高中化学原电池入门.docx

电化学知识是以电解质溶液为载体，以氧化还原反应为核心，原电池的负极和电解池的阳极是氧化极，原电池的正极和电解池的阴极是还原极。
第一类原电池，如铜锌原电池，其组成条件有三条：
(1) 两个活泼性不同的电极(金属与金属、金属与石墨碳棒、金属与难溶金属氧化物)；
(2) 电解质溶液，至少要能与一个电极发生有电子转移的氧化还原反应，一般是置换反应；
(3) 两电极插入电解质溶液中且用导线连接。这种原电池中，较活泼的金属作负极，负极发生氧化反应，负极材料失去电子被氧化，形成阳离子进入溶液；较不活泼的金属作正极，正极上发生还原反应，溶液中原有的阳离子在正极上得到电子被还原，析出金属或氢气，正极材料不参与反应。电子总是从负极沿着导线流入正极。
因此，原电池现象是“负极下，正极上，电子就在中间转”。其特点是金属电极与电解质溶液之间存在自发的氧化还原反应。
例1．某原电池的总反应是Zn ＋Cu2+ ＝Zn2+ ＋ Cu，该原电池的正确组成是(  )
       A.      B.       C.      D.
 正极   Zn      Cu       Zn      Cu
 负极   Cu      Zn       Cu      Zn
电解质溶液CuCl2    CuCl2     ZnCl2     ZnCl2
解析：从总反应可知，Zn失去电子，且Zn比Cu活泼，Zn应为负极。这是正规原电池，负极要能与电解质溶液发生置换反应，只能用CuCl2，故应选B。
第二类原电池的构成条件是：
(1) 两个活动性不同的电极；
(2) 任何电解质溶液( 酸、碱、盐皆可)；
(3) 形成回路。 
这类原电池的特点是电极与电解质溶液不发生置换反应，电解质溶液只起导电作用。其正极反应一般是吸氧腐蚀的电极反应式：O2＋2H2O＋4e ＝ 4OH－。
电化学腐蚀依然是原电池原理，分为析氢腐蚀(发生在酸性较强的溶液里，正极上H+还原)和吸氧腐蚀 (发生在中性、碱性或极弱酸性溶液里，正极上是氧气被还原：O2＋2H2O＋4e ＝ 4OH－)。
例2.把铁钉和碳棒用铜线联接后，浸入0.01 mol／L的食盐溶液中，可能发生的现象是      (    )
A. 碳棒上放出氯气    B. 碳棒近旁产生OH－    
C. 碳棒上放出氧气    D. 铁钉上放出氢气    E. 铁钉被氧化
解析：由于Fe不与食盐溶液反应，属第二类原电池，溶液为中性，故发生吸氧腐蚀的反应。铁钉是负极，铁被氧化，Fe－2e ＝Fe2+；碳棒上：O2＋2H2O＋4e ＝ 4OH－。应选B、E。
例3．有人设计以Pt和Zn为电极材料，埋入人体内作为某种心脏病人的心脏起博器的能源。它依靠人体内体液中含有一定浓度的溶解氧、H+和Zn2+进行工作。请写出两极反应的方程式。
正极 _____________________，负极 _________________________。
解析：Pt、Zn和人体体液应构成第二类原电池，Zn为负极，其电极反应为：Zn－2e == Zn2+，Pt为正极，发生吸氧腐蚀的反应，O2＋2H2O＋4e ＝ 4OH－，但由于体液中有H+，产生的OH－将与H+反应生成水，正极反应即为上述两反应之和：
O2＋2H2O＋4e == 4OH－
4OH－＋4H+ == 4H2O
O2 ＋4H+ ＋ 4e == 2H2O
综上所述：用导线连接或直接接触的任何两种活泼性不同的金属(其中一种可为碳棒)，只要其中一种是比Pt、Au活泼的金属，与任何电解质溶液接触均可构成原电池。原电池中，较活泼的金属作为负极；有的电解质溶液未参加反应，只是增加了溶液的导电性。

