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高中化学人教版 (2019)选择性必修1第四章 化学反应与电能第一节 原电池优秀学案及答案
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这是一份高中化学人教版 (2019)选择性必修1第四章 化学反应与电能第一节 原电池优秀学案及答案，共5页。学案主要包含了原电池的工作原理，化学电源等内容，欢迎下载使用。
（一）定义：将化学能转化能电能的装置
（二）本质：氧化还原反应
（三）工作原理：以铜-锌原电池为例
电极：Zn—负极，Cu—正极
工作原理：负极→失电子→发生氧化反应→电子通过导线流向正极→正极→得电子→发生还原反应
溶液中：阴离子→负极，阳离子→正极
外电路—电子导电，内电路—离子导电
电极反应： 总反应： Zn+Cu2+=Zn2++Cu
注： 1、盐桥的作用：（1）成分：含琼胶的KCl饱和溶液
（2）作用：①构成通路，代替两溶液直接接触 ②平衡电荷：K+→正极，Cl-→负极
（3）优点：隔离氧化剂和还原剂，不同区域实现电子定向移动，产生持续、稳定的电流
2、电子只能在两极和外电路中流动，不可能进入溶液中。即“电子不下水，离子不上岸”
3、溶液中是由电解质溶液中的阴阳离子定向移动形成闭合回路的
（四）条件：两极一液一连线，氧化还原是条件
1、两个能导电的电极——正极和负极：
两极的构成情况：①活泼性不同的两种金属 ②金属和非金属 ③金属和化合物 ④惰性电极：Pt、C
注：（1）很活泼的金属单质一般不作原电池的负极，如：K、Ca、Na等
（2）有些原电池的两极活泼性相同，如燃料电池
2、要有电解质溶液或熔融的电解质
电解质溶液的情况：
(1)电解质溶液一般要能够与负极发生反应
(2)电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应（如：O2）
(3)特殊：有盐桥时，左右两个容器中的电解质溶液应选择与电极材料相同的阳离子溶液
3、形成闭合回路的情况：(1)导线相连 (2)电极直接接触
4、氧化还原反应：氧化还原反应是自发进行的，但自发进行的氧化还原反应不一定都能设计成原电池
（五）原电池的判断——四看
1、看电极——两极为导体且存在活泼性差异（燃料电池的电极一般为惰性电极）
2、看溶液——两极插入电解质溶液中
3、看回路——形成闭合回路或两极直接接触
4、看本质——有无氧化还原反应发生
（六）正负极的判断方法：
1、电极反应：负极—氧化反应，正极—还原反应
2、电子或电流的流向：电子：负→正；电流：正→负
3、离子流向：阳离子→正极，阴离子→负极；即“正向正，负向负”
4、电极材料：活泼金属作负极，不活泼金属、金属氧化物、非金属作正极
注：不能简单的依据金属的活泼性来判断，要看反应的具体情况
5、其他：质量增加→正极，质量减少→负极，气体→正极，pH↑→正极
（七）电极反应式的书写
1、分析电极反应：负极氧化产物，正极还原产物
2、注意电解质溶液环境：电极产物在电解质溶液中应稳定存在
①碱性介质中，若生成H+，结合OH-→H2O
②酸性介质中，若生成OH-,结合H+→H2O
③碱性介质中，若生成CO2，结合OH-→CO32-
④碱性介质中，若生成金属阳离子，则可能会结合OH-→沉淀M(OH)n
3、遵守三大守恒：质量守恒、电荷守恒、转移电子守恒
4、两极反应式叠加得总反应式，总反应式减去其中一个电极反应式，可得另一个电极的反应式
5、规律：①一般来说，金属作负极的原电池
负极：酸性或中性介质中：M—ne-=Mn+
碱性介质中： M—ne-+nOH-=M(OH)n
正极：酸性介质中：2H++2e-=H2↑
阳离子与金属反应的介质中：NX++xe-=N
阳离子不与金属反应的介质中：O2+4e-+2H2O=4OH-
②特殊：铝镁氢氧化钠电解质，铝铜浓硝酸电解质
注：电极反应式中若有气体生成，需加“↑”；若有固体生成，一般不标“↓”
（八）原电池的设计
1、先将已知的氧化还原反应拆分为两个半反应
2、根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应，找出正负极材料及电解质溶液
3、按要求画出原电池装置图
（九）应用
1、形成原电池，可以加快氧化还原反应的反应的速率
2、通过原电池的电极，可以比较金属活泼性强弱
3、设计化学电源
4、保护金属设备：被保护金属作正极
二、化学电源
（一）分类：
一次电池：就是放电后不可再充电的电池。随着使用，一次电池中能发生氧化还原反应的物质逐渐被消耗，当这些物质被消耗到一定程度时，电池就不能继续使用了。一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。
