(共28张PPT)
选择性必修一 化学反应与电能
原电池的工作原理
第四章
素养目标
1.复习必修第二册中的铜锌原电池装置,巩固原电池装置的构造及形成条件。
2.通过实验,认识双液原电池相比普通原电池的优点,特别是盐桥的作用,培养宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想等学科核心素养。
3.依据带盐桥的锌铜原电池装置,学会分析电子和阴、阳离子的移动方向,并以电极反应式的形式表达出来,培养证据推理与模型认知、变化观念与平衡思想等学科核心素养。
一、生活中的电池
1800年,意大利物理学家伏打,成功制造了产生稳定电流的装置——伏打电堆。
一、生活中的电池
据新华网报道2021年,中国新能源汽车销售完成352.1万辆,连续7年位居全球第一。疫情下,2022年1月,中国新能源汽车产销分别完成45.2万辆和43.1万辆,同比分别增长1.3倍和1.4倍,出口同比增长5.4倍。新能源汽车成为2022年中国高质量发展新引擎。
现在新能源电池市面上分为两种:
一种是由特斯拉为代表的的锂电池,
一种有比亚迪为代表的的磷酸铁锂电池。
有人说新能源汽车好不好,关键看电池!
一、知识铺垫
1.在氧化还原反应中:
(1)氧化剂→得到电子→元素化合价降低→被还原→发生还原反应。
(2)还原剂→失去电子→元素化合价升高→被氧化→发生氧化反应。
(3)氧化剂、还原剂之间转移电子数目相等。
2.原电池是将化学能转化为电能的装置,原电池内发生的反应属于
氧化还原反应。
Zn+2HCl==== ZnCl2+H2↑
化合价升高 失2e-
化合价降低 2×e- 发生还原反应
发生氧化反应
0
+1
+2
0
一、知识铺垫
生活中电池的结构
二、电能
电能——又称电力(二次能源)
一次能源:
从自然界中直接取得的能源.
如:煤,石油,天然气等.
二次能源:
经一次能源加工转移得到的能源.
新增发电装机容量变化
二、电能:火力发电工作原理示意图
火电站从开始到结束能量是如何转化的?
化石燃料
化学能
燃烧
热能
蒸汽
机械能
电能
发电机
排出大量温室气体
可能导致酸雨
能量转化效率低
煤炭是非可再生资源
火
力
发
电
有
什
么
缺
点
二、电能
1.原电池
(1)定义:将化学能直接转变成电能的装置,称为原电池。
其反应本质是
(电源)
(2)规定:
负极:
正极:
电子e-流出(或电流流进)的一极
电子e-流进(或电流流出)的一极
氧化还原反应
二、电极反应
氧化还原反应
原电池反应的本质:
电极材料 原电池正负极 电极反应式 发生的反应
Zn片
Cu片
总的离子反应方程式 负极
正极
Zn-2e-=Zn2+
2H++2e-=H2↑
氧化反应
还原反应
Zn+2H+=Zn2++H2↑(两个电极反应之和)
电极材料 原电池正负极 电极反应式 发生的反应
Zn片
Cu片
总的离子反应方程式
二、原电池的工作原理
外电路
内电路
稀H2SO4
Zn
Cu
e-
外电路:
内电路:
阳离子→正极
阴离子→负极
负极→正极
e-
这样整个电路构成了闭合回路,带电粒子的定向移动产生电流
电子不能通过电解质溶液
二、原理剖析
Zn
相对活泼的金属
失电子
氧化反应
电子流出
负极
Cu或碳棒等
相对不活泼的金属
溶液中的阳离子得电子
还原反应
电子流入
正极
非金属导体
或
e-
二、原电池组成条件
(1)反应:看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。
(2)两电极:一般是活泼性不同的两电极。
(3)电解质溶液
(4)形成闭合回路,形成闭合回路需:
①两电极直接或间接接触;
②两电极插入电解质溶液中。
闭合回路
二、两种原电池的比较
