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课件2:4.1 原电池

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第4章    电化学基础

   第一节   原电池
电化学: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
 复习回顾
一、原电池的基础知识
   1.定义:
   把化学能转变为电能的装置


  理解:
   ①外形--无外加电源
   ②自发的氧化还原反应才
    可能被设计成原电池
原电池工作原理
 负极   Zn-2e- = Zn2+ 氧化反应
         +  -      还原反应
 正极   2H +2e =H2↑
       A           总反应式:
Zn -        Cu
                    +   2+
负           正  Zn+2H = Zn +H2↑

                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
        组成原电池的条件
 1.内部条件:能自发进行氧化还原反应
2.外部条件:
(1)有两种活泼性不同的金属(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。
  两极一液成回路,氧化还原是中心
 判断下列装置哪些属于原电池

 (1)        (2)       (3)           (4)
  Zn        Zn 石墨 石墨     Zn      石墨   Zn   Cu


               H SO
   H2SO4        2  4      H2SO4        H2SO4

(5)           (6)             (7)
    Zn       Cu Zn         Cu Zn            Cu


      CuSO4                   ZnSO  CuSO
                C2H5OH            4      4
         想一想

                                   A
理论上应看到只在铜片上有大              锌片        铜片
量气泡,实际上锌片上也有大量
气泡产生,这是什么原因导致的
呢?
最终又会造成什么后果?怎样
避免和克服呢?

                                稀H2SO4
一、对锌铜原电        池工作原理的进一步探究

?提出问题:
上图是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?

学生讨论:
造成的主要原因:锌片不纯,以及铜极上聚集了许多氢
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。

 为了避免发生这种现象…
  【交流   · 研讨一】如何改进原电池装置?

     让锌片与稀硫酸不直接接触

    A                      A

                    Zn           Cu
Zn      Cu
             改进

   稀硫酸
                    ZnSO 溶液 H SO 溶液
                      ?4     2  4
             【观察与思考】

                  A

          Zn              Cu


          ZnSO4溶液    H2SO4溶液

【结论1】改进后的原电池装置提高了能量转换率
              【交流   · 研讨二】

        A                       A

                         Zn           Cu
    Zn      Cu

                 改进
       稀硫酸
                         ZnSO4溶液 H2SO4溶液
【结论2】改进后的原电池装置化学能不会自动释放
       改进后的原电池装置还有什么优点?
 【启示】氧化剂和还原剂不直接接触也能发生反应
        实验探究二

请根据反应:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

设计一个原电池装置,标出电极
材料和电解质溶液,写出电极反应
方程式.
负        正    负极   Zn-2e-=Zn2+
              正极   Cu2++2e-=Cu

              电流表指针发生偏转,
              但随着时间的延续,电流表指
               针偏转的角度越来越小,最
               终可能没有电流通过。

 CuSO4 溶液
            即无法产生持续稳定的电流

         且两个电极上都有红色物质析出
探究实验二:改进方案

  按下图所示, 将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的
 CuSO4溶液分别通过导线与电流计连接,有什么现象?

                               A
   电流计指针不偏转,且              Zn                   Cu
   铜片和锌片上均无明显
   现象(即:无电子定向
   移动)

                          ZnSO4  CuSO4

       上述装置构成了原电池吗?为什么?
       (溶液不保持电中性)
  实验探究二:方案改进

设计如下图(书P71图4-1)所示的原电池装
置,结果如何呢?你能解释它的工作原理吗?
                     
          A             盐桥:
    Zn       盐桥                 Cu 在U型管中装满用
                     饱和KCl溶液和琼
                     脂作成的冻胶。

  ZnSO4溶液   CuSO4溶液
盐桥:
在U型管中装满用
饱和KCl溶液和琼
脂作成的冻胶。
 实验探索
实验三(书71页实验4-1)
实验现象:
  有盐桥存在时电流计指针发
生偏转,即有电流通过电路。
  取出盐桥,电流计指针即回
到零点,说明没有电流通过。
 分析:改进后的装置为什么能够持续、稳定的产生电流?
 盐桥在此的作用是什么?


