《原電池的原理及應(yīng)用》

原電池原理及應(yīng)用

原電池以氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)，使氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩個(gè)電極上進(jìn)行，從而產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能轉(zhuǎn)化的裝置。將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置叫做原電池.

知識(shí)掃描1、概念:

從理論上說，任何一個(gè)自發(fā)的氧化還原反應(yīng)均可設(shè)計(jì)成原電池。2、原電池的形成條件（3）

形成閉合回路（兩電極用導(dǎo)線連接，或接觸,或用鹽橋連接。）（2）電解質(zhì)溶液

（1）兩導(dǎo)體作電極

知識(shí)掃描①活動(dòng)性不同的金屬（或一種金屬和一種非金屬導(dǎo)體）;②兩不活潑的導(dǎo)體－石墨或Pt等（燃料電池電極）;③金屬和金屬氧化物(鉛蓄電池，銀鋅電池）.Zn－2e－=Zn2+2H++2e－=H2↑還原反應(yīng)失去電子溶液中氧化性的微粒得到電子3、工作原理較活潑金屬不活潑金屬或石墨Zn2+H+H+

e-SO42-

溶液中，

從負(fù)極定向移動(dòng)到正極，

從正極定向移動(dòng)到負(fù)極，形成閉合回路?！稹稹稹稹餒2○SO42-CuZn負(fù)極正極陽離子陰離子知識(shí)掃描CuZn

氧化反應(yīng)CuZn○○○○○○CuZn○○○○○○○○○○CuZn○○○CuZn○○○鹽橋的作用：Cl-向鋅鹽方向移動(dòng)，K+向銅鹽方向移動(dòng)，使Zn鹽和Cu鹽溶液一直保持電中性，從而使電子不斷從Zn極流向Cu極。原電池導(dǎo)線傳遞電子，溝通外電路；而鹽橋則傳遞正負(fù)離子，溝通內(nèi)電路。

鹽橋保持溶液電中性，使兩個(gè)燒杯中的溶液連成一個(gè)通路。ZnSO4溶液CuSO4溶液原電池此原電池的優(yōu)點(diǎn)：能產(chǎn)生持續(xù)、穩(wěn)定的電流。原電池

此原電池是由兩個(gè)半電池組成的（鋅和鋅鹽溶液構(gòu)成鋅半電池，銅和銅鹽溶液構(gòu)成銅半電池）；半電池中的反應(yīng)就是半反應(yīng),即電極反應(yīng)。原電池4、正負(fù)極的判斷方法：（2）根據(jù)電流方向或電子流動(dòng)的方向判斷（3）根據(jù)發(fā)生的反應(yīng)判斷活潑性強(qiáng)的金屬作負(fù)極活潑性較弱的金屬或非金屬作正極電子流出的一極為負(fù)極,電子流進(jìn)的一極為正極電流是由正極流向負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)的一極為負(fù)極,發(fā)生還原反應(yīng)的一極為正極（4）根據(jù)反應(yīng)的現(xiàn)象判斷

質(zhì)量減輕的一極為負(fù)極,質(zhì)量增加或有氣泡冒出的一極為正極（5）根據(jù)離子的定向移動(dòng)方向判斷

陽離子移向正極，陰離子移向負(fù)極知識(shí)掃描（1）根據(jù)兩極材料判斷稀硫酸CFeACuZn硫酸銅溶液食鹽水FeCA負(fù)極：Zn-2e-=Zn2+正極：Cu2++2e-=Cu總：Zn+Cu2+＝Zn2++Cu負(fù)極：Fe-2e-=Fe2+正極：2H++2e-=H2↑總：Fe+2H+=Fe2++H2↑負(fù)極：2Fe-4e-=2Fe2+正極：2H2O

+O2+4e-

=4OH-總：2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)2↓

知識(shí)掃描5、電極反應(yīng)式的書寫

僅有一個(gè)電極材料參與反應(yīng)的原電池：負(fù)極：M-xe-=Mx+

正極：視電解質(zhì)溶液而定

(1)酸性強(qiáng)析氫

(2)酸性弱或中性吸氧

(3)不活潑金屬鹽析出不活潑金屬方法點(diǎn)撥5、電極反應(yīng)式的書寫負(fù)極：2Al+8OH－—6e-=2AlO2－

+4H2O正極：6H2O+6e-=3H2↑

+6OH－

總：2Al+2OH－

+2H2O=2AlO2－

+3H2↑

稀硫酸負(fù)極：Mg—2e-=Mg2+正極：2H++2e-

=H2↑總：Mg+2H+=Mg2++H2

↑判斷兩極時(shí)還要考慮電極與電解質(zhì)溶液反應(yīng)情況,更易與電解質(zhì)溶液反應(yīng)的一極作負(fù)極5、電極反應(yīng)式的書寫知識(shí)掃描負(fù)極：Al+4OH－—3e-=AlO2－

