化学人教版（2019）选择性必修1 4.1.1 原电池的工作原理（共28张ppt）
文档属性
| 名称 | 化学人教版（2019）选择性必修1 4.1.1 原电池的工作原理（共28张ppt） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 11.2MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2022-11-20 13:52:07 | ||
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文档简介
(共28张PPT)
第四章 化学反应与电能
第一节 原电池
第1课时 原电池的工作原理
人教版（2019）选择性必修一
【课前引入】
现代生活离不开方便实用的化学电源。
原电池：能把 转化为 的装置
化学能
电能
A
B
C
D
E
F
M
N
CuSO4
√
√
√
√
知识回顾
1.下列所示装置是否能构成原电池？请说明理由。
原电池的构成条件：
①有两种活动性不同的电极
（能导电的材料）；
②电解质溶液或熔融电解质；
③形成闭合回路；
④自发进行的氧化还原反应(本质)。
(1)还原剂→元素化合价升高→失去电子→被氧化→发生氧化反应。
(2)氧化剂→元素化合价降低→得到电子→被还原→发生还原反应。
(3)氧化剂、还原剂之间转移电子数目相等。
Zn+2HCl==== ZnCl2+H2↑
化合价升高 失2e-，发生氧化反应
化合价降低2×e-，发生还原反应
0
+1
+2
0
知识储备
氧化还原反应（升失氧，降得还）
外电路
内电路
CuSO4
Zn
Cu
e-
外电路：
内电路：
阳离子（+）→正极：
阴离子（-）→负极：
负极→正极
e-
电子不能通过电解质溶液：
电子不下水
离子不能通过金属导体：
离子不上岸
3.离子流向
2.电子流向：负极→正极
1.电流流向：正极→负极
单液原电池工作原理
正向正
负向负
e－
e－
e－
e－
Zn2+
Cu2＋
e－
e－
SO42－
Cu2＋
内电路：阳离子移向正极，阴离子移向负极(离子不上岸)
－
+
外电路：电子由负极经导线流向正极(电子不下水)
整个电路构成了闭合回路，带电粒子的定向移动产生电流
负极：氧化反应
Zn－ 2e－=Zn2＋
还原反应
正极：还原反应
Cu2＋+2e－=Cu
总反应：Zn＋Cu2+ ＝ Zn2+ + Cu
单液铜锌原电池实验探究
实验现象：
①电流表指针偏转。
②锌片和铜片上均有红色物质生成。
③溶液温度升高。
④一段时间后，电流会逐渐减小。
？
？
？
单液铜锌原电池数字实验探究结果
思考1.锌片上的红色物质是什么？为什么锌片上有红色物质生成？
因为锌与CuSO4溶液直接接触，发生置换反应，所以锌片表面有铜析出，导致部分化学能转为热能。
思考2.为什么电流表读数不断减小？
因为铜在锌表面析出后，与CuSO4溶液一起形成了原电池，产生的电流并没有经过电流表，所以电流表的读数不断减小。当锌片表面完全被铜覆盖后，相当于两个电极都是铜，已不能发生原电池反应，所以电流逐渐衰减。
思考3：如何改进原电池装置，避免Cu2+在锌片上得电子，
提高原电池能量转化效率
CuSO4溶液
Zn
A
Cu
浸有NaCl溶液的滤纸条
ZnSO4溶液
原电池装置的改造
解决问题的关键：还原剂Zn与氧化剂CuSO4不直接接触
改进方法：将锌与硫酸铜溶液分开，形成双液原电池
有无电流产生？
两个溶液间缺少离子导体，无法形成闭合回路。
该如何解决？
CuSO4溶液
Zn
A
Cu
浸有NaCl溶液的滤纸条
ZnSO4溶液
原电池装置的改造
盐桥
①盐桥：通常是将浸泡了饱和KCl溶液的琼胶装在U型管中;
②琼胶起到固定作用，防止KCl溶液直接流出来;
③盐桥中K+和Cl-自由移动，
且盐桥中离子浓度大，离子只出不进。
锌片（还原剂）在与Cu2+（氧化剂）没有直接接触的情况下
也能构成原电池，但是需要合适的“桥梁”沟通两种电解质溶液。
一种凝胶态的离子导体
思考7：盐桥有什么作用？
思考6：盐桥中K+和Cl-的移动方向？
思考4：盐桥中有电子流过吗？
不能，两溶液中SO42-浓度不变
1.形成闭合回路；
2.平衡电荷，使溶液呈电中性；
3.持续稳定的产生电流，提高能量转换率。
Zn片
Cu片
ZnSO4
CuSO4
Zn2＋
Cu2＋
Cl－
K＋
没有（电子不下水）
思考5：两溶液中的离子能通过盐桥吗？
K+向正极移动，Cl-向负极移动；
K＋
Cl－
只出不进
【打破思维定势】氧化剂和还原剂不直接接触也能发生反应。
