【选必一电化学】直播精华回放：原电池0基础开始学习

杰哥 | 5-1 原电池

1️⃣原电池基本概念

1. 能量转化：将化学能转化为电能的装置
2. 本质：将一个可以自发进行的氧化还原反应分开在两个区域进行，将两个区域用导线连接起来，电子则定向的由发生氧化反应的负极流向发生还原反应的正极，从而实现化学能向电能的转化的装置。
3. 原电池工作原理：氧化还原为中心，两极一液成回路

（1）负极：失电子，发生氧化反应

（2）正极：得电子，发生还原反应

（3）电子由负极经外电路流向正极（由负到正）

（4）离子移动：阳离子往正极移动，阴离子往负极移动（正正负负）

2️⃣原电池工作原理（以锌铜原电池为例）

电极反应

负极：Zn - 2e⁻ == Zn²⁺，氧化反应

正极：Cu²⁺ + 2e⁻ == Cu，还原反应

总反应：Zn + Cu²⁺ == Cu + Zn²⁺

盐桥的组成和作用

盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼胶。

盐桥的作用：

a. 连接内电路，形成闭合回路；

b. 平衡电荷，使原电池不断产生电流。

盐桥中离子移向：阴离子移向负极，阳离子移向正极。

3️⃣原电池正、负极判断

1. 根据电极反应或总反应方程式来判断

• 作还原剂、失电子、化合价升高、发生氧化反应的电极是负极
• 作氧化剂、得电子、化合价降低、发生还原反应的电极是正极

2. 根据外电路中电子流向或电流方向来判断

电子流出或电流流入的一极负极；电子流入或电流流出的一极正极

3. 根据内电路（电解质溶液中）中离子的迁移方向来判断

阳离子向正极移动；阴离子向负极移动

4. 根据原电池的两电极材料来判断

两种金属（或金属与非金属）组成的电极，若它们都与（或都不与）电解质溶液单独能反应，则较活泼的金属作负极；若只有一种电极与电解质溶液能反应，则能反应的电极作负极

5. 根据电极现象来判断

工作后，电极质量减少，说明该电极金属溶解，失去电子变成金属离子，该电极为负极;电极质量增加或不变，说明溶液中的阳离子在该电极放电生成金属单质或溶液中的阳离子得电子，该电极为正极

4️⃣原电池的应用

1. 加快氧化还原反应的速率：

一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率加快。

如：在Zn和稀硫酸反应时，滴加少量CuSO₄溶液，则Zn置换出的铜和锌能构成原电池的正负极，从而加快Zn与稀硫酸反应的速率

2. 比较金属活动性的强弱

（1）方法：一般情况下，负极的金属活动性比正极的金属活动性强

• 特例
• Mg—Al，溶液是NaOH
• Fe—Cu，溶液是浓HNO₃

（2）常见规律：电极质量较少，作负极较活泼，有气体生成、电极质量不断增加或不变作正极，较不活泼

如：有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，即可以断定金属活动性:A>站

3. 设计原电池

（1）依据：已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料（或在负极上被氧化），氧化剂（电解质溶液中的阳离子）在正极上被还原

（2）选择合适的材料

①电极材料：电极材料必须导电。负极材料一般选择较活泼的金属材料，或者在该氧化还原反应中，本身失去电子的材料

②电解质溶液：电解质溶液一般能与负极反应

如：根据2Fe³⁺ +Cu ==2Fe²⁺ +Cu²⁺设计电池

4. 用于金属的防护——牺牲阳极法

（1）原理:利用原电池原理，让被保护金属做正极，一种活泼性较强的金属做负极，用导线相连

（2）被保护的金属作正极，活泼性更强的金属作负极

（3）实例：要保护一个钢闸门，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极

5️⃣常见的化学电源：一次电池

一次电池就是放电之后不可再充电的电池。一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。常见的一次电池有普通锌锰干电池、碱性锌锰干电池、纽扣式银锌电池等。

