原电池化学电源(教学设计)-2017届高三化学一轮复习

第六章化学反应与能量〖课题〗第三课时原电池化学电源

〖复习目标〗

（1）了解原电池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式。

（2）了解常见化学电源的种类及其工作原理。

〖教学重点〗原电池的工作原理、电极方程式的书写

〖教学难点〗电极方程式的书写

〖教学过程〗

【知识精讲】

1、原电池概念及原理

（1）原电池

原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是氧化还原反应。（2）原电池构成条件及判断

①具有两个活性不同的电极(金属和金属或金属和非金属)。

②具有电解质溶液。

③形成闭合电路(或在溶液中相互接触)。

④是否存在能自发进行的氧化还原反应

★☆判断

（3）原电池工作原理示意图

以铜锌原电池为例

①反应原理

电极名称负极正极

电极材料锌片铜片

电极反应Zn－2e－===Zn2＋Cu2＋＋2e－===Cu

反应类型氧化反应还原反应

电子流向由Zn沿导线流向Cu

盐桥中离

盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极

子移向

②两个装置的比较

装置Ⅰ中还原剂Zn与氧化剂Cu2＋直接接触，易造成能量损耗；装置Ⅱ盐桥原电池中，还原剂在负极区，而氧化剂在正极区，能避免能量损耗。

③原电池的工作原理和电子流向可用下列图示表示：

【说明】

①在原电池装置中，电子由负极经导线流向正极，阳离子在正极上获得电子，通过电路中的电子和溶

液中的离子的移动而形成回路，传导电流，电子并不进入溶液也不能在溶液中迁移。

②原电池将一个完整的氧化还原反应分为两个半反应，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，一般

将两个电极反应中得失电子的数目写为相同，相加便得到总反应方程式。

③阴离子要移向负极，阳离子要移向正极。这是因为：负极失电子，生成大量阳离子积聚在负极附近，

致使该极附近有大量正电荷，所以溶液中的阴离子要移向负极；正极得电子，该极附近的阳离子因

得电子生成电中性的物质而使该极附近带负电荷，所以溶液中的阳离子要移向正极。

④不参与电极反应的离子从微观上讲发生移动，但从宏观上讲其在溶液中各区域的浓度基本不变。

2、原电池的应用

（1）加快氧化还原反应的速率

一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率增大。例如，在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。

（2）比较金属活动性强弱

两种金属分别做原电池的两极时，一般做负极的金属比做正极的金属活泼。

（3）用于金属的防护

使被保护的金属制品做原电池正极而得到保护。例如，要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可

用导线将其与一块锌块相连，使锌做原电池的负极。

（4）设计制作化学电源

设计原电池时要紧扣原电池的构成条件。具体方法是：

①首先将已知氧化还原反应拆分为两个半反应；[来源学§科§网]

②根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正负极材料及电解质溶液。

A、电极材料的选择

在原电池中，选择还原性较强的物质作为负极；氧化性较强的物质作为正极。并且，原电池的电

极必须导电。电池中的负极必须能够与电解质溶液反应。

B、电解质溶液的选择

电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如空气中的氧气)。但如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则左右两个容器中的

电解质溶液应选择与电极材料相同的阳离子。如在铜——锌——硫酸构成的原电池中，负极金属

锌浸泡在含有Zn2＋的电解质溶液中，而正极铜浸泡在含有Cu2+的电解质溶液中。

③按要求画出原电池装置图。

【特别提醒】

应用原电池原理可以设计任一自发的氧化还原反应的电池，但有的电流相当微弱。同时要注意电解质液不一定参与反应，如燃料电池，水中一般要加入NaOH、H2SO4或Na2SO4等。

3、化学电源

化学电源是能够实际应用的原电池。作为化学电源的电池有一次电池、二次电池和燃料电池等。

（1）碱性锌锰干电池——一次电池

总反应式：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。

正极反应：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；

负极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。

（2）锌银电池——一次电池

负极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；

正极反应：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；

总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。

（3）二次电池(可充电电池)