正向正负向负
原电池 双液电池 单液电池
电极反应
电极材料
离子导体
电子导体
负极：Zn -2e- Zn2+
正极：Cu2++2e- Cu
正极：铜片;负极：锌片
正极：铜片;负极：锌片
ZnSO4溶液、盐桥、CuSO4溶液
CuSO4 溶液
导线
导线
负极：Zn -2e- Zn2+
正极：Cu2++2e- Cu
锌铜原电池
总反应：Cu2+ + Zn Cu+ Zn2+
SO42－
Zn2+
e－
e－
SO42－
Cu2+
K+
Cu
Zn
K+
Cl－
K+
Cl－
K+
Cl－
K+
Cl－
K+
Cl－
Cl－
K+
K+
Cl－
K+
K+
K+
Cl－
Cl－
K+
Cl－
Cl－
Cl－
有盐桥的原电池工作示意图
双液原电池
解决了电池自放电的损耗问题，
提高了能量转化率,
增加了原电池的使用寿命。
由于盐桥（如KCl）的存在，其中阴离子Cl-向ZnSO4溶液扩散和迁移，阳离子K+则向CuSO4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CuSO4溶液中的Cu2+几乎完全变成Cu。若电解质溶液与KCl溶液反应产生沉淀(例：Zn∣Zn(NO3)2溶液∣盐桥∣Ag∣AgNO3溶液)，可用NH4NO3代替KCl作盐桥。
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Zn2+进入ZnSO4溶液，ZnSO4溶液因Zn2+增多而带正电荷。同时，CuSO4则由于Cu2+变为Cu，使得SO42-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。
电流大小：
电流稳定性：
转化效率：
较小
稳定
高
电流大小：
电流稳定性：
转化效率：
较大
衰减快
低
1、阳离子交换膜：只允许阳离子通过
3、质 子 交 换 膜：只允许H+通过
2、阴离子交换膜：只允许阴离子通过
改进
增大电流呢？
缩短盐桥的长度，增大盐桥的横截面积
能否用一张薄薄的隔膜代替盐桥呢？
双液原电池电流弱的原因？
1.离子运动的距离长
2.离子运动的通道窄
3.离子容量小
Cu
离子交换膜简介
离子交换膜
是一种含离子基团的、
对溶液里的离子具有选择透过能力的
高分子膜。
微电池
【膜电池模型】
微电池
电流大小：
电流稳定性：
转化效率：
起始强度大
衰减太快
很低
电流大小：
电流稳定性：
转化效率：
强度太小
很稳定
很高
电流大小：
电流稳定性：
转化效率：
强度高
平稳
很高
(温度基本不变)
练习.锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过。下列有关叙述正确的是( )
A.铜电极上发生氧化反应
B.电池工作一段时间后，甲池的c 减小
C.电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加
D.阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡
C
(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(或其它能导电的物质)。
(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
原电池原理的应用
正负极材料的选择：根据氧化还原反应关系找出正、负极材料，若反应中有金属单质，一般选择活泼性较强的金属作为负极，活泼性较弱的金属或可导电的非金属及其氧化物（如石墨，PbO2等）作为正极；若反应中没有金属单质，一般用石墨作电极
电解质溶液的选择：电解质溶液一般要能够与负极反应，
或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应（如溶解于溶液中的空气①）;
但如果氧化反应和还原反应分别在两个容器中进行（中间连接盐桥），
则两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子②。
注：若负极材料不参与电极反应，参与反应的是两种电解质③，则两种电解质溶液分别置于两个容器中，一般用石墨做电极，中间用盐桥连接。
C
C
FeCl3溶液
KI溶液
CuSO4溶液
Cu
①②③③
①
②
③
练习.根据下列氧化还原反应设计一个原电池：2FeCl3＋Fe===3FeCl2
要求：(1)画出此原电池的装置图，装置采用烧杯和盐桥。
(2)注明原电池的正、负极和外电路中电子的流向。
说明：
