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课件1:4.1 原电池

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第4章     电化学基础

    第一节  原电池
  电化学:指研究化学能与电能之间相互转
        换的装置、过程和效率的科学。


按 过
电 程
化 及     1. 产生电流的化学反应及装置          (如:原电池
学 装     等)
反 置{2. 借助电流而发生反应及装置              (如:电解池)
应 分
1、原电池的定义:
  将化学能转化为电能的装置叫做原电池。
2、原电池反应的本质:氧化还原反应
3、构成原电池的条件:
①两个活动性不同的金属(或其中一种为
     非金属,即作导体用)作电极。
②电解质溶液
③形成闭合回路
④在这种电解质溶液中能自发地进行氧化还原
反应
        原电池工作原理
 负极   Zn-2e- = Zn2+ 氧化反应
         +  -
 正极   2H +2e =H2↑  还原反应
                   总反应式:
   -  灯泡    Cu      +   2+
Zn             Zn+2H = Zn +H2↑
负           正

                现象:
  Zn2+ H+
       +
      H        锌棒溶解,铜棒上有气泡

     稀硫酸
      原电池工作原理
负极         -         正极
         e  A
    Zn-            Cu

     Zn2+
            H+
            H+
              2-
            SO4
          阳离子     正极
    负极    阴离子
 4、原电池反应原理
            电子:负极→正极
            电流:正极→负极
①粒子流向       溶液中阴离子→负极
            溶液中阳离子→正极

       负极:氧化反应
②电极         活泼金属失电子变阳离子
       正极:还原反应
 反应
            溶液中离子得电子
总反应:负极金属与电解质溶液的离子反应
5、原电池的正负极的判断方法
微观判断                  电子流出的极          ——负极
(根据电子流动方向)
                      电子流入的极          ——正极
宏观判断:
                    较活泼的电极材料         ——负极
①根据电极材料
                    较不活泼的电极材料        ——正极
                      发生氧化反应的极         ——负极
②根据原电池电极发生
的反应                   发生还原反应的极         ——正极
                              质量增加的电极      ——正极
③根据电极质量的变化             工作后
                              质量减少的电极      ——负极

④根据电极有气泡冒出:工作后,有气泡冒出的电极为正极
                        Z n     Z n
思考与练习
      Zn   Cu  Fe    Cu           Fe    Cu
下列哪几个装置能形成原电池?

                                                C u

       H SO     H 2SO4    H 2SO  4 N aC l溶液
        2  4Zn   Cu       Cu
       A         B  Fe    C  Zn     D           Cu
       V         V        X         V


              酒精    N aC l溶液   H 2SO4    HH22SOSO 44
      E      F         M         N         O
     V       X        X          X        V
 对锌铜原电      池工作原理的进一步探究

               分析:
                  由于锌片与硫酸铜溶液直接接
               触,铜在锌片表面析出,锌表面也
               构成了原电池,进一步加速铜在锌
               表面析出,致使向外输出的电流强
               度减弱。当锌片表面完全被铜覆盖
               后,不再构成原电池,也就没有电
               流产生。

  CuSO4 溶液
思考:如何才能得到持续稳定的电流?
               实验探究

在原有实验基础上进行改进,设计成一个能产生持续稳定
电流的原电池。

        导线
锌铜原电池装置示意图
 装置特点:

   由两个半电池组成,锌
和锌盐组成锌半电池,铜和
铜盐组成铜半电池;每个半
电池中的电极与电解质溶液
互不反应,中间通过盐桥连接
形成闭合回路。

盐桥的作用:

(1)是离子通道,与外电路的电子通道相衔接;(2)是离
子库,为保持溶液电中性,氧化作用产生的Zn2+需要阴离子
来补充,Cu2+发生还原反应,需要阳离子来补充;而作为KCl
饱和溶液盐桥有足够的离子供给,所以是离子库。
盐桥制法:将热的琼胶溶液倒入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。
锌半电池      负极反应:Zn-2e-= Zn2+
铜半电池      正极反应:Cu2++2e-  = Cu
   电池总反应:Zn+Cu2+= Zn2++Cu
         铜锌双液原        电   池  原  理
                                     外电路
          失e-,沿导线传递,有电流产生

  氧化反应                             还原反应
             负极   铜锌原电池     正极
     -  2+                        Cu2++2e- =Cu
Zn-2e =Zn     阳离子   电解质
                     溶液
             阴离子     盐桥    阳离子        内电路
                     2e-
   电极反应总式:         Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu
  原电池反应本质:化学能             氧化还原反应     电能
 6、原电池的设计
 (1)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。
(2)电池的电极材料必须能导电

 ①活泼性不同      的两种金属。如锌铜原电池,锌作负极,铜作正极

 ②金属和非金属。如锌锰干电池,锌作负极,石墨棒作正极

 ③金属和化合物。如铅蓄电池,铅块作负极,PbO2作正极

 ④惰性电极。如氢氧燃料电池中,两根电极均可用Pt
  课堂练习(上述原理的应用)

1.根据上述原理,为获得较长时间的稳定电
流,如何将必修2中由“Zn-稀H2SO4-Cu”组
成的原电池(如左下图)进行简单改装?

