《原电池》课件(人教版选修4).ppt

1、第四章 电化学基础 第一节 原电池,化学，让生活更美好！,曾经有一位格林太太镶了一颗金牙，但有一次因意外事故，她的金牙旁边的一颗牙齿破碎，牙医为她补了一颗不锈钢牙，可是自那次事故以后，格林太太就留下了“后遗症”：经常头疼、夜间失眠、心情烦躁，拜访了很多当时的名医，使用了当时最先进的仪器，都无功而返，后来，一次偶然机会，她遇见了一位年轻的化学家，化学家很快就解除了她的烦恼，你想知道格林太太到底得了什么“怪病”，年轻的化学家用什么方法解除了格林太太的烦恼吗,创设情境,创设情境,黄金制成,不锈钢制成,电流是如何产生的？,格林太太的烦恼,模拟实验,创设情境,稀硫酸,假牙,铜片和锌片,唾液,口腔,烧杯,

2、实验模拟口腔环境,一、实验探究形成原电池的条件,（可以）,（可以）,（可以）,（不可以）,形成条件一： 活泼性不同的两个电极,负极：较活泼的金属 正极：较不活泼的金属、石墨等,复习回顾,1、原电池是_的装置。 原电池反应的本质是_反应。,将化学能转化为电能,氧化还原,2、如右图所示，组成的原电池： （1）当电解质溶液为稀H2SO4时： Zn电极是_（填“正”或“负”）极， 其电极反应为_，该反应 是_（填“氧化”或“还原”，下同）反应； Cu电极是_极，其电极反应为 _,该反应是_反应。,（2）当电解质溶液为CuSO4溶液时： Zn电极 是_极，其电极反应为_， 该反应是_反应；Cu电极是_极

3、， 其电极反应为_,该反应_反应.,负,Zn2e- = Zn2+,氧化,正,2H+ +2e- =H2,还原,负,Zn2e- =Zn2+,氧化,正,Cu2+ +2e- = Cu,还原,（可以）,（不可以）,形成条件二：电极需插进电解质溶液中；,实验探究形成原电池的条件,实验探究形成原电池的条件,形成条件三：必须形成闭合回路,（不可以）,可以,1.组成原电池的条件,（1）有两种活动性不同的金属（或一种是非金属单质或金属氧化物）作电极。, （2）电极材料均插入电解质溶液中。, （3）两极相连形成闭合电路。, （4）内部条件：能自发进行氧化还原反应。,A,B,C,D,E,F,M,N,1.下列哪几个装置

4、能形成原电池？,V,X,V,V,X,X,X,V,2.一个电池反应的离子方程式是 Zn+Cu2+=Zn2+ +Cu,该反应的的原电池正确组合是（ ）,C,氧化反应,Zn-2e=Zn2+,铜锌原电池,电解质溶液,失e，沿导线传递，有电流产生,还原反应,Cu2+2e- =Cu,阴离子,阳离子,总反应：,负极,正极,Cu2+2e- =Cu,Zn-2e- =Zn2+,Zn+Cu2+=Zn2+Cu,Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu,(离子方程式）,（化学方程式）,电极反应,正极：,负极：,（氧化反应）,（还原反应）,阳离子,2.原 电 池 原 理,外电路,内电路,3.与原 电 池 相关的概念,1.电路：

5、,外电路,内电路,电子流向：失电子的一极向得电子的一极,电流方向：与电子流动方向相反,阴离子流动方向与电子流动方向一致,阳离子流动方向与电流方向一致,2.电极：,正极：电子流入的一极,负极：电子流出的一极,Cu2+2e- =Cu,Zn-2e- =Zn2+,Zn+Cu2+=Zn2+Cu,Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu,正极：,负极：,（氧化反应）,（还原反应）,(离子方程式）,（化学方程式）,3.电极反应式：,4.总反应式：,Cu,Zn2+,负极,正极,Zn2e=Zn2+,2H+2e=H2,Zn(s) + 2H+(aq) = Zn2+(aq) + H2(g) H 0,【实验探究】请你设计合理

