第一节 原电池 授课人：董 啸

第四章 电化学基础 在氧化还原反应中化学能与电能可以通过一定的化学反应相互转化，我们研究化学能与电能相互转化的装置、过程和效率的科学，叫做电化学。 从能量转化关系来看，电化学反应应分为两类：一类是将化学能转化为电能的反应（原电池反应），另一类是将电能转化为化学能（电解反应）。

电化学反应的分类：原电池反应和电解反应。 研究化学能与电能相互转化的装置、过程和效率的科学，叫做电化学。 电化学反应的分类：原电池反应和电解反应。 电能是现代社会中应用最广泛，使用最方便、污染最小的一种二次能源，又称电力。例如，日常生活中使用的手提电脑、手机、相机、摄像机……这一切都依赖于电池的应用。那么，电池是怎样把化学能转变为电能的呢？

一、原电池原理 氧化还原反应的本质就是反应物之间的电子转移，但是，通常情况下是转化为热能释放出来 。 【分析】锌和硫酸的置换反应，只有热量放出，而没有电流产生，原因是：反应中的氧化剂和还原剂之间直接转移电子，所以得不到电流，只有热量放出。

如果我们将氧化还原反应的氧化剂和还原剂的电子转移分开进行，再通过适当的方式连接起来，这样在氧化还原反应中的氧化剂和还原剂之间不能直接转移电子，而是通过导线传递，所以可以得到电流。

铜锌原电池：铜片、锌片、硫酸都是同学们很熟悉的物质，利用这三种物质我们再现1799年意大利物理学家伏打留给我们的历史闪光点！

1、原电池概念： （2）实质：将自发进行的氧化还原反应的电子转移变成电子的定向移动，即将化学能转化成电能的形式释放出来。 （1）定义：把化学能转化为电能的装置叫做原电池。 （2）实质：将自发进行的氧化还原反应的电子转移变成电子的定向移动，即将化学能转化成电能的形式释放出来。

【探究思考题】 从氧化还原反应的角度来分析，两个金属片上各发生了什么反应？并探究电流是如何产生的呢？

【分析】当把用导线连接的锌片和铜片一同浸入稀硫酸中时，由于锌比铜活泼，容易失去电子，锌被氧化成Zn2+而进入溶液，锌原子失去的电子由锌片通过导线流向铜片，溶液中的H+从铜片获得电子被还原成氢原子，氢原子再结合成氢分子从铜片上逸出。电子通过导线从锌片流向铜片，形成电流，所以电流表的指针发生偏转；说明实验中有电流产生。

较活泼的金属锌失去电子，经导线流向较不活泼的金属，从而产生电流。 锌 片： Zn-2e-=Zn2+ (氧化反应) 铜 片： 2H++2e-=H2↑ （还原反应） 总反应： Zn + 2H+ = Zn2+ + H2↑

2、原电池的原理： 说明：一般来说，任何一个可以自发进行的释放能量的氧化还原反应，理论上都可以设计成一个原电池。 利用氧化还原反应，将氧化剂和还原剂之间转移的电子通过导线进行传递，从而形成电流。 说明：一般来说，任何一个可以自发进行的释放能量的氧化还原反应，理论上都可以设计成一个原电池。

3、原电池中的电极及电极反应 【思考】根据电学知识分析，原电池中电流的方向如何？电流的方向与电子的流向有何关系？如何判定装置的正负极？ 由于负极电子流出(即失去电子)，正极电子流入(即得到电子)，所以负极发生氧化反应，正极发生还原反应。

正极：较不活泼的金属，电子流入的电极，发生还原反应。 【归纳】判断正负极的方法： 负极：较活泼金属，电子流出的电极，发生氧化反应。 正极：较不活泼的金属，电子流入的电极，发生还原反应。 说明：活泼金属是相对而言的，不是绝对的。例如，镁和铝在硫酸中，镁是活泼金属，而在氢氧化钠溶液中铝是活泼金属。

二、原电池的组成： 【分析】原电池形成电流的条件：两块相连的活泼性不同的金属（或可以导电的其它材料）与合适的电解质溶液接触，构成闭合回路。原电池工作时，负极上的电子通过导线流向用电器，然后从正极流回，形成电流。

1、原电池组成为： 较活泼的金属做负极，较不活泼的金属（或能导电的材料石墨等）做正极；合适的电解质溶液；形成闭合回路。 【说明】合适的电解质溶液是指能发生自发进行的氧化还原反应溶液。

【探索与发现】 请同学们分析以上的铜锌原电池，指出其存在的不足之处，看看你能发现什么。 【分析】普通原电池的缺点：原电池在工作时，溶液中正负极分别发生还原反应和氧化反应，离子相互干扰，导致原电池效率很低。同时，两个电极始终与电解质溶液接触，不管原电池是否接通氧化还原反应反应都在进行，这会导致原电池的电流很快耗尽，影响原电池的正常使用寿命。

