原电池的原理及其应用

第9讲原电池原理及其应用

知识要点实例

概念将化学能转变为电能的一种装置叫做原电池

自发的氧化还原反应：实质将化学能转变为电能

构成前提必须是能发生自发的氧化还原反应

构成条件

1．活动性不同的两种金属（或一种金属，一种为能

导电的非金属）作为两个电极

2．两个电极必须以导线相连或直接接触

3．电极插入电解质溶液中形成闭合回路

电极构成

负极

电子流出的一极．通常为活泼性较强，易失电

子的金属

负极：Zn片

正极

电子流入的一极．通常是活泼性较弱的金属或

非金属导体

正极：Cu片

电流方向

电子由负极流向正极，电流方向是由正极流向

负极（与电子流向相反）

电子流向：由Zn→导线→Cu

电流方向：由Cu→导线→Zn 电极反应

负极电极失去电子，被氧化，发生氧化反应

正极

电极上得到电子，发生还原反应（一般是溶液

中易得电子的物质发生还原反应）

总反应方程式

正极、负极分别发生的氧化反应和还原反应综

合起来得到总式

应用

1．制多种电池

2．形成原电池，加快反应速率

3．根据原电池原理保护金属不受腐蚀

如：干电池、蓄电池、高能电池等．

制取氢气时，锌中滴一些硫酸铜溶

液，使反应速率大大增强；

如铁铜连接处于电解质溶液中，铜

受到保护，不易腐蚀

1、金属腐蚀的定义：金属或合金与接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀损耗的过程．

2、金属腐蚀的实质：金属原子失去电子被氧化而消耗的过程．

3、金属腐蚀的种类：化学腐蚀与电化学腐蚀．

电化学腐蚀（吸氧腐蚀）化学腐蚀

条件

不纯金属或合金与电解质

溶液接触构成微小原电池

金属跟接触物质（多为非电解质）

直接反应

现象有微弱电流产生无电流产生

结果

活泼金属被腐蚀

较不活泼金属得到保护

各种金属都有可能被腐蚀

实例

负极：

正极：

2Fe+3Cl2=2FeCl3（某些工厂）

本质金属原子失去电子被氧化而损耗

联系两种腐蚀同时发生，但电化腐蚀较化学腐蚀普遍，钢铁以吸氧腐蚀常见

金属

的

防护

①改变金属内部结构，如制成不锈钢；②在金属表面覆盖保护层，如电镀、

涂油、喷漆、搪瓷、镀氧化膜（致密），目的使金属制品与周围物质隔开；

③电化学保护法（被保护金属作为原电池的正极或电解池的阴极）

4

钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀的对比

5、金属防护的几种重要方法

(1)改变金属内部的组成结构，将金属制成合金，增强抗腐蚀能力。

(2)在金属表面覆盖保护保护层，使金属和周围物质隔离开来。

(3)电化学保护法：利用电化学反应使金属钝化而受到保护，或者利用原电池反应将需

要保护的金属作为电池的正极而受到保护。

6、金属腐蚀速率大小

电解池阳极＞原电池负极＞化学腐蚀＞原电池正极＞电解池阴极

三、常见的化学电源

1．实用电池的特点

（1）能产生稳定而具有较高电压的电流

（2）安全、耐用且便于携带

（3）能适用于特殊用途

（4）便于回收处理，不污染环境或对环境产生的影响较小

按照其使用性质可分为：干电池、蓄电池、燃料电池。

按电池中电解质性质分为：碱性电池、酸性电池、中性电池。

①干电池也称一次电池，即电池中的反应物质在进行一次电化学反应放电之后就不能再次使用了。现在所用的一次电池主要有：锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银扣式电池。

②蓄电池是可以反复使用、放电后可以充电使活性物质复原、以便再重新放电的电池，也称二次电池。该类电池主要有：铅蓄电池、碱式镍镉电池、氢镍电池。

③燃料电池在工作时不断从外界输入氧化剂和还原剂，同时将电极反应产物不断排出电池。燃料电池是直接将燃烧反应的化学能转化为电能的装置，能量转化率高，具有节约燃料、减小污染的特点。

④新型高能电池。随着科技发展，在原有原始电池基础上，发展了一些新型高性能电池并已在社会生产生活各方面广泛应用，如：锂－二氧化锰非水电解质电池、钠－硫电池、海洋电池。