6、的原电池装置,H2SO4溶液,Zn,提出问题： 上图是我们在必修2中学习过的将锌片和铜片置于稀硫酸 的原电池，如果用它做电源，不但效率低，而且时间稍长 电流就很快减弱，因此不适合实际应用。这是什么原因造 成的呢？有没有什么改进措施？,造成的主要原因：由于在铜极上很快就聚集了许多氢气泡，把铜极跟稀硫酸逐渐隔开，这样就增加了电池的内阻，使电流不能畅通。这种作用称为极化作用。,二、对锌铜原电 池工作原理的进一步探究,问题 1,1.锌片上的红色物质是什么？为什么锌片上有红色物质生成？,因为锌与CuSO4溶液直接接触，发生置换反应，所以锌片表面有铜析出。,问题 2,2.为什么电流表读数不断减小？,因为铜

7、在锌表面析出后，与CuSO4溶液一起形成了原电池，产生的电流并没有经过电流表，所以电流表的读数不断减小。当锌片表面完全被铜覆盖后，相当于两个电极都是铜，已不能发生原电池反应，所以最后没有电流产生。,讨 论： 如何才能获得稳定的电流？,原电池的工作原理,思考：,下列装置能否实现化学能向电能的转化？如果不行，将如何改进使其形成原电池？,ZnSO4溶液,CuSO4溶液,原电池的工作原理,思考：,ZnSO4溶液,CuSO4溶液,改进的装置：,为了避免发生上述现象，设计如下图（书P71图4-1）所示的原电池装置，你能解释它的工作原理吗？,此电池的优点： 能产生持续、稳定的电流。,盐桥制法：1)将热的琼胶

8、溶液倒入U形管中(注意不要产生裂隙)，将冷却后的U形管浸泡在KCl或NH4NO3的饱和溶液中即可。2)将KCl或NH4NO3的饱和溶液装入U形管，用棉花都住管口即可。,盐桥的作用： （1）使整个装置构成通路，代替两溶液直接接触。,由于盐桥（如KCl）的存在，其中阴离子Cl-向ZnSO4溶液扩散和迁移，阳离子K+则向CuSO4溶液扩散和迁移，分别中和过剩的电荷，保持溶液的电中性，因而放电作用不间断地进行，一直到锌片全部溶解或 CuSO4溶液中的 Cu2+几乎完全沉淀下来。若电解质溶液与KCl溶液反应产生沉淀，可用NH4NO3代替KCl作盐桥。,（2）平衡电荷。 在整个装置的电流回路中，溶液中的电

9、流通路是靠离子迁移完成的。取出盐桥，Zn失去电子形成的Zn2+进入ZnSO4溶液，ZnSO4溶液因Zn2+增多而带正电荷。同时，CuSO4则由于Cu2+变为Cu，使得SO42-相对较多而带负电荷。溶液不保持电中性，这两种因素均会阻止电子从锌片流向铜片，造成电流中断。,Cu,Zn2+,Cu2+,SO4 2-,SO4 2-,Zn,K+,Cl-,Zn2+,Zn-2e-=Zn2+,Cu2+2e-=Cu,负极,正极,Cu2+,原电池中回路的形成,外电路电子流方向：,电流方向：,电池内部：,离子迁移的动力：,离子发生定向移动,存在电势差,请同学们思考：,上述原电池装置是将什么反应的化学能转换成电能的？指出

10、电池的正负极，并分别写出其中负极和正极的电极反应式以及该电池的总反应方程式。,ZnSO4溶液 CuSO4溶液,负极（锌片）： Zn2e- =Zn2+ （氧化反应）,正极（铜片）： Cu2+ +2e-=Cu （还原反应）,电池反应（总化学方程式）：Zn + Cu2+ = Zn 2+ + Cu,1、对锌铜原电 池工作原理的进一步探究,?,Zn2+,e e,SO42,SO42,H+,K+,H2,Zn,K+,Cl,K+,Cl,K+,Cl,K+,Cl,K+,Cl,Cl,K+,K+,Cl,K+,K+,K+,Cl,Cl,K+,Cl,Cl,Cl,ZnSO4溶液,H2SO4溶液,外电路,盐桥的作用：(1)传递离

