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

人教版（2019）選擇性必修一【課前引入】現(xiàn)代生活離不開方便實用的化學電源。原電池：能把

轉化為

的裝置化學能電能ABCDEFMN

CuSO4√√√√知識回顧1.下列所示裝置是否能構成原電池？請說明理由。原電池的構成條件：①有兩種活動性不同的電極

（能導電的材料）；②電解質溶液或熔融電解質；③形成閉合回路；④自發(fā)進行的氧化還原反應(本質)。(1)還原劑→元素化合價升高→失去電子→被氧化→發(fā)生氧化反應。(2)氧化劑→元素化合價降低→得到電子→被還原→發(fā)生還原反應。(3)氧化劑、還原劑之間轉移電子數(shù)目相等。Zn+2HCl====ZnCl2+H2↑化合價升高失2e-，發(fā)生氧化反應化合價降低2×e-，發(fā)生還原反應0+1+20知識儲備氧化還原反應（升失氧，降得還）外電路內電路CuSO4ZnCue-外電路：內電路：陽離子（+）→正極：陰離子（-）→負極：負極→正極e-電子不能通過電解質溶液：電子不下水離子不能通過金屬導體：離子不上岸3.離子流向2.電子流向：負極→正極1.電流流向：正極→負極單液原電池工作原理正向正負向負e－e－e－e－Zn2+Cu2＋e－e－SO42－Cu2＋內電路：陽離子移向正極，陰離子移向負極(離子不上岸)－+外電路：電子由負極經導線流向正極(電子不下水)整個電路構成了閉合回路，帶電粒子的定向移動產生電流負極：氧化反應Zn－

2e－=Zn2＋還原反應正極：還原反應Cu2＋+2e－=Cu總反應：Zn＋Cu2+

＝Zn2++Cu單液銅鋅原電池實驗探究實驗現(xiàn)象：①電流表指針偏轉。②鋅片和銅片上均有紅色物質生成。③溶液溫度升高。④一段時間后，電流會逐漸減小。？？？單液銅鋅原電池數(shù)字實驗探究結果思考1.鋅片上的紅色物質是什么？為什么鋅片上有紅色物質生成？因為鋅與CuSO4溶液直接接觸，發(fā)生置換反應，所以鋅片表面有銅析出，導致部分化學能轉為熱能。思考2.為什么電流表讀數(shù)不斷減??？因為銅在鋅表面析出后，與CuSO4溶液一起形成了原電池，產生的電流并沒有經過電流表，所以電流表的讀數(shù)不斷減小。當鋅片表面完全被銅覆蓋后，相當于兩個電極都是銅，已不能發(fā)生原電池反應，所以電流逐漸衰減。思考3：如何改進原電池裝置，避免Cu2+在鋅片上得電子，

提高原電池能量轉化效率?CuSO4溶液ZnACu浸有NaCl溶液的濾紙條ZnSO4溶液原電池裝置的改造解決問題的關鍵：還原劑Zn與氧化劑CuSO4不直接接觸改進方法：將鋅與硫酸銅溶液分開，形成雙液原電池有無電流產生？兩個溶液間缺少離子導體，無法形成閉合回路。該如何解決？CuSO4溶液ZnACu浸有NaCl溶液的濾紙條ZnSO4溶液原電池裝置的改造鹽橋①鹽橋：通常是將浸泡了飽和KCl溶液的瓊膠裝在U型管中;②瓊膠起到固定作用，防止KCl溶液直接流出來;③鹽橋中K+和Cl-自由移動，

且鹽橋中離子濃度大，離子只出不進。鋅片（還原劑）在與Cu2+（氧化劑）沒有直接接觸的情況下也能構成原電池，但是需要合適的“橋梁”溝通兩種電解質溶液。一種凝膠態(tài)的離子導體思考7：鹽橋有什么作用？思考6：鹽橋中K+和Cl-的移動方向？思考4：鹽橋中有電子流過嗎？不能，兩溶液中SO42-濃度不變1.形成閉合回路；2.平衡電荷，使溶液呈電中性；3.持續(xù)穩(wěn)定的產生電流，提高能量轉換率。Zn片Cu片ZnSO4CuSO4Zn2＋Cu2＋Cl－K＋沒有（電子不下水）思考5：兩溶液中的離子能通過鹽橋嗎？K+向正極移動，Cl-向負極移動；K＋Cl－只出不進【打破思維定勢】氧化劑和還原劑不直接接觸也能發(fā)生反應。正向正負向負原電池雙液電池單液電池電極反應電極材料離子導體電子導體負極：Zn-2e-Zn2+