1.原电池的正极和负极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关，例：Mg\Al\NaOH(aq); Al\Cu\浓HNO3(aq)，不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。
2.电极质量存在正负极都增重的情况（例：铅蓄电池），
不要形成增重电极一定作正极的思维定势。
原电池正、负极判断方法
总之：优先失电子为负极
原电池正负极判断方法
1.写出总反应式并改成离子方程式，
分析化合价升降，找出氧化剂、还原剂及还原产物、氧化产物，确定两极上对应的反应物及产物，定得失及其数目。
负极电极反应式模板：（升）还原剂－ne-= 氧化产物
正极电极反应式模板：（降）氧化剂＋ne-= 还原产物
2.根据电解质环境，利用H+（酸性）、OH-（碱性），O2-、CO32-（熔融盐）等使电极反应式电荷守恒。
3.配平电极反应式，利用H2O或其他使电极反应式原子守恒。
三步： 1.列物质，定得失
2.电荷守恒看介质
3.原子守恒
注：电极反应式中若有气体生成，需加“↑”；若有固体生成，一般不标“↓”
电极方程式的书写思路
2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2↑
2Al + 2OH－ + 2H2O = 2AlO2－ + 3H2↑
2Al + 8OH_ －6e_ = 2AlO2_ + 4H2O
6H2O + 6e_ = 6OH_ + 3H2↑
优先失电子为负极
练习1
Mg + H2SO4 = MgSO4 + H2↑
Mg + 2H+ = Mg2+ + H2↑
Mg－2e_ = Mg2+
2H+ + 2e_ = H2↑
总反应：
离方：
负极：
正极：
总反应：
离方：
负极：
正极：
Al + 4HNO3(稀) = Al(NO3)3 + NO↑ +2H2O
Al∣稀HNO3∣Cu
Al∣浓HNO3∣Cu
Cu + 4H+ + 2NO3－= Cu2+ + 2NO2↑ + 2H2O
Cu + 4HNO3(浓) = Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O
Cu－2e_ = Cu2+
4H+ + 2NO3－ + 2e_= 2NO2↑ + 2H2O
优先失电子为负极
练习2
总反应：
离方：
负极：
正极：
总反应：
离方：
负极：
正极：
Al + 4H+ + NO3－= Al3+ + NO↑ + 2H2O
Al－3e_ = Al3+
4H+ + NO3－ + 3e_= NO↑ + 2H2O
第四章 化学反应与电能
第一节 原电池
第1课时 原电池的工作原理
人教版（2019）选择性必修一
【课前引入】
现代生活离不开方便实用的化学电源。
原电池：能把 转化为 的装置
化学能
电能
A
B
C
D
E
F
M
N
CuSO4
√
√
√
√
知识回顾
1.下列所示装置是否能构成原电池？请说明理由。
原电池的构成条件：
①有两种活动性不同的电极
（能导电的材料）；
②电解质溶液或熔融电解质；
③形成闭合回路；
④自发进行的氧化还原反应(本质)。
(1)还原剂→元素化合价升高→失去电子→被氧化→发生氧化反应。
(2)氧化剂→元素化合价降低→得到电子→被还原→发生还原反应。
(3)氧化剂、还原剂之间转移电子数目相等。
Zn+2HCl==== ZnCl2+H2↑
化合价升高 失2e-，发生氧化反应
化合价降低2×e-，发生还原反应
0
+1
+2
0
知识储备
氧化还原反应（升失氧，降得还）
外电路
内电路
CuSO4
Zn
Cu
e-
外电路：
内电路：
阳离子（+）→正极：
阴离子（-）→负极：
负极→正极
e-
电子不能通过电解质溶液：
电子不下水
离子不能通过金属导体：
离子不上岸
3.离子流向
2.电子流向：负极→正极
1.电流流向：正极→负极
单液原电池工作原理
正向正
负向负
e－
e－
e－
e－
Zn2+
Cu2＋
e－
e－
SO42－
Cu2＋
内电路：阳离子移向正极，阴离子移向负极(离子不上岸)
－
+
外电路：电子由负极经导线流向正极(电子不下水)
整个电路构成了闭合回路，带电粒子的定向移动产生电流
负极：氧化反应
Zn－ 2e－=Zn2＋
还原反应
正极：还原反应
Cu2＋+2e－=Cu
总反应：Zn＋Cu2+ ＝ Zn2+ + Cu
单液铜锌原电池实验探究
实验现象：
①电流表指针偏转。
②锌片和铜片上均有红色物质生成。
③溶液温度升高。
④一段时间后，电流会逐渐减小。
？
？
？