铅蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是Pb，正极材料是PbO2。

①放电时的反应

负极反应：Pb＋SO42￣－2e－===PbSO4；

正极反应：PbO2＋4H＋＋SO42￣＋2e－===PbSO4＋2H2O；

总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。

②充电时的反应

阴极反应：PbSO4＋2e－===Pb＋SO42￣；

阳极反应：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO42￣；

总反应：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4。

（4）燃料电池氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分酸性和碱性两种。

种类酸性碱性

负极反应式2H2－4e－===4H＋2H2＋4OH－－4e－===4H2O

正极反应式O2＋4e－＋4H＋===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－

电池总反应式2H2＋O2===2H2O

【方法精讲】

1、原电池的两极判断及电极方程式的书写

（1）原电池正、负极判断方法

【方法总结】原电池正负极判断

原电池的正极与负极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关，不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。

①根据电极材料判断

负极——活泼性较强的金属

正极——活泼性较弱的金属或能导电的非金属

注：活泼金属不一定做负极，如Mg、Al在NaOH溶液中，Al做负极。

②根据电子流动方向或电流方向或电解质溶液内离子的定向移动方向判断

负极——电子流出极，电流流入极或阴离子定向移向极

正极——电子流入极，电流流出极或阳离子定向移向极

③根据两极发生的变化判断

负极——失去电子，化合价升高，发生氧化反应[来源:https://www.360docs.net/doc/746629979.html,]

正极——得到电子，化合价降低，发生还原反应

④根据反应现象判断

负极——会逐渐溶解，质量减小

正极———有气泡逸出或质量增加[来源学&科&网]

【特别提示】原电池正负极判断的基础是氧化还原反应。如果给出一个方程式让判断正、负极，可以直接根据化合价的升降变化来判断，发生氧化反应的一极为负极，发生还原反应的一极为正极。

（2）电极反应式书写

原电池反应的基础是氧化还原反应，正极发生还原反应，负极发生氧化反应，据此书写电极反应式的步骤如下：

①确定原电池的正、负极，以及两电极上发生反应的物质。在原电池中，负极是还原性材料失去电子被

氧化，发生氧化反应。正极反应要分析电极材料的性质：若电极材料是强氧化性材料，则是电极材料

得电子被还原，发生还原反应；若电极材料是惰性的，再考虑电解质溶液中的阳离子是否能与负极材

料反应。能发生反应则是溶液中的阳离子得电子，发生还原反应；若不能与负极材料反应，则考虑空

气中的氧气，氧气得电子，发生还原反应。

②弱电解质、气体或难溶解物均以化学式表示，其余以离子符号表示，保证电荷守恒，质量守恒及正、

负极得失电子数相等的规律，一般用“=”而不用“―→”。

③正负极反应式相加得到原电池总反应式，通常将总反应式减去较易写出的电极反应式，从而得到较难

写出的电极反应式。

2、可充电电池规律总结

（1）对可充电电池充电和放电两过程认识：放电是原电池反应，充电是电解池反应

（2）对可充电电池电极极性和材料的判断：

判断电池放电时电极极性和材料，可先标出放电（原电池）总反应式电子转移的方向和数目，失去电

子的一极为负极，该物质即为负极材料；得到电子的一极为正极，该物质即为正极材料。

若判断电池充电时电极极性和材料，方法同前，失去电子的一极为阳极，该物质即为阳极材料；得到

电子的一极为阴极，该物质即为阴极材料。

（3）对溶液中离子的移动方向判断：

放电时，阴离子移向负极，阳离子移向正极；

充电时，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。

（4）可充电电池充电时与电源的连接：

可充电电池用完后充电时，原电池的负极与外电源的负极相连，原电池的正极与外电源的正极相连。

（5）对可充电电池某电极是发生氧化还是还原反应及某元素被氧化还是被还原的判断：

可根据电极反应式进行分析，

放电（原电池）的负极及充电（电解池）的阳极均失去电子，发生了氧化反应，其变价元素被氧化；

放电（原电池）的正极及充电（电解池）的阴极均得到电子，发生了还原反应，其变价元素被还原。

（6）可充电电池电极反应式的书写方法：

书写可充电电池电极反应式，一般都是先书写放电的电极反应式。

书写放电的电极反应式时，一般要遵守三步：

第一，先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目，指出参与负极和正极反应的物质；

第二，写出一个比较容易书写的电极反应式（书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存）；

第三，在电子守恒的基础上，总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。[来源:https://www.360docs.net/doc/746629979.html,]

