第三节化学能转化为电能电池

第三节化学能转化为电能电池第一页，共三十七页，2022年，8月28日1．通过对铜锌原电池的分析，使学生了解原电池的工作原理，根据电流的方向判断原电池的正极和负极，并知道电极反应的概念2．通过学习三种重要的化学电源，使学生了解原电池的实际应用3．通过分析铜—铁接触处形成原电池的例子，使学生理解金属腐蚀的电化学原理以及防护措施

第二页，共三十七页，2022年，8月28日笃学一原电池原理1.原电池的定义和实质电化学上将

能转化为

能的装置称为原电池，其实质是利用能

进行的氧化还原反应把

能转化为

能。第1课时原电池的工作原理及常见化学电源化学电自发化学电第三页，共三十七页，2022年，8月28日2．铜锌原电池装置及实验现象分析(1)装置第四页，共三十七页，2022年，8月28日(2)实现现象(3)实验分析减少

减少

增加

增加

Zn极Cu极电子流向由

极流向

极电子得失Zn失电子溶液中Cu2＋得电子电极名称

极

极能量转化

能转化为

能Zn

Cu

负

正

化学

电

第五页，共三十七页，2022年，8月28日3.原电池的工作原理外电路中电子由

极流向

极；内电路(电解质溶液)中阴离子移向

极，阳离子移向

极；电子发生定向移动从而形成电流，实现了

能向

能的转化。正负化学电正负第六页，共三十七页，2022年，8月28日笃学二化学电源1.常见化学电源(1)锌锰干电池(一次电池)负极(锌)发生的反应：

，正极(石墨)：2NH4＋＋2e－===2NH3＋H2，电池反应：

。(2)铅蓄电池(二次电池)负极：

，正极：PbO2＋SO42－＋4H＋＋2e－===PbSO4＋2H2O，总反应为：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。Zn－2e－===Zn2＋Zn＋2NH4＋===Zn2＋＋2NH3＋H2Pb＋SO42－－2e－===PbSO4第七页，共三十七页，2022年，8月28日(3)氢氧燃料电池电解质溶液是KOH溶液，在负极通入H2，正极通入O2，电极反应为：负极：

，正极：

，总反应：

。2H2＋4OH－－4e－===4H2OO2＋2H2O＋4e－===4OH－2H2＋O2===2H2O第八页，共三十七页，2022年，8月28日2．废旧电池的危害及处理(1)危害废弃电池中的

和

等有害物质会造成土壤和水污染，会对生态环境和人体健康造成很大危害。(2)回收利用①回收

；②回收

；③对无用物质集中进行

处理。

重金属酸碱重金属填充材料无害第九页，共三十七页，2022年，8月28日【慎思1】如何判断原电池的正负极？提示(1)由组成原电池两极的电极材料判断。一般是活泼的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。(2)根据电流方向或电子流向判断。电流是由正极流向负极；电子是由负极流向正极。(3)根据原电池里电解质溶液内离子的定向移动方向判断。在原电池的电解质溶液内，阳离子移向的极是正极，阴离子移向的极是负极。(4)根据原电池两极发生的变化来判断。原电池的负极总是失电子发生氧化反应，其正极总是得电子发生还原反应。第十页，共三十七页，2022年，8月28日【慎思2】构成原电池的条件有哪些？提示(1)活泼性不同的两个电极(或其中一个是碳棒等导体)。(2)同时插入电解质溶液中(或熔融电解质)。(3)用导线相互连接(或接触)形成闭合电路。(4)能自发地发生氧化还原反应。【慎思3】思考并讨论，铜锌原电池中盐桥的作用是什么？提示可提供定向移动的阴阳离子，使由它连接的两溶液保持电中性，盐桥保障了电子通过外电路从锌到铜的不断转移，使锌的溶解和铜的析出过程得以继续进行。导线的作用是传递电子，沟通外电路。而盐桥的作用则是沟通内电路。第十一页，共三十七页，2022年，8月28日【慎思4】可充电电池的反应是可逆反应吗？提示可充电电池有充电和放电两个过程，放电时的原理是原电池，充电时的原理是电解池；放电时的负极反应和充电时的阴极反应，放电时的正极反应和充电时的阳极反应在形式上互逆，因此总反应在形式上也是互逆的，但因为互逆的反应是在不同条件下进行的，所以并不属于可逆反应。

