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4.1 原电池
一、原电池的工作原理
(一)定义:
将化学能转化为电能的装置
注:原电池中的化学能并非全部转化为电能,有一部分转化成热能等其他形式的能量
(二)本质:氧化还原反应
(三)工作原理:以铜-锌原电池为例
答:(1)锌铜原电池工作时,电子由锌片沿导线移向铜片,阴离子(Cl-、SO42-)在电解质溶液中移向锌片,阳离子(K+、Cu2+)移向铜片。
(2)负极:Zn-2e-=Zn2+
正极:Cu2++2e-=Cu
总反应:Zn+Cu2+=Cu+Zn2+
电极:Zn—负极,Cu—正极
工作原理:负极→失电子→发生氧化反应→电子通过导线流向正极→正极→得电子→发生还原反应
电极反应:
总反应: Zn+Cu2+=Zn2++Cu
溶液中:阴离子→负极,阳离子→正极
外电路—电子导电,内电路—离子导电
注: 1、盐桥的作用:
(1)成分:含琼胶的KCl饱和溶液
(2)作用:
①构成通路,代替两溶液直接接触
②平衡电荷:K+→正极,Cl-→负极
(3)优点:隔离氧化剂和还原剂,不同区域实现电子定向移动,产生持续、稳定的电流
2、电子只能在两极和外电路中流动,不可能进入溶液中。即“电子不下水,离子不上岸”
3、溶液中是由电解质溶液中的阴阳离子定向移动形成闭合回路的
(四)条件:两极一液一连线,氧化还原是条件
1、两个能导电的电极——正极和负极:
两极的构成情况:
①活泼性不同的两种金属
②金属和非金属
③金属和化合物
④惰性电极:Pt、C
注:(1)很活泼的金属单质一般不作原电池的负极,如:K、Ca、Na等
(2)有些原电池的两极活泼性相同,如燃料电池
2、要有电解质溶液或熔融的电解质
电解质溶液的情况:
(1)电解质溶液一般要能够与负极发生反应
(2)电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如:O2)
3、形成闭合回路的情况:
(1)导线相连
(2)电极直接接触
4、氧化还原反应:
氧化还原反应是自发进行的,但自发进行的氧化还原反应不一定都能设计成原电池
(3)特殊:有盐桥时,左右两个容器中的电解质溶液应选择与电极材料相同的阳离子溶液
(五)能否构成原电池的判断——四看
1、看电极——两极为导体且存在活泼性差异
(燃料电池的电极一般为惰性电极)
2、看溶液——两极插入电解质溶液中
3、看回路——形成闭合回路或两极直接接触
4、看本质——有无自发的氧化还原反应发生
例题:
答案:B
(六)正负极的判断方法:
1、电极反应:负极—氧化反应,正极—还原反应
2、电子或电流的流向:电子:负→正;电流:正→负
3、离子流向:阳离子→正极,阴离子→负极;
即“正向正,负向负”
4、电极材料:活泼金属作负极;
不活泼金属、金属氧化物、非金属作正极
注:不能简单的依据金属的活泼性来判断,要看反应的具体情况
举例:铝镁氢氧化钠电解质,铝铜或铁铜浓硝酸电解质
5、其他:质量增加→正极,气体→正极,pH↑→正极
质量减少→负极
举例:
(1)电极反应:负极—氧化反应,正极—还原反应
(3)电子或电流的流向:电子:负→正;电流:正→负
(2)离子流向:正向正,负向负”
(七)电极反应式的书写
1、分析电极反应:
负极 氧化产物 正极 还原产物
2、注意电解质溶液环境:电极产物在电解质溶液中
应稳定存在
氧化反应,失电子
还原反应,得电子
2、碱性介质中,若生成H+,结合OH-→H2O
1、酸性介质中,若生成OH-,结合H+→H2O
3、碱性介质中,若生成CO2,结合OH-→CO32-
4、碱性介质中,若生成金属阳离子,则可能会结
合OH-→沉淀M(OH)n
3、遵守三大守恒:质量守恒、电荷守恒、 转移电子守恒
4、两极反应式叠加得总反应式,总反应式减去其中一个
电极反应式,可得另一个电极的反应式
5、规律:①一般来说,金属作负极的原电池
负极:
酸性或中性介质中:M—ne-=Mnn+
碱性介质中:M—ne-+nOH-=M(OH)n
正极:酸性介质中:2H++2e-=H2↑
阳离子与金属反应的介质中:NX++xe-=N
阳离子不与金属反应的介质中:O2+4e-+2H2O=4OH-
②特殊:铝镁氢氧化钠电解质,铝铜浓硝酸电解质
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“↓”
练习:写出下列原电池中的电极反应和总反应
1、Mg︱稀硫酸︱Cu
2、Fe︱稀盐酸︱C
3、Cu︱FeCl3溶液︱Pt
4、Zn︱AgNO3溶液︱Cu
1、负极:Mg —2e -=Mg2+
正极: 2H++2e-=H2↑
总反应: Mg+ 2H+= Mg2++ H2↑
答案:
2、负极:Fe—2e -=Fe2+
正极: 2H++2e-=H2↑
总反应: Fe+ 2H+=Fe2++ H2↑
3、负极:Cu —2e -=Cu2+
正极: Fe3++e-=Fe2+
