原电池、电解原理及其应用专题.ppt

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1、1,原电池与电解池及应用1)了解能源是人类生存和社会发展的重要基础。了解化学在解决能源危机中的重要作用。2）了解原电池和电解池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式。了解常见化学电源的种类及其工作原理。3）理解金属发生电化学腐蚀的原因，金属腐蚀的危害，防止金属腐蚀的措施。,2,1、概念：原电池是_的装置。原电池反应的本质是_反应。,将化学能转化为电能,氧化还原反应,例：如右图所示，组成的原电池：（1）当电解质溶液为稀H2SO4时：Zn电极是_（填“正”或“负”）极，其电极反应为_，该反应是_（填“氧化”或“还原”，下同）反应；Cu电极是_极，其电极反应为_,该反应是_反应。,（2）当电解质

2、溶液为CuSO4溶液时：Zn电极是_极，其电极反应为_，该反应是_反应；Cu电极是_极，其电极反应为_,该反应_反应.,一、原电池,3,氧化反应,Zn-2e=Zn2+,铜锌原电池,电解质溶液盐桥,失e，沿导线传递，有电流产生,还原反应,Cu2+2e-=Cu,阴离子,阳离子,总反应：,负极,正极,Cu2+2e-=Cu,Zn-2e-=Zn2+,Zn+Cu2+=Zn2+Cu,Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu,(离子方程式）,（化学方程式）,电极反应,正极：,负极：,（氧化反应）,（还原反应）,阳离子,2、原 电 池 原 理,外电路,内电路,4,3、原电池的形成条件：两极一液一连线,（1）有两种活动

3、性不同的金属（或一种是非金属单质或金属氧化物）作电极。,（2）电极材料均插入电解质溶液中。,（3）两极相连形成闭合电路。,（4）内部条件：能自发进行氧化还原反应。,5,4、原电池的正负极的判断方法,电子流出的极电子流入的极,负极正极,较活泼的电极材料较不活泼的电极材料,质量增加的电极工作后 质量减少的电极,负极正极,正极负极,工作后，有气泡冒出的电极为正极,发生氧化反应的极发生还原反应的极,负极正极,6,造成的主要原因：由于在铜极上很快就聚集了许多氢气泡，把铜极跟稀硫酸逐渐隔开，这样就增加了电池的内阻，使电流不能畅通。这种作用称为极化作用。,二、对原电 池工作原理的进一步探究,为了避免发生这种

4、现象，设计如下图所示的原电池装置，你能解释它的工作原理吗？,？提出问题：右图是我们在必修2中学习过的将锌片和铜片置于稀硫酸的原电池，如果用它做电池，不但效率低，而且时间稍长电流就很快减弱，因此不适合实际应用。这是什么原因造成的呢？有没有什么改进措施？,7,此电池的优点：能产生持续、稳定的电流。,锌半电池，铜半电池,8,实验：,实验探索,实验现象：,分析：改进后的装置为什么能够持续、稳定的产生电流？盐桥在此的作用是什么？,有盐桥存在时电流计指针发生偏转，即有电流通过电路。取出盐桥，电流计指针即回到零点，说明没有电流通过。,盐桥制法：1)将热的琼胶溶液倒入U形管中(注意不要产生裂隙)，将冷却后的U

5、形管浸泡在KCl或NH4NO3的饱和溶液中即可。2)将KCl或NH4NO3的饱和溶液装入U形管，用棉花都住管口即可。,9,盐桥的作用：（1）使整个装置构成通路，代替两溶液直接接触。,得出结论,由于盐桥（如KCl）的存在，其中阴离子Cl-向ZnSO4溶液扩散和迁移，阳离子K+则向CuSO4溶液扩散和迁移，分别中和过剩的电荷，保持溶液的电中性，因而放电作用不间断地进行，一直到锌片全部溶解或 CuSO4溶液中的 Cu2+几乎完全沉淀下来。若电解质溶液与KCl溶液反应产生沉淀，可用NH4NO3代替KCl作盐桥。,（2）平衡电荷。在整个装置的电流回路中，溶液中的电流通路是靠离子迁移完成的。取出盐桥，Zn

