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电化学 第 2 讲 原电池 一、教学目标 理解原电池的工作原理并正确书写电极反应和总反应方程式 【知识导航】 构造及工作 构造条件 原理 工作原理 原电池 电极反应及现象 燃料电池 常规电池 新型电池 综合训练 二、教学重点和难点 1．教学重点 （1）电池工作原理 （2）两极反应方程式、总反应方程式 2．教学难点 （1）电极反应方程式书写2 | www.xdf.cn

1. 构造及工作原理 【导入】 以具体的日常生活物品引出原电池。建议分析原电池外观，目的是查看学生是否知道原电池的两极名称，并引导学生思考电池工作时能量的来源。1.1 原电池构造条件 【理解新知】 1. 原电池的定义：将化学能转化为电能的装置叫做原电池 （1）能量：化学能 → 电能的装置； （2）转化方式：化学反应中的还原剂失去电子，电子经导线传给氧化剂，使氧化反应、 还原反应分别在两个电极上进行。 【理解新知】 1. 理论上不能设计为原电池的化学反应是 A．CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △ H<0 B．HNO3(aq)+NaOH(aq)=NaNO3(aq)+H2O(l) △ H<0 C．2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) △ H<0 D．2FeCl3(aq)+Fe(s)=3FeCl3(aq) △ H<0 （正文）答案： B 小结：能设计成原电池的化学反应需满足的条件 （正文）答案：能设计成原电池的化学反应需满足：自发的氧化还原反应。 www.xdf.cn| 3

电化学 【理解新知】 - + Zn Cu e- 盐桥 e- Zn Cu CuSO4 稀溶液 ZnSO4 溶液 CuSO4 溶液 图 1（单液锌 - 铜原电池） 图 2（双液锌 - 铜原电池） 通过原电池装置图描述组成原电池需满足的条件 : （1）电极 （2）介质 （3）单液电池闭合回路条件 双液电池闭合回路条件 【答案】 （1）电极：导电。 拓展：常见的组合：金属 + 石墨；石墨 + 石墨；金属 + 金属；金属 + 金属、金属氧化物等。 （2）介质：电解质溶液，也可以是熔融或导电的固体。 拓展：功能是构成闭合回路、参与电极反应、提供酸碱环境 （3）“闭合回路” 单液：电极用导线连接，电极放入介质中； 双液 : 电极用导线连接，电极放入介质中，介质之间用盐桥连接 【教学建议】 【教学建议】学生易错点： 请学生分析两个电极需满足的条件、介质的作用和电解质种类、如何才能实现“闭合介质是否属于 回路”电 解 质 溶 液；盐桥作用4 | www.xdf.cn

【练习反馈】1. 下图所示的装置能够组成原电池的是 【答案】 BD1.2 工作原理 【理解新知】 【教材情境】利用图 3 化学反应设计的铜 - 锌 - 硫酸铜原电池装置如图 4 所示，分析图 4 原电池中两极现象，正、负极判定，电子和阴阳离子移动方向，两极反应类型。 【答案】图 4 中铜电极充当正极，锌电极充当负极，电子从锌电极沿导线从外电路流向铜电极，电解质溶液中铜离子得到电子，电解质溶液中阳离子铜离子流向正极，阴离子硫酸根离子流向负极，锌在负极失去电子发生氧化反应，铜离子在正极得到电子发生还原反应。 www.xdf.cn| 5