单液铜锌原电池数字实验探究结果
思考1.锌片上的红色物质是什么？为什么锌片上有红色物质生成？
因为锌与CuSO4溶液直接接触，发生置换反应，所以锌片表面有铜析出，导致部分化学能转为热能。
思考2.为什么电流表读数不断减小？
因为铜在锌表面析出后，与CuSO4溶液一起形成了原电池，产生的电流并没有经过电流表，所以电流表的读数不断减小。当锌片表面完全被铜覆盖后，相当于两个电极都是铜，已不能发生原电池反应，所以电流逐渐衰减。
思考3：如何改进原电池装置，避免Cu2+在锌片上得电子，
提高原电池能量转化效率
CuSO4溶液
Zn
A
Cu
浸有NaCl溶液的滤纸条
ZnSO4溶液
原电池装置的改造
解决问题的关键：还原剂Zn与氧化剂CuSO4不直接接触
改进方法：将锌与硫酸铜溶液分开，形成双液原电池
有无电流产生？
两个溶液间缺少离子导体，无法形成闭合回路。
该如何解决？
CuSO4溶液
Zn
A
Cu
浸有NaCl溶液的滤纸条
ZnSO4溶液
原电池装置的改造
盐桥
①盐桥：通常是将浸泡了饱和KCl溶液的琼胶装在U型管中;
②琼胶起到固定作用，防止KCl溶液直接流出来;
③盐桥中K+和Cl-自由移动，
且盐桥中离子浓度大，离子只出不进。
锌片（还原剂）在与Cu2+（氧化剂）没有直接接触的情况下
也能构成原电池，但是需要合适的“桥梁”沟通两种电解质溶液。
一种凝胶态的离子导体
思考7：盐桥有什么作用？
思考6：盐桥中K+和Cl-的移动方向？
思考4：盐桥中有电子流过吗？
不能，两溶液中SO42-浓度不变
1.形成闭合回路；
2.平衡电荷，使溶液呈电中性；
3.持续稳定的产生电流，提高能量转换率。
Zn片
Cu片
ZnSO4
CuSO4
Zn2＋
Cu2＋
Cl－
K＋
没有（电子不下水）
思考5：两溶液中的离子能通过盐桥吗？
K+向正极移动，Cl-向负极移动；
K＋
Cl－
只出不进
【打破思维定势】氧化剂和还原剂不直接接触也能发生反应。
正向正负向负
原电池 双液电池 单液电池
电极反应
电极材料
离子导体
电子导体
负极：Zn -2e- Zn2+
正极：Cu2++2e- Cu
正极：铜片;负极：锌片
正极：铜片;负极：锌片
ZnSO4溶液、盐桥、CuSO4溶液
CuSO4 溶液
导线
导线
负极：Zn -2e- Zn2+
正极：Cu2++2e- Cu
锌铜原电池
总反应：Cu2+ + Zn Cu+ Zn2+
SO42－
Zn2+
e－
e－
SO42－
Cu2+
K+
Cu
Zn
K+
Cl－
K+
Cl－
K+
Cl－
K+
Cl－
K+
Cl－
Cl－
K+
K+
Cl－
K+
K+
K+
Cl－
Cl－
K+
Cl－
Cl－
Cl－
有盐桥的原电池工作示意图
双液原电池
解决了电池自放电的损耗问题，
提高了能量转化率,
增加了原电池的使用寿命。
由于盐桥（如KCl）的存在，其中阴离子Cl-向ZnSO4溶液扩散和迁移，阳离子K+则向CuSO4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CuSO4溶液中的Cu2+几乎完全变成Cu。若电解质溶液与KCl溶液反应产生沉淀(例：Zn∣Zn(NO3)2溶液∣盐桥∣Ag∣AgNO3溶液)，可用NH4NO3代替KCl作盐桥。
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Zn2+进入ZnSO4溶液，ZnSO4溶液因Zn2+增多而带正电荷。同时，CuSO4则由于Cu2+变为Cu，使得SO42-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。
电流大小：
电流稳定性：
转化效率：
较小
稳定
高
电流大小：
电流稳定性：
转化效率：
较大
衰减快
低
1、阳离子交换膜：只允许阳离子通过
3、质 子 交 换 膜：只允许H+通过
2、阴离子交换膜：只允许阴离子通过
改进
增大电流呢？
缩短盐桥的长度，增大盐桥的横截面积
能否用一张薄薄的隔膜代替盐桥呢？
双液原电池电流弱的原因？
1.离子运动的距离长
2.离子运动的通道窄
3.离子容量小
Cu
离子交换膜简介
离子交换膜
是一种含离子基团的、
对溶液里的离子具有选择透过能力的
高分子膜。
微电池
【膜电池模型】
微电池
电流大小：
电流稳定性：
转化效率：
起始强度大
衰减太快
很低
电流大小：
电流稳定性：
转化效率：
强度太小
很稳定
很高
电流大小：
电流稳定性：
转化效率：
强度高
平稳
很高
(温度基本不变)