6、失去电子形成的Zn2+进入ZnSO4溶液，ZnSO4溶液因Zn2+增多而带正电荷。同时，CuSO4则由于Cu2+变为Cu，使得 SO42-相对较多而带负电荷。溶液不保持电中性，这两种因素均会阻止电子从锌片流向铜片，造成电流中断。,10,三、化学电源,学与问在日常生活和学习中，你用过哪些电池，你知道电池的其它应用吗？,电池,化学电池,太阳能电池,原子能电池,将化学能转换成电能的装置,将太阳能转换成电能的装置,将放射性同位素自然衰变时产生的热能通过热能转换器转变为电能的装置,11,知识点1：化学电池,1)概念:,将化学能变成电能的装置,2)分类:,一次电池又称不可充电电池如：干电池二次电池又称充电

7、电池蓄电池燃料电池,3)优点:,4)电池优劣的判断标准:,能量转换效率高，供能稳定可靠。,可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组，使用方便。,易维护，可在各种环境下工作。,比能量,符号(Ah/kg)，(Ah/L),指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少,比功率,符号是W/kg，W/L),指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小,电池的储存时间的长短,12,1、干电池(普通锌锰电池）,干电池用锌制桶形外壳作负极，位于中央的顶盖有铜帽的石墨作正极，在石墨周围填充NH4Cl、ZnCl2和淀粉作电解质溶液，还,填充MnO2的黑色粉末吸收正极放出的H2，防止产生极化现象。电极总的反应

8、式为：,2NH4Cl+Zn+2MnO2=ZnCl22NH3+Mn2O3+H2O,请写出各电极的电极反应。,(一)一次电池,13,练：写出锌锰干电池的电极反应和总化学反应方程式。负极正极总反应通常我们可以通过干电池的外观上的哪些变化判断它已经不能正常供电了？_我们在使用干电池的过程中并没有发现有气体产生，请推测可能是干电池中的什么成分起了作用？,Zn-2e-=Zn2+,2NH4+2e-=2NH3+H2,Zn+2NH4+=Zn2+2NH3+H2,锌筒变软，电池表面变得不平整,2MnO2+H2=Mn2O3+H2O,14,负极（锌筒）：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2正极（石墨）：2MnO2+2

9、e-+2H2O=2Mn OOH+2 OH 总反应：Zn+2MnO2+2 H2O=2 Mn OOH+Zn(OH)2,碱性锌锰干电池,金属棒,碱性锌锰电池的优点：电流稳定，放电容量、时间增大几倍，不会气涨或漏液。,普通锌锰干电池缺点：放电量小，放电过程中易气涨或漏液,15,2、迷你型电池（电解质KOH）,优点：电压高、稳定，低污染。,用途：手表、相机、心率调节器,HgO（S）+Zn（S）=Hg（l）+ZnO（S）,Zn（S）=2Ag（l）+ZnO（S）,负极（锌）：Zn-2e-+2OH-=ZnO+H2O正极（银）：Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH-,16,3、锂电池,锂亚硫酰氯电池(Li-

10、SOCl2)：8Li+3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S负极：；正极：。,用途：质轻、高能(比能量高)、高工作效率、高稳定电压、工作温度宽、高使用寿命，广泛应用于军事和航空领域。,8Li-8e-=8Li+,3SOCl2+8e-=6Cl-+SO32-+2S,17,电池铅蓄电池,1、电极材料及原料2、电解质溶液3、电极反应式：,正极：PbO2 负极：Pb,H2SO4溶液,负极（Pb）:Pb-2e-+SO4 2-=PbSO4,Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O,正极（PbO2）:PbO2+4H+SO42-+2e-=PbSO4+2H2O,总反应：,(放电时),(二)二次电池

11、(可充电),转移1mole-消耗多少molH2SO4,18,2PbSO4(s)+2H2O(l)Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq),充电过程,PbSO4(s)+2e-=Pb(s)+SO42-(aq),还原反应,阴极：,阳极：,PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq),氧化反应,接电源负极,接电源正极,充电过程总反应：,2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq),铅蓄电池的充放电过程：,19,3)铅蓄电池优缺点简析,缺点：,比能量低、笨重、废弃电池污染环境,优点：,可重复使用、电压稳定、使用