11、子，使整个装置构成通路。 (2)平衡电荷，保持溶液成电中性。,内电路,2、由两个半电池组成原电池的工作原理,（1）把氧化反应和还原反应分开在不同区域进行，再以适当方式连接，可以获得电流。,在这类电池中，用还原性较强的物质作为负极，负极向外电路提供电子；用氧化性较强的物质作为正极，正极从外电路得到电子。 在原电池的内部，两极浸在电解质溶液中，并通过阴阳离子的定向运动而形成内电路。,练习：锌铜原电池产生电流时，阳离子（ ） A 移向Zn 极，阴离子移向Cu 极 B 移向Cu 极，阴离子移向Zn 极 C 和阴离子都移向Zn极 D 和阴离子都移向Cu 极,B,三、原电池的正负极的判断方法,微观判断 （

12、根据电子流动方向）,电子流出的极 电子流入的极,负极 正极,较活泼的电极材料 较不活泼的电极材料,质量减少的电极 工作后 质量增加的电极,负极 正极,负极 正极,工作后，有气泡冒出的电极为正极,发生氧化反应的极 发生还原反应的极,宏观判断： 根据电极材料 根据原电池电极发生 的反应 根据电极增重还是减重 根据电极有气泡冒出：,负极 正极,1.某金属能跟稀盐酸作用发出氢气，该金属与锌组成原电池时，锌为负极，此金属是( ) A.Mg B.Fe C.Al D.Cu,B,2.由铜锌和稀硫酸组成的原电池工作时，电解质溶液的 pH( ) A.不变 B先变大后变小 C逐渐变大 D.逐渐变小,C,3.把a、b

13、、c、d四块金属片浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，电流由d到c；a、c相连时，c极上产生大量气泡，b、d相连时，b上有大量气泡产生，则四种金属的活动性顺序由强到弱的为 ( ) Aa b c d Ba c d b Cc a b . d Db d c a,B,4、如图所示，在铁圈和银圈的焊接处，用一根棉线 将其悬在盛水的烧杯中，使之平衡；小心的向烧杯 中央滴入CuSO4溶液，片刻后可观察到的现象是,( D ),A. 铁圈和银圈左右摇摆不定 B. 保持平衡状态 C. 铁圈向下倾斜，银圈向上倾斜 D. 银圈向下倾斜，铁圈向上倾斜,?,四、原电池电极方程式

14、的书写,1、先确定原电池的正负极，列出正负极上的反应物质，并标出相同数目电子的得失。 2、注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。若不共存，则该电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式。,3、正负极反应式相加得到电池反应的总反应式。若已知电池反应的总反应式，可先写出较易书写的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的电极反应式，即得到较难写出的电极反应式。,一原电池电极方程式的书写原则 负极：失电子，发生氧化反应（一般是负极本身失电子） 正极：得电子，发生还原反应（一般是溶液中阳离子在正极上得电子，但也可能是O2在正极上得电子（吸氧腐蚀），或正极本身得电子） 总反应

15、式（电池反应）= 正极反应式 + 负极反应式 对于可逆电池，一定要看清楚“充电、放电”的方向。放电的过程应用原电池原理，充电的过程应用电解池原理。,二）具体分类判断 1.第一类原电池：两个活泼性不同的电极(金属与金属、金属与石墨碳棒、金属与难溶金属氧化物)；电解质溶液，至少要能与一个电极发生有电子转移的氧化还原反应，一般是置换反应；两电极插入电解质溶液中且用导线连接。 方法：先找出两极相对活泼性，相对活泼的金属作负极，负极失去电子发生氧化反应，形成阳离子进入溶液；较不活泼的金属作正极，溶液中原有的阳离子按氧化性强弱顺序在正极上得到电子还原反应，析出金属或氢气，正极材料不参与反应。如：MgAlH

16、Cl溶液构成的原电池中，负极为Mg。 但MgAlNaOH溶液构成的原电池中，负极为Al（Mg与NaOH溶液不反应，Al是两性金属，可以与NaOH溶液反应）。再分析进入溶液的微粒能否在电解质环境中存在 （得失电子不能同时在同极上发生），不能存在时应考虑其与电解质之间的后续反应。,如：Mg、Al在碱性环境中构成的原电池 解析：在碱性环境中Al 比 Mg活泼，其反实质为Al与碱溶液的反应：2Al+2OH-+6H2O=2AlO2-+3H2+4H2O 负极：2Al - 6e- + 8OH- = 2AlO2- + 4H2O 正极：6H2O + 6e- =3 H2 + 6OH- 注意：Al-3e-=Al3+

