应，D错。,5.微型钮扣电池在现代生活中有广泛应用。有一种银锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH，电极反应为Zn+2OH-2e-=Zn(OH)2；Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-，根据上述反应式，判断下列叙述正确的是()A.在使用过程中，电池负极区溶液的c(OH-)增大B.使用过程中，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极C.Zn是负极，Ag2O是正极D.Zn电极发生还原反应，Ag2O电极发生氧化反应,【解析】选C。根据电极反应式，锌失电子为负极，负极消耗氢氧根，故负极区溶液的c(OH-)减小，A错；电子在外电路中由负极流向正极，应由锌极流向氧化银极，B错；锌为负极，发生氧化反应，氧化银为正极，发生还原反应，D错。,一、原电池的工作原理和正、负极的判断1.原电池的工作原理：,(1)反应类型：负极发生氧化反应，正极发生还原反应。(2)电子的移动方向：电子从负极流出，经导线流向正极。(3)离子的移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。,2.原电池正负极的判断：,【点拨】燃料电池正、负极的判断对于燃料电池来说，因为一般情况下电极不参与反应，故判断时可依据电极的通入物：通入燃料的一极是负极，通入氧气或空气的一极是正极。,【微思考】(1)原电池的负极材料一定会失去电子吗？提示：不一定。根据原电池原理，一般负极失电子发生氧化反应，但失去电子的不一定是电极材料，如燃料电池中，电极材料只起导体的作用，不失去电子。,(2)原电池中较活泼的金属电极一定是负极吗？提示：不一定。根据原电池原理，负极是失去电子发生氧化反应的一极，但负极的活泼性不一定比正极强，哪个电极作负极要根据原电池的工作原理来判断。若Fe、Cu和浓硝酸构成原电池，因Fe遇浓硝酸发生钝化，此时电池工作原理是Cu与浓硝酸反应，故负极是Cu，而Fe作正极。,【过关题组】1.(2014重庆高二检测)镁条和铝片为电极，并用导线连接同时插入NaOH溶液中，下列说法正确的是()A.镁条作负极，电极反应：Mg-2e-=Mg2+B.铝片作负极，电极反应：Al+4OH-3e-=+2H2OC.电流从Al电极沿导线流向Mg电极D.铝片上有气泡产生,【解题探究】(1)判断原电池正、负极的根本依据是什么？提示：负极失去电子，正极得到电子。(2)电解质溶液会影响原电池正、负极的判断吗？提示：会。电解质溶液不同，有时原电池的正、负极会发生变化，如Mg、Al作电极，若电解质是强酸，则Mg为负极，若电解质是强碱，则Al为负极。,【解析】选B。该原电池的反应原理是2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2，因此Al为负极，失电子，A错，B正确；Al为负极，外电路电流由Mg电极流向Al电极，C错；Mg为正极，镁片上有气泡产生，D错。,2.(2014杭州高二检测)如图所示装置，电流计的指针发生偏转，正极变粗，负极变细，符合这种情况的是()A.正极Cu，负极Zn，S为稀硫酸B.正极Zn，负极Cu，S为CuSO4溶液C.正极Ag，负极Zn，S为AgNO3溶液D.正极Fe，负极Cu，S为AgNO3溶液,【解析】选C。A项负极Zn会因消耗而变细，但正极氢离子得电子产生氢气，正极不会变粗，A错；B项组成的原电池Zn应为负极，Cu为正极，B错；C项负极Zn会因消耗而变细，正极Ag+得电子产生Ag，附着在Ag电极上而使正极变粗，C正确；D项组成的原电池Fe应为负极，Cu为正极，D错。,【互动探究】(1)题1中，将电解质改为稀硫酸，哪一极是负极？提示：此时电池原理是Mg和稀硫酸反应，镁条失电子，故负极是镁条。(2)题2中，D项构成的原电池中，电流表指针发生偏转，哪一极变粗？提示：D项构成原电池的原理是Fe和AgNO3溶液，Ag+在正极析出，故Cu极变粗。,【变式训练】(2014天津高二检测)铜锌原电池如图工作时，下列叙述正确的是()A.正极反应为Zn-2e-=Zn2+B.电池反应为Zn+Cu2+=Zn2+CuC.在外电路中，电流从负极流向正极D.盐桥中的K+移向ZnSO4溶液,【解析】选B。该原电池的总反应为Zn+Cu2+=Zn2+Cu，故Zn为负极，A错，B正确；外电路中，电流由正极流向负极，C错；盐桥中，阳离子移向正极，故K+应移向CuSO4溶液，D错。,二、原电池电极反应式的书写1.书写电极反应的原则：电极反应是氧化还原反应，要遵循质量守恒、电子守恒及电荷守恒。