电化学 【教学建议】 【教学建议】 1. 让学生分析图 3 的现象，并推测图 4 的现象学 生 易 错 点： 2. 请学生依图 4 现象确定正、负极，电子移动方向；阴、阳离子移动方向。电子沿内电路 根据电子移动方向，反应类型。移 动； 电 子 从 3. 强调“电子不入水（电解质溶液），阴阳离子不上岸”。负极沿导线流 负极向 正 极， 进 入 4. 小结：如何利用总反应设计原电池，为下面内容做铺垫电解质溶液又回到负极 【小结】正负极、电子和阴阳离子移动方向、反应类型之间关系 【答案】电子从负极沿导线从外电路流向正极，电解质溶液中阳离子流向正极，阴离 子流向负极，负极会发生失去电子的氧化反应，正极会发生得电子的还原反应。 【练习反馈】 1. 请根据图中标示的已知，在下列图示中分别标出电子移动方向；正、负极；阴、 阳离子移动方向；电极发生的反应类型等信息。 e- a b+ - ab 电解质溶液 Na+ 电解质溶液 电解质溶液 ab CuSO4 溶液 （已知：a 电极的电解液中氯离子浓度 增大盐桥：饱和氯化钾琼脂溶液 ） ( 已知：a 电极发生还原反应 ) 【答案】略6 | www.xdf.cn

1.3 设计原电池 【教学建议】 【理解新知】 1. 分 析 方 程 式 根据方程 Fe + 2H+ =H2 +Fe2+ 设计原电池，电池工作之后，往电解液中滴加铁氰 确定氧化剂和化钾溶液的现象。（烧杯、导线、电极材料任选） 还原剂 【小结】 2. 若 还 原 剂 是 设计原电池的思考步骤 金 属， 则 充 当 负极材料 【答案】装置图略；负极材料铁电极，正极材料石墨、铜等比铁不活泼的金属单质；电解质溶液是稀盐酸或稀硫酸。因为溶液中有 Fe2+，加入铁氰化钾溶液会生成特征蓝色 3. 若 氧 化 剂 是沉淀。 液 体， 则 充 当 电解质溶液。 【练习反馈】 1. 依据氧化还原反应：2Ag+(aq) + 4. 组 装 时 注 意Cu(s) = Cu2+(aq) + 2Ag(s) 设 计 的 原 闭 合 回 路（ 电电池如图所示。 极之间用导线 连 接， 插 入 电 请回答下列问题： 解液中） （1）电极 X 的材料是 _________；电解质溶液 x 是 ___________ ； 电极 Y 的材料是 _________；电解质溶液 y 是 _______ ； 5. 拓展 : 若还原 （2） 银 电 极 为 电 池 的 _________ 极（ 填“ 正、 负 极”）， 发 生 的 电 极 反 应 为 剂不是金属是_____________； 溶 液， 则 负 极 （3）外电路中的电子是从 _________ 电极流向 _________ 电极。 可由石墨电极 充 当； 同 时， 若氧化剂是固 体 金 属 氧 化 物， 则固体金属氧 化物可直接充 当 电 极； 若 氧 化剂同时也是 电 解 质 溶 液， 则必须设计成 双液原电池。 6. 拓展：如果电 解质溶液没有 做 好 排 除 空 气、 隔离空气的措 施，Fe2+ 易 被 氧 化， 检 测 结 果会出现异常。 www.xdf.cn| 7

电化学 【答案】 (1) 电极 X 是铜 ；电解质 x 是硫酸铜等可溶性铜盐溶液； 电极 Y 是银或石墨等；电解质 y 是硝酸银溶液； （电极材料可以互换，但是电解质溶液也互换） (2) 银电极为电池的正极，发生的电极反应为 Ag++e-= Ag； (3) 外电路中的电子是从铜电极流向银（或石墨）电极。 2. 电极反应及现象 导入：电池工作时，会伴随发生化学反应，电极反应方程式是设计原电池，分析各种 电池具体工作原理的关键内容。下面，我们将按燃料电池、常规电池、新型电池三类，根 据提供的信息，明确分析电池两极反应步骤。 2.1 燃料电池 【理解新知】 【例 1】已知右图氢氧燃料电池装置，请分别写 出下列介质下的两极反应方程式。 （1）介质为 KOH 溶液 负极方程式： 正极方程式： 【答案】 负极方程式：H2 - 2e- + 2 OH- ＝ 2 H2O 正极方程式：O2 + 4e- +2 H2O ＝ 4 OH- 负极方程式书写步骤 第一步：H2 - 2e- ＝ 2H+ 第二步：H++OH- ＝ H2O 负极方程式＝第一步 + （第二步）×2 消去 H+： H2 - 2e- + 2 OH- ＝ 2 H2O 正极方程式书写步骤 第一步：O2 + 4e- ＝ 2O2- 第二步：O2- + H2O ＝ 2 OH- 正极反应式 = 第一步 +（第二步）×2 消去 O2-： O2 + 4e- +2 H2O ＝ 4 OH-8 | www.xdf.cn

