人教版高二化学 第十一章 第四节 原电池原理及应用

人教版高二化学 第十一章 第四节 原电池原理及应用

‎ ‎ ‎ ‎ 第四节 原电池原理及其应用 ‎ ‎ ‎ 新大纲要求:‎ ‎ (1)原电池工作原理、构成条件；‎ ‎ （2）电极判断、电极反应和电池反应书写；‎ ‎ （3）金属的腐蚀防护；‎ ‎ （4）原电池有关计算 ‎ 一、知识点巩固 ‎ 史料：电池是如何发明的？‎ 电池在我们今天的生活中，可以说已经成为不可离开的东西了：大到汽车用的蓄电池，小到电子表上的纽扣电池。你可知道，200多年前的电池发明过程中有一段曲折的故事，它至今仍能给我们以有益的启迪。‎ ‎ 1800年，英国皇家学会会长收到了意大利帕费亚大学物理学教授伏打 (A．Volta，1745-1827)的一封信，信中说他制成了一种能够提供“不会衰竭的电荷及无穷的电力”的仪器，这里所说的那种仪器，就是后来所说的伏打电池。那么，伏打是如何发明出这种电池的呢？‎ 事情还须回到一年前：伏打收到他的同胞、生理学家伽法尼的一篇论文。文中谈到他的一次偶然发现：当他把悬有去了皮的青蛙腿的铜钩挂在铁架台上，发现蛙腿会发生奇异的痉挛现象。伽法尼从职业本能出发，把注意力集中到了肌肉收缩上，认为这是一种由生物电引起的现象。起初伏打也曾这样想，不久便对此产生了怀疑。物理学家的敏感把他的注意引到了两种金属的接触上，他的结论是“接触电”或“金属电”，而非“生物电”。‎ ‎ 接下来，伏打做的实验就是把不同的两种金属(锌和铜)放进食盐水中进行实验。他成功了！世界上第一个原电池——伏打电池就此诞生！ 1801年，拿破仑把伏打召到巴黎，亲自授予奖章和奖金，并给予许多优厚待遇。‎ ‎1．原电池 ‎ （1）原理（以伏打电池为例作图说明）‎ ‎ Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑‎ ‎①电极名称的确定 从电子流向上看 ‎ 从氧化还原反应中看 ‎ 金属的活泼性上看 ‎ 胶粒的电泳、离子的定向移动等 ‎ ②反应原理:氧化反应 Zn—2e=Zn2+ ‎ ‎ 还原反应 2H++Fe=H2↑‎ ‎ 原电池能化学能转化为电能的一种装置，是将氧化反应和还原反应分别在两极进行的氧化-还原反应装置 ‎ - 9 -‎ ‎ （2）构成条件（介绍一下通过盐桥也可构成原电池）‎ ‎ ①两个活泼性不同的电极 ‎ ②电解质溶液(单独的电极不一定能电解质溶液反应)‎ ‎ ③形成闭合回路(或在溶液中接触)‎ ‎ 2．金属腐蚀及防护 ‎ 金属腐蚀：金属或合金周围接触到的物质进行化学反应而使金属消耗的过程 ‎ 类型 ‎ （1）化学腐蚀：金属与非金属直接接触而发生反应的腐蚀。‎ ‎ （2）电化腐蚀析:以构成微型原电池的形式进行的金属腐蚀；‎ ‎ ①氢腐蚀吸 ‎ ‎ ②吸氧腐蚀 ‎ 以钢铁在空气中的锈蚀为例说明 条件、现象、本质、联系 ‎ （3）金属腐蚀的快慢判断方法：‎ ‎ 原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防腐蚀措施的腐蚀。‎ 同一种金属腐蚀：强电解质>弱电解质>非电解质溶液。‎ ‎ （3）防护方法 ‎ ①改变金属的内部组织结构 ‎ ②在金属表面覆盖保护层 ‎ ③电化学保护法 ‎ 二、重点难点释疑 ‎ 1．元素金属性强弱的比较方法（引导学生回答） ‎ ‎ 元素的金属性越强，单质越易失电子，其还原性越强；阳离子得电子能力越弱，阳离子的氧化性越弱。‎ ‎(1)根据元素在周期表中的位置进行比较。‎ ‎ 原子的最外层电子数越少，电子层数就越多，原于核对最外层电子的引力越小，原子越易失电子，其元素的金属性越强，而原子结构可以根据该元素在周期表中的位置反映出来 ‎ (2)根据不同单质与同一氧化剂的反应进行比较。