几种常见电池及电极反应

化学电池是将化学能转变为电能的装置，主要部分包括正负两电极和电解质。本文简单介绍多种化学电池的电极反应，以便读看大致解一些化学电池工作时发生的化学反应。

干电池

（1）锌锰干电池Zn|NH4Cl溶液|C

锌锰干电池的负极为锌筒，正极为石墨棒，放电时电极反应为：

负极Zn-2e-=Zn2+

正极2Mn02+2NH4++2e=Mn2O3+H2O+2NH3

总反应一般写成：

Zn+2NH4++2MnO2 =Mn2O3+H2O+2NH3 +Zn2+

负极生成的Zn2+在一定程度上与正极生成的NH3分子化合而生成锌氨复杂离子(较正式的名称为锌氨配离子[Zn(NH3)4]2+。

（2）碱性锌锰电池Zn|NaOH溶液|C

电极反应一般写成：

负极Zn+20H-+2e-=ZnO+H20

正极2Mn02+2H2O +2e-=Mn203+H2O+20H-

总反应方程式请读者自行写出。

以上两种电池都是原电池，使用到一定程度便报废，不能充电再生。

蓄电池

可充电能多次使用，一般正负电极都参与反应（干电池只有负参与反应）

（1）铅蓄电池Pb|H2SO4|PbO2

与原电池不同，蓄电池在使用到一定程度，可用外来直流电源将其充电再生，重复使用。例如铅蓄电池在使用中（即放电中）的电极反应为

负极Pb+SO42--2e=PbSO4

正极Pb02+SO42-+4H++2e=PbS04+2H2O

放电时总反应方程式写成：Pb+Pb02+2H2S04=2PbS04+H2O

由此可理解为什么铅蓄电池在使用中两极有白色固体(PbS04)生成，而电池中硫酸的浓度逐渐减小。当使用到一定程度，相应的硫酸的密度降低到一定值(约为1.28克·厘米-3)时，该蓄电池便必须充电后才能继续使用。充电时将原来的负极作阻极、正极作阳极，充电过程中阴、阳两极发生的反应分别是放电时负、正两极所发生的反应的逆反应。充龟时电池韵总反应则是放电时总反应的逆反应。

（2）镍镉电池镍镉蓄电池

在充电后正极(镍)上有Ni(OH)3，负极主要是镉(含有一些铁)，所用电解质为KOH溶液。放电时发生的电极反应式一般可写成：

负极：Cd+20H--2e-=Cd(OH)2

正极2Ni(OH) +3e-= 2Ni(OH)2+20H-电池总反应式请读者自行写出。根据这种蓄电池的原理已制成千电池形式的镍镉电池。这种干电池在使用过程中也可以充电。

（3）银锌蓄电池

放电时电极反应可写成：

负极Zn+20H--2e-=ZnO+ H2O

正极Ag2O+H20+2e-=2Ag+20H-

电池总反应为：Zn+Ag2O=ZnO+2Ag

微型纽扣式银锌电池由正极壳、负极盖(二者都用不锈钢做成)、绝缘密封圈、隔离膜、正极活性材料(AgO 和少量石墨粉，后者起导电作用)、负极活性材料(含汞量很少的锌汞合金)、电解质溶液(浓KOH溶液)等组装而成。质量较好的可用约1年，最好的可用约2年。手表中用的一般就是这种纽扣式电池。这种电池用完后即报废，不再去充电。

为什么在纽扣式银锌电池中的负极活性材料用的不是单纯的锌而是含汞量很少的锌汞合金?这是因为如果用了单纯的锌，电池在未工作时(即空置时)就会被电池中的电解质溶液腐蚀而放出氢气,以致影响电池的使用寿命，而改用含汞虽然很少的锌汞合金的话，可以使电池在未工作时锌极被腐蚀的过程被阻止到最小的程度。不仅银锌电池是这样，在其它某些电池中也采取同样的措施。如在制造锌锰干电池的传统工艺中，锌皮用氯化汞溶液处理，部分锌发生了反应：Zn+ Hg2+=Zn2++Hg生成的汞与未起反应的锌形成锌汞合金。制造过程中控制HgCl2的用量，使生成的合金中含汞仅约0.25％。汞太多则使锌变脆。近年来正在研究干池等中不用汞的工艺以避免汞污染的危害。