总反应: Cu +2Fe3+=Cu2+ +2Fe2+
4、负极:Zn —2e -=Zn2+
正极: Ag++e-=Ag
总反应: Zn +2Ag+= Zn2++2Ag
5、Mg︱NaOH溶液︱Cu
6、Fe︱KCl溶液︱Cu
7、Al︱NaOH溶液︱Mg
8、Al︱浓硝酸︱Cu
5、负极:Mg —2e -+2OH-=Mg(OH)2
正极: O2+4e-+2H2O=4OH-
总反应: 2Mg+ O2+2H2O=2Mg(OH)2
6、负极:Fe —2e -=Fe2+
正极: O2+4e-+2H2O=4OH-
总反应: 2Fe+ O2+2H2O=2Fe(OH)2
7、负极:Al —3e -+4OH-=AlO2-+2H2O
正极: 2e-+2H2O= H2↑+ 2OH―
总反应: 2Al+2OH―+2H2O=2AlO2-+3H2↑
8、负极:Cu —2e -=Cu2+
正极: 2H++NO3- +e-= H2O+NO2↑
总反应: Cu+4H++2NO3-=Cu2++2H2O+2NO2↑
(八)原电池的设计
1、先将已知的氧化还原反应拆分为两个半反应
2、根据原电池的电极反应特点,结合两个半反应,
找出正负极材料及电解质溶液
3、按要求画出原电池装置图
(九)应用
1、形成原电池,可以加快氧化还原反应
的反应速率
2、通过原电池的电极,可以比较金属活
泼性强弱
3、设计化学电源
4、保护金属设备:被保护金属作正极
(一)分类:
1、一次电池:就是放电后不可再充电的电池。随着使用,一次电池中能发生氧化还原反应的物质逐渐被消耗,当这些物质被消耗到一定程度时,电池就不能继续使用了。一次电池中电解质溶液制成胶状,不流动,也叫做干电池。
二、化学电源
2、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。即它在放电时所进行的氧化还原反应,在充电时可以逆向进行(一般通过充电器将交流电转变为直流电进行充电),使电池恢复到放电前的状态。这样可以实现将化学能转变为电能(放电),再由电能转变为化学能(充电)的循环。
3、燃料电池:是一种连续的将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。
(二)优点:
1、化学电池的能量转化效率较高,供能稳定可靠
2、可以制成各种形状、大小
和容量不同的电池及电池组
3、方便携带,易于维护
(三)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能输出电能的多少
2、比功率:输出功率的大小
3、电池可储存时间的长短
1、普通锌锰干电池
(1)电极材料及电极反应:
负极:锌筒 Zn-2e-=Zn2+
正极:石墨 2NH4++2MnO2+2e-=2NH3↑+Mn2O3+H2O
(2)电解质:MnO2、NH4Cl、ZnCl2、淀粉等调成糊状
(3)缺点:新电池会自动放电,锌皮腐蚀逐渐变薄、放电后电压下降较快、电量小、易气胀或漏液、存放时间缩短不易长时间连续使用
(4)优点:制作简单,价格便宜
(四)一次电池——普通锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池
2、碱性锌锰电池
(1)电极材料及电极反应:
负极:锌筒 Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2
正极:MnO2 2MnO2+2e-+2H2O=2MnO(OH)+2OH-
(MnO2作为正极反应物,得电子被还原为MnO(OH)
总反应: Zn+2MnO2+2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)2
(2)电解质:将NH4Cl换成湿的KOH
(3)优点:比能量和可储存时间比普通提高,是普通干电池的升级换代产品
(五)二次电池(可充电电池)
举例:铅酸蓄电池
1、电极材料:
负极:Pb
正极:PbO2 电解质:H2SO4
2、电极反应式:
负极:Pb-2e-+SO42-=PbSO4
正极:PbO2+4H++2e-+SO42-=PbSO4+2H2O
总反应:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O
3、工作特点:电压稳定,使用方便,安全可靠,价格低廉;但比能量低,笨重,废弃电池污染环境
4、接线方式:充电时,待充电电池的负极要接电源的负极,待充电电池的正极要接电源的正极,即正接正,负接负
注:放电:化学能转化为电能;充电:电能转化为化学能
5、常见的充电电池:
铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池
目前汽车上使用的大多是铅酸蓄电池
6、废旧电池的处理
废旧电池中常含有重金属、酸和碱等物质,如果随意丢弃,会对生态环境和人体健康造成危害。因此,应当重视废旧电池的回收利用,这样既可以减少环境污染,又可以节约资源。