‎ ‎ (3)根据最高价氧化物的水化物的碱性强弱进行比较。‎ ‎ 元素的最高价氧化物的水化物的碱性越强，元素的金属性越强。‎ ‎ (4)根据置换反应进行比较 ‎ ‎ (5)根据原电池电极进行比较：原电池正极的金属性较负极弱。‎ ‎ (6)根据电解时阳离子放电的先后进行比较。‎ ‎ 电解时越易放电(得电子)的阳离子，对应元素的金属性越弱。‎ ‎ 2．电池的分类及电极反应 ‎ 按照其使用性质可分为：干电池、蓄电池、燃料电池。‎ ‎ 按电池中电解质性质分为：碱性电池、酸性电池、中性电池。‎ ‎ ①干电池也称一次电池，即电池中的反应物质在进行一次电化学反应放电之后就不能再次使用了。现在所用的一次电池主要有：锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银扣式电池。‎ ‎ ②蓄电池是可以反复使用、放电后可以充电使活性物质复原、以便再重新放电的电池，也称二次电池。该类电池主要有：铅蓄电池、碱式镍镉电池、氢镍电池。‎ ‎ - 9 -‎ ‎ ③燃料电池在工作时不断从外界输入氧化剂和还原剂，同时将电极反应产物不断排出电池。燃料电池是直接将燃烧反应的化学能转化为电能的装置，能量转化率高，具有节约燃料、减小污染的特点。‎ ‎ ④新型高能电池。随着科技发展，在原有原始电池基础上，发展了一些新型高性能电池并已在社会生产生活各方面广泛应用，如：锂－二氧化锰非水电解质电池、钠－硫电池、海洋电池。‎ ‎ 几种常见电池及电极反应 ‎ 化学电池是将化学能转变为电能的装置，主要部分包括正负两电极和电解质。本文简单介绍多种化学电池的电极反应，以便读看大致解一些化学电池工作时发生的化学反应。‎ ‎ 干电池 ‎ （1）锌锰干电池 Zn|NH4Cl溶液|C ‎ 锌锰干电池的负极为锌筒，正极为石墨棒，放电时电极反应为：‎ ‎ 负极Zn-2e-=Zn2+‎ ‎ 正极2Mn02+2NH4++2e=Mn2O3+H2O+2NH3 ‎ ‎ 总反应一般写成： ‎ ‎ Zn+2NH4++2MnO2 =Mn2O3+H2O+2NH3 +Zn2+‎ ‎ 负极生成的Zn2+在一定程度上与正极生成的 NH3分子化合而生成锌氨复杂离子(较正式的名称为锌氨配离子[Zn(NH3)4]2+。‎ ‎ （2）碱性锌锰电池 Zn|NaOH溶液|C ‎ 电极反应一般写成：‎ ‎ 负极Zn+20H-+2e-=ZnO+H20 ‎ ‎ 正极2Mn02+2H2O +2e-=Mn203+H2O+20H-‎ ‎ 总反应方程式请读者自行写出。‎ ‎ 以上两种电池都是原电池，使用到一定程度便报废，不能充电再生。‎ ‎ 蓄电池 ‎ 可充电能多次使用，一般正负电极都参与反应（干电池只有负参与反应）‎ ‎ （1）铅蓄电池 Pb|H2SO4|PbO2‎ ‎ 与原电池不同，蓄电池在使用到一定程度，可用外来直流电源将其充电再生，重复使用。例如铅蓄电池在使用中（即放电中）的电极反应为 ‎ 负极Pb+SO42--2e=PbSO4 ‎ ‎ 正极Pb02+SO42-+4H++2e=PbS04+2H2O ‎ ‎ 放电时总反应方程式写成：Pb+Pb02+2H2S04=2PbS04+H2O ‎ 由此可理解为什么铅蓄电池在使用中两极有白色固体(PbS04)生成，而电池中硫酸的浓度逐渐减小。当使用到一定程度，相应的硫酸的密度降低到一定值(约为1.28克·厘米-3)时，该蓄电池便必须充电后才能继续使用。充电时将原来的负极作阻极、正极作阳极，充电过程中阴、阳两极发生的反应分别是放电时负、正两极所发生的反应的逆反应。充龟时电池韵总反应则是放电时总反应的逆反应。