原電池的工作原理 課件 新教材同步備課精研高二上學(xué)期化學(xué)人教版（2019）選擇性必修1

第四章化學(xué)反應(yīng)與電能第一節(jié)原電池第1課時原電池的工作原理

人教版（2019）選擇性必修一【課前引入】現(xiàn)代生活離不開方便實用的化學(xué)電源。原電池：能把

轉(zhuǎn)化為

的裝置化學(xué)能電能ABCDEFMN

CuSO4√√√√知識回顧1.下列所示裝置是否能構(gòu)成原電池？請說明理由。原電池的構(gòu)成條件：①有兩種活動性不同的電極

（能導(dǎo)電的材料）；②電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)；③形成閉合回路；④自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)(本質(zhì))。(1)還原劑→元素化合價升高→失去電子→被氧化→發(fā)生氧化反應(yīng)。(2)氧化劑→元素化合價降低→得到電子→被還原→發(fā)生還原反應(yīng)。(3)氧化劑、還原劑之間轉(zhuǎn)移電子數(shù)目相等。Zn+2HCl====ZnCl2+H2↑化合價升高失2e-，發(fā)生氧化反應(yīng)化合價降低2×e-，發(fā)生還原反應(yīng)0+1+20知識儲備氧化還原反應(yīng)（升失氧，降得還）外電路內(nèi)電路CuSO4ZnCue-外電路：內(nèi)電路：陽離子（+）→正極：陰離子（-）→負(fù)極：負(fù)極→正極e-電子不能通過電解質(zhì)溶液：電子不下水離子不能通過金屬導(dǎo)體：離子不上岸3.離子流向2.電子流向：負(fù)極→正極1.電流流向：正極→負(fù)極單液原電池工作原理正向正負(fù)向負(fù)e－e－e－e－Zn2+Cu2＋e－e－SO42－Cu2＋內(nèi)電路：陽離子移向正極，陰離子移向負(fù)極(離子不上岸)－+外電路：電子由負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線流向正極(電子不下水)整個電路構(gòu)成了閉合回路，帶電粒子的定向移動產(chǎn)生電流負(fù)極：氧化反應(yīng)Zn－

2e－=Zn2＋還原反應(yīng)正極：還原反應(yīng)Cu2＋+2e－=Cu總反應(yīng)：Zn＋Cu2+

＝Zn2++Cu單液銅鋅原電池實驗探究實驗現(xiàn)象：①電流表指針偏轉(zhuǎn)。②鋅片和銅片上均有紅色物質(zhì)生成。③溶液溫度升高。④一段時間后，電流會逐漸減小。？？？單液銅鋅原電池數(shù)字實驗探究結(jié)果思考1.鋅片上的紅色物質(zhì)是什么？為什么鋅片上有紅色物質(zhì)生成？因為鋅與CuSO4溶液直接接觸，發(fā)生置換反應(yīng)，所以鋅片表面有銅析出，導(dǎo)致部分化學(xué)能轉(zhuǎn)為熱能。思考2.為什么電流表讀數(shù)不斷減小？因為銅在鋅表面析出后，與CuSO4溶液一起形成了原電池，產(chǎn)生的電流并沒有經(jīng)過電流表，所以電流表的讀數(shù)不斷減小。當(dāng)鋅片表面完全被銅覆蓋后，相當(dāng)于兩個電極都是銅，已不能發(fā)生原電池反應(yīng)，所以電流逐漸衰減。思考3：如何改進(jìn)原電池裝置，避免Cu2+在鋅片上得電子，

提高原電池能量轉(zhuǎn)化效率?CuSO4溶液ZnACu浸有NaCl溶液的濾紙條ZnSO4溶液原電池裝置的改造解決問題的關(guān)鍵：還原劑Zn與氧化劑CuSO4不直接接觸改進(jìn)方法：將鋅與硫酸銅溶液分開，形成雙液原電池有無電流產(chǎn)生？兩個溶液間缺少離子導(dǎo)體，無法形成閉合回路。該如何解決？CuSO4溶液ZnACu浸有NaCl溶液的濾紙條ZnSO4溶液原電池裝置的改造鹽橋①鹽橋：通常是將浸泡了飽和KCl溶液的瓊膠裝在U型管中;②瓊膠起到固定作用，防止KCl溶液直接流出來;③鹽橋中K+和Cl-自由移動，