                        A
    A
 Cu    Zn       Zn            Cu


    H SO         ZnSO
    2 4             4       H2SO4
 练习:
   利用Fe + Cu2+=Fe2+ +Cu设计一个原电
 池,画出示意图,写出电极反应。


Fe   Fe  CuCu  负极:Fe –  2e- =Fe2+

               正极:Cu2+  +2e- =Cu
     CuSO4

 FeSO4 CuSO4
 请根据氧化还原反应       :               练
 Cu +2 Fe3+ = Cu2+ + 2Fe2+       一
 设计成原电池。你有哪些可行方案?                练
 负极:   Cu     Cu – 2e- = Cu2+
 正极:   比Cu不活泼的金属或石墨
       2Fe3+ + 2e- = 2Fe2+
 电解质溶液:
           Fe2(SO4 )3、FeCl3等
若是采用烧杯和盐桥装置图,采用的电解质溶液又是
什么?
2.  依据氧化还原反应:
   2Ag+(aq) + Cu(s) == Cu2+(aq) + 2Ag(s)
   设计的原电池如图所示,请回答下列问题:

              (1)电极X的材是       Cu  ;
                电解质溶液Y是      AgNO3;

              (2)银电极为电池的        正  极,

              (3)外电路中的电子是从          X  电极
                 流向  Ag  电极。
3.控制适合的条件,将反应2Fe3++2I-
     2+
⇌ 2Fe +I2 设计成如右图所示的原电
池。下列判断不正确的是(         D )
 A. 反应开始时,乙中石墨电极上发
生氧化反应
 B. 反应开始时,甲中石墨电极上
Fe3+被还原
 C. 电流计读数为零时,反应达到化
学平衡状态
 D. 电流计读数为零后,在甲中溶入

FeCl2固体,乙中石墨电极为负极
7、原电池的表示方法:
        2+       2+ 
 (-) Zn|Zn (C1) ‖ Cu (C2)|Cu (+)
  “|”表示液-固相有一界面;“‖”表示盐桥。
  在有气体参加的电池中还要表明气体的压力,溶液
 要表明浓度。
   8、原电池原理应用
    (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 )
     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;
     C.将甲乙作电极组成原电池时甲是负极;
     D.同价态的阳离子,甲比乙的氧化性强;
 (2)比较反应速率快慢

例2 :下列制氢气的反应速率最快的是(              D )
A.纯锌和1mol/L 硫酸;
B.纯锌和18 mol/L 硫酸;
C.粗锌和   1mol/L 盐酸;

D.粗锌和1mol/L 硫酸的反应中加入几滴CuSO4溶液。
(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
          (2) (1) (3)


                (5) (2) (1) (3) (4)
例4:下列装置中四块相同的Zn片,放置一段时间后腐蚀速
     率由慢到快的顺序是         (4) (2) (1) (3)
 (4)判断溶液pH值变化

例5:   在Cu-Zn原电池中,200mLH2SO4 溶液的浓度为
      0.125mol/L , 若工作一段时间后,从装置中共收集到
      0.168L升气体,则流过导线的电子为————0.015         mol,溶
      液的pH值为_________3.4 ?(溶液体积变化忽略不计)
                                  =
 解:  根据电极反应:              解得:    x  0.015 (mol)
                                  =
   负极:    Zn-2e-=Zn2+            y  0.015 (mol)
                                     ×     ×  -
            +   - =       ∴  c(H+) =0.2 0.125 2 0.015
   正极:    2H +2e  H2↑            余         0.2
                                           ﹣ 4
          +                       =3.75× 10  (mol/L )
   得:  2H  —— 2e——H2↑
                          ∴    =       ×  -4
        2            2        22.4 pH -lg3.75 10
                               =4 -lg3.75 
        x     y   0.168        =4 -0.6 
                               =3.4  
(5)原电池原理的综合应用

例6:市场上出售的“热敷袋”的主要成分为铁屑、
  炭粉、木屑、少量氯化钠和水等。             “热敷袋”启
  用之前用塑料袋使其与空气隔绝,启用时,打开
  塑料袋轻轻揉搓就会放出热量。使用完后,会发
  现有大量铁锈存在。
1)“热敷袋”是利用        铁被氧化        放出热量。
2)炭粉的主要作用是       与铁屑、氯化钠溶液构成原电池,。
                 加速铁屑的氧化.
3)加入氯化钠的主要作用是         氯化钠溶于水,形成电解。
                      质溶液.
4)木屑的作用是     摩擦生热,产生启动反应的热量,。
             使用“热敷袋”时受热均匀.
                化学电池的组成

   组成         负极           正极        电解质
 电极材料             能导电的物质
                                     酸溶液
电极上发       还原性较强的       氧化性较强        碱溶液
生反应的       物质(多是金属      的物质          盐溶液
物质         电极本身)                      或
                                     熔融液
 电子流向        流出电子        流入电子

 反应类型        氧化反应        还原反应
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