‎ ‎ （2）镍镉电池镍镉蓄电池 ‎ 在充电后正极 (镍)上有Ni(OH)3，负极主要是镉(含有一些铁)，所用电解质为KOH溶液。放电时发生的电极反应式一般可写成：‎ ‎ - 9 -‎ ‎ 负极：Cd+20H--2e-=Cd(OH)2‎ ‎ 正极2Ni(OH) +3e-= 2Ni(OH)2+20H-电池总反应式请读者自行写出。根据这种蓄电池的原理已制成千电池形式的镍镉电池。这种干电池在使用过程中也可以充电。‎ ‎ （3）银锌蓄电池 ‎ 放电时电极反应可写成：‎ ‎ 负极Zn+20H--2e-=ZnO+ H2O ‎ ‎ 正极Ag2O+H20+2e-=2Ag+20H- ‎ ‎ 电池总反应为：Zn+Ag2O=ZnO+2Ag ‎ 微型纽扣式银锌电池由正极壳、负极盖 (二者都用不锈钢做成)、绝缘密封圈、隔离膜、正极活性材料(AgO和少量石墨粉，后者起导电作用)、负极活性材料(含汞量很少的锌汞合金)、电解质溶液(浓KOH溶液)等组装而成。质量较好的可用约1年，最好的可用约2年。手表中用的一般就是这种纽扣式电池。这种电池用完后即报废，不再去充电。‎ ‎ 为什么在纽扣式银锌电池中的负极活性材料用的不是单纯的锌而是含汞量很少的锌汞合金?这是因为如果用了单纯的锌，电池在未工作时(即空置时)就会被电池中的电解质溶液腐蚀而放出氢气,以致影响电池的使用寿命，而改用含汞虽然很少的锌汞合金的话，可以使电池在未工作时锌极被腐蚀的过程被阻止到最小的程度。不仅银锌电池是这样，在其它某些电池中也采取同样的措施。如在制造锌锰干电池的传统工艺中，锌皮用氯化汞溶液处理，部分锌发生了反应：Zn+ Hg2+=Zn2++Hg生成的汞与未起反应的锌形成锌汞合金。制造过程中控制HgCl2的用量，使生成的合金中含汞仅约0.25％。汞太多则使锌变脆。近年来正在研究干池等中不用汞的工艺以避免汞污染的危害。‎ ‎ 燃料电池 ‎ （1）氢氧燃料电池 ‎ 电极反应为：‎ ‎ 负极：H2+2OH—-2e=H2O ‎ ‎ 正极02+2H2O +2e=40H- ‎ ‎ 一般用30％K0H溶液作这种电池的电解质溶液。电极可用含有催化剂的多孔石墨电极(负极中催化剂可用铂或钯，正极中催化剂可用 AgO或CoO)。‎ ‎ （2）甲烷燃料电池 ‎ 结构与氢氧燃料电池类似。电极反应为： ‎ ‎ 负极 CH4+10OH--8e=CO32-+7H2O ‎ ‎ 正极 02+2H20+4e=40H-‎ 题目：固体氧化物燃料电池是由美国西屋（Westinghouse）公司研制开发的。它以固体氧化锆 一 氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子（）在其间通过。该电池的工作原理如图3所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是（ ）‎ A．有放电的a极为电池的负极 B．有放电的b极为电池的正极 ‎ - 9 -‎ C．a极对应的电极反应为 D．该电池的总反应方程式为 ‎ 其它：‎ ‎ （1）海水电池1991年我国首创的以铝—空气—海水组成的新型电池，可用于航标灯中。该电池用铝作负极、石墨作正极。电极反应为：‎ ‎ 负极4Al-12e=4Al3+‎ ‎ 正极302+6H2O +12e=120H-‎ ‎ 由于Al3+可与0H-化合生成Al(OH)3，所以该电池的总反应方程式为：‎ ‎4A1+302+6H2O=4Al(OH)3，该电池的能量比普通干电池(锌锰电池)高20-50倍。‎ ‎ （2）锂电池 ‎ ‎ Li|LiI|I2 ‎ ‎ 用锂作负极的电池统锂电池。在锂电池中不能使用电解质水溶液(为什么?)。迄今已陆续发明了不少品种的锂电池，其中最著名的是锂碘电池。