17、，此时Al3+在碱性环境不能稳定存在，会与OH-（过量）结合转化为AlO2-,2.第二类原电池： 两个活动性不同的电极； 任何电解质溶液( 酸、碱、盐皆可)； 形成回路。 这类原电池的特点是电极与电解质溶液不发生置换反应，电解质溶液只起导电作用。正极一般是吸氧腐蚀的电极反应式：O22H2O4e- 4OH。微电池(即若干微小的原电池)为不正规的原电池。合金或不纯的金属在潮湿空气中就能形成微电池。电化学腐蚀即微电池腐蚀，依然是原电池原理。一般原电池和微电池的区别在于前者中两个电极不直接接触，故前者电流是在导线中流动，而后者电流是在金属体内部流过。微电池腐蚀分为析氢腐蚀(发生在酸性较强的溶液里，正极

18、上H+被还原)和吸氧腐蚀 (发生在中性、碱性或极弱酸性溶液里，正极上是氧气被还原：O22H2O4e- 4OH)。,3.燃料电池： 燃料电池的电极反应（主要是负极的电极方程式）是一个难点。我们知道，一般的燃料电池大多是可燃性物质（主要是可燃性气体）与氧气及电解质溶液共同组成的原电池，虽然可燃性物质与氧气在不同的电极反应，但其总反应方程式是可燃物在氧气中燃烧。由于涉及电解质溶液，所以燃烧产物可能还要与电解质溶液反应，再写出燃烧产物与电解质溶液反应的方程式，从而得到总反应方程式。,由于在反应中氧气由0价变为2价，所以肯定是O2得电子，即O2作氧化剂是正极，即可写出正极的电极反应式：O2+4e+2H2

19、O=4OH_ (该反应式为常见的绝大多数燃料电池的正极反应式)。若此时电解质溶液为酸性，则反应过程可以理解为：正极上首先发生： O2+4e-=2O2- 由于在酸性环境中大量存在H+ 故O2-会与H+结合成H20，故正极反应式应为：O2+4 e-4H+2H2O 若电解质为中性或碱性时，则正极反应式就只是。此时负极反应式就可由总电极方程式减去正极的电极方程式得到（注意要将方程式中的氧气抵消掉）。,（1）直接法书写电极反应式：（以氢氧燃料电池为例） 解析：H2、O2燃料电池中反应实质为：2H2+O2=2HO 电极上H2-2e-=2H+ O2+4e-=2O2+ 在不同环境中H+、O2-会与电解质发生不

20、同的反应，故电极反应也相应不同： 、酸性环境中：H+能稳定存在，O2-会与H+结合成H20， 负极：2H2-4e-=4H+ 正极：O2+4H+4e-=2H2O 、碱性环境中：H+不能稳定存在会与OH-结合成水，而O2-也不能稳定存在会与水结合形成OH-,负极：2H2-4e-+4OH-=4H20 正极：O2+2H2O+4e-=4OH- 、中性环境中：H+能稳定存在：02-会与H20结合成OH-： 负极：2H2-4e-=4H+ 正极：O2+2H20+4e-=4OH- 、在能传导O2-的固体电解质中：由于O2-能存在，而H+会与固体电解质中O2-结合形成水 负极：2H2-4e-+2O2-=2H2O

21、正极：O2+4e-=2O2-,（2）加减法书写电极方程式： 由甲醇和氧气以及强碱作电解质溶液的新型手机电池。 解析：CH3OH+O2CO2+H2O 但：CO2在碱性环境中不存在，会与OH-反应生成CO32- CO2+2OH_=CO32-+H2O 故将、式进行叠加即为总反应： 2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32+6H2O 由于正极反应式为：O2+2H2O+4e-=4OH_ 由于电解质溶液为碱性，所以正极的产物不再进一步反应，则负极的反应式为总反应方程式减去正极的反应式得到： 2CH3OH+3O24OH_ -3O2-6H2O -12e-=2CO32-+6H2O-12OH_ 负极）：CH3O