+2H2O正極：2H2O+2e-=H2+2OH－

總：2Al+2OH－

+2H2O=2AlO2－

+3H2

負(fù)極：Cu—2e-=Cu2+正極：2H++NO3－

+e-=NO2+H2O總：Cu+4H++2NO3－=2NO2+Cu2++2H2O燃料電池介質(zhì)電池反應(yīng)：2H2+Ｏ２=2H2O

酸性負(fù)極正極中性負(fù)極

正極堿性負(fù)極正極2H2-4e-=4H+

O2+2H2O+4e-=4OH-2H2-4e-=4H+

O2+4H+

+4e-=2H2O2H2+4OH--4e-=4H2OO2+2H2O+4e-=4OH-要充分考慮電極反應(yīng)后產(chǎn)物所處的介質(zhì)----電解質(zhì)環(huán)境，應(yīng)將電解質(zhì)溶液中參與電極反應(yīng)的粒子寫進(jìn)電極反應(yīng)式。知識(shí)掃描5、電極反應(yīng)式的書寫（燃料電池）例:

據(jù)報(bào)道，最近摩托羅拉公司研發(fā)了一種由甲醇和氧氣以及強(qiáng)堿做電解質(zhì)溶液的新型手機(jī)電池，電量可達(dá)現(xiàn)在使用的鎳氫電池或鋰電池的十倍，可連續(xù)使用一個(gè)月才充一次電.試寫出該電池放電時(shí)的電極反應(yīng)和總反應(yīng)式.5、電極反應(yīng)式的書寫（燃料電池）知識(shí)掃描

燃燒反應(yīng)式

2CH3OH＋3O2＝2CO2＋4H2O電池總反應(yīng)

2CH3OH＋3O2＋４OH－＝2CO32－＋6H2O負(fù)極:2CH3OH－12e－＋

16OH

－＝2CO32－＋12H2O正極:3O2＋6H2O＋12e－＝12OH－方法點(diǎn)撥5、電極反應(yīng)式的書寫

燃料電池1.先寫燃燒反應(yīng)式,再寫電池總反應(yīng)式2.然后寫正極反應(yīng)式3.最后用電池總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式,所得就是負(fù)極反應(yīng)式4.注意電極反應(yīng)產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液離子是否反應(yīng),正確利用“三守恒”(2006重慶理綜)鉛蓄電池是典型的可充型電池，正負(fù)極板是惰性材料，電池總反應(yīng)式：Pb+PbO2+4H++2SO42-2PbSO4＋2H2O請(qǐng)回答下列問題：放電時(shí)：正極的電極反應(yīng)式是

電解液中H2SO4的濃度將變

；當(dāng)外電路通過1mol電子時(shí)，理論上負(fù)極板的質(zhì)量增加

g。

放電充電PbO2+2e－+SO42-+4H+=PbSO4+2H2O；

（負(fù)極：Pb-2e－+SO42-=PbSO4

）變小48知識(shí)掃描5、電極反應(yīng)式的書寫（蓄電池）方法點(diǎn)撥5、電極反應(yīng)式的書寫可充電電池1.確定放電時(shí)為原電池2.放電時(shí),發(fā)生氧化反應(yīng)的物質(zhì)為負(fù)極,發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)為正極3.注意電極反應(yīng)產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液離子是否反應(yīng)4.利用“三守恒”1、化學(xué)電池化學(xué)電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。它主要包括一次電池、二次電池、燃料電池。一次電池（干電池）：活性物質(zhì)消耗到一定程度，就不能使用；二次電池（充電電池或蓄電池）：放電后可以再充電使活性物質(zhì)獲得再生；燃料電池：一種連續(xù)將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池?；瘜W(xué)電源2、化學(xué)電池的分類化學(xué)電池一次電池二次電池燃料電池堿性鋅錳電池鉛蓄電池氫氧燃料電池鋰離子電池銀鋅蓄電池普通鋅錳干電池鋅銀紐扣電池化學(xué)電源3、化學(xué)電源的組成正極：常選用金屬氧化物負(fù)極：常選用較活潑金屬與活性物質(zhì)一起構(gòu)成電極的添加劑一般有：導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、緩蝕劑等。電解液：高導(dǎo)電率，化學(xué)穩(wěn)定性好、不易揮發(fā)、易于長(zhǎng)期貯存隔膜：較高離子傳輸能力，較低電子導(dǎo)電能力，好的化學(xué)穩(wěn)定性和一定的機(jī)械強(qiáng)度?；瘜W(xué)電源4、衡量電池優(yōu)劣的指標(biāo)比能量：電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少，符號(hào)(W·h)/kg,(W·h)/L比功率：電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小，符號(hào)W/kg,W/L儲(chǔ)存時(shí)間：電池的儲(chǔ)存時(shí)間的長(zhǎng)短除特殊情況外，質(zhì)量輕、體積小而輸出電能多、功率大、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)的電池，更適合使用者的需要?；瘜W(xué)電源一、一次電池(又叫干電池)普通鋅錳電池堿性電池