甲装置所示原电池俗称单液原电池,锌片、铜片用导线相连后,都插入到稀硫酸中,所以,锌片上失去的电子一部分通过导线流向铜片,形成电流,还有一部分直接传递给溶液中碰撞到锌片上的氢离子,这一部分电子不形成电流,这种原电池供电效率不高,且电流在较短时间内就会衰减。
乙装置所示原电池俗称双液原电池,锌片、铜片用导线相连后,锌片插入ZnSO4溶液中,铜片插入稀硫酸中,这样就避免了锌片与稀硫酸直接接触发生反应而造成的电能损失,锌失去的电子全部通过导线流向铜片,这种原电池供电效率高,且能提供较稳定的电流。
原电池的缺陷:
能量转化率低,持续时间短
能量转化率提高,持续时间更长
二、双液原电池:以锌铜原电池为例
电极名称 负极 正极
电极材料 锌片 铜片
电极反应 ________________ _________________
反应类型 __________ __________
电子流向 由Zn片沿导线流向Cu片 盐桥中离子移向 盐桥含饱和KCl溶液,K+移向 极,Cl-移向 极 Zn-2e-===Zn2+
2H++2e-===H2
氧化反应
还原反应
正
负
盐桥
盐桥的组成和作用
①盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼胶制成的胶冻。
②盐桥的作用:a.连接内电路,形成闭合回路;
b.平衡电荷,使原电池不断产生电流。
总反应:Zn+2H+=Zn2++H2↑
A
A
A
A
A
A
Zn Cu
Fe C(石墨)
Zn Cu
Zn Zn
Fe Cu
Si C(石墨)
稀H2SO4 CuSO4 溶液 稀H2SO4 稀H2SO4
A B C D
Zn Cu
A
稀H2SO4 酒精 稀H2SO4
E F G
√
√
√
习题
原电池的判断
学以致用
?
√
[自我检测]
1.正误判断
(1)原电池是把化学能转化为电能的一种装置。( )
(2)原电池正极发生氧化反应,负极发生还原反应。( )
(3)不能自发进行的氧化还原反应,通过原电池装置可以实现。( )
(4)石墨棒不能用来作原电池的电极。( )
(5)反应Cu+2Ag+ === 2Ag+Cu2+能以原电池的形式来实现。( )
(6)NaOH+HCl === NaCl+H2O可自发进行,可设计成原电池。( )
(7)Zn-Cu-稀硫酸原电池中,正极“半电池”可为Cu-稀硫酸,负极“半电池”可为Zn-ZnSO4溶液。( )
√
×
×
×
√
×
√
2.关于如图所示装置的叙述,不正确的是( )
A.锌片为负极,且锌片逐渐溶解
B.电子由铜片通过导线流向锌片
C.铜片为正极,且铜片上有气泡产生
D.该装置能将化学能转变为电能
答案 B
解析 该装置为原电池,将化学能转化为电能,故D正确;Zn易失电子作负极,负极的反应为Zn-2e- === Zn2+,所以锌片逐渐溶解,故A正确;Cu为正极,正极的反应为2H++2e- === H2↑,正极上有气泡产生,故C正确;原电池中电子由负极经过导线流向正极,电子从负极Zn沿导线流向正极Cu,故B错误。
二、原电池正、负极的判断
判断方法 负极 正极
①电极材料 较活泼金属 较不活泼金属或石墨
②通入物 通入还原剂的电极 通入氧化剂的电极
③两极反应类型 发生氧化反应的电极 发生还原反应的电极
④电子流向 (或电流方向) 电子流出的电极 (或电流流入的电极) 电子流入的电极
(或电流流出的电极)
⑤离子流向 阴离子流向的电极 阳离子流向的电极
⑥电极质量变化 质量减小的电极 质量增加的电极
⑦有无气泡 — 有气泡产生的电极
【注意】(1)金属的活动性受所处环境的影响。如Mg、Al的活动性:在中性或酸性溶液中活动性Mg>Al;而在碱性溶液中,Al可以与OH-反应,而Mg不反应,所以Mg与Al用导线连接后放入NaOH溶液中,Al是负极,Mg是正极。
(2)Fe、Cu相连,浸入稀HNO3中,Fe作负极;浸在浓HNO3中,Cu作负极(Fe发生钝化)。
二、原电池原理的应用
(1)比较金属的活动性强弱:原电池中,负极一般是活动性 的金属,正极一般是活动性较弱的金属(或非金属)。