二次电池：又称可充电电池或蓄电池，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池。即它在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行（一般通过充电器将交流电转变为直流电进行充电），使电池恢复到放电前的状态。这样可以实现将化学能转变为电能（放电），再由电能转变为化学能（充电）的循环。
燃料电池：是一种连续的将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。
（二）优点：
1、化学电池的能量转化效率较高，供能稳定可靠
2、可以制成各种形状、大小和容量不同的电池及电池组
3、方便携带，易于维护
（三）判断电池优劣的主要标准：
1、比能量：电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少
2、比功率：输出功率的大小
3、电池可储存时间的长短
（四）一次电池——普通锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池
1、普通锌锰干电池
（1）电极材料及电极反应：负极：锌筒 Zn-2e-=Zn2+
正极：石墨 2NH4++2MnO2+2e-=2NH3↑+Mn2O3+H2O
总反应：Zn+2MnO2+2NH4Cl=ZnCl2+2NH3↑+Mn2O3+H2O
（2）电解质：MnO2、NH4Cl、ZnCl2、淀粉等调成糊状
（3）缺点：新电池会自动放电，锌皮腐蚀逐渐变薄、放电后电压下降较快、电量小、易气胀或漏液、存放时间缩短不易长时间连续使用
（4）优点：制作简单，价格便宜
2、碱性锌锰电池
（1）电极材料及电极反应：负极：锌筒 Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2
正极：MnO2 2MnO2+2e-+2H2O=2MnO(OH)(氢氧化氧锰)+2OH-
（MnO2作为正极反应物，得电子被还原为MnO(OH)）
总反应： Zn+2MnO2+2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)2
（2）电解质：将NH4Cl换成湿的KOH
（3）优点：比能量和可储存时间均有所提高，是普通干电池的升级换代产品
（五）二次电池（可充电电池）
举例：铅酸蓄电池
1、电极材料：负极：Pb 正极：PbO2 电解质：H2SO4
2、电极反应式：负极：Pb-2e-+SO42-=PbSO4 正极：PbO2+4H++2e-+SO42-=PbSO4+2H2O
总反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O
3、工作特点：电压稳定，使用方便，安全可靠，价格低廉；但比能量低，笨重，废弃电池污染环境
4、接线方式：充电时，待充电电池的负极要接电源的负极，待充电电池的正极要接电源的正极，即正接正，负接负
注：放电：化学能转化为电能；充电：电能转化为化学能
（六）燃料电池
1、工作原理
连续将氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体燃料和氧化剂的化学能转换为电能。电极本身不包含活性物质，不参与氧化还原反应。工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断被排除
2、特点：
（1）燃料电池中，燃料（还原性气体等）作负极，发生氧化反应，氧化剂（通常为氧气）作正极发生还原反应
（2）燃料电池的电极材料一般为惰性电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等
（3）燃料电池在使用过程中，并没有发生燃料与氧化剂之间的直接燃烧，而是在两极之间发生了放电，将化学能转化
为电能
（4）燃料的燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，而燃料电池则是平稳的氧化还原反应
（5）燃料直接燃烧时，大量的热能释放到空气中，利用率低；燃料电池工作时，能量转化率较高，是一种高效、环境友好的发电装置
（6）燃料电池的反应物并不储存在电池内部，而是由外设装备提供燃料和氧化剂
3、燃料电池与一般化学电池的区别
一般化学电池的活性物质储存在电池内部，故而限制了电池的容量，而燃料电池的电极本身不包含活性物质，只是一个催化转化元件。它工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排除，于是电池就连续不断地提供电能
4、优点
燃料电池的能量转化率超过80%，远高于普通燃烧过程（能量转化率仅30%多），可以持续使用，噪音低，不污染环境。既有利于节约能源，又绿色环保，具有广阔的发展前景，被誉为“绿色发电站”