另外还遵循：(1)加和性原则：两电极反应相加，消去电子后得电池总反应式。利用此原则，电池总反应式减去已知的一电极反应得另一电极反应。,(2)共存原则：碱性溶液中，CO2不可能生成，也不会有H+参加反应或生成；同样酸性溶液中，不会有OH-参加反应或生成。根据此原则，物质得失电子后在不同的电解质环境中所存在的形式不同。,2.根据装置书写电极反应式：首先根据题目给定的图示装置特点，结合原电池正负极的判断方法，确定原电池的正负极及放电的物质。(1)负极反应：活泼金属或H2(或其他还原剂)失去电子生成金属阳离子或H+(或其他氧化产物)。若电解质溶液中的阴离子与生成的金属阳离子或H+能反应，则该阴离子应写入电极反应式，如,铅蓄电池的负极反应是Pb+-2e-=PbSO4。H2参加反应的原电池(碳或Pt为电极)，通入H2的一极为负极，有三种写法：若为中性或酸性电解质溶液：H2-2e-=2H+；若为碱性电解质溶液：H2+2OH-2e-=2H2O；若为熔融状态下的氧化物：H2+O2-2e-=H2O。,(2)正极反应：阳离子得电子生成单质或氧气得电子。若是氧气得电子，要考虑电解质溶液的情况。若为中性或碱性电解质溶液：O2+2H2O+4e-=4OH-；若为酸性电解质溶液：O2+4H+4e-=2H2O；若为熔融状态下的氧化物：O2+4e-=2O2-。(3)电池总反应方程式：结合电子守恒，将正、负极电极反应式相加即得到电池总反应方程式。,3.根据电池总反应式书写各电极反应式：(1)一般书写步骤。列物质，标得失：根据总反应方程式列出总式两边化合价变化的物质，并根据化合价变化确定转移电子数。选离子，配电荷：根据电解质溶液的酸碱性，用H+或OH-或其他离子配平，使两边电荷总数相等。配个数，巧用水：利用H2O使两边的元素守恒。两式加，验总式：将正、负极反应式相加，若得到总反应式，说明写法正确。,(2)实例。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：负极反应。根据总反应方程式列出总式两边化合价升高的物质为H2，转移电子数为4e-，可表示为2H2-4e-=4H+。因电解质溶液呈碱性，生成的H+与OH-反应生成H2O，所以应书写为2H2+4OH-4e-=4H2O。,正极反应。同理，正极反应式的书写如下：O2+4e-=2O2-，在碱性溶液中，H2O提供H+使O2-变为OH-，所以应书写为O2+2H2O+4e-=4OH-。将正、负极反应式相加，可以得到总反应式2H2+O2=2H2O，说明写法正确。,【微思考】(1)怎样计算电极反应式的电荷守恒？提示：电极反应式中，等号左边失去电子显正价，得到电子显负价，即减去2个电子则为+2价，然后判断等号两边离子所带电荷是否相等。,(2)原电池的正极反应一定是电解质电离出的阳离子得电子吗？提示：不一定，如氢氧燃料电池的正极就是通入的氧气得电子。,【过关题组】1.(2014漳州高二检测)科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机物转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池发电。电池负极反应为()A.H2-2e-+2OH-=2H2OB.O2+4H+4e-=2H2OC.H2-2e-=2H+D.O2+2H2O+4e-=4OH-,【解题指南】解答本题应注意以下两点：(1)电解质不同，燃料电池的电极反应式可能不同。(2)原电池负极失电子，正极得电子。【解析】选C。原电池的负极失电子，酸性电解质中氢气失电子生成氢离子。,2.(2014洛阳高二检测)(1)有人设想用下图所示装置做直流电源，并将气体SO2转化为重要化工原料。该设想中负极的电极反应式为。,(2)通过NOx传感器可监测NOx的含量，其工作原理示意图如下：,Pt为(填“正极”或“负极”)，发生的是反应(填“氧化”或“还原”)。NiO为(填“正极”或“负极”)，电极反应式为。,【解析】(1)结合题意和示意图，可知该原电池是SO2和O2反应生成H2SO4，根据化合价变化可知SO2作负极失电子。负极反应式为SO2+2H2O-2e-=+4H+，正极反应式为O2+4H+4e-=2H2O。(2)从示意图上可以看出，NO结合O2-转化为NO2，氮元素化合价升高，失去电子，故NiO为负极，电极反应式为NO+O2-2e-=NO2；O2转化为O2-，氧元素化合价降低，得到电子，故Pt为正极，发生还原反应。