燃料电池

（1）氢氧燃料电池

电极反应为：

负极：H2+2OH—-2e=H2O

正极02+2H2O +2e=40H-

一般用30％K0H溶液作这种电池的电解质溶液。电极可用含有催化剂的多孔石墨电极(负极中催化剂可用铂或钯，正极中催化剂可用AgO或CoO)。

（2）甲烷燃料电池

结构与氢氧燃料电池类似。电极反应为：

负极CH4+10OH--8e=CO32-+7H2O

正极 02+2H 20+4e=40H -

题目：固体氧化物燃料电池是由美国西屋（Westinghouse ）公司研制开发的。它以固体氧化锆 一 氧化钇为

电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子（-

2O

）在其间通过。该电池的工作原理如图3所示，其中多孔电

极a 、b 均不参与电极反应。下列判断正确的是（ ）

A ．有2O 放电的a 极为电池的负极

B ．有2H 放电的b 极为电池的正极

C ．a 极对应的电极反应为-

=++OH e O H O 44222 D ．该电池的总反应方程式为O H O H 2222 2高温+

其它：

（1）海水电池1991年我国首创的以铝—空气—海水组成的新型电池，可用于航标灯中。该电池用铝作负极、石墨作正极。电极反应为： 负极4Al-12e=4Al 3+ 正极302+6H 2O +12e=120H - 由于Al 3+可与0H -化合生成Al(OH)3，所以该电池的总反应方程式为：

4A1+302+6H 2O=4Al(OH)3，该电池的能量比普通干电池(锌锰电池)高20-50倍。 （2）锂电池 Li|LiI|I 2 用锂作负极的电池统锂电池。在锂电池中不能使用电解质水溶液(为什么?)。迄今已陆续发明了不少品种的锂电池，其中最著名的是锂碘电池。这种电池中的电解质是固体电解质LiI ，其中的导电离子是I -。该电池的电极反应为： 负极 2Li-2e=2Li + 正极 I 2+2e=2I - Li|LiAlCl 4 (SOCl 2)|C 总反应是：8Li+ 3SOCl 2=6LiCl+Li 2SO 3+2S 试写出电极反应式 负极：______________________________ 正极：____________________________________

微型锂碘电池可作植入某些心脏病人体内的心脏起搏器所用的电源，使用寿命长达10年，并有可能达14年，且对人体无不良影响。由于这种电池制作过程很复杂，所以价格昂贵。心脏起搏器中最早使用的电源为 Zn-Hg0电池，其使用寿命只有1.5-2年。 7．溴—锌蓄电池 国外新近研制的的基本构造是用碳棒作两极，溴化锌溶液作电解液。 电极反应式为：负极反应：Zn －2e -＝Zn 2+ 正极反应：Br 2＋2e -＝2Br - 电池总反应式为：Zn ＋Br 2＝ZnBr 2 例1、银器皿日久表面逐渐变黑色，这是由于生成硫代银，有人设计用原电池原理加以除去，其处理方法为：将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器浸入溶液中，放置一段时间后，黑色会褪去而银不会损失。

试回答：在此原电池反应中，负极发生的反应为 ；正极发生的反应为 ；

反应过程中产生臭鸡蛋气味的气体，原电池总反应方程式为

解析：由题意“黑色褪去而银不会损失”发生变化Ag2S→Ag，显然这是考察原电池的正极反应：Ag2S+2e-=2Ag+S2-，负极反应为活泼金属发生氧化反应：Al-3e-=Al3+。正极生成的S2-和负极生成的Al3+在溶液中发生双水解：2Al3++3S2-+6H2O=2Al(OH)3↓+3H2S↑。

答案：Al-2e-=Al3+ Ag2S+2e-=2Ag+S2-

3Ag2S+2Al+6H2O=6Ag+2Al(OH)3↓+3H2S↑

例 1 航天技术上使用的氢－氧燃料电池具有高能、轻便和不污染环境等优点。氢－氧燃料电池有酸式和碱式两种，它们放电时的电池总反应方程式均可表示为：2H2＋O2＝2H2O。酸式氢－氧燃料电池中的电解质是酸，其负极反应为：2H2－4e－＝4H＋，则其正极反应为_________________；碱式氢－氧燃料电池中的电解质是碱，其正极反应为：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－，则其负极反应为_________________________。

研析：原电池正极发生还原反应：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－，在酸性溶液中：4OH－＋4H＋＝4H2O，故正极反应为：O2＋4H＋＋4e－＝2H2O；在原电池负极发生氧化反应：2H2－4e－＝4H＋，在碱性溶液中：4H＋＋4OH－＝4H2O，故负极反应为：2H2＋4OH－―4e－＝4H2O。由此可知，在书写电极反应时要注意电解质参与电极反应。

答案：O2＋4H＋＋4e－＝2H2O；2H2＋4OH－―4e－＝4H2O。

方法探究：原电池电极反应方程式的书写：(1)负氧正还，(2)要注意溶液的酸碱性，适当的在电极方程式两边添加H+、OH—、H2O，以遵循电荷守恒和质量守恒，(3)要注意电极反应产物是否与电解质溶液发生反应。对于较复杂的原电池的电极反应式，我们可先写出总反应方程式和某一极的电极反应方程式，再用总反应减去该极反应即得另一极反应方程式，注意电子守恒。。