且鹽橋中離子濃度大，離子只出不進(jìn)。鋅片（還原劑）在與Cu2+（氧化劑）沒有直接接觸的情況下也能構(gòu)成原電池，但是需要合適的“橋梁”溝通兩種電解質(zhì)溶液。一種凝膠態(tài)的離子導(dǎo)體思考7：鹽橋有什么作用？思考6：鹽橋中K+和Cl-的移動方向？思考4：鹽橋中有電子流過嗎？不能，兩溶液中SO42-濃度不變1.形成閉合回路；2.平衡電荷，使溶液呈電中性；3.持續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)生電流，提高能量轉(zhuǎn)換率。Zn片Cu片ZnSO4CuSO4Zn2＋Cu2＋Cl－K＋沒有（電子不下水）思考5：兩溶液中的離子能通過鹽橋嗎？K+向正極移動，Cl-向負(fù)極移動；K＋Cl－只出不進(jìn)【打破思維定勢】氧化劑和還原劑不直接接觸也能發(fā)生反應(yīng)。正向正負(fù)向負(fù)原電池雙液電池單液電池電極反應(yīng)電極材料離子導(dǎo)體電子導(dǎo)體負(fù)極：Zn-2e-Zn2+

正極：Cu2++2e-Cu正極：銅片;負(fù)極：鋅片正極：銅片;負(fù)極：鋅片ZnSO4溶液、鹽橋、CuSO4溶液CuSO4溶液導(dǎo)線導(dǎo)線負(fù)極：Zn-2e-Zn2+

正極：Cu2++2e-Cu鋅銅原電池總反應(yīng)：Cu2++Zn

Cu+Zn2+

SO42－Zn2+e－e－SO42－Cu2+K+CuZnK+Cl－K+Cl－K+Cl－K+Cl－K+Cl－Cl－K+K+Cl－K+K+K+Cl－Cl－K+Cl－Cl－Cl－有鹽橋的原電池工作示意圖雙液原電池解決了電池自放電的損耗問題，提高了能量轉(zhuǎn)化率,增加了原電池的使用壽命。由于鹽橋（如KCl）的存在，其中陰離子Cl-向ZnSO4溶液擴(kuò)散和遷移，陽離子K+則向CuSO4溶液擴(kuò)散和遷移，分別中和過剩的電荷，保持溶液的電中性，因而放電作用不間斷地進(jìn)行，一直到鋅片全部溶解或CuSO4溶液中的Cu2+幾乎完全變成Cu。若電解質(zhì)溶液與KCl溶液反應(yīng)產(chǎn)生沉淀(例：Zn∣Zn(NO3)2溶液∣鹽橋∣Ag∣AgNO3溶液)，可用NH4NO3代替KCl作鹽橋。

在整個裝置的電流回路中，溶液中的電流通路是靠離子遷移完成的。取出鹽橋，Zn失去電子形成的Zn2+進(jìn)入ZnSO4溶液，ZnSO4溶液因Zn2+增多而帶正電荷。同時，CuSO4則由于Cu2+變?yōu)镃u，使得SO42-相對較多而帶負(fù)電荷。溶液不保持電中性，這兩種因素均會阻止電子從鋅片流向銅片，造成電流中斷。電流大小：電流穩(wěn)定性：轉(zhuǎn)化效率：較小穩(wěn)定高電流大?。弘娏鞣€(wěn)定性：轉(zhuǎn)化效率：較大衰減快低1、陽離子交換膜：只允許陽離子通過3、質(zhì)子交換膜：只允許H+通過2、陰離子交換膜：只允許陰離子通過改進(jìn)?增大電流呢？縮短鹽橋的長度，增大鹽橋的橫截面積能否用一張薄薄的隔膜代替鹽橋呢？雙液原電池電流弱的原因？1.離子運(yùn)動的距離長2.離子運(yùn)動的通道窄3.離子容量小Cu離子交換膜簡介離子交換膜是一種含離子基團(tuán)的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜。微電池【膜電池模型】微電池電流大小：電流穩(wěn)定性：轉(zhuǎn)化效率：起始強(qiáng)度大衰減太快很低電流大?。弘娏鞣€(wěn)定性：轉(zhuǎn)化效率：強(qiáng)度太小很穩(wěn)定很高電流大小：電流穩(wěn)定性：轉(zhuǎn)化效率：強(qiáng)度高平穩(wěn)很高(溫度基本不變)練習(xí).鋅銅原電池裝置如圖所示，其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過。下列有關(guān)敘述正確的是(

)A.銅電極上發(fā)生氧化反應(yīng)B.電池工作一段時間后，甲池的c減小C.電池工作一段時間后，乙池溶液的總質(zhì)量增加D.陰陽離子分別通過交換膜向負(fù)極和正極移動，保持溶液中電荷平衡C(1)比較金屬的活動性強(qiáng)弱：原電池中，負(fù)極一般是活動性

的金屬，正極一般是活動性較弱的金屬(或其它能導(dǎo)電的物質(zhì))。(2)加快化學(xué)反應(yīng)速率：氧化還原反應(yīng)形成原電池時，反應(yīng)速率加快。