5、种类
（1）氢氧燃料电池
（2）甲烷燃料电池
（3）甲醇燃料电池
（4）熔融盐电池
例如：用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质的燃料电池，CO为燃料，空气与CO2的混合气为助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，在工作过程中，电解质熔融盐的组成、浓度不变
电极反应式：负极：2CO+2CO32--4e-=4CO2 正极：O2+2CO2+4e-=2CO32- 总反应：2CO+O2=2CO2
6、燃料电池中常见正极反应式的书写
（1）在酸性溶液中：O2+4e-+4H+=2H2O
（2）在碱性或中性溶液中，O2+4e-+2H2O=4OH-
（3）在熔融碳酸盐中，O2+2CO2+4e-=2CO32-
（4）在可传导O2-的晶体电解质中（例如：掺杂(Y2O3)氧化钇的(ZrO2)氧化锆晶体）：O2+4e-=2O2-
注：燃料电池的总反应就是各种物质的燃烧反应，但不写反应条件
电解质
酸性
中性
碱性
负极反应
H2-2e-=2H+
H2-2e-=2H+
H2-2e-+2OH-=2H2O
正极反应
O2+4e-+4H+=2H2O
O2+4e-+2H2O=4OH-
O2+4e+2H2O=4OH-
总反应
2H2+O2=2H2O
电解质
H2SO4
KOH
负极反应
CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+
CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O
正极反应
O2+4e-+4H+=2H2O
O2+4e-+2H2O=4OH-
总反应
CH4+2O2=CO2+2H2O
CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O
电解质
H2SO4
KOH
负极反应
CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+
CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O
正极反应
O2+4e-+4H+=2H2O
O2+4e-+2H2O=4OH-
总反应
2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O
2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O
（一）定义：将化学能转化能电能的装置
（二）本质：氧化还原反应
（三）工作原理：以铜-锌原电池为例
电极：Zn—负极，Cu—正极
工作原理：负极→失电子→发生氧化反应→电子通过导线流向正极→正极→得电子→发生还原反应
溶液中：阴离子→负极，阳离子→正极
外电路—电子导电，内电路—离子导电
电极反应： 总反应： Zn+Cu2+=Zn2++Cu
注： 1、盐桥的作用：（1）成分：含琼胶的KCl饱和溶液
（2）作用：①构成通路，代替两溶液直接接触 ②平衡电荷：K+→正极，Cl-→负极
（3）优点：隔离氧化剂和还原剂，不同区域实现电子定向移动，产生持续、稳定的电流
2、电子只能在两极和外电路中流动，不可能进入溶液中。即“电子不下水，离子不上岸”
3、溶液中是由电解质溶液中的阴阳离子定向移动形成闭合回路的
（四）条件：两极一液一连线，氧化还原是条件
1、两个能导电的电极——正极和负极：
两极的构成情况：①活泼性不同的两种金属 ②金属和非金属 ③金属和化合物 ④惰性电极：Pt、C
注：（1）很活泼的金属单质一般不作原电池的负极，如：K、Ca、Na等
（2）有些原电池的两极活泼性相同，如燃料电池
2、要有电解质溶液或熔融的电解质
电解质溶液的情况：
(1)电解质溶液一般要能够与负极发生反应
(2)电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应（如：O2）
(3)特殊：有盐桥时，左右两个容器中的电解质溶液应选择与电极材料相同的阳离子溶液
3、形成闭合回路的情况：(1)导线相连 (2)电极直接接触
4、氧化还原反应：氧化还原反应是自发进行的，但自发进行的氧化还原反应不一定都能设计成原电池
（五）原电池的判断——四看
1、看电极——两极为导体且存在活泼性差异（燃料电池的电极一般为惰性电极）
2、看溶液——两极插入电解质溶液中
3、看回路——形成闭合回路或两极直接接触
4、看本质——有无氧化还原反应发生
（六）正负极的判断方法：
1、电极反应：负极—氧化反应，正极—还原反应
2、电子或电流的流向：电子：负→正；电流：正→负
3、离子流向：阳离子→正极，阴离子→负极；即“正向正，负向负”
