高中化学人教版（2019）选择性必修1 4.1原电池 （共29张ppt）

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第四章 化学反应与能量
第一节 原电池
一、原电池的工作原理
1、原电池的工作原理
问题：右图的原电池，如果用它做电源，效率低，而且时间稍长电流就很快减弱，不适合实际应用。
①这是什么原因造成的呢？
②有何改进措施？
原因：锌片与硫酸铜溶液直接接触，一段时间后，溶液中铜离子在锌片表面直接还原，少量的铜在锌片表面析出，即在锌表面也构成了原电池，加速铜在锌表面析出，使向外输出的电流强度减弱。当锌片表面被铜覆盖后，不再构成原电池。
将锌片与硫酸铜溶液隔离
CuSO4
－ ＋
Cu
Zn
A
e
I
e
一、原电池的工作原理
CuSO4
－ ＋
Cu
Zn
A
e
I
e
膜
盐桥
CuSO4
－ ＋
Cu
Zn
A
e
I
e
功能：分区、可允许部分离子通过
盐桥：装有含KCl饱和溶液的琼胶，离子可在其中自由移动
功能：？？？？
一、原电池的工作原理
(1)教材P94·实验4 1：设计锌铜原电池
将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液用一个盐桥连接起来，然后将锌片和铜片用导线连接，并在中间串联一个电流表，观察现象。取出盐桥，观察电流表的指针有何变化。
如图所示连接实验装置
取出盐桥
实验操作
实
验
现
象
电流表
电极变化
电流表的指针发生偏转
左侧烧杯：锌片逐渐溶解
右侧烧杯：铜片上有红色固体析出
电流表的指针回到零点
锌片不再溶解，铜片上也不再有红色固体析出
(2)锌铜原电池工作原理分析
①有盐桥存在时：
②取出盐桥后：
一、原电池的工作原理
①有盐桥存在时：
在ZnSO4溶液中，锌片逐渐溶解，即Zn被氧化，失去电子，生成的Zn2＋进入溶液；
Zn失去的电子，经导线流向铜片，CuSO4溶液中的Cu2＋从铜片上得到电子，被还原为金属铜并沉积在铜片上；
随着反应的进行，左侧烧杯溶液中c(Zn2＋)增大，右侧烧杯溶液中c(Cu2＋)减小。盐桥中的Cl 移向ZnSO4溶液，盐桥中的K＋移向CuSO4溶液，使左、右两侧烧杯中的溶液均保持电中性，氧化还原反应得以持续进行，使原电池不断产生电流。
一、原电池的工作原理
②取出盐桥后：
由于锌原子失去电子成为Zn2＋进入溶液，使ZnSO4溶液因Zn2＋增多而带正电；同时Cu2＋得到电子成为铜并沉积在铜片上，使CuSO4溶液因SO42 相对较多而带负电。这两种因素均会阻止电子从锌片流向铜片，造成电流表指针不发生偏转的现象。
盐桥的作用及双液电池的优点
作用：起导电作用，使整个装置构成闭合回路；还能平衡电解质溶液中的电荷
优点：使原电池中的氧化反应和还原反应完全隔离，在不同区域内实现了电子的定向移动；
使原电池能持续、稳定地产生电流并有利于最大限度地将化学能转化为电能。
一、原电池的工作原理
2、原电池的概念、实质及构成条件
(1)原电池的概念：
将化学能转化为电能的装置
练、在下列氧化还原反应中，在一定条件下不能设计成原电池的反应是( )
A. 2FeCl2 + Cl2＝2FeCl3 B. 2H2 + O2＝2H2O
C. Pb+PbO2+H2SO4＝2PbSO4+2H2O
D. Na2S2O3+H2SO4＝Na2SO4+S+SO2+H2O
D
(2)反应实质：将一个可以自发进行的氧化还原反应分开在两个区域进行，将两个区域用导线连接起来，电子则定向的由发生氧化反应的负极流向发生还原反应的正极，将化学能转化为电能。
一、原电池的工作原理
(3)构成原电池的条件：
①具有两个能导电的电极(金＋金、金＋非、非＋非)
②具有电解质溶液或熔融电解质
③电极间能形成闭合回路(两电极接触或用导线连接)
④能自发进行的氧化还原反应(本质条件)
一、原电池的工作原理
3、原电池的电极反应书写(简单双液电池)
看对角
总 反 应：Zn＋CuSO4＝ZnSO4＋Cu
负极(氧)：
正极(还)：
Zn 2e ＝Zn2＋
Cu2＋ + 2e ＝Cu
一般书写步骤：
列物质标得失
看环境配守恒
两式加验总式
负氧正还，列出参加反应的微粒和得失电子数
依据电解质溶液的酸碱性，选对应离子使电极反应式电荷守恒，巧用水使原子守恒
两极反应式相加，与总反应对照验证
练、反应6NO2+8NH3＝7N2+12H2O设计的电池装置如图所示，该装置既能有效消除氮氧化物的排放，减轻环境污染，又能充分利用化学能，下列说法不正确的是(　　)
A. 电流从右侧电极经过负载后流向左侧电极
B. 电极A上发生氧化反应，电极B为正极
C. 电极A的电极反应式为2NH3 6e ＝ N2 ＋ 6H＋
D. 当有2.24 L(标准状况)NO2被处理时，转移电子0.4 mol
C
一、原电池的工作原理
一、原电池的工作原理
