化學人教版（2023）選擇性必修第一冊 4.1.1原電池的工作原理 課件(共32張PPT)

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第四章化學反應與電能

第一節(jié)原電池

第1課時原電池的工作原理

汽車等機動車往往需要配備電池，人造衛(wèi)星、宇宙飛船等必須攜帶電池，人們在日常生活中也經常要使用電池……這些足以說明電池的重要作用。

現(xiàn)在，為滿足人們生產和生活水平不斷提高的需要，性能優(yōu)異的新型電池相繼出現(xiàn)，如鋅銀電池、鋰電池、燃料電池等。那么，電池究竟是一種什么樣的裝置？他們在工作時，裝置中發(fā)生了什么變化？

1．原電池：利用氧化還原反應原理將化學能轉化為電能的裝置，其反應本質是氧化還原反應。

一、原電池的工作原理

注：原電池中的化學能并非全部轉化為電能，有一部分轉化成熱能等其他形式的能量

氧化反應

還原反應

④有閉合回路

(–)

(＋)

Zn-2e-=Zn2+

Cu2++2e-=Cu

硫酸溶液

Zn

Cu

e-

SO42-

H+

A

Zn+2H+=Zn2++H2

①能自發(fā)的進行

氧化還原反應

③電解質溶液

②一般有還原性差異的材料作兩個電極

Cu

2．原電池的構成條件

(1)具有兩個活潑性不同的電極。

(2)合適的電解質溶液。

(3)形成閉合回路(兩電極用導線相連或互相接觸并插入電解質溶液中)。

(4)能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應。

兩極一液一回路先自發(fā)

負極：較活潑的金屬

正極：較不活潑的金屬、石墨等

上圖是我們在必修2中學習過的將鋅片和銅片置于稀硫酸的原電池，如果用它做電源，不但效率低，而且時間稍長電流就很快減弱，因此不適合實際應用。這是什么原因造成的呢？有沒有什么改進措施？

隨著時間的延續(xù),銅極上很快就聚集了許多氫氣泡，把銅極跟稀硫酸逐漸隔開，這樣就增加了電池的內阻，使電流不能暢通。這種作用稱為極化作用。

ZnSO4溶液

H2SO4溶液

Zn

Cu

A

鹽橋中一般裝有飽和的KCl溶液和瓊脂制成的膠凍;

膠凍的作用是防止管中溶液流出;

K+和Cl-能在膠凍內自由移動。

鹽橋

為了解決以上問題設計了如下圖所示的裝置

帶鹽橋的原電池

把鋅電極與H2SO4溶液分開

注:這種用鹽橋連接的原電池也叫雙液原電池

現(xiàn)象：鋅片逐漸溶解，銅片上有氣泡產生，電流表指針發(fā)生偏轉。

此電池的優(yōu)點：能產生持續(xù)、穩(wěn)定的電流。

鹽橋

鹽橋制法：1)將熱的瓊膠溶液倒入U形管中(注意不要產生裂隙)，將冷卻后的U形管浸泡在KCl或NH4NO3的飽和溶液中即可。2)將KCl或NH4NO3的飽和溶液裝入U形管，用棉花都住管口即可。

瓊膠也稱瓊脂，是一種從海洋植物提取出來的膠體。

鹽橋的作用：a.連接內電路，形成閉合回路；b.平衡兩側的電荷，K+→正極，Cl-→負極,使原電池不斷產生電流。

優(yōu)點：隔離氧化劑和還原劑，不同區(qū)域實現(xiàn)電子定向移動，產生持續(xù)、穩(wěn)定的電流

加入鹽橋后由兩個半電池組成的原電池工作原理：

半電池中：還原性強的材料作負極，失電子被氧化

外電路中：電子由負極經導線流向正極

另半電池：電解質溶液中氧化性強的離子在正極得電子被還原

內電路中：溶液中電解質電離出的陰陽離子定向移動與兩極之間通過鹽橋構成閉合回路。

注：電子只能在兩極和外電路中流動，不可能進入溶液中。即“電子不下水，離子不上岸”