【小结】1. 燃料电池的电极方程式书写步骤2. 电池工作时，两极溶液 pH 变化【答案】（1）观察已知条件 → 确定反应物 → 判断生成物 →判断生成物在介质中的稳定性→ 依化合价确定 e → 观察介质→ 提取介质中关离子依电荷守恒补入→如果需要，依介质中的微粒（H2O、熔融物等）等补平原子。（2）依两极反应判断电解质溶液 pH 变化，口诀：正增负减 【教学建议】 【教学建议】 1. 燃料电池需要帮学生确立反应物 学生易错点： 解析：燃料充当负极反应物，氧气充当正极反应物。 忽视离子共存 拓展：还原剂充当负极反应物，氧化剂气体充当正极反应物。 问题 2. 询问学生为什么存在第二步？ 解析：生成的离子在介质中不稳定存在，需写出稳定状态。 3. 询问学生正极反应式是怎么加和得到的。 解析：消去不稳定存在的微粒。 4. 因为这个步骤偏难，所以后面练习改变介质让学生再次感受这个过程。注意学生配平能力。 （2）介质为 H2SO4 溶液 负极方程式： 正极方程式： 【答案】 负极方程式： H2 - 2e- ＝ 2H+ 正极方程式： O2 + 4e- + 4 H+ ＝ 2 H2O （3）介质为 NaCl 溶液 负极方程式： 正极方程式： 【答案】 负极方程式： H2 - 2e- ＝ 2H+ 正极方程式： O2 + 4e- +2 H2O ＝ 4 OH- www.xdf.cn| 9

电化学 （4）介质为熔融碳酸盐，正极通入 O2 和 CO2 混合气体。 负极方程式： 正极方程式： 【答案】 负极方程式： H2 - 2e- + CO32- ＝ H2O + CO2 正极方程式： O2 + 4e- + 2CO2 ＝ 2CO32- （5）介质为熔融氧化物 负极方程式： 正极方程式： 【答案】 负极方程式： H2 - 2e- + O2- ＝ H2O 正极方程式： O2 + 4e- ＝ 2O2- 【教学建议】 【例 2】C2H5OH - 空气燃料电池，碱性介质中负极反应方程式学生易错点： 【答案】负极方程式：C2H6O - 12e- + 16OH- ＝ 2CO32 -+ 11H2O失电子个数 【解析】电子数计算方法：C2H6O 中各元素化合价归为零价，再结合产物推算失电计算。 子总数。 【口诀】碳 4 氢 1 氧减 2。若遇到其它化合物，算电子数时也可以类推。 思考题 （1）在酸性介质中，负极反应方程式 （2）在熔融碳酸盐介质中，负极反应方程式 （3）在熔融氧化物介质中，负极反应方程式 （4）在熔融碳酸盐介质中，正极为何要补入 CO2 ？若在熔融氧化物介质中，需要补 入吗？ 【答案】 （1）负极方程式：C2H6O - 12e- + 2H2O ＝ 2CO32 - + 16H+ （2）负极方程式：C2H6O - 12e- +6 CO32 - ＝ 8 CO2 +3 H2O （3）负极方程式：C2H6O - 12e- + O2 - ＝ CO2 + 3H2O （4）正极反应物若仅是氧气，会生成 O2-，影响介质成份，若补入 CO2，可以生成 CO32-。但在熔融氧化物介质中不需要。 【教学建议】 多原子分子，第一步生成物判断方法：正负极反应物直接发生化学反应的产物。其 它类推。10 | www.xdf.cn