,答案：(1)SO2+2H2O-2e-=+4H+(2)正极还原负极NO+O2-2e-=NO2,【变式训练】(2014济宁高二检测)研究人员最近发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为5MnO2+2Ag+2NaCl=Na2Mn5O10+2AgCl。下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是()A.正极反应式：Ag+Cl-e-=AgClB.每生成1molNa2Mn5O10转移2mol电子C.Na+不断向“水”电池的负极移动D.AgCl是还原产物,【解析】选B。根据电池总反应可知Ag失电子化合价升高，故Ag为负极，A错；根据电池总反应，每生成1molNa2Mn5O10转移2mol电子，B正确；原电池中阳离子移向正极，C错；Ag失电子被氧化，故AgCl是氧化产物，D错。,【备选要点】常见的几种燃料电池(1)丁烷燃料电池及电极反应：一个电极通入丁烷，一个电极通入氧气，用掺杂了Y2O3(三氧化二钇)、ZrO2(二氧化锆)的晶体作电解质，晶体高温时能传导O2-。负极：2C4H10-52e-+26O2-=8CO2+10H2O。正极：13O2+52e-=26O2-总反应式：2C4H10+13O2=8CO2+10H2O。,(2)乙醇燃料电池：用导线连接的两个铂电极插入电解质溶液中，分别向两极通入乙醇和氧气。KOH作电解质。负极：C2H5OH+16OH-12e-=2+11H2O正极：3O2+12e-+6H2O=12OH-总反应式：C2H5OH+3O2+4OH-=2+5H2O。,酸作电解质。负极：C2H5OH+3H2O-12e-=2CO2+12H+正极：3O2+12H+12e-=6H2O总反应式：C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O。,(3)熔融盐燃料电池：一极通入CO，一极通入空气和CO2混合气体，以Li2CO3和Na2CO3的熔融盐作电解质，电极反应为负极：2CO+2-4e-=4CO2正极：O2+2CO2+4e-=2总反应：2CO+O2=2CO2。,(4)海水电池。以铝空气海水为材料组成的新型电池，用海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。负极：4Al-12e-=4Al3+正极：3O2+6H2O+12e-=12OH-总反应式：4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3,【微思考】(1)燃料电池都是在常温下工作的吗？提示：不一定。有些燃料电池工作时需要一定的温度，如某些熔融盐为电解质的燃料电池就需要在高温下工作，被称为高温燃料电池。,(2)CH3OH作燃料、NaOH作电解质溶液时，电池的总反应式和电极反应式如何书写？提示：负极反应：2CH3OH+16OH-12e-=2+12H2O正极反应：3O2+6H2O+12e-=12OH-总反应式：2CH3OH+3O2+4OH-=2+6H2O。,【过关题组】1.(2014泉州高二检测)某氢氧燃料电池的电解液是热的KOH溶液，在正极上氧气被还原，在负极上氢气被氧化，下列有关该电池的叙述正确的是()A.负极反应式为H2+2OH-2e-=2H2OB.正极反应式为O2+4H+4e-=2H2OC.工作一段时间后，KOH溶液的浓度不变D.电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极,【解析】选A。电解质是KOH溶液，则负极氢气失电子，结合OH-生成H2O，正极氧气得电子，结合H2O生成OH-，故A正确，B错；原电池反应的原理是氢气和氧气反应，生成的水会稀释电解质溶液，故KOH浓度变小，C错；在外电路，电子由负极流向正极，D错。,2.(2014邯郸高二检测)氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。下图为电池示意图，该电池电极表面镀一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定，请回答：,(1)氢氧燃料电池的能量转化主要形式是，在导线中电子流动方向为(用a、b表示)。(2)负极反应式为。(3)电极表面镀铂粉的原因为。,【解析】(1)燃料电池，一般通入燃料的一极为负极，通入空气或氧气的一极为正极，故该电池中a为负极，b为正极。(2)碱性条件下，负极氢气失电子，与氢氧根结合生成水。(3)根据题意，铂吸附气体的能力强，性质稳定，故电极表面镀铂粉是为了增大电极单位面积吸附H2、O2的分子数，加快电极反应速率,答案：(1)化学能转化为电能由a到b(2)H2+2OH-2e-=2H2O(3)增大电极单位面积吸附H2、O2的分子数，加快电极反应速率,【提分必备关键点】1.