第十二页，共三十七页，2022年，8月28日1．原电池、电解池的工作原理比较原电池电解池定义把化学能转化为电能的装置叫原电池将电能转化为化学能的装置叫电解池形成条件①两极并形成闭合回路②电解质溶液③自发的氧化还原反应①电源和两极②电解质溶液③形成闭合回路两极名称正极：电子流入，发生还原反应负极：电子流出，发生氧化反应阳极：连电源正极发生氧化反应阴极：连电源负极发生还原反应第十三页，共三十七页，2022年，8月28日第十四页，共三十七页，2022年，8月28日2.电极反应的书写(1)一般电极反应式的书写第十五页，共三十七页，2022年，8月28日(2)复杂电极反应式的书写如书写CH4在酸性燃料电池中总反应式为：CH4＋2O2===CO2＋2H2O正极反应式：2O2＋8H＋＋8e－===4H2O负极反应式：CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋第十六页，共三十七页，2022年，8月28日(3)注意问题①书写电极方程式时一定要考虑电解质溶液的酸碱性，如氢氧燃料电池，在酸性溶液中，负极反应：H2－2e－===2H＋；在碱性溶液中负极反应为：2H2＋4OH－－4e－===2H2O。②原电池中正、负极的电极反应式作为一种特殊的离子方程式，对于强弱电解质的书写形式，没有严格的规定，但必须遵循原子守恒和电荷守恒规律。第十七页，共三十七页，2022年，8月28日【例1】用如图所示的装置进行实验，反应一段时间后断开K，向右侧烧杯中加入0.1molCuO后CuSO4溶液恰好恢复到反应前的浓度，下列说法中不正确的是()。A．铜棒为正极，其电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑B．烧杯右侧碳棒为阴极，其电极表面有红色物质析出C．反应中消耗锌的质量为13gD．导线中通过电子的物质的量为0.2mol第十八页，共三十七页，2022年，8月28日解析左侧装置为Zn－Cu－H2SO4原电池，Zn为负极，Cu为正极；右侧装置为用惰性电极电解CuSO4溶液，左侧碳棒为阳极，右侧碳棒为阴极，有铜析出。电解质中加入0.1molCuO恢复原状态，则知电解生成铜0.1mol，转移电子0.2mol，消耗Zn0.1mol，质量为6.5g。答案C第十九页，共三十七页，2022年，8月28日原电池的判断方法(1)先分析有无外接电源，有外接电源的为电解池，无外接电源的可能为原电池，然后依据原电池的形成条件分析判断，主要是“四看”：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)；看溶液——两极插入溶液中；看回路——形成闭合回路或两极直接接触；看本质——有无氧化还原反应发生。(2)多池相连但无外接电源时，两极活泼性差异最大的一池为原电池，其他各池可看作电解池。第二十页，共三十七页，2022年，8月28日【体验1】固体氧化物燃料电池是由美国西屋公司研制开发的，它以固体氧化锆­氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过，该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应，下列判断正确的是()。第二十一页，共三十七页，2022年，8月28日答案D第二十二页，共三十七页，2022年，8月28日1．原电池的设计构成原电池的基本条件，是进行原电池设计的基本依据。从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应，都可以设计成原电池。但关键是选择合适的电解质溶液和两个电极。(1)电解质溶液的选择电解质是使负极在其中放电的物质，因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质(如空气中的氧气)能与负极发生反应。但如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则左右两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子。第二十三页，共三十七页，2022年，8月28日(2)电极材料的选择在原电池中，选择还原性较强的物质作为负极；氧化性较强的物质作为正极。并且，原电池的电极必须导电。电池中的负极必须能够与电解质溶液或电解质溶液中溶解的其他物质反应，容易失去电子，因此负极一般是活泼的金属材料。第二十四页，共三十七页，2022年，8月28日第二十五页，共三十七页，2022年，8月28日第二十六页，共三十七页，2022年，8月28日【例2】依据氧化还原反应：2Ag＋(aq)＋Cu(s)===Cu2＋(aq)＋2Ag(s)，设计一个最简单的原电池。(1)在下边方框内画出实验装置图，并指出正极为__________________，电极反应式为________________________；负极为______________，电极反应式为____________________________________________________________。第二十七页，共三十七页，2022年，8月28日(2)该反应还可设计成能量转化效率更高的原电池装置，如图所示：请回答下列问题：①电极X的材料是________，Y的材料是________，电解质溶液Z是________。②盐桥的作用是________________________________________________________________________。③外电路中的电子是从________电极流向________电极。

第二十八页，共三十七页，2022年，8月28日解析本题考查原电池的原理和设计，解题时应明确设计思路，理解带盐桥的原电池的组成原理。根据已知的氧化还原反应设计原电池的思路是：首先将已知的反应拆成两个半反应(即氧化反应和还原反应)：Cu－2e－===Cu2＋，2Ag＋＋2e－===2Ag；然后结合原电池的电极反应特点，分析可知，该电池的负极应该用Cu作材料，正极要保证Ag＋得到负极失去的电子，电解质溶液只能用含Ag＋的电解质溶液，如AgNO3溶液。而正极材料的活泼性比Cu弱。在带盐桥的原电池组成半电池时，注意电极材料与溶液中的离子一般要相对应，如Cu2＋/Cu或Ag＋/Ag。第二十九页，共三十七页，2022年，8月28日答案(1)实验装置图如图：Pt(合理即可)2Ag＋＋2e－===2AgCuCu－2e－===Cu2＋(2)①CuAgAgNO3②将两个隔离的电解质溶液连接起来，可使电流持续传导③CuAg第三十页，共三十七页，2022年，8月28日剖析原电池的设计过程：第三十一页，共三十七页，2022年，8月28日【体验2】燃料电池是燃料(例如CO、H2、CH4等)跟氧气或空气反应，将此反应的化学能转化为电能的装置，电解质通常是KOH溶液。则下列关于甲烷燃料电池的说法正确的是()。A．负极反应式为：CH4＋10OH－－8e－===CO32－＋7H2OB．负极反应式为：O2＋2H2O＋4e－===4OH－C．随着反应进行，电解质溶液碱性不变D．该电池的总反应与甲烷燃烧的反应方程式相同，反应式为：CH4＋2O2===CO2＋2H2O第三十二页，共三十七页，2022年，8月28日解析本题考查燃料电池的反应原理、电极反应式的书写等知识。对于该燃料电池，负极CH4失电子被氧化，其中产物之一应是CO2，但在KOH溶液中，一定会变为CO32－。故电极即可得到总反应式为：CH4＋2OH－＋2O2===CO32－＋3H2O。可见随着反应的进行，电解质溶液中OH－的浓度不断减小。答案A第三十三页，共三十七页，2022年，8月28日实验探究四原电池原理的应用——判断金属活泼性【案例】某校化学研究性学习小组欲设计实验验证Fe、Cu的金属活动性，他们提出了以下两种方案。请你帮助他们完成有关实验项目：方案Ⅰ：有人提出将大小相等的铁片和铜片，分别同时放入稀硫酸(或稀盐酸)中，观察产生气泡的快慢，据此确定它们的活动性。该原理的离子方程为_____