 盐桥制法:1)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。2)将
 KCl或NH4NO3的饱和溶液装入U形管,用棉花都住管口即可。
 得出结论
盐桥的作用:
(1)使整个装置构成通路,代替两溶液直接接触。
(2)平衡电荷。
    在整个装置的电流回路中,溶液中的电流通路是靠离子迁移完
                                2+
成的。取出盐桥,Zn失去电子形成的Zn              进入ZnSO4溶液,ZnSO4
        2+                                2+
溶液因Zn    增多而带正电荷。同时,CuSO4则由于Cu              变为Cu ,
       2-
使得  SO4 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。
                                       -
    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
                               2+
到锌片全部溶解或       CuSO4溶液中的    Cu  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。
 二、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。
①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。
②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。
③用导线和盐桥分别将两个半电池连接在一起

 (2)探究组成原电池的条件
 设计盐桥原电池的思路:
 Zn+2Ag+=Zn2++2Ag
还原剂和氧化产物为负极的半电池
氧化剂和还原产物为正极的半电池

根据电极反应确定合适的电极材料
和电解质溶液
外电路用导线连通,可以接用电器
内电路是将电极浸入电解质溶液中,
并通过盐桥沟通内电路
小结
          能产生稳定、持续电流的原电
          池应具备什么条件?
          1.要有导电性不同的两个电极
          2.两个半反应在不同的区域进行
          3.用导线和盐桥分别将两个半电
           池连接在一起
  巩固练习:

1.利用反应Zn+2FeCl3=2FeCl2+ZnCl2                          ,设计出两种原电
池,画出原电池的示意图,并写出电极反应方程式。
  (1)、根据氧化还原反应电子转移判断电极反应。
  (2)、根据电极反应确定合适的电极材料和电解质溶液

                                                               G
 参考答案
                                               (-)           盐桥             (+)
               G                             Zn                                 C 
         (-)        (+)
       Zn             Pt 


                           FeCl3溶液

                                                 ZnCl2溶液             FeCl3溶液

负极(Zn):Zn-2e-=Zn2+(氧化反应)                    负极(Zn):Zn-2e-=Zn2+(氧化反应)
正极(Pt或C):2Fe3++2e-=2Fe2+(还原反应)              正极(Pt或C):2Fe3++2e-=2Fe2+(还原反应)
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的材料是             ;
                 CU
电解质溶液Y是              ;
              AgNO3溶液
(2)银电极为电池的       正  极,
发生的电极反应为           +       ;
               2Ag   +2e-  = 2Ag
X电极上发生的电极反应为                   2+ ;
                      Cu - 2e- = Cu
(3)外电路中的电子是从           电极流向         电
 极。                 铜           银
3. 用铜片、银片、Cu (NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线

和盐桥(装有琼脂-KNO3的U型管)构成一个原电池。
以下有关该原电池的叙述正确的是(              C  )

①在外电路中,电流由铜电极流向银电极
②正极反应为:Ag++e-     =Ag
③实验过程中取出盐桥,原电池仍继续工作

④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池
反应相同

A ①②      B.②③        C.②④        D.③④
 二、原电池正负极判断--原电池原理的应用
1.由组成原电池的电极材料判断
一般   负极-活泼性强     的金属

   正极-  活泼性弱   的金属或    非金属
导体,以及某些金属氧化物
可以理解成:负极       与电解质溶液
反应

练习:Mg-Al-H2SO4中   Al 是正极,
        Mg是负极
 Mg-Al-NaOH中  Mg  是正极
         Al 是负极
1.由组成原电池的电极材料判断
2.根据电子(电流)流动的方向判断
 电子--由     负极   流出,流入      正极   ;
 电流--由      正极   流出,流入     负极   。
1.由组成原电池的电极材料判断
2.根据电子(电流)流动的方向判断

