化学人教版（2019）选择性必修1 4.1.1 原电池的工作原理（共33张ppt）

(共33张PPT)
1.1 原电池的工作原理
第四章 化学反应与电能
高二化学
【知识回顾】
原电池：能把 转化为 的装置
化学能
电能
现代生活离不开方便实用的化学电源。
【知识回顾】
1.下列所示装置是否能构成原电池？请说明理由。
A
B
C
D
E
F
M
N
CuSO4
√
√
√
√
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)。
两极一液一线一反应
负极：较活泼的金属
正极：较不活泼的金属
、 石墨等
【知识回顾】
氧化还原反应（升失氧，降得还）
(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
e-
e-
正极
负极
外电路
内电路
H+
H+
锌片：
Zn－2e- = Zn2+
铜片：
2H+＋2e- = H2↑
失电子，
发生氧化反应
得电子，
发生还原反应
电子流向：
负极 → 正极
离子移动：
阳离子(+)：向正极，
阴离子(-) : 向负极。
电子不下水
离子不上岸
总反应：
Zn＋2H+ = Zn2+＋H2↑
电流方向：
正极 → 负极
1、Cu-H2SO4(aq)-Zn原电池
【环节一：原电池的工作原理】
口诀：阳正阴负/+正-负
【思考】写出以下原电池的总反应方程式、电极反应式，标出电子流向和离子迁移方向，并预测能观察到的现象。
e-
Cu2+
2、Cu-CuSO4(aq)-Zn原电池
【环节一：原电池的工作原理】
总反应：Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+
负极：Zn － 2e- = Zn2+
正极：Cu2+ + 2e- = Cu
(逐渐溶解)
(质量增加)
铜片、锌片表面均附着红色固体，
电流表指针偏转，但电流逐渐衰减。
【实验现象】
Zn片
【原因分析】
现象
原因
锌片表面附着红色固体
电流逐渐衰减
Zn与Cu2+直接接触发生反应；
转移电子没有经过导线，电流逐渐衰减，锌与CuSO4溶液的接触面积减少
Cu片
2、Cu-CuSO4(aq)-Zn原电池
【环节一：原电池的工作原理】
观点1
铜片、锌片表面均附着红色固体，
电流表指针偏转，但电流逐渐衰减。
【实验现象】
Zn片
【原因分析】
现象
原因
锌片表面附着红色固体
电流逐渐衰减
Zn片及附着在Zn片上的Cu及CuSO4溶液局部形成了原电池，促进Cu在锌片上的析出；
转移电子没有经过导线，电流逐渐衰减
Cu片
2、Cu-CuSO4(aq)-Zn原电池
【环节一：原电池的工作原理】
观点2
Zn片
Cu片
2、Cu-CuSO4(aq)-Zn原电池
【环节一：原电池的工作原理】
【思考】该原电池在工作中有何缺点？
锌与硫酸铜溶液直接接触发生反应，会使部分化学能转化为热能造成能量损失，锌片表面也会析出铜从而阻碍反应进行，不能产生持续电流。
理想中的电池特点？
质量小、价廉、寿命长、反复使用、连续工作.......
【环节一：原电池的工作原理】
【思考】如何改进缺点？
还原剂Zn与氧化剂CuSO4不直接接触
解决问题的关键：
两个溶液间缺少离子导体，
无法形成闭合回路。
盐桥：一种凝胶态的离子导体
①盐桥中通常装有: 含KCl饱和溶液的琼胶，
②琼脂的作用：防止管中溶液流出;
③K+和Cl-可在其中自由移动。
且盐桥中离子浓度大，离子只出不进。
【思考2】为什么没有电流？该如何解决？
【环节一：原电池的工作原理】
盐桥
未形成闭合回路，无电流
有盐桥存在为什么能产生持续稳定的电流？
【环节一：原电池的工作原理】
形成闭合回路，有电流
1、双液电池的工作原理
（1）正、负极？电极反应？
（2）电池总反应？
（3）电子移动方向？
（4）溶液和盐桥离子移动方向？
负极：Zn - 2e- = Zn2+
正极：Cu2+ + 2e- = Cu
负极
氧化反应
正极
还原反应
Cl-
K+
2、盐桥的作用：
①沟通内电路,形成闭合回路；
②平衡电荷，使溶液保持电中性，使电流持续传导。
③避免电极与电解质溶液直接反应，减少电流的衰减，提高原电池的工作效率。
【环节一：原电池的工作原理】
总反应：Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+
思考3：盐桥中K+和Cl-的移动方向？
思考1：盐桥中有电子流过吗？
不能，两溶液中SO42-浓度不变
Zn片
Cu片
ZnSO4
CuSO4
Zn2＋
Cu2＋
Cl－
K＋
没有（电子不下水）
思考2：两溶液中的离子能通过盐桥吗？
溶液中SO42-浓度怎么变？
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。
正正负负
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。
电流大小：
电流稳定性：
转化效率：
电流大小：
电流稳定性：
转化效率：
较小
稳定
高
较大
不稳定
低
通过数字化实验比较双液电池与单液电池：
【环节一：原电池的工作原理】
【总结】原电池正负极判断方法
判断依据 负极 正极
电极材料
反应类型
电子流向
电极现象
离子流向
较活泼金属
较不活泼金属或非金属导体
氧化反应
还原反应
电子流出
电子流入
发生溶解
产生气体或质量增加
阴离子流向负极
阳离子流向正极
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？
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？
【思考】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
【环节二 ：原电池的改进创新】
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。
【环节二 ：原电池的改进创新】
1、用铜片、银片设计成如图所示的原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是(　 )