充电的电极反应与放电的电极反应过程相反，充电的阳极反应为放电正极反应的逆过程，充电的阴极

反应为放电负极反应的逆过程。

【典例精讲】

【例1】下列有关说法中错误的是（）

A．某燃料电池用熔融碳酸盐作电解质，两极分别通入CO和O2，则通入CO的一极为负极，电极反应式为CO－2e-+CO32-＝2CO2

B．Zn粒与稀硫酸反应制氢气时，为加快反应速率，可在反应过程中滴加几滴CuSO4溶液

C．根据自发氧化还原反应Cu+2NO3-+4H+＝Cu2++2NO2↑+2H2O设计原电池，可在常温下用铜和铁作电极，使用浓硝酸作电解质溶液

D．原电池中电子从负极出发，经外电路流向正极，再从正极经电解液回到负极构成闭合回路

【答案】D

【解析】A．某燃料电池用熔融碳酸盐作电解质，两极分别通入CO和O2，通入燃料CO的一极是负极，电极反应式为CO－2e-+CO32-＝2CO2，A正确；B．Zn置换出Cu后与CuSO4溶液一起构成原电池，反应速率加快，B正确；C、在反应Cu+2NO3-+4H+＝Cu2++2NO2↑+2H2O中，Cu被氧化，应为原电池的负极，电解反应为：Cu-2e-＝Cu2+，NO3-得电子被还原生成NO2，应为原电池正极反应，正极材料为活泼性比Cu弱的金属或非金属材料，电解质溶液为浓硝酸，C正确；D、放电时，电子不进入电解质溶液，电解质溶液中通过离子定向移动形成电流，D错误，答案选D。

【例2】碱性电池具有容量大，放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌－锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：Zn＋2MnO2＋2H2O＝Zn(OH)2＋2MnOOH，下列说法错误的是（）A．电池工作时，锌失去电子

B．电池正极的电极反应式为：2MnO2＋2H2O＋2e－＝2MnOOH＋2OH－

C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极

D．外电路中每通过0.2 mol 电子，锌的质量理论上减少 6.5 g

【答案】C

【解析】A．根据电池总反应式，锌化合价在反应后升高，失去电子，正确；B．负极反应式为Zn(s)＋2OH

－－－2e－===Zn(OH)

2(s)，总反应式减去负极反应式得，电池正极的电极反应式为：2MnO2＋2H2O＋2e ＝2MnOOH＋2OH－，正确；C．根据原电池工作原理知，电子应从负极经外电路流向正极，错误；D．根据负极电极反应Zn(s)＋2OH－－2e－===Zn(OH)2(s)知，外电路中每通过0.2 mol 电子，锌的质量理论上减少6.5 g ，正确。

【考题精练】

1．下面是几种常见的化学电源示意图，有关说法不正确的是（）

A．上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池

B．干电池在长时间使用后，锌筒被破坏

C．铅蓄电池工作过程中，每通过2mol电子，负极质量减轻207g

D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源

【答案】C

【解析】A、干电池是一次性电池，铅蓄电池是可充电电池属于二次电池，氢氧燃料电池属于燃料电池，故A正确；B、在干电池中，Zn作负极，被氧化，故B正确；C、铅蓄电池工作过程中，硫酸铅在负极上析出，该极质量应该增加而非减小，故C错误；D、氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内，且工作的最终产物是水，故氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源，故D正确；答案为C。

2．锂离子电池已经成为新一代实用化的蓄电池，该电池具有能量密度大、电压高的特性。锂离子电池放电时的电极反应式为

负极反应：C6Li-xe-=C6Li1-x+xLi+（C6Li表示锂原子嵌入石墨形成的复合材料）

正极反应：Li1-x MO2+xLi++x e-=LiMO2（LiMO2表示含锂的过渡金属氧化物）

下列有关说法正确的是（）

A．锂离子电池放电时电池反应为LiMO2+C6Li1-x=C6Li+Li1-x MO2

B．锂离子电池充电时电池内部Li+向负极移动

C．锂离子电池放电时电池内部电流从负极流向正极

D．锂离子电池充电时阳极反应为C6Li1-x+xLi++xe-=C6Li[来源:Z§xx§https://www.360docs.net/doc/746629979.html,]

【答案】B

【解析】A．锂离子电池放电时是原电池，由所给电池正负极反应式加合得电池的总反应式为C6Li+Li（1-x）MO2=LiMO2+C6Li（1-x），故A错误；B．锂离子电池充电时是电解池，电池内部Li+向负极移动，故B