1. 酸性锌锰电池：

结构：石墨棒作正极，锌筒作负极，电解液溶液（NH₄Cl和ZnCl₂混合液）用淀粉糊固定化

电极反应：

• 负极：Zn -2e⁻ = Zn²⁺
• 正极：2MnO₂ +2NH₄⁺ +2e⁻ ==Mn₂O₃ +2NH₃ +H₂O

特点：制作简单、价格低廉，缺点是易发生自放电而导致存放时间短，放电后电压下降快速

2. 碱性锌锰干电池：

结构：其负极是Zn，正极是MnO₂，电解质溶液是KOH溶液

电极反应：

• 负极：Zn +2OH⁻ -2e⁻ == Zn(OH)₂
• 正极：2MnO₂ +2H₂O +2e⁻ == 2MnO(OH) + 2OH⁻
• 总反应：Zn + 2MnO₂ +2H₂O == 2MnO(OH) +Zn(OH)₂

特点：比能量较高，储存时间较长，可适用于大电流和连续放电

3. 纽扣式锌银电池

结构：以锌为负极，银的氧化物为正极，KOH（或NaOH）溶液为电解液的纽扣状微型原电池

电极反应：

• 负极（Zn）：Zn +2OH⁻ -2e⁻ == Zn(OH)₂
• 正极（Ag₂O）：Ag₂O +H₂O +2e⁻ == 2Ag + 2OH⁻
• 总反应：Zn +Ag₂O +H₂O == Zn(OH)₂ +2Ag

特点：比能量大、电压稳定、储存时间长

6️⃣常见的化学电源：二次电池

二次电池又称可充电电池或蓄电池。充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又可以逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时期内循环进行。常见的二次电池有铅蓄电池、镉镍电池、锂离子电池等蓄电池等

7️⃣二次电池—铅酸蓄电池

结构：铅酸蓄电池是由两组栅状极板交替排列而成，正极板上覆盖有PbO₂，负极板覆盖有Pb，稀硫酸作电解质溶液

总反应：Pb +PbO₂ +2H₂SO₄ ⇌放电⇌充电⇌ PbSO₄ +2H₂O

放电时（原电池角度）

• 负极反应：Pb -2e⁻ +SO₄²⁻ == PbSO₄
• 正极反应：PbO₂ +2e⁻ +SO₄²⁻ + 4H⁺ == PbSO₄ +2H₂O

充电时（电解池角度）

• 阴极反应：PbSO₄ +2e⁻ == Pb +SO₄²⁻
• 阳极反应：PbSO₄ -2e⁻ == PbO₂ +SO₄²⁻ +4H⁺

特点：常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全

8️⃣二次电池—锂离子电池

电极反应

• 总反应LiₓCᵧ +Li₁₋ₓCoO₂ ⇌放电⇌充电⇌ LiCoO₂ +Cᵧ
• 负极【嵌锂石墨（LiₓCᵧ）】：LiₓCᵧ -xe⁻ -xLi⁺ +Cᵧ
• 正极【钴酸锂（LiCoO₂）】：Li₁₋ₓCoO₂ +xe⁻ +xLi⁺ =LiCoO₂

反应过程：放电时，Li⁺从石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中，充电时，Li⁺从钴酸锂晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中。这样在放电、充电时，锂离子往返于电池的正极、负极之间完成化学能与电能的相互转化

9️⃣燃料电池—氢氧燃料电池

燃料电池是一种连续地将燃料（如氢气、甲烷、乙醇）和氧化剂（如氧气）的化学能直接转化为电能的电化学反应装置，具有清洁、安全、高效等特点。燃料电池的能量转化率可以达到80%以上。

H₂SO₄溶液：

• 负极反应式：2H₂ -4e⁻ =4H⁺
• 正极反应式：O₂ +4e⁻ +4H⁺ =2H₂O

KOH溶液：

• 负极反应式：2H₂ -4e⁻ -4OH⁻ =4H₂O
• 正极反应式：O₂ +4e⁻ +2H₂O =4OH⁻

总反应：2H₂ +O₂ =2H₂O