22、H8OH_ 6e-CO32-6H2O,判断右边原电池的正、负极，并写出电极反应式。,Cu C,FeCl3溶液,负极： Cu 失电子 Cu - 2e- = Cu2+ 正极： Fe3+得电子 2Fe3+ + 2e- = 2Fe2+,Cu+2FeCl3 =CuCl2 +2FeCl2,先写出总反应：即 负极与电解质溶液反应,拆成离子方程式：,Cu + 2Fe3 = Cu2 + 2Fe2,根据化合价升降判断正负极,1.简单原电池电极方程式的书写,请写出右边原电池的电极方程式。,总反应方程式：,负极：Al，失e- 2Al - 6e 2Al3+,2Al3+ + 8OH- =2AlO2- + 4H2O,负极总

23、反应： 2Al +8OH- 6e 2AlO2- + 4H2O,正极：总反应负极反应,6H2O 6e 6OH 3H2,拆成离子方程式：,2Al + 2OH + 2H2O = 2AlO2 + 3H2,根据化合价升降判断正负极,2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2,2.燃料电池电极方程式的写法 总反应： 实际上就是燃料的完全燃烧。 负极（通入燃料）： 为燃料失去电子的氧化反应， 正极（通入氧化剂）： 为氧化剂得到电子的还原反应。 以Pt为电极，电解质溶液为 KOH溶液的氢氧燃料电池为例,负极总反应: 2H2 - 4e- + 4OH- 4H2O,正极: 总反应负极反应,

24、总反应：2H2+ O22H2O,负极: H2 失e,4H+ + 4OH- 4H2O,2H2 - 4e- 4 H,O2 + 2H2O + 4e- 4OH-,3.复杂原电池电极方程式的书写 方法点拨：写电极方程式的时候，要根据“得电子显负电；失电子显正电”的原则， 利用“电荷守恒”，通过巧用H、OH和水写出电极方程式,Pb SO42 2e 2PbSO4,负极： PbO2 得电子,4H 2H2O,正极： PbO2SO42 2e PbSO4,银锌电池（电解质为KOH）的电池总反应为： Zn Ag2O ZnO 2Ag 写出其正、负极反应。,Zn 2e ZnO,2 OH H2O,Ag2O 2e 2Ag,H

25、2O 2OH,负极：,正极：,五、原电池的设计,活泼性不同 的两种金属。如锌铜原电池，锌作负极，铜作正极 金属和非金属。如锌锰干电池，锌作负极，石墨棒作正极 金属和化合物。如铅蓄电池，铅版作负极，PbO2作正极 惰性电极。如氢氧燃料电池中，两根电极均可用Pt,（电池的电极必须导电）,电解质溶液一般要能够与负极发生反应。但若是两个半反应分别在两个烧杯中进行，则左右两个烧杯中的电解质溶液应 与电极材料具有相同的阳离子。,请根据氧化还原反应 : Cu +2 Fe3+ = Cu2+ + 2Fe2+ 设计成原电池。你有哪些可行方案?,Cu Cu 2e- = Cu2+,比Cu不活泼的金属或石墨 2Fe3+

26、 + 2e- = 2Fe2+,Fe2(SO4 )3、FeCl3等,负极： 正极： 电解质溶液：,练一练,若是采用烧杯和盐桥装置图，采用的电解质溶液又是什么？试画出原电池的装置简图。,1.利用原电池原理设计新型化学电池；,2.改变化学反应速率，如实验室用粗锌与硫酸反应制取氢气；,3.进行金属活动性强弱比较；,4.电化学保护法，即将金属作为原电池的正极而受到保护。如在铁器表面镀锌。,六、原电池的主要应用：,5.解释某些化学现象,(1)比较金属活动性强弱。,例1：,下列叙述中，可以说明金属甲比乙活泼性强的是,C.将甲乙作电极组成原电池时甲是负极；,A.甲和乙用导线连接插入稀盐酸溶液中，乙溶解，甲 上有H2气放出；,B.在氧化还原反应中，甲比乙失去的电子多；,D.同价态的阳离子，甲比乙的氧化性强；,（C）,原电池原理应用题型：,(2)比较反应速率,例2 ：,下列制氢气的反应速率最快的是,粗锌和 1mol/L 盐酸；,B.,A.,纯锌和1mol/L 硫酸；,纯锌和18 mol/L 硫酸；,C.,粗锌和1mol/L 硫酸的反应中加入几滴CuSO4溶液。,D.,（ D ）,(3)比较金属腐蚀的快慢,例3：,下列各情况，在其中Fe片腐蚀由快到慢的顺序是,(5),(2),(1),(3),(4),例4：,下列装置中四块相同的Zn片