3.根据电极反应类型判断
 负极--    失电子,发生       氧化  反应
 正极--    得电子,发生       还原反应
1.由组成原电池的电极材料判断
2.根据电子(电流)流动的方向判断

3.根据电极反应类型判断
4.根据电解质溶液离子移动的方向判断
 阴离子-向     负 极移动(负极带正电荷)
 阳离子-向     正 极移动(正极带负电荷)
1.由组成原电池的电极材料判断
2.根据电子(电流)流动的方向判断

3.根据电极反应类型判断
4.根据电解质溶液离子移动的方向判断

5.根据电极现象来判断
     负极--    牺牲、溶解    ;
     正极--    增重、气泡    ;
1.由组成原电池的电极材料判断
2.根据电子(电流)流动的方向判断

3.根据电极反应类型判断
4.根据电解质溶液离子移动的方向判断

5.根据电极现象来判断
6.燃料电池中
     燃料在    负极   反应
     氧化剂在     正极    反应
                   3-   -   +          3-
  巩固:已知反应AsO4        +2I +2H      AsO3   +I2+H2O
  是可逆反应.设计如图装置,进行下述操作:
  (Ⅰ)向(B)烧杯中逐滴加入浓盐酸,发现微安培表
  指针偏转;(Ⅱ)若改往(B)烧杯中滴加40%NaOH
  溶液,发现微安培表指针向前述相反方向偏转.
  试回答:
  (1)两次操作过程中指针为什么会发生偏转?
  答:  这是原电池,指针偏转是由于电子流过电流表。
  (2)两次操作过程中指针偏转方向为什么会相反?试用平衡移
动原理解释此现象.
                   3—
  答:B中加盐酸,AsO4       发生得电子反应为正极;而当加入NaOH
            3—
____________________________________________________后,AsO3 发生失电子反应,为负极; 。
                                   2I——2e— =I
  (3)(Ⅰ)操作过程中C1棒上发生的反应为                     2  。
  (4)(Ⅱ)操作过程中C2棒上发生的反应为                        。
                     3—    —     -      3—
                 AsO3  —2e  +2OH  = AsO4  +H2O 
三、原电池的主要应用:
 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。
 5.解释某些化学现象
原电池原理应用:

    (1)比较金属活动性强弱。

   当两种金属构成原电池时,总是活泼的金属作负
   极而被腐蚀,所以先被腐蚀的金属活泼性较强。

 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;
 练习:把a、b、c、d四块金属浸入稀硫酸中,用导
 线两两相连组成原电池。若
 a、b相连时,a为负极;                     a > b
  、 相连时,电流由       到  ;
 c d             d  c             c > d
 a、c相连时,c极产生大量气泡,
                                  a > c
 b、d相连时,溶液中的阳离子向b极移动。

                                  d > b
则四种金属的活泼性顺序为:                 。
                       a>c > d > b
  原电池原理应用:

 (2)比较反应速率

当形成原电池之后,反应速率加快,如实验室制H2时, 
纯Zn反应不如粗Zn跟酸作用的速率快。


  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。
  原电池原理应用:

(3)比较金属腐蚀的快慢

在某些特殊的场所, 金属的电化腐蚀是不可避免的, 如

轮船在海中航行时, 为了保护轮船不被腐蚀,可以在轮

船上焊上一些活泼性比铁更强的金属如Zn。这样构成

的原电池Zn为负极而Fe为正极,从而防止铁的腐蚀。
例3:   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)
原电池原理应用:
(4)判断溶液pH值变化

 例4:   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值变_________大  ?(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
                           答:……
原电池原理应用:
(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      使用“热敷袋”时受热均匀。
6.利用原电池原理设计新型化学电池


            (H+)


  以以下反应为基础设计原电池

    2+      -    +    3+    2+
 5Fe  + MnO4 + 8H = 5Fe + Mn +4H2O

 负极:Pt或石墨       5Fe2+ – 5e- = 5Fe3+ 
                     -    +   -    2+
                 MnO4 + 8H + 5e = Mn +4H2O
 正极:Pt或石墨
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