(六)燃料电池
1、工作原理
连续将氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体燃料和氧化剂的化学能转换为电能。电极本身不包含活性物质,不参与氧化还原反应。工作时,燃料和氧化剂连续地由外部供给,在电极上不断地进行反应,生成物不断被排除
2、特点:
(1)燃料电池中,燃料(还原性气体等)作负极,发生氧化反应,氧化剂(通常为氧气)作正极发生还原反应
(2)燃料电池的电极材料一般为惰性电极,具有很强的催化活性,如铂电极、活性炭电极等
(3)燃料电池在使用过程中,并没有发生燃料与氧化剂之间的直接燃烧,而是在两极之间发生了放电,将化学能转化为电能
(4)燃料的燃烧是一种剧烈的氧化还原反应,而燃料电池则是平稳的氧化还原反应
(5)燃料直接燃烧时,大量的热能释放到空气中,利用率低;燃料电池工作时,能量转化率较高,是一种高效、环境友好的发电装置
(6)燃料电池的反应物并不储存在电池内部,而是由外设装备提供燃料和氧化剂
3、燃料电池与一般化学电池的区别
一般化学电池的活性物质储存在电池内部,故而限制了电池的容量,而燃料电池的电极本身不包含活性物质,只是一个催化转化元件。它工作时,燃料和氧化剂连续地由外部供给,在电极上不断地进行反应,生成物不断地被排除,于是电池就连续不断地提供电能
4、优点
燃料电池的能量转化率超过80%,远高于普通燃烧过程(能量转化率仅30%多),可以持续使用,噪音低,不污染环境。既有利于节约能源,又绿色环保,具有广阔的发展前景,被誉为“绿色发电站”
5、种类
(1)氢氧燃料电池
电解质 酸性 中性 碱性
负极 反应
正极 反应
总反应 H2-2e-=2H+
O2+4e-+4H+=2H2O
H2-2e-=2H+
O2+4e-+2H2O=4OH-
H2-2e-+2OH-=2H2O
O2+4e-+2H2O=4OH-
2H2+O2=2H2O
(2)甲烷燃料电池
电解质 H2SO4 KOH
负极反应
正极反应
总反应
CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+
O2+4e-+4H+=2H2O
CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O
O2+4e-+2H2O=4OH-
CH4+2O2=CO2+2H2O
CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O
(3)甲醇燃料电池
电解质 H2SO4 KOH
负极反应
正极反应
总反应
CH3OH-6e-+H2O
=CO2+6H+
O2+4e-+4H+=2H2O
2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O
CH3OH-6e-+8OH-
=CO32-+6H2O
O2+4e-+2H2O=4OH-
2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O
(4)熔融盐电池
例如:用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质的燃料电池,CO为燃料,空气与CO2的混合气为助燃气,制得在650℃下工作的燃料电池,在工作过程中,电解质熔融盐的组成、浓度不变
电极反应式:负极:CO+CO32--2e-=2CO2
正极:O2+2CO2+4e-=2CO32-
总反应:2CO+O2=2CO2
(6)燃料电池中常见正极反应式的书写
1、在酸性溶液中:O2+4e-+4H+=2H2O
2、在碱性或中性溶液中,O2+4e-+2H2O=4OH-
注:燃料电池的总反应就是各种物质的燃烧反应 ,
但不写反应条件
六、燃料电池中常见正极反应式的书写
1、在酸性溶液中:O2+4e-+4H+=2H2O
2、在碱性或中性溶液中,O2+4e-+2H2O=4OH-
3、在熔融碳酸盐中,O2+2CO2+4e-=2CO32-
4、在可传导O2-的晶体电解质中(例如:掺杂(Y2O3)氧化钇的(ZrO2)氧化锆晶体):O2+4e-=2O2-
注:燃料电池的总反应就是各种物质的燃烧反应
但不写反应条件
1.对于原电池的电极名称,下列叙述有错误的是( )
A.发生氧化反应的为负极 B.正极为电子流入的一极
C.比较不活泼的金属为负极 D.电流的方向由正极到负极
【答案】C
【解析】在原电池中,相对活泼的金属为负极,不活泼的金属或导电非金属为正极;发生氧化反应的电极为负极,发生还原反应的电极为正极;原电池工作时,其外电路中电子流出的一极为负极,电子流入的一极为正极,电流的方向与电子流动的方向相反。
2.根据Zn+2H+==Zn2++H2↑的反应原理设计一个原电池,当锌为负极时,正极可以选用的金属材料是( )
A.镁 B.石墨 C.铝 D.铅
【答案】D
【解析】选用金属活泼性比锌弱的金属或能导电的非金属材料作正极,D项符合题意。
THANKS