A. 电流沿导线由Cu片流向Ag片
B. Cu片上发生还原反应，Ag片上发生氧化反应
C. 正极的电极反应是：Ag+ + e- = Ag
D. 反应时盐桥中的阳离子移向Cu(NO3)2溶液
C
2、锌铜原电池装置如图，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(SO42-)减小
C. 电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加
D. 阴阳离子通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡
C
【课堂练习】
1、加快氧化还原反应的速率
构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。
例如，在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液，CuSO4与锌发生置换反应生成Cu，从而形成Cu－Zn微小原电池，加快产生H2的速率。
例如，有两种金属a和b，用导线连接后插入稀硫酸中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生。由此可判断出a是负极、b是正极，且金属活动性：a b。
2、比较金属活动性强弱
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
正极
【环节三 ：原电池原理的应用】
>
理论上，任何一个 的氧化还原反应，
都可以设计成原电池。
（1）外电路：
负极——化合价升高的物质
正极——活泼性弱的物质，一般选碳棒
自发
4、设计原电池
（2）内电路：化合价降低的物质作电解质溶液。
如：2FeCl3＋Cu = 2FeCl2＋CuCl2
①化合价升高的物质 负极：____
②活泼性较弱的物质 正极：___
③化合价降低的物质 电解质溶液：_____
Cu
C
FeCl3
盐桥
Cu
C
CuCl2溶液
FeCl3溶液
G
【环节三 ：原电池原理的应用】
根据反应Fe + Cu2+ = Fe2+ + Cu 设计原电池。
负极：Fe
正极：一般选碳棒
(1)单液原电池
(2)双液原电池
电解质：CuCl2溶液
电解质：CuCl2溶液、FeCl2溶液
Fe
C
CuCl2溶液
CuCl2溶液
FeCl2溶液
Fe
C
4、设计原电池
【环节三 ：原电池原理的应用】
负极：Fe－2e-＝ Fe 2+（氧化反应）
正极：Cu2+＋2e-＝Cu（还原反应）
判断右边原电池的正、负极，并写出电极反应式。
Cu＋2FeCl3＝CuCl2＋2FeCl2
先写出总反应：
拆成离子方程式：
Cu＋2Fe3＋＝Cu2＋＋2Fe2＋
根据化合价升降判断正负极
1、简单原电池电极方程式的写法
Cu
C
FeCl3溶液
负极： Cu 失电子 Cu - 2e- = Cu2+
正极： Fe3+得电子 2Fe3+ + 2e- = 2Fe2+
【环节四 ：电极方程式的书写】
总反应方程式
负极：2Al－6e－ ＝2Al3+
2Al3+＋8OH-＝2AlO2-＋4H2O
负极总反应： 2Al＋8OH- －6e－ ＝2AlO2-＋4H2O
正极：总反应－负极反应
6H2O＋6e－＝6OH—＋ 3H2↑
离子方程式
2Al＋2OH－ ＋2H2O＝2AlO2－＋3H2↑
根据化合价升降判断正负极
2Al＋2NaOH＋2H2O＝2NaAlO2＋3H2↑
NaOH溶液
Mg Al
2、复杂原电池电极方程式的书写
【环节四 ：电极方程式的书写】
1、某原电池的总反应的离子方程式为：2Fe3++Fe == 3Fe2+，不能实现该反应的原电池组成是（ ）
A、正极为铜，负极为铁，电解质溶液为FeCl3溶液
B、正极为碳，负极为铁，电解质溶液为Fe(NO3)3溶液
C、正极为铁，负极为锌，电解质溶液为Fe2(SO4)3溶液
D、正极为银，负极为铁，电解质溶液为CuSO4溶液
C
【课堂检测】
2、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．电子从锌极经过导线移向铜极
B．铜电极上发生反应
C．电池工作一段时间后，乙池的 减小
D．电池工作一段时间后，甲池的 增加
A
【课堂检测】
3、用铜片、银片、Cu (NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥（装有琼脂-KNO3的U形管）构成一个原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是（ ）
①在外电路中，电流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．①② B．②③ C．②④ D．③④
C
【课堂检测】
4、下图所示原电池的盐桥中装有饱和K2SO4溶液，电池工作一段时间后，甲烧杯中溶液颜色不断变浅。下列叙述中正确的是（ ）
A. b极是电池的正极
B. 甲烧杯中K＋经盐桥流向乙烧杯
C. 甲烧杯中溶液的pH逐渐减小
D. 电池的总反应离子方程式为：
MnO4－＋5Fe2＋＋8H＋＝Mn2＋＋5Fe3＋＋4H2O
D
【课堂检测】
5、高密度储能电池锌溴电池如图所示，总反应为Zn+Br2=ZnBr2。
下列说法错误的是( )
A．电极M为正极
B．负极的电极反应式为Zn-2e-=Zn2+
C．随着放电的进行，ZnBr2溶液的浓度减小
D．每转移2mole-，理论上有1mol Zn2+通过
离子交换膜
C
【课堂检测】
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
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：
【课堂检测】
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
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
【课堂检测】