第2节 原电池 与化学电源 一、原电池原理 1.原电池 把 化学能 转化为 电能 的装置。 2.构成条件 活泼性 不同的电极(金属和金属或 (1)具有两个 金属和非金属)。 (2)具有 电解质 溶液。 (3)形成 闭合回路 (或在溶液中相互 接触 )。 3.原电池的两极 负极:活泼性 较强 的金属,发生 氧化 反应。 正极:活泼性 较弱 的金属或导体,发生 还原 反应。 4.电极反应式的书写和电荷移动方向 (1)电极反应式的书写(以Zn-Cu-H2SO4原电池为例) - 2+ 负极: Zn ,电极反应式:Zn-2e ===Zn 。 正极: Cu ,电极反应式: 2H++2e-===H2↑ 电池反应: Zn+2H+===Zn2++H ↑ 2 (2)电荷移动方向 电子由 负极 释放,经 外电路 沿导线流入 正极 ,电解质溶液中 的 阳离子 移向正极,在其表面得电子被 还原 ,形成一个闭合回 路。 二、化学电源 1.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。 2.铅蓄电池是一种二次电池,它的负极是 铅块 ,正极 是 二氧化铅 ,电解质溶液是30%的H2SO4溶液,它的电 池反应式为Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+ 2H2O。 3.碱性氢氧燃料电池的电极反应: 负极: 2H2+4OH--4e-===4H2O 正极: O2+2H2O+4e-===4OH- 电池反应为 2H2+O2===2H2O ; 。 由两个半电池构成的原电池中,盐桥的 作用是什么? 【提示】 (1)使两个半电池溶液连成一 个通路;(2)使两溶液保持电中性。 原电池原理 1.原电池工作原理 原电池的工作原理和电子流向可用下列图示表示: 2.原电池正负极判断 (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 (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 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 【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。 3.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。 化学腐蚀与电化学腐蚀 化学腐蚀 金属与接触到的干燥气 电化学腐蚀 不纯金属(或合金)接触到电解质 定 义 体(如O2、Cl2、SO2等)或 直接发生化学反应引起 的腐蚀 溶液所发生的原电池反应,较活 非电解质液体(如石油)等 泼金属失去电子被氧化而引起的 腐蚀 吸氧腐蚀(主要) 析氢腐蚀 条件 金属与物质直接接触 水膜中溶有O2, 显弱酸性或中性 水膜酸性较强 本质 金属被氧化而腐蚀 较活泼金属被氧化而腐蚀 现象 无电流产生 有微弱电流产生 负极:Fe-2e-===Fe2+ 反应 式 2Fe+3Cl2 2FeCl3 正极:2H2O+ O2+ 正极:2H++ 2e-===H2↑ 4e-===4OH- 联系 两种腐蚀往往同时发生,只是电化学腐蚀比化学腐蚀更 普遍、危害更大 【特别提示】 判断金属腐蚀的快慢,首先要确定金属腐蚀的类 型及该金属在“两池”中所作的电极种类,并按下列规律进行判断。 (1)金属腐蚀由快到慢的规律为: 电解池阳极>原电池负极>化学腐蚀>原电池正极>电解池阴极 (2)同一种金属在相同浓度的不同电解质溶液中的腐蚀快慢规律为: 强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液; 对于同一种电解质来说,电解质溶液浓度越大腐蚀越快;构成原电 池时,活泼性不同的两种金属,活泼性差别越大,作负极的金属腐 蚀越快。 [ 例 ] 钢铁很容易生锈而被腐蚀,每年因腐蚀而 损失的钢材占世界钢铁年产量的四分之一。 负极:2Fe-4e-===2Fe2+ 正极:O2+2H2O+4e-===4OH- (2)为了降低某水库的铁闸门被腐蚀的速率,可以采用图 甲所示的方案,其中焊接在铁闸门上的固体材料R可以采 C 用________ 。 A.铜 C.锌 B.钠 D.石墨 (3)图乙所示的方案也可以降低铁闸门的腐蚀速率,其中 负 铁闸门应该连接在直流电源的________ 极。 原电池原理的应用 1.加快氧化还原反应的速率 例如:在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速 率加快。 2.寻求和制造干电池和蓄电池等化学能源。 3.比较金属活动性强弱 例如:有两种金属a和b,用导线连接后插入到稀H2SO4中,观察到 a极溶解,b极上有气泡产生。根据现象判断出a是负极,b是正极, 由原电池原理可知,金属活动性a>b。 4.设计化学电池 例如:以2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2为依据, 设计一个原电池。 (1)将氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个 半反应,分别作原电池的负极和正极。电极反应 式: 负极:Cu-2e-===Cu2+;正极:2Fe3++2e- ===2Fe2+ (2)确定电极材料 如发生氧化反应的物质为金属单质,可用该金属直接作负极;如为 气体(如H2)或溶液中的还原性离子,可用惰性电极(如Pt、碳棒)作 负极。 发生还原反应的电极材料必须不如负极材料活泼。 本例中可用铜棒作负极,用铂丝或碳棒作正极。 (3)确定电解质溶液 一般选用反应物中的电解质溶液即可。如本例中可用FeCl3溶液作 电解液。 (4)构成闭合回路。 [例]