資源簡介

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4.1 原電池
一、原電池的工作原理
（一）定義：
將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置
注：原電池中的化學(xué)能并非全部轉(zhuǎn)化為電能，有一部分轉(zhuǎn)化成熱能等其他形式的能量
（二）本質(zhì)：氧化還原反應(yīng)
（三）工作原理：以銅-鋅原電池為例
答：(1)鋅銅原電池工作時(shí)，電子由鋅片沿導(dǎo)線移向銅片，陰離子(Cl-、SO42-)在電解質(zhì)溶液中移向鋅片，陽離子(K+、Cu2+)移向銅片。
(2)負(fù)極：Zn-2e-=Zn2+
正極：Cu2++2e-=Cu
總反應(yīng)：Zn+Cu2+=Cu+Zn2+
電極：Zn—負(fù)極，Cu—正極
工作原理：負(fù)極→失電子→發(fā)生氧化反應(yīng)→電子通過導(dǎo)線流向正極→正極→得電子→發(fā)生還原反應(yīng)
電極反應(yīng)：
總反應(yīng)： Zn+Cu2+=Zn2++Cu
溶液中：陰離子→負(fù)極，陽離子→正極
外電路—電子導(dǎo)電，內(nèi)電路—離子導(dǎo)電
注： 1、鹽橋的作用：
（1）成分：含瓊膠的KCl飽和溶液
（2）作用：
①構(gòu)成通路，代替兩溶液直接接觸
②平衡電荷：K+→正極，Cl-→負(fù)極
（3）優(yōu)點(diǎn)：隔離氧化劑和還原劑，不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)電子定向移動(dòng)，產(chǎn)生持續(xù)、穩(wěn)定的電流
2、電子只能在兩極和外電路中流動(dòng)，不可能進(jìn)入溶液中。即“電子不下水，離子不上岸”
3、溶液中是由電解質(zhì)溶液中的陰陽離子定向移動(dòng)形成閉合回路的
（四）條件：兩極一液一連線，氧化還原是條件
1、兩個(gè)能導(dǎo)電的電極——正極和負(fù)極：
兩極的構(gòu)成情況：
①活潑性不同的兩種金屬
②金屬和非金屬
③金屬和化合物
④惰性電極：Pt、C
注：（1）很活潑的金屬單質(zhì)一般不作原電池的負(fù)極，如：K、Ca、Na等
（2）有些原電池的兩極活潑性相同，如燃料電池
2、要有電解質(zhì)溶液或熔融的電解質(zhì)
電解質(zhì)溶液的情況：
（1）電解質(zhì)溶液一般要能夠與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)
（2）電解質(zhì)溶液中溶解的其他物質(zhì)能與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)（如：O2）
3、形成閉合回路的情況：
（1）導(dǎo)線相連
（2）電極直接接觸
4、氧化還原反應(yīng)：
氧化還原反應(yīng)是自發(fā)進(jìn)行的，但自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)不一定都能設(shè)計(jì)成原電池
（3）特殊：有鹽橋時(shí)，左右兩個(gè)容器中的電解質(zhì)溶液應(yīng)選擇與電極材料相同的陽離子溶液
（五）能否構(gòu)成原電池的判斷——四看
1、看電極——兩極為導(dǎo)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(zhì)溶液中
3、看回路——形成閉合回路或兩極直接接觸
4、看本質(zhì)——有無自發(fā)的氧化還原反應(yīng)發(fā)生
例題：
答案：B
（六）正負(fù)極的判斷方法：
1、電極反應(yīng)：負(fù)極—氧化反應(yīng)，正極—還原反應(yīng)
2、電子或電流的流向：電子：負(fù)→正；電流：正→負(fù)
3、離子流向：陽離子→正極，陰離子→負(fù)極；
即“正向正，負(fù)向負(fù)”
4、電極材料：活潑金屬作負(fù)極；
不活潑金屬、金屬氧化物、非金屬作正極
注：不能簡單的依據(jù)金屬的活潑性來判斷，要看反應(yīng)的具體情況
舉例：鋁鎂氫氧化鈉電解質(zhì)，鋁銅或鐵銅濃硝酸電解質(zhì)
5、其他：質(zhì)量增加→正極，氣體→正極，pH↑→正極
質(zhì)量減少→負(fù)極
舉例：
（1）電極反應(yīng)：負(fù)極—氧化反應(yīng)，正極—還原反應(yīng)
（3）電子或電流的流向：電子：負(fù)→正；電流：正→負(fù)
（2）離子流向：正向正，負(fù)向負(fù)”
（七）電極反應(yīng)式的書寫
1、分析電極反應(yīng)：
負(fù)極 氧化產(chǎn)物 正極 還原產(chǎn)物
2、注意電解質(zhì)溶液環(huán)境：電極產(chǎn)物在電解質(zhì)溶液中
應(yīng)穩(wěn)定存在
氧化反應(yīng)，失電子
還原反應(yīng)，得電子
2、堿性介質(zhì)中，若生成H+，結(jié)合OH-→H2O