常见化学电源有以下几种，一次电池包括锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池；充电电池包括铅蓄电池、镍镉电池；燃料电池包括氢氧燃料电池、甲烷电池。
一、一次电池
1.普通干电池，最常见的电池。负极材料Zn，正极材料MnO2，电解质NH4Cl。

反应原理
Zn+2MnO2+2NH4Cl=Mn2O3+ZnCl2+2NH3↑+H2O
负极（Zn）：Zn-2e-=Zn2+
正极（MnO2和C）：2MnO2+2NH4++2e-=Mn2O3+2NH3↑+H2O

2.碱性锌锰电池，为了延长电池寿命，提高性能，将普通锌锰电池中电解质氯化铵换为氢氧化钾，负极材料Zn，正极材料MnO2，电解质KOH。
反应原理
Zn+2MnO2+2H2O=2MnO（OH）+Zn（OH）2
负极（Zn）：Zn+2OH--2e-=Zn（OH）2
正极（MnO2）：2MnO2+2H2O+2e-=2MnO（OH）+2OH-

3.锌银电池（纽扣电池），电池体积下，比能量大、电压稳定，储存时间长。负极材料Zn，正极材料Ag2O，电解质KOH。
反应原理
Zn+Ag2O+H2O=Zn（OH）2+2Ag
负极（Zn）：Zn+2OH--2e-=Zn（OH）2
正极（Ag2O）：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-
二、充电电池（二次电池）
二次电池在放电时是原电池，遵循原电池工作原理；在充电时是电解池，遵循电解原理；给二次电池充电充电时，外加电源的负极连接电池的负极。
1、铅蓄电池，最常见的二次电池，负极板材料Pb，正极板材料PbO2，电解质材料H2SO4。

电池总反应：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O
放电反应：
负极（Pb）：Pb-2e-+SO42-=PbSO4
正极（PbO2）：PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O
铅蓄电池可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉。但比能量低、笨重、废弃电池污染环境等。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等一系列新型蓄电池已逐渐占领二次电池的市场。
2、镍镉电池，体积较小，寿命更长。负极材料Cd，正极材料NiO（OH），电解质KOH。
电池总反应：Cd+2NiO（OH）+2H2O2Ni（OH）2+Cd（OH）2
放电反应： 　　
负极（Cd）： Cd+2OH-→Cd(OH)2+2e- 　　
正极（NiO(OH)）：2NiO（OH）+2e-+2H2O→2Ni(OH)2+2OH- 　　
总反应： Cd+2NiO（OH）+2H2O=2Ni（OH）2+Cd（OH）2
综上所述：分析一般化学电池工作原理的关键在于总反应和负极反应。

三、燃料电池
燃料电池是以还原剂（氢气、烃类、甲醇等）为负极反应物，以氧化剂（氧气、空气）为正极反应物，将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的化学电池。
1.氢氧燃料电池，负极氢气为还原剂，正极氧气为氧化剂，铂做电极。
反应原理：2H2+O2=2H2O
①以酸性（或中性）溶液为电解液构成的氢氧燃料电池：
负极（Pt）：2H2-4e-=4H+；
正极（Pt）：O2+4H++4e-=2H2O
②以碱性溶液为电解液构成的氢氧燃料电池：
负极（Pt）：2H2-4e-+4OH-=4H2O；
正极（Pt）：O2+2H2O+4e-=4OH-.
2.甲烷燃料电池，负极甲烷为还原剂，正极氧气为氧化剂，。以碱性（KOH）溶液为电解质溶液。
反应原理：CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O
负极（Pt）：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O
正极（Pt）：2O2+4H2O+4e-=8OH-
燃料电池的特点是：氧化剂与还原剂在工作时不断补充；反应产物不断排出；优点是：能量转化率高、清洁、对环境好，有利于节约能源。缺点：体积较大、附属设备较多。
综上所述：分析燃料电池工作原理的关键在于总反应和正极反应。