例如，實驗室制H2時，由于鋅太純，反應(yīng)一般較慢，可加入少量CuSO4以加快反應(yīng)速率。(3)用于金屬的防護(hù)：將需要保護(hù)的金屬制品作原電池的

而受到保護(hù)。

鋼鐵中含有碳，C與Fe組成原電池，發(fā)生原電池反應(yīng)而使鋼鐵（做負(fù)極）遭到腐蝕(4)設(shè)計制作化學(xué)電源①首先將氧化還原反應(yīng)分成兩個半反應(yīng)。②根據(jù)原電池的工作原理，結(jié)合兩個半反應(yīng)，選擇正、負(fù)電極材料以及電解質(zhì)溶液。較強(qiáng)正極原電池原理的應(yīng)用正負(fù)極材料的選擇：根據(jù)氧化還原反應(yīng)關(guān)系找出正、負(fù)極材料，若反應(yīng)中有金屬單質(zhì)，一般選擇活潑性較強(qiáng)的金屬作為負(fù)極，活潑性較弱的金屬或可導(dǎo)電的非金屬及其氧化物（如石墨，PbO2等）作為正極；若反應(yīng)中沒有金屬單質(zhì)，一般用石墨作電極電解質(zhì)溶液的選擇：電解質(zhì)溶液一般要能夠與負(fù)極反應(yīng)，或者電解質(zhì)溶液中溶解的其他物質(zhì)能與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)（如溶解于溶液中的空氣①）;但如果氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩個容器中進(jìn)行（中間連接鹽橋），則兩個容器中的電解質(zhì)溶液選擇與電極材料相同的陽離子②。

注：若負(fù)極材料不參與電極反應(yīng)，參與反應(yīng)的是兩種電解質(zhì)③，則兩種電解質(zhì)溶液分別置于兩個容器中，一般用石墨做電極，中間用鹽橋連接。CCFeCl3溶液KI溶液CuSO4溶液Cu①②③③①②③練習(xí).根據(jù)下列氧化還原反應(yīng)設(shè)計一個原電池：2FeCl3＋Fe===3FeCl2要求：(1)畫出此原電池的裝置圖，裝置采用燒杯和鹽橋。(2)注明原電池的正、負(fù)極和外電路中電子的流向。說明：1.原電池的正極和負(fù)極與電極材料的性質(zhì)有關(guān)，也與電解質(zhì)溶液有關(guān)，例：Mg\Al\NaOH(aq);Al\Cu\濃HNO3(aq)，不要形成活潑電極一定作負(fù)極的思維定勢。

2.電極質(zhì)量存在正負(fù)極都增重的情況（例：鉛蓄電池），

不要形成增重電極一定作正極的思維定勢。原電池正、負(fù)極判斷方法總之：優(yōu)先失電子為負(fù)極原電池正負(fù)極判斷方法1.寫出總反應(yīng)式并改成離子方程式，分析化合價升降，找出氧化劑、還原劑及還原產(chǎn)物、氧化產(chǎn)物，確定兩極上對應(yīng)的反應(yīng)物及產(chǎn)物，定得失及其數(shù)目。負(fù)極電極反應(yīng)式模板：（升）還原劑－ne-=

氧化產(chǎn)物正極電極反應(yīng)式模板：（降）氧化劑＋ne-=

還原產(chǎn)物2.根據(jù)電解質(zhì)環(huán)境，利用H+（酸性）、OH-（堿性），O2-、CO32-（熔融鹽）等使電極反應(yīng)式電荷守恒。3.配平電極反應(yīng)式，利用H2O或其他使電極反應(yīng)式原子守恒。三步：1.列物質(zhì)，定得失2.電荷守恒看介質(zhì)3.原子守恒注：電極反應(yīng)式中若有氣體生成，需加“↑”；若有固體生成，一般不標(biāo)“↓”電極方程式的書寫思路2Al

+

2NaOH

+

2H2O

=

2NaAlO2

+

3H2↑2Al

+

2OH－+

2H2O

=

2AlO2－

+

3H2↑2Al+8OH_

－6e_

=2AlO2_

+4H2O6H2O+6e_

=6OH_+

3H2↑優(yōu)先失電子為負(fù)極練習(xí)1Mg+

H2SO4

=

MgSO4

+

H2↑Mg+2H+

=

Mg2+

+

H2↑Mg－2e_

=Mg2+

2H+

+2e_

=H2↑總反應(yīng)：離方：負(fù)極：正極：總反應(yīng)：離方：負(fù)極：正極：Al+4HNO3(稀)=Al(NO3)3+NO↑+2H2OAl∣稀HNO3∣CuAl∣濃HNO3∣CuCu+4H++

2NO3－=Cu2+

+2NO2↑+2H2OCu+4H