12、方便、安全可靠、价格低廉,其它二次电池,镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄电池,20,2、银锌蓄电池,1970-1975,开发了先进的银锌、镍镉电池技术。1975-1983,为美国海军生产潜水艇用银锌电池。1979-1987,为美国国家能源部发展电动车用的镍锌电池。1998-1992,为美国海军发展世界上最大的镍镉电池用于核潜水艇。,21,银-锌蓄电池广泛用作各种电子仪器的电源，它的充电和放电过程可以表示为：,2Ag+Zn(OH)2 Ag2O+Zn+H2O,此电池放电时，负极上发生反应的物质是（）,A.Ag B.Zn(OH)2 C.Ag2O D.Zn,电极反应：,负极：Zn-2e-

13、+2OH-=Zn(OH)2,正极：Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH-,22,3、镍镉电池,负极材料：Cd；正极材料：涂有NiO2，电解质：KOH溶液。反应式如下：,写出电极反应式。,特点：比铅蓄电池耐用，可密封反复使用。,23,氢氧燃料电池工作原理,2H2-4e-=4H+,O2+4H+4e-=4H2O,2H2-4e-=4H+,O2+2H2O+4e-=4OH-,2H2+4OH-4e-=4H2O,O2+2H2O+4e-=4OH-,(三)燃料电池,24,固体氢氧燃料电池,2H2-4e-+2O2=2H2O,O2+4e-=2O2,2H2-4e-=4H+,O2+4H+4e-=2H2O,25,它是以

14、两根金属铂片插入KOH溶液中作电极，又在两极上分别通入甲烷和氧气。电极反应为：负极：正极：电池总反应：,2O2+4H2O+8e-=8OH-,CH4+10OH-8e-=CO32-+7H2O,CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3 H2O,甲烷新型燃料电池,分析溶液的pH变化。电解质为KOH溶液若用C2H6、CH3OH呢？,26,C2H6燃料电池、电解质为KOH溶液负极：正极：电池总反应：CH3OH燃料电池、电解质为KOH溶液负极：正极：电池总反应：,7O2+14H2O+28e-=28OH-,2C2H6+36OH-28e-=4CO32-+24H2O,2C2H6+7O2+8KOH=4K2CO3+1

15、0 H2O,3O2+6H2O+12e-=12OH-,2CH3OH+16OH-12e-=2CO32-+12H2O,2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6 H2O,27,C4H10、空气燃料电池、电解质为熔融K2CO3,用稀土金属材料作电极（具有催化作用）负极：正极：电池总反应：,13O2+52e-+26CO2=26CO3 2-,2C4H10-52e-+26CO32-=34 CO2+10H2O,2C4H10+13O2=8CO2+10 H2O,铝空气燃料电池（海水）：负极：正极：电池总反应：,4Al-12e-=4Al3+,3O2+12e-+6H2O=12OH-,4Al+3O2+6H2O=4

16、Al(OH)3,28,1.利用原电池原理设计新型化学电池；,2.改变化学反应速率，如实验室用粗锌与硫酸反应制取氢气；,3.进行金属活动性强弱比较；,4.电化学保护法，即将金属作为原电池的正极而受到保护。如在铁器表面镀锌。,三、原电池的主要应用：,5.解释某些化学现象,29,(1)比较金属活动性强弱。,例1：,下列叙述中，可以说明金属甲比乙活泼性强的是,C.将甲乙作电极组成原电池时甲是负极；,A.甲和乙用导线连接插入稀盐酸溶液中，乙溶解，甲 上有H2气出；,B.在氧化还原反应中，甲比乙失去的电子多；,D.同价态的阳离子，甲比乙的氧化性强；,(四)原电池原理应用：,(2)比较反应速率,下列制氢气的