鋅半電池

銅半電池

電極反應：

負極：

正極：

總反應：

Cu2++2e-=Cu

Zn－2e-=Zn2+

Zn+Cu2+=Zn2++Cu

ZnSO4溶液

Cu

Zn

CuSO4溶液

鹽橋

雙液原電池（帶鹽橋）

裝置特點：

由兩個半電池組成，鋅和鋅鹽組成鋅半電池，銅和銅鹽組成銅半電池；每個半電池中的電極與電解質溶液互不反應，中間通過鹽橋連接形成閉合回路。

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－

有鹽橋的原電池工作示意圖

由于鹽橋（如KCl）的存在，其中陰離子Cl-向ZnSO4溶液擴散和遷移，陽離子K+則向CuSO4溶液擴散和遷移，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行，一直到鋅片全部溶解或CuSO4溶液中的Cu2+幾乎完全沉淀下來。若電解質溶液與KCl溶液反應產生沉淀，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。

改進后的原電池裝置有哪些優(yōu)點？

2、提高了能量轉化率（化學能→電能）；

3、有效避免了電極材料與電解質溶液的直接反應，能夠防止裝置中化學能的自動釋放（自放電）,增加了原電池的使用壽命。

1、離子在鹽橋中作定向移動，減少了離子的混亂，使離子移動更加有序，能夠產生持續(xù)穩(wěn)定的電流；

【啟示】氧化劑和還原劑不直接接觸也能發(fā)生反應。

答：(1)鋅銅原電池工作時，電子由鋅片沿導線移向銅片，陰離子(Cl-、SO42-)在電解質溶液中移向鋅片，陽離子(K+、Cu2+)移向銅片。

(2)負極：Zn-2e-=Zn2+

正極：Cu2++2e-=Cu

總反應：Zn+Cu2+=Cu+Zn2+

電極：Zn—負極，Cu—正極

工作原理：負極→失電子→發(fā)生氧化反應→電子通過導線流向正極→正極→得電子→發(fā)生還原反應

電極反應：

總反應：Zn+Cu2+=Zn2++Cu

溶液中：陰離子→負極，陽離子→正極

外電路—電子導電，內電路—離子導電

4.原電池的工作原理(以Zn-Cu原電池為例)

電極Zn電極Cu電極

電極名稱負極正極

得失電子失電子得電子

電子流向流出流入

反應類型氧化反應還原反應

電極反應式Zn-2e-=Zn2+Cu2++2e-=Cu

總反應式Zn+Cu2+=Zn2++Cu

判斷依據(jù)正極負極

電極材料

電子流向

電極反應

電極現(xiàn)象

離子移向陽離子移向陰離子移向

電極減輕

不活潑金屬或非金屬導體

活潑金屬

電子流入

電子流出

還原反應

氧化反應

電極增重或產生氣體

原電池電極(正極、負極)的判斷依據(jù)