4、电极材料：活泼金属作负极，不活泼金属、金属氧化物、非金属作正极
注：不能简单的依据金属的活泼性来判断，要看反应的具体情况
5、其他：质量增加→正极，质量减少→负极，气体→正极，pH↑→正极
（七）电极反应式的书写
1、分析电极反应：负极氧化产物，正极还原产物
2、注意电解质溶液环境：电极产物在电解质溶液中应稳定存在
①碱性介质中，若生成H+，结合OH-→H2O
②酸性介质中，若生成OH-,结合H+→H2O
③碱性介质中，若生成CO2，结合OH-→CO32-
④碱性介质中，若生成金属阳离子，则可能会结合OH-→沉淀M(OH)n
3、遵守三大守恒：质量守恒、电荷守恒、转移电子守恒
4、两极反应式叠加得总反应式，总反应式减去其中一个电极反应式，可得另一个电极的反应式
5、规律：①一般来说，金属作负极的原电池
负极：酸性或中性介质中：M—ne-=Mn+
碱性介质中： M—ne-+nOH-=M(OH)n
正极：酸性介质中：2H++2e-=H2↑
阳离子与金属反应的介质中：NX++xe-=N
阳离子不与金属反应的介质中：O2+4e-+2H2O=4OH-
②特殊：铝镁氢氧化钠电解质，铝铜浓硝酸电解质
注：电极反应式中若有气体生成，需加“↑”；若有固体生成，一般不标“↓”
（八）原电池的设计
1、先将已知的氧化还原反应拆分为两个半反应
2、根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应，找出正负极材料及电解质溶液
3、按要求画出原电池装置图
（九）应用
1、形成原电池，可以加快氧化还原反应的反应的速率
2、通过原电池的电极，可以比较金属活泼性强弱
3、设计化学电源
4、保护金属设备：被保护金属作正极
二、化学电源
（一）分类：
一次电池：就是放电后不可再充电的电池。随着使用，一次电池中能发生氧化还原反应的物质逐渐被消耗，当这些物质被消耗到一定程度时，电池就不能继续使用了。一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。
二次电池：又称可充电电池或蓄电池，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池。即它在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行（一般通过充电器将交流电转变为直流电进行充电），使电池恢复到放电前的状态。这样可以实现将化学能转变为电能（放电），再由电能转变为化学能（充电）的循环。
燃料电池：是一种连续的将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。
（二）优点：
1、化学电池的能量转化效率较高，供能稳定可靠
2、可以制成各种形状、大小和容量不同的电池及电池组
3、方便携带，易于维护
（三）判断电池优劣的主要标准：
1、比能量：电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少
2、比功率：输出功率的大小
3、电池可储存时间的长短
（四）一次电池——普通锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池
1、普通锌锰干电池
（1）电极材料及电极反应：负极：锌筒 Zn-2e-=Zn2+
正极：石墨 2NH4++2MnO2+2e-=2NH3↑+Mn2O3+H2O
总反应：Zn+2MnO2+2NH4Cl=ZnCl2+2NH3↑+Mn2O3+H2O
（2）电解质：MnO2、NH4Cl、ZnCl2、淀粉等调成糊状
（3）缺点：新电池会自动放电，锌皮腐蚀逐渐变薄、放电后电压下降较快、电量小、易气胀或漏液、存放时间缩短不易长时间连续使用
（4）优点：制作简单，价格便宜
2、碱性锌锰电池
（1）电极材料及电极反应：负极：锌筒 Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2
正极：MnO2 2MnO2+2e-+2H2O=2MnO(OH)(氢氧化氧锰)+2OH-
（MnO2作为正极反应物，得电子被还原为MnO(OH)）
总反应： Zn+2MnO2+2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)2
（2）电解质：将NH4Cl换成湿的KOH
（3）优点：比能量和可储存时间均有所提高，是普通干电池的升级换代产品
（五）二次电池（可充电电池）
举例：铅酸蓄电池
1、电极材料：负极：Pb 正极：PbO2 电解质：H2SO4
2、电极反应式：负极：Pb-2e-+SO42-=PbSO4 正极：PbO2+4H++2e-+SO42-=PbSO4+2H2O
总反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O