练习.锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过。下列有关叙述正确的是( )
A.铜电极上发生氧化反应
B.电池工作一段时间后，甲池的c 减小
C.电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加
D.阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡
C
(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(或其它能导电的物质)。
(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
原电池原理的应用
正负极材料的选择：根据氧化还原反应关系找出正、负极材料，若反应中有金属单质，一般选择活泼性较强的金属作为负极，活泼性较弱的金属或可导电的非金属及其氧化物（如石墨，PbO2等）作为正极；若反应中没有金属单质，一般用石墨作电极
电解质溶液的选择：电解质溶液一般要能够与负极反应，
或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应（如溶解于溶液中的空气①）;
但如果氧化反应和还原反应分别在两个容器中进行（中间连接盐桥），
则两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子②。
注：若负极材料不参与电极反应，参与反应的是两种电解质③，则两种电解质溶液分别置于两个容器中，一般用石墨做电极，中间用盐桥连接。
C
C
FeCl3溶液
KI溶液
CuSO4溶液
Cu
①②③③
①
②
③
练习.根据下列氧化还原反应设计一个原电池：2FeCl3＋Fe===3FeCl2
要求：(1)画出此原电池的装置图，装置采用烧杯和盐桥。
(2)注明原电池的正、负极和外电路中电子的流向。
说明：
1.原电池的正极和负极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关，例：Mg\Al\NaOH(aq); Al\Cu\浓HNO3(aq)，不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。
2.电极质量存在正负极都增重的情况（例：铅蓄电池），
不要形成增重电极一定作正极的思维定势。
原电池正、负极判断方法
总之：优先失电子为负极
原电池正负极判断方法
1.写出总反应式并改成离子方程式，
分析化合价升降，找出氧化剂、还原剂及还原产物、氧化产物，确定两极上对应的反应物及产物，定得失及其数目。
负极电极反应式模板：（升）还原剂－ne-= 氧化产物
正极电极反应式模板：（降）氧化剂＋ne-= 还原产物
2.根据电解质环境，利用H+（酸性）、OH-（碱性），O2-、CO32-（熔融盐）等使电极反应式电荷守恒。
3.配平电极反应式，利用H2O或其他使电极反应式原子守恒。
三步： 1.列物质，定得失
2.电荷守恒看介质
3.原子守恒
注：电极反应式中若有气体生成，需加“↑”；若有固体生成，一般不标“↓”
电极方程式的书写思路
2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2↑
2Al + 2OH－ + 2H2O = 2AlO2－ + 3H2↑
2Al + 8OH_ －6e_ = 2AlO2_ + 4H2O
6H2O + 6e_ = 6OH_ + 3H2↑
优先失电子为负极
练习1
Mg + H2SO4 = MgSO4 + H2↑
Mg + 2H+ = Mg2+ + H2↑
Mg－2e_ = Mg2+
2H+ + 2e_ = H2↑
总反应：
离方：
负极：
正极：
总反应：
离方：
负极：
正极：
Al + 4HNO3(稀) = Al(NO3)3 + NO↑ +2H2O
Al∣稀HNO3∣Cu
Al∣浓HNO3∣Cu
Cu + 4H+ + 2NO3－= Cu2+ + 2NO2↑ + 2H2O
Cu + 4HNO3(浓) = Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O
Cu－2e_ = Cu2+
4H+ + 2NO3－ + 2e_= 2NO2↑ + 2H2O
优先失电子为负极
练习2
总反应：
离方：
负极：
正极：
总反应：
离方：
负极：
正极：
Al + 4H+ + NO3－= Al3+ + NO↑ + 2H2O
Al－3e_ = Al3+
4H+ + NO3－ + 3e_= NO↑ + 2H2O