ZnSO4 CuSO4
Zn Cu
盐桥
小结：原电池中的“三个方向”
外
电
路
内
电
路
外电路中
(1)电子流向：
(2)电流方向：
内电路中
(3)离子移动方向：
负极→导线→正极
正极→导线→负极
阳离子移向正极，阴离子移向负极(正正负负)
二、化学电源
1、化学电源概述
(1)化学电源的类别及特点
化
学
电
源
一次电池
二次电池
燃料电池
又叫干电池，活性物质消耗到一定程度，就不能继续使用了，如锌锰干电池
又称可充电电池或蓄电池，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池，如蓄电池、锂离子电池等
一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源，如氢氧燃料电池
二、化学电源
1、化学电源概述
(2)化学电源的优点
化
学
电
源
方便携带、易于维护
能量转化效率较高，供能稳定可靠
可制成各种形状、大小和容量不同的电池及电池组
与其他
能源相比
二、化学电源
1、化学电源概述
(3)判断电池优劣的主要标准
①比能量：电池单位质量或单位体积所输出电能的多少
②比功率：电池单位质量或单位体积所输出功率的大小
③电池可储存时间的长短
二、化学电源—— 一次电池
2、一次电池：活性物质消耗到一定程度，就不能继续使用(内部的氧化还原反应不可逆)。如：普通锌锰干电池、碱性锌锰干电池、银锌电池等
碱性锌锰干电池
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O
＝Zn(OH)2＋2MnOOH
负极：
正极：
Zn 2e ＋2OH ＝Zn(OH)2
2H2O＋2e ＋2MnO2＝2OH ＋2MnOOH
优点：比普通锌锰干电池性能好，其比能量和可储存时间均有所提高。
银锌电池 (电解液KOH溶液)
总反应：Zn+Ag2O+H2O＝2Ag+Zn(OH)2
正极：
负极：
Ag2O+H2O+2e ＝2Ag+2OH
Zn+2OH 2e ＝Zn(OH)2
二、化学电源—— 一次电池
练、关于银锌电池的下列说法不正确的是(　 )
A. Ag2O是正极，Zn是负极
B. Zn电极的电极反应式: Zn 2e +2OH ＝Zn(OH)2
C. 工作时，电池负极区溶液pH增大
D. 工作时，电流由Ag2O极经外电路流向Zn极
C
二、化学电源—— 二次电池
3、二次电池：又称可充电电池或蓄电池，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池，如蓄电池、锂离子电池等
(1)铅酸蓄电池
①铅酸蓄电池的结构
两组栅状极板交替排列
正极板上覆盖有PbO2
负极板上覆盖有金属Pb
稀硫酸作电解质溶液
二、化学电源—— 二次电池
(1)铅酸蓄电池
②铅酸蓄电池的工作原理
Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
放电
充电
放电过程 (原电池)
正极：
负极：
PbO2＋4H＋＋SO42 ＋2e ＝2PbSO4＋2H2O
Pb 2e ＋SO42 ＝PbSO4
二、化学电源—— 二次电池
②铅酸蓄电池的工作原理
Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
放电
充电
充电过程(电解池)
阴极：
阳极：
PbSO4＋2e ＝Pb＋SO42
2PbSO4＋2H2O 2e ＝PbO2＋4H＋＋SO42
充电：正接正、负接负
充
电
③铅酸蓄电池的特点及应用
特点：可重复使用，电压稳定，使用方便，安全可靠，价格低廉；但其比能量低、笨重，废弃电池污染环境。
应用：多用于启动和维持汽车用电系统的正常运转。
二、化学电源—— 二次电池
(2)锂离子电池 (资料卡片)
①锂离子电池的优点：
质量小、体积小、储存和输出能量大等
②常见锂离子电池的材料组成
负极材料
正极材料
电解质溶液
嵌锂石墨(LixCy)
钴酸锂(LiCoO2)
六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸酯溶液
③常见锂离子电池的工作原理
放电：负极材料中的Li＋从LixCy中脱嵌进入电解质溶液中，移向正极，然后嵌入正极材料LiCoO2的层状结构中；
充电：阳极材料中的Li＋从LiCoO2中脱嵌进入电解质溶液中，移向阴极，然后嵌入阴极材料LixCy的层状结构中。
二、化学电源—— 二次电池
负极材料
正极材料
嵌锂石墨(LixCy)
钴酸锂(LiCoO2)
正极材料常以Li1 xCoO2形式表示
放电
负极：
正极：
充电
阳极：
阴极：
LixCy xe ＝xLi＋＋Cy
Li1 xCoO2＋xLi＋＋xe ＝LiCoO2
LiCoO2 xe ＝Li1 xCoO2＋xLi＋