1、酸性介質(zhì)中，若生成OH-,結(jié)合H+→H2O
3、堿性介質(zhì)中，若生成CO2，結(jié)合OH-→CO32-
4、堿性介質(zhì)中，若生成金屬陽離子，則可能會(huì)結(jié)
合OH-→沉淀M(OH)n
3、遵守三大守恒：質(zhì)量守恒、電荷守恒、 轉(zhuǎn)移電子守恒
4、兩極反應(yīng)式疊加得總反應(yīng)式，總反應(yīng)式減去其中一個(gè)
電極反應(yīng)式，可得另一個(gè)電極的反應(yīng)式
5、規(guī)律：①一般來說，金屬作負(fù)極的原電池
負(fù)極：
酸性或中性介質(zhì)中：M—ne-=Mnn+
堿性介質(zhì)中:M—ne-+nOH-=M(OH)n
正極：酸性介質(zhì)中：2H++2e-=H2↑
陽離子與金屬反應(yīng)的介質(zhì)中：NX++xe-=N
陽離子不與金屬反應(yīng)的介質(zhì)中：O2+4e-+2H2O=4OH-
②特殊：鋁鎂氫氧化鈉電解質(zhì)，鋁銅濃硝酸電解質(zhì)
注：電極反應(yīng)式中若有氣體生成，需加“↑”；若有固體生成，一般不標(biāo)“↓”
練習(xí)：寫出下列原電池中的電極反應(yīng)和總反應(yīng)
1、Mg︱稀硫酸︱Cu
2、Fe︱稀鹽酸︱C
3、Cu︱FeCl3溶液︱Pt
4、Zn︱AgNO3溶液︱Cu
1、負(fù)極：Mg —2e -=Mg2+
正極： 2H++2e-=H2↑
總反應(yīng)： Mg+ 2H+= Mg2++ H2↑
答案：
2、負(fù)極：Fe—2e -=Fe2+
正極： 2H++2e-=H2↑
總反應(yīng)： Fe+ 2H+=Fe2++ H2↑
3、負(fù)極：Cu —2e -=Cu2+
正極： Fe3++e-=Fe2+
總反應(yīng)： Cu +2Fe3+=Cu2+ +2Fe2+
4、負(fù)極：Zn —2e -=Zn2+
正極： Ag++e-=Ag
總反應(yīng)： Zn +2Ag+= Zn2++2Ag
5、Mg︱NaOH溶液︱Cu
6、Fe︱KCl溶液︱Cu
7、Al︱NaOH溶液︱Mg
8、Al︱濃硝酸︱Cu
5、負(fù)極：Mg —2e -+2OH-=Mg(OH)2
正極： O2+4e-+2H2O=4OH-
總反應(yīng)： 2Mg+ O2+2H2O=2Mg(OH)2
6、負(fù)極：Fe —2e -=Fe2+
正極： O2+4e-+2H2O=4OH-
總反應(yīng)： 2Fe+ O2+2H2O=2Fe(OH)2
7、負(fù)極：Al —3e -+4OH-=AlO2-+2H2O
正極： 2e-+2H2O= H2↑+ 2OH―
總反應(yīng)： 2Al+2OH―+2H2O=2AlO2-+3H2↑
8、負(fù)極：Cu —2e -=Cu2+
正極: 2H++NO3- +e-= H2O+NO2↑
總反應(yīng)： Cu+4H++2NO3-=Cu2++2H2O+2NO2↑
（八）原電池的設(shè)計(jì)
1、先將已知的氧化還原反應(yīng)拆分為兩個(gè)半反應(yīng)
2、根據(jù)原電池的電極反應(yīng)特點(diǎn)，結(jié)合兩個(gè)半反應(yīng)，
找出正負(fù)極材料及電解質(zhì)溶液
3、按要求畫出原電池裝置圖
（九）應(yīng)用
1、形成原電池，可以加快氧化還原反應(yīng)
的反應(yīng)速率
2、通過原電池的電極，可以比較金屬活
潑性強(qiáng)弱
3、設(shè)計(jì)化學(xué)電源
4、保護(hù)金屬設(shè)備：被保護(hù)金屬作正極
（一）分類：
1、一次電池：就是放電后不可再充電的電池。隨著使用，一次電池中能發(fā)生氧化還原反應(yīng)的物質(zhì)逐漸被消耗，當(dāng)這些物質(zhì)被消耗到一定程度時(shí)，電池就不能繼續(xù)使用了。一次電池中電解質(zhì)溶液制成膠狀，不流動(dòng)，也叫做干電池。
二、化學(xué)電源
2、二次電池：又稱可充電電池或蓄電池，是一類放電后可以再充電而反復(fù)使用的電池。即它在放電時(shí)所進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，在充電時(shí)可以逆向進(jìn)行（一般通過充電器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娺M(jìn)行充電），使電池恢復(fù)到放電前的狀態(tài)。這樣可以實(shí)現(xiàn)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ǚ烹姡儆呻娔苻D(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能（充電）的循環(huán)。
3、燃料電池：是一種連續(xù)的將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池。
(二）優(yōu)點(diǎn)：
1、化學(xué)電池的能量轉(zhuǎn)化效率較高，供能穩(wěn)定可靠