小結：

原電池原理是將氧化反應和還原反應分開進行，還原劑在負極上失去電子發(fā)生氧化反應，電子通過導線流向正極，氧化劑在正極上得到電子發(fā)生還原反應。

正極得電子數(shù)目=負極失電子數(shù)目

5．能否構成原電池的判斷——四看

①看電極——兩極為導體且存在活潑性差異（燃料電池的電極一般為惰性電極）

②看溶液——兩極插入電解質溶液中（或接觸）

③看回路——形成閉合回路或兩極直接接觸

④看本質——有無自發(fā)的氧化還原反應發(fā)生

6．原電池的電極法反應式的書寫

1、分析電極反應：

負極氧化產物正極還原產物

氧化反應，失電子

還原反應，得電子

2、注意電解質溶液環(huán)境：電極產物在電解質溶液中應穩(wěn)定存在

①酸性介質中，若生成OH-,結合H+→H2O

②堿性介質中，若生成H+，結合OH-→H2O

③堿性介質中，若生成CO2，結合OH-→CO32-

④堿性介質中，若生成金屬陽離子，則可能會結合OH-→沉淀M(OH)n

3、遵守三大守恒：質量守恒、電荷守恒、轉移電子守恒

4、兩極反應式疊加得總反應式，總反應式減去其中一個電極反應式，可得另一個電極的反應式

5、規(guī)律：①一般來說，金屬作負極的原電池

負極：

酸性或中性介質中：M—ne-=Mnn+

堿性介質中:M—ne-+nOH-=M(OH)n

正極：酸性介質中：2H++2e-=H2↑

陽離子與金屬反應的介質中：NX++xe-=N

陽離子不與金屬反應的介質中：O2+4e-+2H2O=4OH-

②特殊：鋁鎂氫氧化鈉電解質，鋁銅濃硝酸電解質

注：電極反應式中若有氣體生成，需加“↑”；若有固體生成，一般不標“↓”

1．鹽橋在原電池裝置中的作用是什么若撤去鹽橋，電流表的指針如何變化？

答案:①連接兩個“半電池”,形成閉合回路;②鹽橋中,陽離子移向正極區(qū)電解質溶液中,陰離子移向負極區(qū)電解質溶液中,使氧化還原反應持續(xù)進行,不斷產生電流。若撤去鹽橋、電流表的指針會不發(fā)生偏轉。

答案:原電池的電解質溶液中,陰離子向負極移動,陽離子向正極移動。可簡記為:正正負負[解釋:正(指陽離子)→正(指正極)、負(指陰離子)→負(指負極)]。

【思考與討論】

2．原電池工作時,陰、陽離子在電解質溶液中的運動方向是怎樣的

1．判斷下列裝置能構成原電池的是（）

1．判斷下列那些裝置可以構成原電池

H2SO4

ZnZn

（1）

石墨

石墨

H2SO4

（2）

H2SO4

Zn石墨

（3）

ZnCu

H2SO4

（4）

CuSO4

ZnCu

（5）

C2H5OH

ZnCu

（6）

ZnCu

ZnSO4CuSO4

（7）

2．某原電池裝置如圖所示。下列有關敘述中正確的是()

(鹽橋中裝有含瓊膠的KCl飽和溶液)

A．Fe作正極，發(fā)生氧化反應

B．工作一段時間后，兩燒杯中溶液pH均不變

C．負極反應：2H＋＋2e－===H2↑

D．工作一段時間后，NaCl溶液中c(Cl－)增大

解析:該裝置是原電池。A項，在該原電池中Fe作負極，發(fā)生氧化反應；B項，工作一段時間后，左邊的燒杯中會含有大量的Fe2＋，溶液的pH減小，右邊燒杯中的H＋不斷放電產生氫氣，因此燒杯中溶液pH會逐漸增大；C項，負極反應是Fe－2e－===Fe2＋；D項，工作一段時間后，左側燒杯中由于Fe2＋不斷進入溶液，根據(jù)溶液呈電中性原則，鹽橋中的Cl－會進入該燒杯溶液中，則該燒杯溶液中c(Cl－)增大。

D

3．下列裝置中，哪些能構成原電池？其他不能構成原電池的原因是什么？

解析:裝置D能構成原電池；裝置A不能構成原電池，原因是酒精為非電解質；裝置B不能構成原電池，原因是沒有形成閉合回路；裝置C不能構成原電池，原因是兩個金屬電極的活潑性相同。

D

4．下列燒杯中盛放的都是稀硫酸，在銅電極上能產生氣泡的是()

ABCD

解析:B、C選項均無化學反應；D選項Zn與稀硫酸反應，但裝置不能形成閉合回路，只有A符合要求。

A

5．下列有關電化學知識的描述正確的是()

A．行人踩踏發(fā)電瓷磚(原理是利用行人踩踏地板產生的振動來發(fā)電)是將化學能轉化為電能

B．某原電池反應為Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag，裝置中的鹽橋可以裝有含瓊膠的KCl飽和溶液

C．因