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仁寿一中北校区高2017级化学导学案（必修2）

本章重难点专题突破

第二课时

原电池

一、从氧化还原反应原理分析原电池

原电池是把化学能转化为电能的装置。构成原电池的条件有哪些？是不是所有的化学反应均可以设计成原电池呢？在学习过程中，这些问题可能一直使同学们感到困惑，下面我们一起来分析，解开困惑。

1．原电池与氧化还原反应的关系

我们在学习氧化还原反应时，经常用单线桥或双线桥标注电子转移的方向和数目，如：

氧化还原反应中存在电子的得失，在该反应中，线桥仿佛是一根导线，假如电子能在导线上流动，就会由电子的转移变成电子的定向移动，也就形成了电流。因此，并不是所有的反应均可以设计成原电池，只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池。

从单线桥上看，可将导线一端连接在锌极上，另一端当然不可能直接放在溶液中，因此可将另一端连接在一个能导电的电极上，如石墨电极。这样连接后，在整个装置中就会出现与原来不同的实验现象：氢气在石墨电极上大量产生。为什么会出现这样的现象呢？原因在于：当锌片直接放＋入硫酸溶液中时，锌失去的电子集中在锌片表面，溶液中的H在锌的表面获得电子生成氢气。而当锌、石墨共同放入硫酸溶液并用导线连接时，电子就会沿导线流向石墨电极，这样在石墨电＋极表面聚集了大量电子，溶液中的H移向石墨电极并获得这些电子生成氢气。在这个过程中，电子在导线中实现了定向移动，即形成了电流。这样，化学反应的化学能就转变成了电能，这样的装置我们称之为原电池。

2．原电池的构成

从以上分析可以看出，原电池是由两个活动性不同的电极、电解质溶液构成的闭合回

路，也就是说原电池的构造是：①两个活动性不同的电极；②电解质溶液；③闭合回

路，如图。

在原电池中，科学上规定把电子流出的一极称为负极(较活泼的金属)；把电子流入的

一极(较不活泼的金属或惰性电极)称为正极。在上面的原电池中，锌为负极，发生氧化反应：Zn－＋＋－－2e===Zn2，石墨为正极，发生还原反应：2H＋2e===H2↑，这两个半反应恰好是氧化还原反应中的两个线桥。

也就是说，原电池实质上是将氧化反应和还原反应分到了两个电极上进行，使其分别成为一个“半反应”，因此，根据氧化还原反应方程式可以很容易地设计原电池装置。

【典例1】

人造地球卫星上使用的一种高能电池——银锌蓄电池，其电池的电极反应式为Zn－－－－＋2OH－2e===ZnO＋H2O，Ag2O＋H2O＋2e===2Ag＋2OH。据此判断Ag2O是(

) A．负极，被氧化

B．正极，被还原

C．负极，被还原

D．正极，被氧化

3．电子的流向及离子的流向

整个原电池装置是一个闭合回路，在外电路中(导线)是靠电子的定向移动导电，在溶液中则是靠阴、阳离子的定向移动导电。在外电路中，电子是由负极流向正极，电流的方向与电子移动的方向相反，由正极流向负极。在溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极，这里我们只需记住：阳离子一定移向发生还原反应的极，即阳离子一定是为获得电子而奔去。

原电池的工作原理(以铜锌原电池为例)如下图所示：

【典例2】

铅蓄电池是典型的可充电电池，电动车的动力多

数以铅蓄电池提供，其工作原理是原电池放电原理。关于铅蓄

电池的说法正确的是(

) －－A．在放电时，正极发生的反应是Pb＋SO24－2e===PbSO4

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B．在放电时，该电池的负极材料是铅板

C．在充电时，电池中硫酸的浓度不断变小

D．在充电时，阳极发生的反应是PbSO4＋2e===Pb2－＋SO4

理解感悟

如果正确理解了原电池的工作原理，就能准确回答这个问题：放电时，负极Pb被氧化为PbSO4，充电时应将PbSO4

还原为Pb，故充电时该极应作阴极，与电源负极相连；正极PbO2被还原为PbSO4，充电时应将PbSO4氧化为PbO2，故该极应作阳极，与电源正极相连。故充电时的原则是“＋接＋，－接－”。

另外，对于铅蓄电池，根据放电时总反应式，H2SO4的浓度会不断减小，所以应定期补充H2SO4。

二

原电池正极和负极的判断方法

1．根据电极材料判断

一般是活泼的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。

2．根据电流方向或电子流动方向判断

电流由正极流向负极；电子由负极流向正极。

3．根据原电池里电解质溶液中离子的移动方向

在原电池的电解质溶液中，阳离子移向的极为正极，阴离子移向的极为负极。

4．根据原电池两极发生的变化判断

原电池的负极发生失电子的氧化反应，正极发生得电子的还原反应。

5．根据现象判断

溶解的一极为负极，增重或有气泡放出的一极为正极。

特别提示

在判断原电池正、负极时，不要只根据金属活动性的相对强弱，有时还与电解质溶液有关，如Mg－Al和NaOH溶液构成的原电池中，由于Mg不与NaOH溶液反应，虽然金属性Mg>Al，但在该条件下却是Al作负极。因此要根据具体情况来判断正、负极。

