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化學能轉化為電能——電池
第一課時
原電池的工作原理
1.原電池的概念：將_______能轉化為_______能的裝置。
2.構成原電池的條件：
（1）自發進行的 ______________ 反應。
（2）電極__________和電極__________。
（3）__________ 導體和 __________導體。
化學
電
氧化還原
材料
反應物
電子
離子
汽車等機動車往往需要配備電池，人造衛星、宇宙飛船等必須攜帶電池，人們在日常生活中也經常要使用電池……這些足以說明電池的重要作用。
現在，為滿足人們生產和生活水平不斷提高的需要，性能優異的新型電池相繼出現，如鋅銀電池、鋰電池、燃料電池等。那么，電池究竟是一種什么樣的裝置？他們在工作時，裝置中發生了什么變化？
一.原電池的工作原理
活動探究 探秘銅鋅原電池
預測:你認為圖1—2—2所示裝置是否能夠構成原電池，將化學能轉化為電能？請說明理由。
鹽橋
鹽橋中通常裝有瓊脂凝膠，內含氯化鉀或硝酸銨。鹽橋中的離子能夠定向移動。通過鹽橋可將兩個相互隔離的電解質溶液連接起來，傳導電流。
銅片、鋅片、1mol·L-1CuSO4溶液、1mol·L-1ZnSO4溶液
燒杯、導線、鹽橋、檢流計
實驗方案實施
1. 按裝置(a)，完成實驗并回答下列問題：
有關的實驗現象是①鋅片______，銅片______ ，CuSO4溶液顏色___________ ；
實驗用品
溶解
加厚變亮
變淺
②電流表的指針___________，裝置中的能量變化
是______________________ 。該裝置稱作原電池。
2.按裝置（b），完成實驗，并回答下列問題：
(1)實驗過程中，能觀察到的
實驗現象是①鋅片___________，
銅片_________；
②電流表指針_________；
③CuSO4溶液的顏色 __________________。
發生偏轉
化學能轉化為電能
溶解
加厚變亮
發生偏轉
變淺
實驗現象
實驗裝置編號 實驗現象
a
b
鋅片溶解，質量減輕；銅片加厚變亮，硫酸銅溶液顏色變淺，電流表指針發生偏轉。
未插鹽橋，無明顯現象；插入鹽橋，鋅片溶解，銅片加厚變亮，硫酸銅溶液顏色變淺，電流表指針發生偏轉。
實驗結論
兩套裝置，檢流計指針均發生偏轉，說明均有電流產生，即發生了化學能轉化為電能的過程，都形成了原電池。
1.分析（a）（b）兩個原電池各部分的作用，確定其電極反應物、電極材料和離子導體。
2.分析（a）（b）兩個原電池的工作原理，寫出電極反應式。
3.分析（a）（b）兩個原電池，說明各自的優缺點。
電極反應物
電極材料
離子導體
負極：Zn、正極：Cu
CuSO4溶液ZnSO4溶液、鹽橋
負極：Zn、正極：CuSO4
負極：Zn、正極：CuSO4
負極：Zn、正極：Cu
CuSO4溶液
兩個原電池的工作原理及電極反應式。
負極：Zn-2e-=Zn2+ 負極：Zn-2e-=Zn2+
正極：Cu2++2e-=Cu 正極：Cu2++2e-=Cu
總反應：Zn+Cu2+=Zn2++Cu 總反應：Zn+Cu2+=Zn2++Cu
思考交流
若用溫度計測量溶液的溫度，發現（a）裝置溶液的溫度略有升高，而（b）裝置溶液的溫度不變，試分析原因是什么？
對 比
兩個原電池異同
電子流動電路
離子移動電路
電子流動電路
離子移動電路
單
液
電
池
雙
液
電
池
相同點：
氧化還原反應原理；兩個電極及電極反應；都能產生電流；
外電路均是電子的定向移動， 內電路均是離子的定向移動。
不同點：
單液電池Zn和Cu2+直接接觸，兩個半反應在同一區域進行，能量轉化率低，電流強度弱不穩定，持續時間短。　　　
雙液電池Zn和Cu2+不直接接觸，兩個半反應在不同區域進行，能量轉化率高，電流強度大穩定，持續時間長。
歸納總結 原電池的工作原理分析
Zn+Cu2+=Zn2++Cu
Zn-2e-=Zn2+
Cu2++2e-=Cu