正極：Cu2++2e-Cu正極：銅片;負極：鋅片正極：銅片;負極：鋅片ZnSO4溶液、鹽橋、CuSO4溶液CuSO4溶液導線導線負極：Zn-2e-Zn2+

正極：Cu2++2e-Cu鋅銅原電池總反應：Cu2++Zn

Cu+Zn2+

SO42－Zn2+e－e－SO42－Cu2+K+CuZnK+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雙液原電池解決了電池自放電的損耗問題，提高了能量轉化率,增加了原電池的使用壽命。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+幾乎完全變成Cu。若電解質溶液與KCl溶液反應產生沉淀(例：Zn∣Zn(NO3)2溶液∣鹽橋∣Ag∣AgNO3溶液)，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。電流大小：電流穩(wěn)定性：轉化效率：較小穩(wěn)定高電流大?。弘娏鞣€(wěn)定性：轉化效率：較大衰減快低1、陽離子交換膜：只允許陽離子通過3、質子交換膜：只允許H+通過2、陰離子交換膜：只允許陰離子通過改進?增大電流呢？縮短鹽橋的長度，增大鹽橋的橫截面積能否用一張薄薄的隔膜代替鹽橋呢？雙液原電池電流弱的原因？1.離子運動的距離長2.離子運動的通道窄3.離子容量小Cu離子交換膜簡介離子交換膜是一種含離子基團的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜。微電池【膜電池模型】微電池電流大?。弘娏鞣€(wěn)定性：轉化效率：起始強度大衰減太快很低電流大?。弘娏鞣€(wěn)定性：轉化效率：強度太小很穩(wěn)定很高電流大?。弘娏鞣€(wěn)定性：轉化效率：強度高平穩(wěn)很高(溫度基本不變)練習.鋅銅原電池裝置如圖所示，其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過。下列有關敘述正確的是(

)A.銅電極上發(fā)生氧化反應B.電池工作一段時間后，甲池的c減小C.電池工作一段時間后，乙池溶液的總質量增加D.陰陽離子分別通過交換膜向負極和正極移動，保持溶液中電荷平衡C(1)比較金屬的活動性強弱：原電池中，負極一般是活動性

的金屬，正極一般是活動性較弱的金屬(或其它能導電的物質)。(2)加快化學反應速率：氧化還原反應形成原電池時，反應速率加快。

例如，實驗室制H2時，由于鋅太純，反應一般較慢，可加入少量CuSO4以加快反應速率。(3)用于金屬的防護：將需要保護的金屬制品作原電池的

而受到保護。

鋼鐵中含有碳，C與Fe組成原電池，發(fā)生原電池反應而使鋼鐵（做負極）遭到腐蝕(4)設計制作化學電源①首先將氧化還原反應分成兩個半反應。②根據(jù)原電池的工作原理，結合兩個半反應，選擇正、負電極材料以及電解質溶液。較強正極原電池原理的應用正負極材料的選擇：根據(jù)氧化還原反應關系找出正、負極材料，若反應中有金屬單質，一般選擇活潑性較強的金屬作為負極，活潑性較弱的金屬或可導電的非金屬及其氧化物（如石墨，PbO2等）作為正極；若反應中沒有金屬單質，一般用石墨作電極電解質溶液的選擇：電解質溶液一般要能夠與負極反應，或者電解質溶液中溶解的其他物質能與負極發(fā)生反應（如溶解于溶液中的空氣①）;但如果氧化反應和還原反應分別在兩個容器中進行（中間連接鹽橋），則兩個容器中的電解質溶液選擇與電極材料相同的陽離子②。

注：若負極材料不參與電極反應，參與反應的是兩種電解質③，則兩種電解質溶液分別置于兩個容器中，一般用石墨做電極，中間用鹽橋連接。CCFeCl3溶液KI溶液CuSO4溶液Cu①②③③①②③練習.根據(jù)下列氧化還原反應設計一個原電池：2FeCl3＋Fe===3FeCl2要求：(1)畫出此原電池的裝置圖，裝置采用燒杯和鹽橋。(2)注明原電池的正、負極和外電路中電子的流向。說明：1.原電池的正極和負極與電極材料的性質有關，也與電解質溶液有關，例：Mg\Al\NaOH(aq);Al\Cu\濃HNO3(aq)，不要形成活潑電極一定作負極的思維定勢。

2.電極質量存在正負極都增重的情況（例：鉛蓄電池），

不要形成增重電極一定作正極的思維定勢。原電池正、負極判斷方法總之：優(yōu)先失電子為負極原電池正負極判斷方法1.寫出總反應式并改成離子方程式，分析化合價升降，找出氧化劑、還原劑及還原產物、氧化產物，確定兩極上對應的反應物及產物，定得失及其數(shù)目。負極電極反應式模板：（升）還原劑－ne-=

氧化產物正極電極反應式模板：（降）氧化劑＋ne-=

還原產物2.根據(jù)電解質環(huán)境，利用H+（酸性）、OH-（堿性），O2-、CO32-（熔融鹽）等使電極反應式電荷守恒。3.配平電極反應式，利用H2O或其他使電極反應式原子守恒。三步：1.列物質，定得失2.電荷守恒看介質3.原子守恒注：電極反應式中若有氣體生成，需加“↑”；若有固體生成，一般不標“↓”電極方程式的書寫思路2Al

+

2NaOH

+

2H2O

=

2NaAlO2

+

3H2↑2Al

+

2OH－+

2H2O

=

2AlO2－

+

3H2↑2Al+8OH_

－6e_

=2AlO2_

+4H2O6H2O+6e_

=6OH_+

3H2↑優(yōu)先失電子為負極練習1Mg+

H2SO4

=

MgSO4

+

H2↑Mg+2H+

=

Mg2+

+

H2↑Mg－2e_

=Mg2+

2H+

+2e_

=H2↑總反應：離方：負極：正極：總反應：離方：負極：正極：Al+4HNO3(稀)=Al(NO3)3+NO↑+2H2OAl∣稀HNO3∣CuAl∣濃HNO3∣CuCu+4H++

2NO3－=Cu2+

+2NO2↑+2H2OCu+4H