【练习反馈】 1. 甲烷 - 空气燃料电池，在碱性条件中负极反应方程式 2. 以甲醇为原料，使用酸性电解质构成燃料电池，该燃料电池的负极反应式为 3. 工业上以粗食盐（含有少量 Ca2+、Mg2+ 杂质）、氨、石灰石等为原料，可以制备 Na2CO3。熔融 Na2CO3 可作甲烷——空气燃料电池的电解质，该电池负极的反应式是 4. 我国首创以铝组成的金属—海水—空气电池作为能源的新型海水标志灯，它以海水为电解质溶液，靠空气中的氧气使铝组成的金属不断氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光。则该电源负极反应为 5.NH3- 空气燃料电池，在碱性条件中工作，工作时无污染物产生。 其负极反应方程式 6. 肼—空气燃料电池是一种碱性电池，工作时无污染。 该电池放电时，负极的反应式 【答案】 1：CH4 -8e- +10 OH- = CO32- + 7H2O 2：CH3OH + H2O - 6e- = CO2 + 6H+ 3：CH4 － 8e － + 4CO32 － = 5CO2 + 2H2O 4：Al - 3e- = Al3+ 5：2 NH3 － 6e- + 6OH- ＝ N2 + 6H2O 6： N2H4 - 4e- + 4OH- ＝ N2 + 4H2O 【拓展】 （2014 海淀期末）微生物燃料电池是一种利用微生物将化学能直接转化成电能的装置。已知某种甲醇微生物燃料电池中，电解质溶液为酸性，示意图如右：① 该电池外电路电子的流动方向为 （填写“从 A 到 B”或“从 B 到 A”）。② 工作结束后，B 电极室溶液的 pH 与工作前相比将 （填写“增大”、“减小”或“不变”，溶液体积变化忽略不计）。③ A 电极附近甲醇发生的电极反应式为 。【答案】①从 A 到 B ②变大 ③ CH3OH + H2O - 6e- = 6H++ CO2 ↑ www.xdf.cn| 11

电化学 【教学建议】 1. 电池工作结束之后，两极 pH 变化要结合“方程式中 H+ 或 OH- 的变化”和“电子 移动数量”。因为电子移动数量和质子交换膜中转移的 H+ 的数量相等。 2. 电池工作过程中，两极 pH 变化依据方程式中 H+ 或 OH- 的变化 2.2 常规电池 【理解新知】 【例 1】 （1）锌铜原电池装置示意图如下，其电极反应为： 第一种：电解质溶液：CuSO4 溶液 答案 负极：Zn - 2e - = Zn2+ 正极：Cu2+ +2e- = Cu 第二种：电解质溶液 NaCl 溶液 答案： 负极：Zn - 2e - = Zn2+ 正极：O2 + 4e- +2 H2O ＝ 4 OH- （2）铁碳原电池示意图如下，电解质是酸（酸性盐 溶液）或中性盐溶液。其电极反应为： 第一种：电解质溶液为弱酸（显弱酸性的盐） 答案： 负极：Fe -2e - = Fe 2+ 正极：H+ +2e- = H2 第二种：电解质溶液为中性（或碱性） 答案： 负极：Fe -2e - = Fe 2+ 正极：O2 + 4e- +2 H2O ＝ 4 OH- （3）锌 - 银原电池装置示意图如下，其电极反应为： 答案： 负极：Zn -2e - + 2OH- = Zn(OH)2 正极：Ag2O + H2O + 2e - =2 Ag + 2OH- （4）某原电池装置如右图所示： 答案： 负极：2I- - 2e- = I2 正极：Fe3+ + e - = Fe 2+12 | www.xdf.cn