xLi＋＋Cy＋xe ＝LixCy
总反应： LixCy＋Li1 xCoO2 LiCoO2＋Cy
放电
充电
温馨提示
练、(16四川)某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池，放电时电池总反应为Li1 xCoO2＋LixC6＝LiCoO2＋C6 (x<1)；
下列关于该电池的说法不正确的是(　　)
A. 放电时，Li＋在电解质中由负极向正极迁移
B. 放电时，负极的电极反应式为LixC6 xe ＝xLi＋+C6
C. 充电时，若转移1 mol e ，石墨(C6)电极将增重7x g
D. 充电时，阳极电极反应式: LiCoO2 xe ＝Li1 xCoO2+xLi＋
C
二、化学电源—— 二次电池
二、化学电源—— 燃料电池
4、燃料电池：一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。
(1)构成
燃料
电极
离子导体
负极：还原剂(H2、N2H4、烃、甲醇等液体或气体燃料)
正极：氧化剂(一般是氧气或空气)
电极材料不参与氧化还原反应，一般具有很强的催化活性，多采用多孔碳或多孔镍、铂、钯等
电解质溶液(酸性、碱性、中性)，或固体电解质或熔融盐
(2)工作特点：
氧化剂和还原剂不是储存在电池内部，而是在工作时连续地由外部供给并在电极上进行反应，生成物不断地被排出，因此燃料电池能连续不断地提供电能。
二、化学电源—— 燃料电池
(3)优点：
能量利用率高、可连续使用、污染少等
(4)燃料电池分类 (依据：可传导的离子种类)
燃料
氧气
离子导体
酸性介质
可传导H+
碱性介质
可传导OH
固体电解质可传导O2
熔融碳酸盐
可传导CO32
二、化学电源—— 燃料电池
(5)氢氧燃料电池
负极
反应
正极
反应
总反应
电解质溶液
H2SO4溶液
KOH溶液
K2SO4溶液
2H2 4e ＝4H+
O2+4e +4H+
＝2H2O
2H2 4e ＝4H+
O2+4e +2H2O
＝4OH
2H2+4OH 4e
＝4H2O
O2+4e +2H2O
＝4OH
2H2 + O2 ＝ 2H2O
整理：(1)负极产物：酸性、中性→H+；碱性→H2O
(2)正极产物：酸性→H2O；中性、碱性→OH
二、化学电源—— 燃料电池
(6)乙醇燃料电池
离子导体
H2SO4
溶液
KOH
溶液
熔融
碳酸盐
固体
电解质
电极反应
总反应
负：
正：
负：
正：
负：
正：
负：
正：
C2H5OH 12e +3H2O＝2CO2↑+12H+
O2+4e +4H＋＝2H2O
C2H5OH+3O2
＝2CO2+3H2O
C2H5OH 12e +16OH ＝2CO32 +11H2O
O2+4e +4H+＝2H2O
C2H5OH+3O2+4OH
＝2CO32 +5H2O
C2H5OH 12e +6CO32 ＝8CO2↑+3H2O
O2+4e +2CO2＝2CO32
C2H5OH+3O2
＝2CO2+3H2O
C2H5OH 12e +6O2 ＝2CO2↑+3H2O
O2+4e ＝2O2
C2H5OH+3O2
＝2CO2+3H2O
口诀：C四、H一、O减二、N变N2不计算
小结：有机燃料电池两极产物
(1)正极产物：酸性：H2O、碱性：OH 、固体氧化物：O2 、熔融碳酸盐：CO32
(2)负极产物：碳元素碱性：CO32 、其他：CO2
二、化学电源—— 燃料电池
H2SO4
溶液
KOH
溶液
负：
正：
负：
正：
C2H5OH 12e +3H2O＝2CO2↑+12H+
O2+4e +4H＋＝2H2O
C2H5OH+3O2
＝2CO2+3H2O
C2H5OH 12e +16OH ＝2CO32 +11H2O
O2+4e +4H+＝2H2O
C2H5OH+3O2+4OH
＝2CO32 +5H2O
思考：正、负极区、电解质溶液中的pH变化？
口诀：正增负减
练、甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：
①电池的负极是___(填a或b)电极，
该极的电极反应式为_____________________________
②电池工作一段时间后电解质溶液的pH_____(填“增大”
“减小”或“不变”)
a
CH4+10OH 8e ＝CO32 +7H2O
减小
二、化学电源—— 燃料电池
练、N2H4暴露在空气中容易爆炸，
但是以其为燃料的燃料电池是一种
理想的电池，具有容量大、能量转
化效率高、产物无污染等特点，其
工作原理如图所示，下列叙述正确的是(　　)
A. 电池工作时，正极附近的pH降低
B. 当消耗1 mol O2时，有2 mol Na＋由甲槽向乙槽迁移
C. 负极反应式为4OH + N2H4 4e ＝N2↑ + 4H2O
D. 若去掉阳离子交换膜，电池也能正常工作
C
二、化学电源—— 燃料电池