知识讲解_原电池_基础

原电池

要点一、原电池的工作原理

1、原电池的定义

燃煤发电的能量转换过程是，该过程虽然实现化学能与电能的转化，但是过程繁琐、复杂且能耗较大。在此过程中，燃烧（氧化还原反应）是使化学能转换为电能的关键。因此，需要设计一种装置使氧化还原反应释放的能量直接转变为电能，原电池就是这样的装置。

将化学能转变为电能的装置叫做原电池。

【高清课堂：化学能与电能（一）—初探原电池ID：370200#原电池原理】

2、原电池的工作原理

实验1、如下图，把一锌片和一铜片插入稀H2SO4中。

现象：Zn片上有气泡出现。

反应：Zn＋H2SO4＝ZnSO4＋H2↑。Zn失电子生成Zn2+，H＋得电子生成H2。

实验2、把上图中的Zn、Cu用一导线连接起来，中间接一电流计G。

现象：Zn片逐渐溶解，Cu片上有气泡出现，电流计G指针发生偏转。

结论：Zn反应生成Zn2+而溶解，Cu片上有H2产生，有电流产生。

该实验中，产生了电流，就构成了原电池。

要点诠释：原电池工作原理相当于将氧化还原反应中电子通过用电器转移，产生电能，因此原电池的作用为将化学能转化成电能。

【高清课堂：化学能与电能（一）—初探原电池ID：370200#原电池构成条件】

要点二、原电池的组成条件

组成原电池必须具备三个条件：

（1）提供两个活泼性不同的电极，分别作负极和正极。

要点诠释：

a、负极：活泼性强的金属，该金属失电子，发生氧化反应。

b、正极：活泼性弱的金属或非金属(常用碳棒、石墨)，该电极上得电子，发生还原反应。

c、得失电子的反应为电极反应，上述原电池中的电极反应为：

负极：Zn－2e－＝Zn2+正极：2H＋＋2e－＝H2↑，总反应：Zn＋H2SO4＝ZnSO4＋H2↑

（2）两个电极必须直接和电解质溶液接触，电解质溶液中阴离子向负极方向移动，阳离子向正极方向移动，阴阳离子定向移动成内电路。

要点诠释：电源内部电解质溶液中，阳离子移动的方向即是电流的方向，所以阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。

（3）必须有导线将两电极连接，形成闭合通路。

要点诠释：在电源的外电路电流由正极流向负极，在电源的内电路电流由负极流向正极，从而形成闭合回路。要点三、原电池的正、负极的判断方法

原电池中正负极的判断方法如下：

（1）根据电极材料：较活泼的金属为负极，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：电流是由正极流向负极的，电子是由负极流向正极的。

（3）根据离子移动方向：阳离子移向正极，阴离子移向负极。

（4）根据电极反应类型：发生氧化反应的为负极，发生还原反应的为正极。

（5）根据电极上反应现象：如电极粗细的变化、质量的变化、是否有气泡产生等。

要点诠释：在判断电流方向时，要注意电源的内电路和外电路的电流方向的不同：在电源的外电路电流由正极流向负极，在电源的内电路电流由负极流向正极。

要点四、原电池电极反应式的书写

书写电极反应式时需掌握以下要点：

（1）需标出正负极及电极材料。

（2）遵循三大守恒（电子得失守恒、质量守恒、电荷守恒）。

（3）电池的电极反应式书写要满足所处的电解质溶液的酸碱性环境。例如在氢氧燃料电池的电极反应书写中，在碱性环境中O2得电子后的产物写OH-比写H2O更合适，在传导O2-的固体电解质中，O2得电子后的产物写O2-比写OH-更合适。