思考题已知上述电池的结构及电极反应方程式，请概括不同电极材料组合，正负极、正负极反应物的确定方法。电极材料 负极 负极反应物 正极 正极反应物金属 + 金属 金属（活泼） 金属 金属 电解质溶液或溶液中的氧气金属 + 石墨 金属 金属 石墨 电解质溶液或溶液中的氧气石墨 + 石墨 石墨 电解质溶液 石墨 电解质溶液金属 + 金属化合物 金属 金属 金属化合物 金属化合物 【小结】正、负极反应物判断的方法 【教学建议】 常规电池需要 帮学生确定电 极反应物 【教学建议】 【答案】 负极材料若是金属，一般负极充当反应物，若负极是惰性电极，介质中还原性强的微粒失电子； 正极材料若有氧化物或通入氧化剂，附着在正极材料上的物质得电子；否则是介质中氧化性强的微粒得电子。 【解析】电极材料组合 金属 + 金属氧化物：正极为金属氧化物， 金属 + 金属：比金属活泼性，正极反应为电解液 金属 + 石墨：比金属活泼性，正极反应为电解液 石墨 + 石墨：正负极反应物是电解液或附载的气体（燃料电池 【练习反馈】 1.(2013 年东城期末 ) 用选项中的电极、溶液和如图所示装置可组成原电池。下列现象或结论的叙述正确的是 D选项 电极 a 电极 b A 溶液 B 溶液 现象或结论A Cu Zn CuSO4 ZnSO4 一段时间后，a 增加的质量与 b 减少的质量相等B Cu Zn 稀 H2SO4 ZnSO4 盐桥中阳离子向 b 极移动C Fe C NaCl FeCl3 外电路电子转移方向：b → aD C C FeCl3 KI、 淀 粉 若开始时只增大 FeCl3 溶液浓度，b 极附近溶液变 混合液 蓝的速度加快 【答案】D www.xdf.cn| 13

电化学 【练习反馈】 2.Al -AgO 电池是应用广泛的鱼雷电池，其原理如下图所示。 该电池的负极反应式是 该电池的正极反应式是 【答案】 负极： Al +4OH- － 3e － = AlO2- ＋ 2H2O 正极： AgO + 2e － + H2O = 2OH- + Ag 2.3 新型电池 【理解新知】 【例 1】碱性锌锰电池，结构如图所示。已知总反应： Zn ＋ 2MnO2 ＋ 2H2O=2MnOOH ＋ Zn(OH)2 写出两极反应方程式，并与铜锌原电池负极比较异同点。 正极方程式： MnO2 + e- +H2O = MnOOH + OH- 负极方程式： Zn － 2e- + 2 OH- = Zn(OH)2 正极 pH 值变化 负极 pH 值变化 正极方程式书写步骤 第一步：MnO2 ＝ MnOOH 第二步：MnO2 + e- ＝ MnOOH 第三步：MnO2 + e- ＝ MnOOH + OH- 第四步： MnO2 + e- +H2O ＝ MnOOH + OH- 【小结】 1. 书写电极反应方程式的一般步骤？ 2. 电池工作时，两极 pH 值变化判断的依据，电解液值 pH 变化判断的依据 【答案】 1. 观察已知条件 →既有反应物、又有生成物 →依化合价确定 e →观察介质→提取介 质中相关离子依电荷守恒补入→如果需要，依介质中微粒（H2O、 熔 融物等）等补平原 子 2. 电池工作时，两极 pH 值变化依据电极反应方程式。口诀：正增负减14 | www.xdf.cn

【教学建议】 1. 让学生分析每一步的书写理由。 2. 两极 pH 变化口诀可以在理解的基础上提供。 3. 最后让学生总结出整理书写规律 【练习反馈】 1.（2013 北 京） 通 过 NOx 传 感器可监测 NOx 的含量，其工作原理示意图如下 :写出 NiO 电极的电极反应式 : . .【答案】NO - 2 e- + O2- =NO22.（2011 丰台区）铁屑与石墨能形成微型原电池，SO32—在酸性条件下放电生成H2S 进入气相从而达到从废水中除去 Na2SO3 的目的，写出 SO32 －在酸性条件下放电生成 H2S 的电极反应式： ，判断正极电解质溶液的 pH 变化（填“增大、减小、不变”）。【答案】 SO32-+ 8H+ + 6e-= H2S ↑ + 3H2O ；增大 3.（2013 海淀一模）海水中锂元素储量非常丰富，从海水中提取锂的研究极具潜力。锂是制造化学电源的重要原料，如 LiFePO4 电池某电极的工作原理如下图所示：LiFePO4 FePO4该电池电解质为能传导 Li+ 的固体材料。放电时该电极是电池的 极（填“正”或“负”），电极反应式为 。【答案】 正极 ；FePO4+e- +Li+=LiFePO4 www.xdf.cn| 15