失電子氧化反應
得電子還原反應
電池反應
氧化還原反應
陰離子流向
陽離子移向
負極
正極
導
線
電極
反應式
電極反應
（半反應）
離
子
導
體
電子流出
電子流入
Zn
Cu
在原電池中，氧化還原反應是在兩個電極上分別進行的。每個電極上或是發生失去電子的變化，或是發生獲得電子的變化，分別相當于氧化還原反應的一半，這種反應稱為半反應。
電極反應
可以表示電極上物質的變化情況以及電子的轉移情況的式子。
半反應
在電極上進行的半反應。
電極反應式
電池反應
原電池的兩個電極反應組成電池的總反應。
原電池原理是將氧化反應和還原反應分開進行，還原劑在負極上失去電子發生氧化反應，電子通過導線流向正極，氧化劑在正極上得到電子發生還原反應。
正極得電子數目=負極失電子數目
銅鋅原電池的電流是怎樣產生的
銅鋅原電池中，鋅片上和 ZnSO4溶液中都存在 Zn2+。
在鋅片和溶液的接觸面上，水分子與金屬表面的Zn2+相互吸引,發生水合作用，使部分 Zn”離開鋅片進入溶液：
溶液中的 Zn2+也可以沉積到鋅片的表面：
發生前一過程的趨勢大于后一過程，并且鋅片上的電子不能自由進入溶液，這就使鋅片帶有負電荷。鋅片表面上的電子與溶液中的Zn”因異性電荷的吸引作用分別在金屬-水界面的兩側聚積，最終在鋅片和 ZnS0 溶液的界面處達到溶解與沉積的平衡狀態：
此時，由于鋅片與溶液的界面兩側電荷不均等，便產生了電勢差。
類似地，銅片和 CuSO4溶液的界面處也存在 Cu2+與 Cu 的溶解與沉積平衡狀態。
銅原子和鋅原子失電子的能力不同，因此銅電極和鋅電極的溶解-沉積平衡狀態不一樣，兩個金屬單質電極材料與其溶液之間的電勢差不相等。鋅原子比銅原子容易失電子，在鋅電極的鋅片表面上積累的電子比在銅電極的銅片表面上積累的電子多，因此將兩極接通構成回路時電子由鋅片流向銅片。電子的移動破壞了兩極的溶解-沉積平衡，鋅極的平衡由于電子移走而向 Zn2+溶解的方向移動，銅極的平衡由于電子移入而向 Cu沉積的方向移動，結果使電子能夠持續流動形成電流。
1.簡單原電池電極方程式的寫法
判斷右邊原電池的正、負極，并寫出電極反應式。
先寫出總反應：
Cu+2FeCl3 = CuCl2 +2FeCl2
Cu
C
FeCl3溶液
拆成離子方程式：
Cu + 2Fe3＋ = Cu2＋ + 2Fe2＋
根據化合價升降判斷正負極
負極： Cu - 2e- = Cu2+
正極： 2Fe3+ + 2e- = 2Fe2+
2.簡單鹽橋原電池設計
鹽橋
Cu
C
CuCl2溶液
FeCl3溶液
G
將反應Cu+2FeCl3=2FeCl2+CuCl2 設計成雙液鹽橋電池
根據氧化還原反應電子轉移判斷電極反應
根據電極反應確定合適的電極材料和電解質溶液
負極： Cu - 2e- = Cu2+
正極： 2Fe3+ + 2e- = 2Fe2+
如圖所示的原電池裝置,X、Y為兩電極,電解質溶液為稀硫酸,外電路中的電子流向如圖所示,對此裝置的下列說法正確的是 (　　)
A.外電路的電流方向為:X→外電路→Y
B.若兩電極分別為Zn和石墨棒,則X為石墨棒,Y為Zn
C.若兩電極都是金屬,則它們的活動性為X>Y
D.X極上發生的是還原反應,Y極上發生的是氧化反應
【解析】由圖可知,電子的流動方向是X→外電路→Y,則電流的方向就為Y→外電路→X;
X為原電池的負極,Y為正極,X的活動性比Y的強;X極應發生氧化反應,Y極應發生還原反應。
1.原電池電極(正極、負極)的判斷依據有多種。試填寫下表：
原電池正負極判斷依據
判斷依據 正極 負極
電極材料 _______________________ _________
電子流向 _________ _________
電極反應 _________ _________
電極現象 ___________________ _________
離子移向 陽離子移向 陰離子移向
判斷依據 正極 負極
電極材料 _______________________ _________
電子流向 _________ _________