2、可以制成各種形狀、大小
和容量不同的電池及電池組
3、方便攜帶，易于維護(hù)
（三）判斷電池優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)：
1、比能量：電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少
2、比功率：輸出功率的大小
3、電池可儲(chǔ)存時(shí)間的長短
1、普通鋅錳干電池
（1）電極材料及電極反應(yīng)：
負(fù)極：鋅筒 Zn-2e-=Zn2+
正極：石墨 2NH4++2MnO2+2e-=2NH3↑+Mn2O3+H2O
（2）電解質(zhì)：MnO2、NH4Cl、ZnCl2、淀粉等調(diào)成糊狀
（3）缺點(diǎn)：新電池會(huì)自動(dòng)放電，鋅皮腐蝕逐漸變薄、放電后電壓下降較快、電量小、易氣脹或漏液、存放時(shí)間縮短不易長時(shí)間連續(xù)使用
（4）優(yōu)點(diǎn)：制作簡單，價(jià)格便宜
（四）一次電池——普通鋅錳電池、堿性鋅錳電池、鋅銀電池
2、堿性鋅錳電池
（1）電極材料及電極反應(yīng)：
負(fù)極：鋅筒 Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2
正極：MnO2 2MnO2+2e-+2H2O=2MnO(OH)+2OH-
（MnO2作為正極反應(yīng)物，得電子被還原為MnO(OH)
總反應(yīng)： Zn+2MnO2+2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)2
（2）電解質(zhì)：將NH4Cl換成濕的KOH
（3）優(yōu)點(diǎn)：比能量和可儲(chǔ)存時(shí)間比普通提高，是普通干電池的升級(jí)換代產(chǎn)品
（五）二次電池（可充電電池）
舉例：鉛酸蓄電池
1、電極材料：
負(fù)極：Pb
正極：PbO2 電解質(zhì)：H2SO4
2、電極反應(yīng)式：
負(fù)極：Pb-2e-+SO42-=PbSO4
正極：PbO2+4H++2e-+SO42-=PbSO4+2H2O
總反應(yīng)：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O
3、工作特點(diǎn)：電壓穩(wěn)定，使用方便，安全可靠，價(jià)格低廉；但比能量低，笨重，廢棄電池污染環(huán)境
4、接線方式：充電時(shí)，待充電電池的負(fù)極要接電源的負(fù)極，待充電電池的正極要接電源的正極，即正接正，負(fù)接負(fù)
注：放電：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；充電：電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能
5、常見的充電電池：
鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池
目前汽車上使用的大多是鉛酸蓄電池
6、廢舊電池的處理
廢舊電池中常含有重金屬、酸和堿等物質(zhì)，如果隨意丟棄，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康造成危害。因此，應(yīng)當(dāng)重視廢舊電池的回收利用，這樣既可以減少環(huán)境污染，又可以節(jié)約資源。
（六）燃料電池
1、工作原理
連續(xù)將氫氣、烴、肼、甲醇、氨、煤氣等液體或氣體燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。電極本身不包含活性物質(zhì)，不參與氧化還原反應(yīng)。工作時(shí)，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給，在電極上不斷地進(jìn)行反應(yīng)，生成物不斷被排除
2、特點(diǎn)：
（1）燃料電池中，燃料（還原性氣體等）作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化劑（通常為氧氣）作正極發(fā)生還原反應(yīng)
（2）燃料電池的電極材料一般為惰性電極，具有很強(qiáng)的催化活性，如鉑電極、活性炭電極等
（3）燃料電池在使用過程中，并沒有發(fā)生燃料與氧化劑之間的直接燃燒，而是在兩極之間發(fā)生了放電，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能
（4）燃料的燃燒是一種劇烈的氧化還原反應(yīng)，而燃料電池則是平穩(wěn)的氧化還原反應(yīng)
（5）燃料直接燃燒時(shí)，大量的熱能釋放到空氣中，利用率低；燃料電池工作時(shí)，能量轉(zhuǎn)化率較高，是一種高效、環(huán)境友好的發(fā)電裝置
（6）燃料電池的反應(yīng)物并不儲(chǔ)存在電池內(nèi)部，而是由外設(shè)裝備提供燃料和氧化劑
3、燃料電池與一般化學(xué)電池的區(qū)別