电化学 【教学建议】 固体材料电极反应物，如果题干信息中提及“熔融”则写电极反应式时不拆，如果提 出是熔融物，则要拆成离子。 经过文字、图像题等多种呈现形式，让学生感受到无论哪种题型，电极反应方程式就 是氧化还原方程式书写的半反应，目标是确定反应物、生成物、介质。 【总结回顾】 电池结构 原电池工作原理 电极反应方程式书写步骤 电极反应生成物确定方法 电极反应反成物确定方法 电池工作时，两极溶液 pH 值变化时的规律 【教学建议】 1. 请学生回顾原电池 2. 原电池构告条件及工作原理 3. 原电池电极方程式书写步骤 4. 电极反应物、生成物的确定方法 5. 回顾特殊点：铁失电子变成亚铁离子 3. 综合训练 1．（2014 丰 台 期 末 ） 镁 锰 干 电 池 的 电 化 学 反 应 式 为：Mg+2MnO2+H2O = Mg(OH)2+Mn2O3。下列说法不正确的是 A．镁为负极，发生氧化反应 B．可以选择碱性溶液作为电解质 C．反应后正极和负极附近溶液的 pH 均升高 D．正极的电极反应为：2MnO2 ＋ H2O ＋ 2e － =Mn2O3 ＋ 2OH － 【答案】C16 | www.xdf.cn

2. 以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的是 A．该电池能够在高温下工作 B．电池的负极反应式为 C6H12O6 ＋ 6H2O － 24e － == 6CO2 ↑＋ 24H ＋ C．放电过程中，H ＋从正极区向负极区迁移 D．在电池反应中，每消耗 1 mol 氧气，理论上能生成 标准状况下 CO2 气体 22.46 L 【答案】B 3.（14 东 城 期 末） 如 图 是 一 种 应 用 广 泛 的 锂 电 池，LiPF6 是 电 解 质，SO(CH3)2作溶剂，反应原理 4Li+FeS2=Fe+2Li2S。下列说法不正确的是A．该装置将化学能转化为电能B．电子移动方向是由 a 极到 b 极C．可以用水代替 SO(CH3)2 做溶剂D．b 极反应式是 FeS2+4Li++4e-=Fe+2Li2S【答案】C www.xdf.cn| 17

电化学 4．(2013 丰 台 期 末 ) 将 反 应 Cu (s) + 2Ag+ (aq) ⇋ Cu2+ (aq) + 2Ag (s) 设 计 成 原电池，某一时刻的电子流向及电流计（G）指针偏转方向如图所示，有关叙述正确的是 A．KNO3 盐桥中的 K+ 移向 Cu(NO3)2 溶液 B．当电流计指针为 0 时，该反应达平衡，平衡常数 K=0 C．若此时向 AgNO3 溶液中加入 NaCl 固体，随着 NaCl 量的增加， 电流计指针向右偏转幅度减小→指针指向 0 →向左偏转 D．若此时向 Cu(NO3)2 溶液中加入 NaOH 固体，随着 NaOH 量的 增加电流计指针向右偏转幅度减小→指针指向 0 →向左偏转。 【答案】 C 【解析】选项 C，因为反应为可逆反应，当指针指向 0 时，反应达平衡，当继续加 NaCl 固体，反应逆向进行，指针偏左。18 | www.xdf.cn

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