3、工作特点：电压稳定，使用方便，安全可靠，价格低廉；但比能量低，笨重，废弃电池污染环境
4、接线方式：充电时，待充电电池的负极要接电源的负极，待充电电池的正极要接电源的正极，即正接正，负接负
注：放电：化学能转化为电能；充电：电能转化为化学能
（六）燃料电池
1、工作原理
连续将氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体燃料和氧化剂的化学能转换为电能。电极本身不包含活性物质，不参与氧化还原反应。工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断被排除
2、特点：
（1）燃料电池中，燃料（还原性气体等）作负极，发生氧化反应，氧化剂（通常为氧气）作正极发生还原反应
（2）燃料电池的电极材料一般为惰性电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等
（3）燃料电池在使用过程中，并没有发生燃料与氧化剂之间的直接燃烧，而是在两极之间发生了放电，将化学能转化
为电能
（4）燃料的燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，而燃料电池则是平稳的氧化还原反应
（5）燃料直接燃烧时，大量的热能释放到空气中，利用率低；燃料电池工作时，能量转化率较高，是一种高效、环境友好的发电装置
（6）燃料电池的反应物并不储存在电池内部，而是由外设装备提供燃料和氧化剂
3、燃料电池与一般化学电池的区别
一般化学电池的活性物质储存在电池内部，故而限制了电池的容量，而燃料电池的电极本身不包含活性物质，只是一个催化转化元件。它工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排除，于是电池就连续不断地提供电能
4、优点
燃料电池的能量转化率超过80%，远高于普通燃烧过程（能量转化率仅30%多），可以持续使用，噪音低，不污染环境。既有利于节约能源，又绿色环保，具有广阔的发展前景，被誉为“绿色发电站”
5、种类
（1）氢氧燃料电池
（2）甲烷燃料电池
（3）甲醇燃料电池
（4）熔融盐电池
例如：用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质的燃料电池，CO为燃料，空气与CO2的混合气为助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，在工作过程中，电解质熔融盐的组成、浓度不变
电极反应式：负极：2CO+2CO32--4e-=4CO2 正极：O2+2CO2+4e-=2CO32- 总反应：2CO+O2=2CO2
6、燃料电池中常见正极反应式的书写
（1）在酸性溶液中：O2+4e-+4H+=2H2O
（2）在碱性或中性溶液中，O2+4e-+2H2O=4OH-
（3）在熔融碳酸盐中，O2+2CO2+4e-=2CO32-
（4）在可传导O2-的晶体电解质中（例如：掺杂(Y2O3)氧化钇的(ZrO2)氧化锆晶体）：O2+4e-=2O2-
注：燃料电池的总反应就是各种物质的燃烧反应，但不写反应条件
电解质
酸性
中性
碱性
负极反应
H2-2e-=2H+
H2-2e-=2H+
H2-2e-+2OH-=2H2O
正极反应
O2+4e-+4H+=2H2O
O2+4e-+2H2O=4OH-
O2+4e+2H2O=4OH-
总反应
2H2+O2=2H2O
电解质
H2SO4
KOH
负极反应
CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+
CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O
正极反应
O2+4e-+4H+=2H2O
O2+4e-+2H2O=4OH-
总反应
CH4+2O2=CO2+2H2O
CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O
电解质
H2SO4
KOH
负极反应
CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+
CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O
正极反应
O2+4e-+4H+=2H2O
O2+4e-+2H2O=4OH-
总反应
2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O
2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O
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