鋅筒石墨棒MnO2和C普通鋅-錳干電池的結(jié)構(gòu)NH4Cl、ZnCl2

和H2O等1、普通干電池負(fù)極正極電池反應(yīng)：（Zn）：Zn–2e-=Zn2+（MnO2和C）：優(yōu)點(diǎn)：制作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：放電時(shí)間短，電壓下降快。2NH4++2MnO2+2e-=2NH3↑+Mn2O3+H2OZn+2NH4++2MnO2=Zn2++2NH3↑+Mn2O3+H2O一次電池2、堿性鋅-錳干電池電解質(zhì)：KOH負(fù)極：——ZnZn+2OH--2e-

=Zn(OH)2正極：——MnO22MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-

缺點(diǎn)：多數(shù)只能一次使用，不能充電；價(jià)格較貴優(yōu)點(diǎn)：比能量和儲(chǔ)存時(shí)間有所提高，適用于大電流和連續(xù)放電電池反應(yīng)：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2氫氧化氧錳一次電池3、鋅銀鈕扣電池正極：Ag2O+H2O+

2e-=2Ag+2OH-負(fù)極：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2鋅銀電池的負(fù)極是Zn，正極是Ag2O，電解質(zhì)是KOH?？偡磻?yīng):Zn+Ag2O+H2O＝2Ag+Zn(OH)2一次電池4、鋰電池鋰是密度最小的金屬，用鋰作為電池的負(fù)極，跟用相同質(zhì)量的其他金屬作負(fù)極相比較，使用壽命大大延長(zhǎng)。一次電池4、鋰電池（非水有機(jī)溶劑電解液）負(fù)極：2Li-2e-=2Li+，正極：I2+2e-=2I-，總反應(yīng)：2Li+I2=2LiI跟其它金屬作負(fù)極相比，使用壽命延長(zhǎng)，高能、質(zhì)輕、電壓高、工作效率高、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)。為什么？與作負(fù)極材料的金屬相比較，相同質(zhì)量時(shí)鋰提供電子數(shù)最多。一次電池二、二次電池1、鉛蓄電池鉛蓄電池是以平行排列的鉛、鉛銻合金或鉛鈣合金柵板為主架，柵格中交替地填充著負(fù)極和正極地鉛和二氧化鉛，電解質(zhì)為H2SO4溶液。H2SO4二次電池特點(diǎn)：又稱充電電池或蓄電池，放電后可以再充電，使活性物質(zhì)可以獲得再生。這類電池可反復(fù)多次使用。二次電池放電過程總反應(yīng)：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2OPb+SO42--2e-=PbSO4

正極：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O

氧化反應(yīng)

還原反應(yīng)負(fù)極：①放電過程鉛蓄電池充電的反應(yīng)則是上述反應(yīng)的逆過程二次電池②充電過程PbSO4+2e-=Pb+SO42-

還原反應(yīng)陰極：陽極：PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H++SO42-

氧化反應(yīng)接電源負(fù)極接電源正極充電過程總反應(yīng)：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4鉛蓄電池的充放電過程：Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O放電充電二次電池缺點(diǎn)：比能量低、笨重、廢棄電池污染環(huán)境優(yōu)點(diǎn)：可重復(fù)使用、電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價(jià)格低廉二次電池(白色沉淀)過程放電過程充電過程負(fù)極反應(yīng)正極反應(yīng)兩電極質(zhì)量硫酸溶液能量轉(zhuǎn)換Pb(鉛)→PbSO4(硫酸鉛)PbO2→PbSO4增加硫酸濃度變小,密度變小化學(xué)能→電能PbSO4→

PbO2PbSO4(硫酸鉛)→

Pb(鉛)減少硫酸濃度變大,密度變大電能→化學(xué)能(負(fù)極)(正極)(電解液)電池反應(yīng)Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O放電充電二次電池2.鎳氫電池圓柱可充鎳氫電池