＋＋【典例3】

根据反应：2Ag＋Cu===Cu2＋2Ag，设计如图所示原电池，下列说法错误的是(

) A．X可以是银或石墨

B．Y是硫酸铜溶液

＋－C．电子从铜电极经外电路流向X电极

D．X极上的电极反应式为Ag＋e===Ag 【典例4】

氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。如图为电池示意图，

该电池电极表面镀一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定。请回答：

(1)氢氧燃料电池能量转化的主要形式是____________________，在导线中电子移动方

向为________(用a、b表示)。

(2)负极反应式为_____________________________________________________。

(3)电极表面镀铂粉的原因是_______________________________________________ ________________________________________________________________________。

(4)该电池工作时，H2和O2连续由外部供给，电池可连续不断地提供电能。因此，大量

安全储氢是关键技术之一。

金属锂是一种重要的储氢材料，其吸氢和放氢原理如下：

Ⅰ.2Li＋H2=====2LiH Ⅱ.LiH＋H2O===LiOH＋H2↑

①反应Ⅰ中的还原剂是________________，反应Ⅱ中的氧化剂是________________；

－②已知LiH固体密度为0.82 g·cm3，用锂吸收224 L(标准状况下)H2，生成的LiH体积与被吸收的H2体积比为_____________________________________________________________；

③由②生成的LiH与H2O作用，放出的H2用作电池燃料，若能量转化率为80%，则导线中通过电子的物质的量为________mol。

三

原电池的电极反应及其书写方法

电极上物质的变化情况以及电子的转移情况可用电极反应式来表明。在原电池中，氧化反应和还原反应是分别在两个电极上进行的，每个电极上只发生一个方向的电子转移，相当于氧化还原反△－

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应的一半，常称为半反应。这种在电极上进行的半反应叫做电极反应。电极反应总是涉及含有同一元素但价态不同的两种物质，一种处于较高价态，另一种处于较低价态。以Cu－Zn(H2SO4)原电池为例：

－＋＋－负极反应：Zn－2e===Zn2(氧化反应)，正极反应：2H＋2e===H2↑(还原反应)。

而电池总反应则为电池中正、负极反应式在电量相等情况下的加和式，一般是一个自发的、完整的氧化还原反应。例如原电池的电池总反应：Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑(化学方程式)，Zn＋2H＋＋===Zn2＋H2↑(离子方程式)。

【典例5】

钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2。以下说法正确的是(

) －＋－－A．负极发生的反应为Fe－2e===Fe2

B．正极发生的反应为2H2O＋O2＋2e===4OH

C．原电池是将电能转变为化学能的装置

D．钢柱在水下部分比在空气与水交界处更容易被腐蚀

1．电极反应式书写的几种情况

(1)可充电电池电极反应式的书写

在书写可充电电池的电极反应式时，由于电极都参加反应，且正方向、逆方向反应都能进行，所以要明确电池和电极，放电时为原电池，充电时为电解池。原电池的负极反应为放电方向的氧化反应；原电池的正极反应为放电方向的还原反应。

(2)根据给出电极反应式书写总反应式

根据给出的两个电极反应式，书写总反应式时，首先要使两个电极反应式的得失电子数相等，再将两式相加，然后消去反应物和生成物中相同的物质即可。注意，若反应式同侧出现不能大量共＋－＋－存的离子，如H和OH、Pb2和SO24，要写成反应后的物质，即H2O和PbSO4。

(3)燃料电池电极反应式的书写

书写燃料电池的电极反应式时，首先要明确电解质是酸还是碱。在酸性电解质溶液中，电极反应－＋式不要出现OH；在碱性电解质溶液中，电极反应式不要出现H。同时还要分清燃料是H2还是含碳燃料(CO、CH4、CH3OH、C4H10、C2H5OH……)，但无论是哪一种燃料，在碱性条件下，－－正极反应式都是一样的，即O2＋2H2O＋4e===4OH，若是酸性条件下，则正极反应式为O2＋＋－4H＋4e===2H2O。如果是含碳燃料时，负极反应式的书写同甲烷燃料电池的书写，只是需要考虑用电荷守恒来配平不同的计量数。

2．几种燃料电池的电极反应式及总反应式

(1)氢氧燃料电池

在不同的介质中发生的电极反应归纳如下：

介质

电池反应：2H2＋O2===2H2O

－＋负极

2H2－4e===4H

＋酸性(H) ＋－正极

O2＋4H＋4e===2H2O

－＋负极

2H2－4e===4H

中性(Na2SO4) －－正极

O2＋2H2O＋4e===4OH

－－负极

2H2－4e＋4OH===4H2O －碱性(OH) －－正极

O2＋2H2O＋4e===4OH

(2)甲醇燃料电池

－－－电解质：KOH；正极反应式：3O2＋6H2O＋12e===12OH；负极反应式：2CH3OH＋16OH－12e－－===2CO23＋12H2O；总反应式：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O。

(3)肼燃料电池

－－－－电解质：KOH；正极反应式：O2＋2H2O＋4e===4OH；负极反应式：N2H4＋4OH－4e===N2＋4H2O；总反应式：N2H4＋O2===N2＋2H2O。

【典例6】

科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机酸转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池中发电，电池负极反应式为(

) －－＋－A．H2＋2OH－2e===2H2O

B．O2＋4H＋4e===2H2O －＋－－C．H2－2e===2H

D．O2＋2H2O＋4e===4OH