（4）电池的电极反应式可以直接写，也可以将总电池反应减去某一极反应得到另一极反应。减的时候要注意不要在负（正）极出现正（负）极得（失）电子的物质。

以氢氧燃料电池为例：

方法一：直接写。

负极电极反应式书写：

酸性介质中：H2失电子为负极，产物写成H+就可以。负极：2H2-4e-=4H+

碱性介质中：H2失电子的产物写成H+就不合适了，写成H2O更合适，根据电荷守恒，左边补OH-。负极：2H2-4e-+4OH-=4H2O

正极电极反应式书写：

酸性介质中：O2得电子，根据电荷守恒再补4H+，产物写成H2O：

正极：O2+4H++4e-=2H2O

碱性介质中：O2得电子，产物写成OH-更合适，根据元素守恒，左边以H2O来补。正极：O2+2H2O+4e-=4OH-方法二：用总反应。

总反应：2H2+O2=2H2O 减去负极反应：2H2-4e-=4H+，将负极中失电子的H2抵消掉，可得酸性条件下的正极反应。

要点诠释：

①书写的原则是：按照负极发生氧化反应、正极发生还原反应的规律，正确判断出两极物质反应生成的产物，

然后结合电解质溶液所能提供的离子，结合质量守恒定律、电荷守恒配平各电极式，两电极反应式相加则得总反应式。结合具体的情况，我们可以概括为以下两种情况：a.根据两个电极反应式，写出总反应式，使两个电极式得失电子数相等后，将两式相加，消去相同的部分。若电解质为弱电解质，在相加时应把离子改为相应的弱电解质。b.根据总反应式，写电极反应式一般分四个步骤：列物质，标得失；选离子，配电荷；配个数，巧用水；两式加，验总式。

②写电极反应式时应注意：

a.两极得失电子数相等。

b.电极反应式常用“”，不用“”。

c.电极反应式中若有气体生成，需加“↑”；若有固体生成，一般不标“↓”。

要点五、原电池原理的应用

1.作化学电源。

人们利用原电池原理，将化学能直接转化为电能，制作了多种电池，如干电池、蓄电池、充电电池、高能燃料电池等，以满足不同的需要。

2.比较金属的活动性。

原电池中，一般活动性强的金属为负极，活动性弱的金属为正极。例如，有两种金属A和B，用导线连接后插入到稀硫酸中，观察到A极溶解，B极上有气泡产生，由原电池原理可知，A为负极，B为正极，金属活动性A＞B。

3.加快氧化还原反应速率。

实验室用Zn和稀H2SO4（或稀HCl）反应制H2，常用粗锌，它产生H2的速率快，原因是粗锌中的杂质和锌、稀H2SO4的溶液形成原电池，加快了锌的腐蚀，使产生H2的速率加快。如果用纯锌，可以在稀H2SO4溶液中加入少量的CuSO4溶液，也同样会加快产生H2的速率，原因是Cu2++Zn=Cu+Zn2+，生成的Cu和Zn在稀H2SO4溶液中形成原电池，加快了锌的腐蚀，产生H2的速率加快。

4.设计原电池

从理论上说，任何一个氧化还原反应都可以设计成原电池。

例如，利用Cu+2FeCl3=2FeCl2+CuCl2的氧化还原反应设计原电池，由反应式可知：

Cu失去电子作负极，FeCl3（Fe3+）在正极上得到电子，且作电解质溶液，正极为活泼

性比Cu弱的金属或导电的非金属等。如图该原电池的电极反应式为：

负极（Cu）：Cu Cu2++2e—（氧化反应）

正极（C）：2Fe3++2e—2Fe2+（还原反应）

5.金属防腐蚀。

金属腐蚀是指金属或合金与周围接触到的气体或液体发生化学反应，使金属失去电子变为阳离子而损耗的过程。在金属腐蚀中，把不纯的金属跟电解质溶液接触时形成的原电池反应发生的腐蚀称为电化学腐蚀（区别于一般的化学腐蚀）。如钢铁的电化学腐蚀：在潮湿的空气中，钢铁表面吸附一层薄薄的水膜，里面溶解了氧气、CO2，含有少量的H+和OH-，形成电解质溶液。它跟钢铁里的铁和少量的碳形成无数个微小的原电池。铁作负极，碳作正极：

负极：2Fe-4e-=2Fe2+

正极：O2+4e-+2H2O=4OH-

电化学腐蚀是造成钢铁腐蚀的主要原因。

【典型例题】

类型一：原电池的工作原理

例1、原电池产生电流的本质原因是()

A．原电池中溶液能电离出自由移动的离子

B．有导线将两个活动性不同的电极连接

C．正极发生了氧化反应，而负极发生了还原反应