一般化學(xué)電池的活性物質(zhì)儲(chǔ)存在電池內(nèi)部，故而限制了電池的容量，而燃料電池的電極本身不包含活性物質(zhì)，只是一個(gè)催化轉(zhuǎn)化元件。它工作時(shí)，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給，在電極上不斷地進(jìn)行反應(yīng)，生成物不斷地被排除，于是電池就連續(xù)不斷地提供電能
4、優(yōu)點(diǎn)
燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率超過80%，遠(yuǎn)高于普通燃燒過程（能量轉(zhuǎn)化率僅30%多），可以持續(xù)使用，噪音低，不污染環(huán)境。既有利于節(jié)約能源，又綠色環(huán)保，具有廣闊的發(fā)展前景，被譽(yù)為“綠色發(fā)電站”
5、種類
（1）氫氧燃料電池
電解質(zhì) 酸性 中性 堿性
負(fù)極 反應(yīng)
正極 反應(yīng)
總反應(yīng) H2-2e-=2H+
O2+4e-+4H+=2H2O
H2-2e-=2H+
O2+4e-+2H2O=4OH-
H2-2e-+2OH-=2H2O
O2+4e-+2H2O=4OH-
2H2+O2=2H2O
（2）甲烷燃料電池
電解質(zhì) H2SO4 KOH
負(fù)極反應(yīng)
正極反應(yīng)
總反應(yīng)
CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+
O2+4e-+4H+=2H2O
CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O
O2+4e-+2H2O=4OH-
CH4+2O2=CO2+2H2O
CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O
（3）甲醇燃料電池
電解質(zhì) H2SO4 KOH
負(fù)極反應(yīng)
正極反應(yīng)
總反應(yīng)
CH3OH-6e-+H2O
=CO2+6H+
O2+4e-+4H+=2H2O
2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O
CH3OH-6e-+8OH-
=CO32-+6H2O
O2+4e-+2H2O=4OH-
2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O
（4）熔融鹽電池
例如：用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì)的燃料電池，CO為燃料，空氣與CO2的混合氣為助燃?xì)猓频迷?50℃下工作的燃料電池，在工作過程中，電解質(zhì)熔融鹽的組成、濃度不變
電極反應(yīng)式：負(fù)極：CO+CO32--2e-=2CO2
正極：O2+2CO2+4e-=2CO32-
總反應(yīng)：2CO+O2=2CO2
（6）燃料電池中常見正極反應(yīng)式的書寫
1、在酸性溶液中：O2+4e-+4H+=2H2O
2、在堿性或中性溶液中，O2+4e-+2H2O=4OH-
注：燃料電池的總反應(yīng)就是各種物質(zhì)的燃燒反應(yīng) ，
但不寫反應(yīng)條件
六、燃料電池中常見正極反應(yīng)式的書寫
1、在酸性溶液中：O2+4e-+4H+=2H2O
2、在堿性或中性溶液中，O2+4e-+2H2O=4OH-
3、在熔融碳酸鹽中，O2+2CO2+4e-=2CO32-
4、在可傳導(dǎo)O2-的晶體電解質(zhì)中（例如：摻雜(Y2O3)氧化釔的(ZrO2)氧化鋯晶體）：O2+4e-=2O2-
注：燃料電池的總反應(yīng)就是各種物質(zhì)的燃燒反應(yīng)
但不寫反應(yīng)條件
1．對(duì)于原電池的電極名稱，下列敘述有錯(cuò)誤的是( )
A．發(fā)生氧化反應(yīng)的為負(fù)極 B．正極為電子流入的一極
C．比較不活潑的金屬為負(fù)極 D．電流的方向由正極到負(fù)極
【答案】C
【解析】在原電池中，相對(duì)活潑的金屬為負(fù)極，不活潑的金屬或?qū)щ姺墙饘贋檎龢O；發(fā)生氧化反應(yīng)的電極為負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)的電極為正極；原電池工作時(shí)，其外電路中電子流出的一極為負(fù)極，電子流入的一極為正極，電流的方向與電子流動(dòng)的方向相反。
2．根據(jù)Zn＋2H＋==Zn2＋＋H2↑的反應(yīng)原理設(shè)計(jì)一個(gè)原電池，當(dāng)鋅為負(fù)極時(shí)，正極可以選用的金屬材料是( )
A．鎂 B．石墨 C．鋁 D．鉛
【答案】D
【解析】選用金屬活潑性比鋅弱的金屬或能導(dǎo)電的非金屬材料作正極，D項(xiàng)符合題意。
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