(2)加快化学反应速率:氧化还原反应形成原电池时,反应速率加快。
例如,实验室制H2时,由于锌太纯,反应一般较慢,可加入少量CuSO4以加快反应速率。
(3)用于金属的防护:将需要保护的金属制品作原电池的 而受到保护。
钢铁中含有碳,C与Fe组成原电池,发生原电池反应而使钢铁(做负极)遭到腐蚀
(4)设计制作化学电源
①首先将氧化还原反应分成两个半反应。
②根据原电池的工作原理,结合两个半反应,选择正、负电极材料以及电解质溶液。
较强
正极
例题:某原电池总反应的离子方程式为2Fe3++Fe === 3Fe2+,能实现该反应的原电池是( )
A.正极为Cu,负极为C,电解质为FeCl3溶液
B.正极为C,负极为Fe,电解质为Fe(NO3)3溶液
C.正极为Fe,负极为Zn,电解质为Fe2(SO4)3溶液
D.正极为Ag,负极为Fe,电解质为CuSO4溶液
答案 B
解析 将总反应拆分为氧化反应和还原反应两个半反应,即为负极Fe-2e- === Fe2+,正极2Fe3++2e- === 2Fe2+,然后根据原电池的构成条件确定正、负极材料和电解质溶液。因此,本题负极必是Fe,正极可为比Fe活动性弱的金属或非金属导体,电解质溶液为含Fe3+的盐溶液,所以B项正确。
(1)设计原电池的原理
原电池是一种将化学能转化为电能的装置。在电池中,通过电极和导线将电子转移变成了电子的定向移动,将氧化反应和还原反应分到两个电极上进行,使其成为两个“半反应”。
(2)设计原电池的思路
①电极材料的选择。负极一般是活动性强的金属材料,正极一般选用活动性比负极弱的金属材料或石墨等惰性电极。
②电解质溶液的选择。电解质溶液一般要能够与负极发生反应。
③保证设计出的原电池装置中,还原剂在负极上发生反应,氧化剂在正极上发生反应。
二、电极反应式的书写
2H++2e-=H2↑
负极:
Zn-2e-=Zn2+
正极:
原电池
氧化反应
还原反应
氧化还原反应
总反应:Zn + 2H+ = Zn2+ + H2↑(离子方程式)
失去电子
得到电子
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2↑(化学方程式)
得失电子数守恒
二、利用总反应式法书写电极反应式
注意:在同一个原电池中,负极失去电子数必然等于正极得到的电子数,所以在同时书写正负极电极反应时,一定要考虑电荷守恒。
(1)书写步骤
①步骤一:写出电池总反应式,标出电子转移的方向和数目(ne-)。
②步骤二:找出正、负极,失电子的电极为负极;确定溶液的酸碱性。
③步骤三:写电极反应式。
负极反应:还原剂-ne- ====氧化产物
正极反应:氧化剂+ne -====还原产物
(2)书写技巧
若某电极反应式较难写时,可先写出较易的电极反应式,用总反应减去较易的电极反应式,即得较难的电极反应式。
二、用“三步法”书写电极反应式
变式训练2利用反应Zn+2FeCl3 === ZnCl2+2FeCl2设计一个双液原电池。在下图方框内画出实验装置图,并注明电极材料,写出电极反应式。
正极材料为 ,电极反应式为 ;
负极材料为 ,电极反应式为 。
Pt(或石墨等)
Zn-2e- === Zn2+
2Fe3++2e- === 2Fe2+
Zn
用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有含KCl饱和溶液的琼胶)构成一个原电池(如图)。以下有关该原电池的叙述正确的是( )
①在外电路中,电子由铜电极流向银电极
②正极反应为Ag++e- === Ag
③实验过程中取出盐桥,原电池仍继续工作
④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同
A.只有①② B.①②④ C.只有②③ D.①③④
B
知识脉络