这种电池中的电解质是固体电解质LiI，其中的导电离子是I-。该电池的电极反应为：‎ ‎ 负极 2Li-2e=2Li+‎ ‎ 正极 I2+2e=2I-‎ ‎ Li|LiAlCl4 (SOCl2)|C ‎ 总反应是：8Li+ 3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S ‎ 试写出电极反应式 ‎ 负极：______________________________‎ ‎ 正极：____________________________________‎ ‎ 微型锂碘电池可作植入某些心脏病人体内的心脏起搏器所用的电源，使用寿命长达10年，并有可能达14年，且对人体无不良影响。由于这种电池制作过程很复杂，所以价格昂贵。心脏起搏器中最早使用的电源为 Zn-Hg0电池，其使用寿命只有1.5-2年。‎ ‎ ‎ ‎ 典型例题精析 ‎ [例1] 以下现象与电化腐蚀无关的是 ‎ A．黄铜(铜锌合金)制作的铜锣不易产生铜绿 ‎ B．生铁比软铁芯(几乎是纯铁)容易生锈 ‎ C．锈制器件附有铜质的配件，在接触处易生铁锈 ‎ - 9 -‎ ‎ D．银质奖牌久置后表面变暗 ‎ [解析] D。本题考查对电化腐蚀的理解。‎ ‎ 电化腐蚀是指不纯的金属(或合金)，接触到电解质溶液时发生了原电池反应，比较活泼的金属原子失去电子而被氧化所引起的腐蚀。‎ ‎ 选项A中黄铜是铜锌合金，可以构成原电池，但铜没有锌活泼，被腐蚀的是锌而不是铜，所以不易产生铜绿；‎ ‎ 选项B中生铁是铁碳合金，可以构成原电池而使铁腐蚀生锈，软铁芯几乎是纯铁，不构成原电池。‎ ‎ 选项C中铁与铜接触则构成原电池，铁比铜活泼，铁就腐蚀生成铁锈。‎ ‎ 所以A、B、C三个选项的现象均与电化腐蚀有关。‎ ‎ 选项D中银质奖牌是由较纯的银制做的，不构成原电池，久置后表面变暗是跟空气中的多种物质反应造成的。‎ ‎ [例2] 有一种原电池，它的一个电极材料是Ni02(在碱中NiO2氧化性比O2更强，还原产物是+2价的镍的化合物，另一电极是铁，电解质溶液是21％的氢氧化钾溶液。下列对电池的叙述和有关反应正确的是 ‎ A．此电池必须密封，防止空气进入 ‎ B．铁是负极，放电时，铁失电子成能自由移动的Fe2+，负极反应是：Fe-2e-→Fe2+‎ ‎ C．放电时，正极反应是：2H++2e-→H2↑‎ ‎ D．放电时，正极反应为：Ni02+2e-→Ni2++202-‎ ‎ E．放电时的总反应为：Fe+NiO2+2H20=Fe(OH)2+Ni(OH)2‎ ‎ [解析] 因电池的电解质是KOH溶液，应防止与空气接触，否则KOH会与空气中的CO2发生反应生成K2C03，所以A正确。书写电池电极反应时，也要遵循离子反应书写原则，能溶于水的强电解质才能写成离子。此外还要注意电解质溶液的酸碱性。在酸溶液中，可能发生消耗H+和产生H+的反应，不可能发生消耗 OH-和生成OH-的反应；在碱溶液中，一般可能发生消耗OH-和生成OH-的反应，不发生消耗 H+或生成H+弱碱金属离子的反应。因此B、C、 D选项是错误的。在KOH溶液中，负极反应的产物是Fe(OH)2：‎ ‎ Fe-2e-+2OH-→Fe(OH)2‎ ‎ 正极反应为：NiO2+2e-+2H20→Ni(OH)2+20H-‎ ‎ 从正负电极反应可判断选项E是正确的。‎ ‎ [例3] 有人设计一种燃料电池，是利用乙烷与氧气反应的化学能转化成电能。用吸咐在多孔镍板上的乙烷作负极材料，用吸附在多孔镍板上的空气作正极材料，30％的氢氧化钾溶液为电解质。试写出这种燃料电池放电时正负电极反应和总反应的离子方程式。