原电池原理：负极失电子，发生氧化反应；正极得电子，发生还原反应。外电路中电子由负极流向正极，内电路中阳离子移向正极，阴离子移向负极。2.原电池正、负极判断要点：负极一般是活泼性较强的金属、流出电子、发生氧化反应、阴离子流向的极、电极不断溶解(质量减少)的一极。,3.电极反应式的书写思路。电池总反应：还原剂+氧化剂+介质=氧化产物+还原产物+其他；负极：还原剂+介质-ne-=氧化产物；正极：氧化剂+介质+ne-=还原产物。,含盐桥的原电池构成与分析【真题判断】(在括号内打“”或“”)(1)(2013江苏高考)Mg-H2O2电池以海水为电解质溶液，示意图如右。该电池工作时，Mg电极是该电池的正极。()分析：该原电池原理是Mg和H2O2反应，故Mg是负极，失电子，石墨为正极。,(2)(2013海南高考)Mg-AgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，电池反应方程式为2AgCl+Mg=Mg2+2Ag+2Cl-，则负极反应式为AgCl+e-=Ag+Cl-。()分析：根据电池总反应，Mg失电子，Mg为负极，负极反应式为Mg-2e-=Mg2+。,(3)(2013安徽高考)热激活电池的电解质是LiCl-KCl混合物，该电池总反应为PbSO4+2LiCl+Ca=CaCl2+Li2SO4+Pb，放电过程中，Li+向负极移动。()分析：原电池电解质中，阳离子移向正极，阴离子移向负极。,(4)(2012福建高考)将下图所示实验装置的K闭合，Cu电极上发生还原反应。()分析：K闭合时，Zn作负极、Cu作正极构成原电池，故Cu电极上发生还原反应。,【案例探究】下图为锌铜原电池装置。请结合图示回答有关问题。,请思考回答下列问题：(1)该装置中电子移动方向如何？溶液中的通过盐桥移向锌极吗？提示：该原电池中负极是锌，正极是铜，电子由锌极流向铜极，盐桥中的K+向正极移动，Cl-向负极移动，从而平衡电荷，溶液中的不会通过盐桥移向锌极。,(2)取出盐桥，检流计指针还会偏转吗？提示：取出盐桥，不能构成闭合回路，检流计指针不会偏转。(3)将盐桥改为铜导线连接两种溶液，检流计指针还能偏转吗？提示：将盐桥改为铜导线连接两种溶液，不能构成原电池，检流计指针不发生偏转。,(4)根据以上现象分析，盐桥起了什么作用？原理是什么？提示：分析上述现象可知，盐桥起到了使整个装置构成通路的作用，同时能阻止反应物的直接接触。Zn棒失去电子成为Zn2+进入溶液中，使ZnSO4溶液中Zn2+过多，溶液带正电荷。Cu2+获得电子沉积为Cu，溶液中Cu2+过少，过多，溶液带负电荷。当溶液不能保持电中性，将阻止放电作用的继续进行。盐桥中的Cl-向ZnSO4溶液迁移，K+向CuSO4溶液迁移，分别中和过剩的电荷，使溶液保持电中性，反应可以继续进行。,(5)若将装置中铜片换为铁片，是否还能构成原电池？提示：不能。此时电池中反应为Fe与CuSO4反应，电子不能通过外电路转移，故不能构成原电池。,【探究归纳】原电池工作原理中的两对关系,【探究体验】如图所示为某原电池的结构示意图，下列说法不正确的是(盐桥中装满用饱和KCl溶液和琼胶做成的冻胶)(),A.该原电池的总反应式为2Fe3+Cu=2Fe2+Cu2+B.该电池工作时，Cu2+在电极上得电子，发生还原反应C.该电池工作时，氯化铜溶液中氯离子浓度增大D.电池工作过程中，电子由铜电极经过电流表流向石墨电极,【解析】选B。从该原电池的示意图中可知，Cu为负极，失去电子，石墨为正极，正极发生的反应是Fe3+得电子被还原为Fe2+，故电池总反应为2Fe3+Cu=2Fe2+Cu2+，A正确；电池工作时，Cu失去电子生成Cu2+进入溶液，发生氧化反应，B错；电池工作时，盐桥中的Cl-移向CuCl2溶液，使溶液中氯离子浓度增大，C正确；电池工作时，外电路中电子由负极流向正极，即由铜极流向石墨电极，D正确。,【巩固训练】有关如图所示原电池的叙述，正确的是(盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼脂)()A.铜片上有气泡逸出B.取出盐桥后，电流计依然发生偏转C.反应中，盐桥中的K+会移向CuSO4溶液D.反应前后铜片质量不改变,【解析】选C。左侧Cu2+放电，不产生氢气，A错；取出盐桥后，未形成闭合回路，无电流，B错；原电池中阳离子移向正极，C对；左池中有铜析出，铜片质量增加，D错。,
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