電極反應 _________ _________
電極現象 ___________________ _________
離子移向 陽離子移向 陰離子移向
電極減輕
不活潑金屬或非金屬導體
活潑金屬
電子流入
電子流出
還原反應
氧化反應
電極增重或產生氣體
2.有一紐扣電池，其電極分別為Zn和Ag2O，以KOH溶液為電解質溶液，電池的總反應為Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2。
(1)Zn發生____反應，是___極，電極反應式是________________________。
(2)Ag2O發生______反應，是___極，
電極反應式是____________________ 。
Zn＋2OH－2e－===Zn(OH)2
Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－
氧化
負
還原
正
已知總反應式，書寫電極反應式
(1)分析化合價，確定正極、負極的反應物與反應產物。
(2)在電極反應式的左邊寫出得失電子數，使得失電子守恒。
(3)根據質量守恒配平電極反應式。
(4)復雜電極反應式＝總反應式－簡單的電極反應式。
原電池
正極
負極
離子導體
電子沿導線傳遞產生電流
陰
離
子
移
向
陽
離
子
移
向
為活潑金屬且不斷溶解
為不活潑金屬或導電非金屬
發生氧化反應
發生還原反應
第二課時 化學電源
生活中的化學電源
化學電源:將化學能轉化為電能的裝置
化學電源的分類
1.鋅錳干電池
—
+
電池材料
工作原理
特點
Zn + 2OH- -2e- =Zn(OH)2
2MnO2+2 +2e-=2NH3+H2O+Mn2O3
負極：鋅筒 正極：石墨 電解質溶液：氯化銨和氯化鋅
電池材料
工作原理
特點
Zn+2OH--2e-==ZnO+H2O
2MnO2+2H2O+2e-==2MnOOH+2OH-
Zn+2MnO2+H2O==ZnO+2MnOOH
Pb+ SO42- -2e- =PbSO4
PbO2+ 4H++SO42- +2e- =2PbSO4 +2H2O
負極：Pb
正極：PO2
電解質溶液：H2SO4
負極：
正極：
總反應：
Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O
放電
充電
2.鉛蓄電池
其他常見可充電電池
3.燃料電池
電極反應物：
負極——燃料 正極——氧化劑（氧氣）
離子導體：
酸、堿、鹽電解質溶液，熔融碳酸鹽，固體電解質，質子交換膜等
制作一個簡單的燃料電池
實驗目的：利用所給試劑和儀器設計裝置并進行實驗，通過該裝置將下列反應產生的化學能轉化為電能。
2H2+O2=2H2O
實驗用品：KOH溶液，稀硫酸，K2SO4溶液、石墨棒、U形管、橡膠塞、導線、電流表、電源。
思考：1.設計電池的基本思路是什么？
2.氫氧燃料電池中，正負極反應物是什么？如何獲得這些反應物？
3.哪些物質可以用作氫氧燃料電池的電極材料？哪些物質可以用作氫氧燃料電池的離子導體？
石墨 KOH溶液，稀硫酸，K2SO4
實驗方案的設計與實施
設計目標 設計思路及依據 實驗裝置 實驗現象
選擇實驗用品 選擇實驗用品目的
獲得氫氣 和氧氣
制作氫氧 燃料電池
稀硫酸(或K2SO4溶液)、石墨棒、U形管、橡膠塞、導線、電源
稀硫酸(或K2SO4溶液)作離子導體增強導電性；
石墨棒做電極；U形管、橡膠塞電解反應裝置；
導線做電子導體；電源提供電能。
稀硫酸(或KOH溶液)、石墨棒、U形管、橡膠塞、導線、電流表
稀硫酸(或KOH溶液)作離子導體；
石墨棒做電極材料；U形管、橡膠塞電池反應裝置；導線做電子導體；電流表檢測電流。
石墨棒周圍有氣泡產生
電流表指針偏轉
討論：
1.嘗試分析你設計你設計的氫氧燃料電池的工作原理，寫出電極反應式。
2.若選擇不同的電解質溶液（離子導體），對于電極反應式有哪些應影響？
3.你認為還可以從哪些方面來改進所設計的原電池？