‎ ‎ [解析] 乙烷在O2中燃烧的反应式为：‎ ‎ 2C2H6+702→4CO2+6H20‎ ‎ 在电池的碱性环境下负极乙烷缓氧化产物之一是K2CO3以，2mol乙烷共失电子28mol，乙烷中+1价的氢变成水和生成CO32-都要消耗 OH-，方程式各物质的系数可根据元素守恒和电荷守恒进行配平。正极上是O2得电子首先生成02-，02-在溶液中不能存在而与水电离出的H+结合生成OH-。有关反应为：‎ ‎ 负极：2C2H6+360H--28e→4CO32-+24H20‎ ‎ 正极：7O2+28e-+14H20→28OH-‎ ‎ - 9 -‎ ‎ 总反应：2C2H6+702+80H-→CO32-+10H20‎ ‎ [例4] 下列关于实验现象的描述不正确的是 ‎ A．把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中，铜片表面出现气泡 ‎ B．用锌片做阳极，铁片做阴极，电解氯化锌水溶液，铁片表面出现一层锌 ‎ C．把铜片插入三氯化铁溶液中，在铜片表面出现一层铁 ‎ D．把锌粒放人盛有盐酸的试管中，加入几滴氯化铜溶液，气泡放出速率加快。‎ ‎ [解析] C。本题考查电化学知识，涉及到原电池、电解、电镀等多方面知识。涵盖内容比较广，能够考查考生知识的全面性和综合性。‎ ‎ 选项A：把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中，即可构成Cu—Fe原电池。由于铁比铜金属性强，所以铁失去电子做负极，铜片做正极，氢离子在铜片上得电子，发生还原反应，放出氢气，所以铜片表面出现气泡。‎ ‎ 选项B：是一个电解池，阳极发生氧化反应： Zn-2e-=Zn2+，阴极发生还原反应。Zn2++ 2e-=Zn，因此实际上就是电镀，做阴极的铁片为镀件，其表面镀上一层锌。‎ ‎ 选项C：由于Fe3+离子的氧化性较强，可将 Cu氧化，而自身被还原为Fe2+‎ ‎2Fe3++Cu= 2Fe2++Cu2+。但不能生成单质铁。‎ ‎ 选项D．纯锌与盐酸的反应速率较慢，当滴入几滴CuCl2溶液后，可发生：Zn+Cu2+=Zn2++Cu的反应，这时在锌的表面会附着上铜，这样就可以构成Cu-Zn原电池而发生电化学反应，锌做原电池的负极：Zn-2e-=Zn2+，铜做原电池的正极：2H++2e-=H2↑。由于可构成无数个微电池，大大加快了反应速率。‎ 例5.熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视,可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混和物作电解质,CO为阳极燃气,空气与CO2的混和气为阴极助燃气,制得在650℃下工作的燃料电池.完成有关的电池反应:（2000年理科高考综合卷26题）‎ 阳极电极反应式:2CO+2CO32-→4CO2+4e 阴极反应:__________总反应式___________________‎ 解题思路：直接书写阴极的电极反应较困难，而总反应式的书写较容易，针对此情况，在此不妨打破常规，进行逆向思维。先写出难度较小的总反应式，再根据题给条件的阳极电极反应式写出阴极反应式。‎ ‎ 2CO+O2 = 2CO2‎ ‎—（2CO+2CO32-→4CO2+4e）‎ ‎ O2+4e+CO2=CO32-‎ 由于阳极气和阴极气反应后生成的CO2不和Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混和物反应，所以总反应就是2CO+O2=2CO2 。 ‎ 将总反应式减去信息中提供的阳极电极反应：‎ ‎ 就能得到阴极电极反应式：‎ ‎ - 9 -‎ 知识点针对性训练 ‎1．