1、熔融盐燃料电池具有较高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气为阴极助燃气，制得在650 ℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：负极反应式：2CO＋2CO32→4CO2＋4e－

正极反应式：。

总电池反应式：。

2．电池的分类及电极反应

二、相关考题和练习

例1．（2000年全国高考理综题）熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气体为阴极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：

阳极反应式：2CO+2CO32--4e-== 4CO2

阴极反应式：_________________，

电池总反应式：_______________。

解析：作为燃料电池，总的效果就是把燃料进行燃烧。本题中CO为还原剂，空气中O2为氧化剂，电池总反应式为：2CO+O2==2CO2。用总反应式减去电池负极（即题目指的阳极）反应式，就可得到电池正极（即题目指的阴极）反应式：O2+2CO2+4e-== 2CO32-。

例2．（1999年全国高考化学题）氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生污染的铜镍电池。氢镍电池的总反应式是：

(1/2)H2+NiO(OH) Ni(OH)2

根据此反应式判断下列叙述中正确的是（）

A．电池放电时，电池负极周围溶液的pH不断增大B．电池放电时，镍元素被氧化

C．电池充电时，氢元素被还原D．电池放电时，H2是负极

解析：电池的充、放电互为相反的过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。根据氢镍电池放电时的总反应式可知，电解质溶液只能是强碱性溶液，不能是强酸性溶液，因为在强酸性溶液中NiO(OH)和Ni(OH)2都会溶解。这样可写出负极反应式：H2+2OH--2e- == 2H2O，H2为负极，附近的pH应下降。放电时镍元素由+3价变为+2价，被还原，充电时氢元素由+1价变为0价，被还原。故答案为C、D项。

例3．有人设计出利用CH4和O2的反应，用铂电极在KOH溶液中构成原电池。电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧，则下列说法正确的是（）

①每消耗1molCH4可以向外电路提供8mole-

②负极上CH4失去电子，电极反应式CH4+10OH-－8e-=CO32-+7H2O

③负极上是O2获得电子，电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-

④电池放电后，溶液PH不断升高

A.①②

B.①③

C.①④

D.③④

[点拨]：本题是考查原电池原理在燃料电池中的具体应用，首先要判断出电池的正负极，其方法是确定在该电极上发生的是失电子还是得电子反应，若发生的是失电子反应是原电池的负极，反之是正极。CH4在铂电极上发生类似于CH4在O2燃烧反应，即CH4 →CO2严格讲生成的CO2还与KOH反应生成K2CO3，化合价升高，失去电子，是电池的负极，电极反应式为CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O，1molCH4参加反应有8mole-发生转移，O2在正极上发生反应，获得电子，电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-。虽然正极产生OH-，负极消耗OH-，但从总反应CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O可看出是消耗KOH，所以电池放电时溶液的PH值不断下降，故①②正确，③④错误。

答案：A

例4．（2004年天津高考理综题）下图为氢氧燃料电池原理示意图，按照此图的提示，下列叙述不正确的是( )

A．a电极是负极 B．b电极的电极反应为：4OH--4e-== 2H2O+O2↑

C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源

D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置

解析：分析氢氧燃料电池原理示意图，可知a极为负极，其电极反应为：2H2-4e-==4H+，b极为正极，其电极反应为：O2+2H2O+4e-==4OH-，电池总反应式为：2H2+O2==2H2O。H2为还原剂，O2为氧化剂，H2、O2不需全部储藏在电池内。故答案为B项。

例5．（2004年江苏高考化学题）碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌—锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：

Zn(s)+ 2MnO2(s) + H2O(l) == Zn(OH)2(s) + Mn2O3(s)

下列说法错误的是（）

A．电池工作时，锌失去电子

B．电池正极的电极反应式为：2MnO2(s)+H2O(1)+2e- == Mn2O3(s)+2OH-(aq)

C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极

D．外电路中每通过O.2mol电子，锌的质量理论上减小6.5g

解析：该电池的电解液为KOH溶液，结合总反应式可写出负极反应式：Zn(s)+2OH-(aq)-2e- == Zn(OH)2(s)，用总反应式减去负极反应式，可得到正极反应式：2MnO2(s)+H2O(1)+2e- == Mn2O3(s)+2OH-(aq)。Zn为负极，失去电子，电子由负极通过外电路流向正极。1molZn失去2mol电子，外电路中每通过O.2mol电子，Zn的质量理论上减小6.5g。故答案为C项。