17、反应速率最快的是,A.纯锌和1mol/L 硫酸；,B.纯锌和18 mol/L 硫酸；,C.粗锌和 1mol/L 盐酸；,D.粗锌和1mol/L 硫酸的反应中加入几滴CuSO4溶液。,30,(3)比较金属腐蚀的快慢,例3：,下列各情况，在其中Fe片腐蚀由快到慢的顺序是,(5),(2),(1),(3),(4),原电池原理应用：,31,例4：,下列装置中四块相同的Zn片，放置一段时间后腐蚀速率由慢到快的顺序是,(4),(2),(1),(3),32,例5：原电池设计：1、用Zn、Fe、Al分别与Ag或Cu作两极，NaCl作电解质溶液，试分析写出两极反应式2、铝镁NaOH电池3、铜铁浓HNO3,4、试根

18、据反应：Cu+2AgNO3=Cu(NO3)+2Ag设计成原电池，画出装置图，并写出电极反应式。若用到盐桥，则盐桥中电解质可用。5、Fe+2Fe3+=3Fe2+,Cu+2Fe3+=2Fe2+Cu2+6、如何使反应：Cu+2H+=Cu2+H2发生？,KNO3溶液,33,例7：在理论上不能用于设计原电池的化学反应是（）AHCl（aq）+NaOH（aq）NaCl(aq)+H2O（l）H0B4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)4Fe(OH)3（s）H0C3Cu(s)+8HNO3(aq)=3Cu(NO3)2(aq)+2NO(g)+4H2O(l)H0D2CH3OH(l)+3O2(g)=2CO2

19、(g)+4H2O(l)H0,非氧化还原反应不能设计为原电池反应,34,CuCl2溶液,阴离子移向,阳极,阴极,氧化反应,还原反应,电子流向,阳离子移向,Cu2+2e-=2Cu,2Cl-2 e-=Cl2,电解池,1.电解原理,35,2.离子放电顺序（要记住）,阴离子失去电子而阳离子得到电子的过程叫放电。,活性材料作电极时：金属在阳极失电子被氧化成阳离子进人溶液，阴离子不放电。用惰性电极(Pt、Au、石墨、钛等)时：溶液中阴离子的放电顺序（由难到易）是：,金属材料S 2-SO32-I-Br-Cl-OH-NO3-SO42-(等含氧酸根离子）F-,活性电极不参与电极反应，发生反应的是溶液中的阳离子。,

20、阳极：,阴极:,阳离子在阴极上放电顺序是：,Ag+Fe3+Cu2+H+Pb2+Sn2+Fe2+Zn2+(H+)Al3+Mg2+Na+Ca+K+注：当离子浓度相差较大时，放电顺序要发生变化，相同时按H+,不同时按（H+）,36,3.电解规律,阴极,阳极,氯气,铜,阳极：2Cl-2 e-=Cl2,阴极：Cu2+2e-=2Cu,CuCl2 Cu+Cl2,减小,增大,CuCl2,CuCl2溶液,37,阳极,阴极,氧气,氢气,阳极:4OH-4e-=2H2O+O2,阴极:4H+4e-=2H2,变大,不变,加H2O,Na2SO4溶液,38,阳极,阴极,氯气,氢气,阳极:2Cl-2e-=Cl 2,阴极:2H+

21、2e-=H2,2NaCl+2H2O 2NaOH+H2+Cl2,减小,增大,加HCl,NaCl溶液,39,阳极,阴极,氧气,铜,阳极:4OH-4e-=2H2O+O2,阴极：Cu2+2e-=Cu,2CuSO4+2H2O=2Cu+O2+2H2SO4,电解,减小,减小,加CuO,CuSO4溶液,40,电解规律（惰性电极）小结,阳极：S2-I-Br-Cl-OH-含氧酸根 F-,+区：电解本身型 如CuCl2+区：放氢生碱型 如NaCl+区：放氧生酸型 如CuSO4、AgNO3+区：电解水型 如Na2SO4、H2SO4、NaOH,阴极：Ag+Fe3+Cu2+H+Fe2+Zn2+H+Al3+Mg2+Na+,