电子表所用电池材料为Zn和Ag2O，电解质溶液为KOH，电极反应 Zn+20H--2e- →Zn0+H2O， Ag20+H20+2e-→2Ag+2OH-列正确项 （ ）‎ ‎ A．Zn为正极，Ag20为负极 ‎ ‎ B．Zn为负极，Ag2O为正极 ‎ C．电池工作时负极区溶液PH减小 ‎ D．电池工作时负极区溶液PH增大 ‎2．实验先用铅蓄电池作为电源电解饱和食盐水，已知电池反应为 ‎ 负极：Pb-2e-+SO42-→PbSO4 正极：Pb02+4H++SO42-+2e-→PbSO4+2H2O今制取0.05molCl2耗H2SO4物质的量为 （ ）‎ ‎ A．0.025mol B．0.05mol C．0.1mol D．0.20mol ‎3．X、Y、Z、W四种金属，X可以从Y的盐溶液中 置换出Y、X和Z组成原电池时，Z为正极。Y和Z两种离子在同一溶液中被电解时阴极上只析出Y，M离子氧化性大于Y离子，则四种金属活泼性由强到弱顺序为 （ ）‎ ‎ A．X、Y、Z、M B．X、Z、M、Y C．M、Z、X、Y D．X、Z、Y、M ‎4．下图中各烧杯里的铁钉，生锈最快的是 （ ）‎ ‎5．某原电池总反应离子方程式为：2Fe3++Fe=3Fe2+，不能实现该反应的原电池是 （ ）‎ ‎ A．正极为Cu、负极为Fe，电解质溶液为FeC13溶液 ‎ ‎ B．正极为C、负极为Fe，电解质溶液为Fe(NO3)3溶液 ‎ ‎ C．正极为Fe、负极为Zn，电解质溶液为Fe2(SO4)3溶液 ‎ D．正极为Ag、负极为Fe，电解质溶液为CuSO4溶液 ‎6．铅蓄电池放电时的电极反应为 （ ） 负极：Pb-2e-+SO42-→PbSO4 正极：Pb02+4H++SO42-+2e-→PbSO4+2H2O ‎ 当溶解20.72gPb时，消耗H2S04物质的量为 ‎ ‎ A．0.05mol B．0.1mol C．0.15mol D．0.2mol ‎7．右边为一原电池的示意图，在原电池两电极之间设有隔膜，隔膜有微孔，离子可自由通 ‎ ‎ - 9 -‎ ‎ ]过。此电池的负极材料是____________________‎ ‎ 放电时被__________________，‎ ‎ 正极材料是____________________，‎ ‎ 电池总反应式_______________。‎ ‎ 放电时，电子由___________极流向____________极，‎ ‎ 电流由____________极流向____________，‎ ‎ 电解质溶液中的Zn2+和Cu2+移向____________，‎ ‎ 但其中只有____________在电极上被还原。‎ 生活中的化学 ‎9．埋在地下的输油铸铁管道，在下列各种情况下，被腐蚀速度最慢的是 （ ）‎ ‎ A．在含铁元素较多的酸性土壤中 ‎ B．在潮湿疏松透气的土壤中 ‎ C．在干燥致密不透气的土壤中 ‎ D．在含碳粒较多、潮湿透气的中性土壤中 ‎10．电子计算器中所用纽扣式电池为银锌电池，其电极分别为Ag20和Zn，电解质溶液为KOH溶液，电极反应：‎ Zn+20H-2e-=Zn(OH)2 Ag20+H20+2e-=2Ag+20H-，‎ 总反应式为：Ag20+H2O+Zn=Zn(OH)2+2Ag下列叙述正确的是 （ ）‎ ‎ A．电流由锌经外电路流向氧化银 ‎ B．锌是阴极，氧化银是阳极 ‎ C．锌是负极，氧化银是正极 ‎ D．工作时，负极区溶液pH减小，正极区pH 实验设计 ‎ 试设计一个原电池，使之发生的总反应式为：2FeCl3+Cu=CuCl2+2FeCl2，画出装置图，并导出正、负极电极反应式。‎ ‎ ‎ ‎ - 9 -‎