燃料電池工作原理
除了氫氣外，甲烷、甲醇和乙醇等也可以用作燃料電池的負極反應物。氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池，它可以使用不同的電解質如 KOH 溶液、H3PO4 溶液、熔融碳酸鹽、固體電解質或質子交換膜等作為離子導體。
例如，當以KOH 溶液作為離子導體時氫氧燃料電池的電極反應為:
堿性氫氧燃料電池（離子導體KOH溶液）：
負極：
正極：

電池反應：
酸性和堿性氫氧燃料電池中，反應進行一段時間后電解質溶液的pH分別如何變化？
堿性氫氧燃料電池中pH變小，酸性氫氧燃料電池中pH變大。
氫氧燃料電池的反應產物只有水，不產生污染，因而備受青睞。氫氧燃料電池應用在載人航天器上，產生的水還可以供航天員飲用。近年來氫燃料電池汽車發展迅速，2022年北京冬奧會大規模示范運營我國自主研發的氫燃料電池汽車，助推綠色發展。
燃料電池具有能量利用效率高、可連續使用和污染輕等優點，已成為一種發展前景十分廣闊的化學電源。
氫氧燃料電池中的電極反應
氫氧燃料電池的負極上發生的是氫氣被氧化為 H”的反應。如果該反應是在堿性條件下進行的，生成的 H”瞬間即與溶液中大量存在的 OH 結合生成水，因此實際發生的電極反應為:
如果反應是在酸性條件或中性條件下進行的，則電極反應為:
類似地，在氫氧燃料電池的正極，氧氣中的氧元素被還原為-2 價。通常情況下2價的氧元素只能存在于水分子和 OH 中，因此，如果是酸性條件，電極反應為
如果為中性或堿性條件，則電極反應為
由此可見，在書寫電極反應時，除了應該考慮反應前后有電子轉移的元素的原子得失電子的情況外，還必須考慮這些元素的原子得失電子后形成的產物在溶液中的主要存在形式。
1.寫出下列原電池裝置中各部分的作用并分析其電極反應和離子移動方向。
2.在如圖所示裝置中，一段時間后，銀片質量會增加，
請分析產生上述現象的原因:________________________________________
3.紐扣電池的兩極材料分別是鋅和氧化銀，離子導體是KOH 溶液。放電時兩個電極的電極反應分別為:
下列說法中，正確的是( )
A.鋅是負極反應物，氧化銀是正極反應物
B.鋅發生還原反應，氧化銀發生氧化反應
C.溶液中OH- 向正極移動，K+、H+ 向負極移動
D.在電池放電過程中，電解質溶液的酸堿性基本保持不變
介質 電池反應：2H2 +O2 == 2H2O
負極
正極
負極
正極
2H2-4e-+2O2－==2H2O
O2+4e-==2O2－
2H2-4e-==4H+
O2+4H++4e-==2H2O
歸納總結
1.燃料電池、充電電池的一般解題思路：
已知電池反應，根據化合價升降，確定正負極反應的物質；注意電解質溶液可能參與電極反應，判斷電極反應式的對錯或電解質溶液pH的變化。
2.書寫電極反應式的方法：
（1）將兩極反應的電子得失數配平后，相加得到總反應。總反應減去一電極反應式即得到另一電極反應式；
（2）負極失電子所得氧化產物和正極得電子所得還原產物與溶液的酸堿性有關（如＋4價的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在堿性溶液中則以CO32－形式存在）。
Zn+2OH--2e-==ZnO+H2O
2MnO2+2H2O+2e-==2MnOOH+2OH-
Zn+2MnO2+H2O==ZnO+2MnOOH
Pb+ SO42- -2e- =PbSO4
PbO2+ 4H++SO42- +2e- =2PbSO4 +2H2O
Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O
放電
充電
2H2－4e-==4H+
O2+4e-＋4H+==2H2O
負極：
正極：
負極：
正極：
2H2+4OH-－4e-==4H2O
O2+ 2H2O+4e-==4OH-

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