22、41,3.电解质溶液用惰性电极电解的规律小结：,阳极：4OH-4e=O2+2H2O,阴极：4H+4e=2H2,阳极2Cl-2e=Cl2,阴极：4H+4e=2H2,阳极2Cl-2e-=Cl2,阴极：Cu2+2e=Cu,阳极2Cl-2e=Cl2,阴极：2H2O+2e=H2+2OH-,阳极：4OH-4e=O2+2H2O,阴极：2Cu2+4e=2Cu,减小,增大,不变,增大,增大,减小,H2O,HCl,CuCl2,HCl,CuO,42,只放氢pH升；,只放氧pH降；,放氢放氧浓度增；,无氢无氧少本身。,43,电解原理的应用,1、镀铜反应原理 阳极(纯铜)：Cu-2e=Cu2+，阴极(镀件)：Cu2+2

23、e=Cu，电解液：可溶性铜盐溶液，如CuSO4.2、氯碱工业反应原理 阳极：2Cl-2e-=Cl2，阴极：2H+2e-=H2 2NaCl+2H2O=2NaOH+H2+Cl23、电解精炼反应原理(电解精炼铜)粗铜中含Zn、Fe、Ni、Ag、Pt、Au等 阳极(粗铜)：Cu-2e-=Cu2+，（Zn-2e-=Zn2+，Ni-2e-=Ni2+，Fe-2e-=Fe2+，等）阴极(精铜)：Cu2+2e-=Cu，电解液：可溶性铜盐溶液，如CuSO4。Zn2、Ni2等 阳离子得电子能力小于Cu2+而留在电解质溶液中。金属活动顺序排在Cu后的Ag、Pt、Au等失电子能力小于Cu，以金属单质沉积于阳极，成为“阳

24、极泥”。,44,08广东22（4）黄铜矿熔炼后得到的粗铜含少量Fe、Ag、Au等金属杂质，需进一步采用电解法精制。请简述粗铜电解得到精铜的原理：。,以硫酸铜硫酸溶液为电解液。电解时，粗铜（阳极）中的铜以及比铜活泼的金属失去电子进入溶液，不如铜活泼的金属沉入电解槽形成“阳极泥”；溶液中的Cu2+得到电子沉积在纯铜（阴极）上。,45,总结:原电池、电解池、电镀池的比较*,化学能转变成电能的装置。,将电能转变成化学能的装置。,应用电解原理在某些金属表面镀上一层其它金属的装置。,活动性不同两电极电解质溶液形成闭合回路,两电极接直流电源电极插入电解质溶液形成闭合回路,镀层金属接电源正极待镀金属接电源负极

25、电镀液须含有镀层金属的离子,负极：较活泼金属；正极：较不活泼金属(或能导电的非金属等),阳极：电源正极相连阴极：电源负极相连,阳极：镀层金属；阴极：镀件,负极：氧化反应正极：还原反应,阳极：氧化反应阴极：还原反应,阳极：氧化反应阴极：还原反应,46,高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn+2K2FeO4+8H2O 3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH下列叙述不正确的是（）A放电时负极反应为：Zn2e+2OH=Zn(OH)2 B充电时阳极反应为：Fe(OH)3 3e+5 OH=FeO42+4H2O C放电时每转移3 m

26、ol电子，正极有1mol K2FeO4 被氧化 D放电时正极附近溶液的碱性增强,放电,例题1,充电,47,例2、金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是（已知：氧化性Fe2+Ni2+Cu2+）A阳极发生还原反应，其电极反应式：Ni2+2e=NiB电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加 相等C电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2+和 Zn2+D电解后，电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt,例3.向水中加入等物质的量的Ag+、Pb2+、Na+、Cl，SO42-、NO3-将该溶液倒入惰性材料作电极的电解中通电片刻。氧化产物与还原产物的质量比为（）A）35.5：108（B）16：207（C）8：1（D）108：35.5,48,例题4、用石墨作电极电解AlCl3溶液时,图示的电解液变化曲线合理的是:,pH,7,A,pH,7,B,时间,时间,沉,淀,量,C,沉,淀,量,D,时间,时间,