方形可充鎳氫電池

鎳氫（MH-Ni)電池負(fù)極：1/2H2+OH--e-=H2O正極：NiOOH+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-電池反應(yīng)：1/2H2+NiOOHNi(OH)2

放電充電二次電池能量密度高；無鎘污染，是一種綠色電池；可大電流快速充放電；電池工作電壓為1.2V；在小型便攜電子器件、電動(dòng)工具、電動(dòng)車輛和混合動(dòng)力車上逐步得到應(yīng)用。Ni/MH電池優(yōu)點(diǎn)：二次電池3.鋰離子電池電池式：電池反應(yīng)：LiCoO2＋C6CoO2＋LiC6

二次電池鋰離子電池的優(yōu)越性能

相對(duì)于傳統(tǒng)的鎘鎳電池(Ni/Cd)和氫鎳電池(Ni/MH),鋰離子電池的電壓大約是它們的3倍;重量比能量密度提高了約3倍;對(duì)于同樣的功率消耗，鋰離子電池的使用期限約為鎳鎘電池的2.25~2.57倍.現(xiàn)在鋰離子電池已經(jīng)是電子信息產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的普通配置.1.工作電壓高2.比能量大3.循環(huán)壽命長(zhǎng)4.自放電率低5.無記憶效應(yīng)6.污染小二次電池電池名稱電壓主要優(yōu)缺點(diǎn)普通電池（鋅錳電池）1.5V優(yōu)點(diǎn)：使用方便，便宜。缺點(diǎn)：壽命、存放期短，約1.5年，不能充電。堿性鋅錳電池1.5V優(yōu)點(diǎn)：電容量大，使用壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn):不能充電，價(jià)格較高。鋅銀紐扣電池1.5V優(yōu)點(diǎn)：體積和質(zhì)量都小，壽命長(zhǎng)，約2年缺點(diǎn)：不能充電，價(jià)格高。鎳鎘電池1.3V優(yōu)點(diǎn)：體積小，質(zhì)量輕，壽命長(zhǎng)，可充放電約3000次。缺點(diǎn)：價(jià)格高。鉛蓄電池2V優(yōu)點(diǎn)：電壓穩(wěn)，電容量大，可充電便宜。缺點(diǎn)：笨重，防震性差，不防漏部分主流產(chǎn)品供電基本原理、性能和相對(duì)價(jià)格二次電池一次電池一次電池二次電池三、燃料電池燃料電池是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池。（氫氣、烴、肼、甲醇、氨、煤氣燃料電池……）1、氫氧燃料電池酸性電解質(zhì)：堿性電解質(zhì)負(fù)極:2H2-4e-+4OH-==4H2O正極:O2+2H2O+4e-==4OH-總反應(yīng):2H2+O2==2H2O負(fù)極：2H2-4e-==4H+正極：O2+4H++4e-==2H2O總反應(yīng)：2H2+O2==2H2O燃料電池燃料電池介質(zhì)電池反應(yīng)：2H2+Ｏ２=2H2O

酸性負(fù)極正極中性負(fù)極

正極堿性負(fù)極正極2H2-4e-=4H+

O2+2H2O+4e-=4OH-2H2-4e-=4H+

O2+4H+

+4e-=2H2O2H2+4OH--4e-=4H2OO2+2H2O+4e-=4OH-燃料電池書寫電極反應(yīng)式應(yīng)注意以下幾點(diǎn)2．負(fù)極失電子所得氧化產(chǎn)物和正極得電子所得還原產(chǎn)物，與溶液的酸堿性有關(guān)（如+4價(jià)的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在堿性溶液中以CO32-形式存在）；1．將兩極反應(yīng)的電子得失數(shù)配平后，相加得到總反應(yīng)，總反應(yīng)減去一極反應(yīng)即得到另一極反應(yīng)；3．溶液中不存在O2-：在酸性溶液中它與H+結(jié)合成H2O、在堿性或中性溶液中它與水結(jié)合成OH-；燃料電池2、鋁-空氣-海水電池

1991年，我國(guó)首創(chuàng)，用作海上標(biāo)志燈。以海水為電解液，靠空氣中的氧使鋁不斷氧化而產(chǎn)生電流。

負(fù)極：4A1-12e-

＝4A13+

正極：3O2+6H2O+12e-

＝12OH-

電池總反應(yīng)式：4A1+3O2+6H2O＝4A1(OH)3

這種海水電池比“干電池”的能量高20～50倍。燃料電池3、甲烷-氧燃料電池該電池用金屬鉑片插入KOH溶液中作電極，又在兩極上分別通甲烷和氧氣:

負(fù)極：CH4+10OH--8e-

＝CO32-+7H2O

正極：2O2