普通原电池的缺点： ①正负极反应相互干扰； ②原电池的电流损耗快。

2、原电池的改进： 【思考与交流】 以铜锌硫酸铜原电池为例，探索如何对普通原电池进行改进，使原电池效率高，寿命长。 【分析】解决问题的办法就是对症下药，针对普通原电池的缺点，我们分别来解决。

对于正负极反应相互干扰的问题，可以将正负极反应分开，使正负极在两个不同的区域进行。 对于原电池的电流损耗快的问题，可以让原电池反应的氧化剂和还原剂分开，不要直接接触。 但是，随后就产生一个新问题，电源的两部分断路，导致电流不能正常通过。针对这个问题我们可以利用导体，将两部分连接起来即可。

（1）改进办法： 使正负极在两个不同的区域，让原电池的氧化剂和还原剂分开进行反应，用导体（盐桥）将两部分连接起来。

（2）盐桥 ①什么是盐桥？ 把装有饱和KCl溶液和琼脂制成的胶冻叫做盐桥，胶冻的作用是防止管中溶液流出。 ②盐桥的作用是什么？ 盐桥是沟通原电池两部分溶液的桥梁。盐桥中的电解质溶液使原电池的两部分连成一个通路。

1、 2、

③盐桥的工作原理 当接通电路之后，锌电极失去电子产生锌离子进入溶液，电子通过导线流向铜电极，并在铜电极表面将电子传给铜离子，铜离子得到电子变成铜原子。 锌盐溶液会由于锌溶解成为Zn2+而带上正电，铜盐溶液会由于铜的析出减少了Cu2+而带上了负电，从而阻止电子从锌片流向铜片，导致原电池不产生电流。

盐桥中的钾离子进入硫酸铜溶液，氯离子进入硫酸锌溶液，使硫酸铜溶液和硫酸锌溶液均保持电中性，使氧化还原反应得以持续进行，从而使原电池不断产生电流。 盐桥保障了电子通过外电路从锌到铜的不断转移，使锌的溶解和铜的析出过程得以继续进行。导线的作用是传递电子，沟通外电路，而盐桥的作用则是沟通内电路。

【思考与交流】 如果取掉盐桥原电池可以正常工作吗？为什么？ 【分析】如果取掉盐桥，由于锌原子失去电子变成锌离子进入溶液，使硫酸锌溶液带正电，铜离子得到电子离开溶液，使硫酸铜溶液带负电，这样就会阻止电子从锌片流向铜片，导致原电池不能正常工作。

【特别说明】 盐桥使用一段时间后，由于氯化钾的流失，需要在饱和氯化钾溶液中浸泡，以补充流失的氯化钾，然后才能正常反复使用。

例如，在铜锌原电池中，有锌半电池和铜半电池。 （3）原电池组成的变化： 【分析】我们把改进前后的原电池做一比较发现，改进后，原电池分为两个部分，由两个半电池组成。 例如，在铜锌原电池中，有锌半电池和铜半电池。

（3）原电池组成的变化： 改进后原电池变化：原电池由两个半电池组成，电解质溶液在两个半电池中不同，两个半电池中间通过盐桥连接。 改进后的原电池也称为双液原电池。 改进后电池的优点：原电池能产生持续、稳定的电流。

三、原电池的设计 【分析】从理论上分析可知，所有能够自发进行的释放能量的氧化还原反应，都可以利用原电池原理将他设计成原电池。 （1）设计思路： 先分析氧化还原反应，找出氧化剂和还原剂，然后根据氧化剂和还原剂设计原电池。

（2）设计内容： ①电极材料和电解质溶液； ②电极反应及总反应。 负极：根据氧化还原反应，还原剂做负极，提供电子。 正极：选择比负极活泼性弱的材料或石墨做正极。 电解质溶液：根据氧化还原反应，选择反应要求的电解质溶液或含相关离子的电解质溶液。

（3）设计顺序： 先按照普通原电池设计，然后根据需要设计双液原电池。 若为双液原电池，两个电极浸在不同的电解液中，一般负极区的电解质是含有负极离子的溶液，正极区的电解质是获得电子具有氧化性的原普通电解质的溶液。

【活学活用】 1、如何根据氧化还原反应原理来设计原电池呢？请将氧化还原反应 Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+设计成电池，并指出正负极、写出电极反应。

2、利用反应Zn+2FeCl3=2FeCl2+ZnCl2 ，设计一个单液原电池，一个双液原电池（使用盐桥），画出原电池的示意图，并写出电极反应。

【课堂练习】 1、某原电池的总反应的离子方程式为：2Fe3++Fe = 3Fe2+，不能实现该反应的原电池组成是（ ） A、正极为铜，负极为铁，电解质溶液为FeCl3溶液 B、正极为碳，负极为铁，电解质溶液为Fe(NO3)3溶液 C、正极为铁，负极为锌，电解质溶液为Fe2(SO4)3溶液 D、正极为银，负极为铁，电解质溶液为CuSO4溶液 CD

A、构成原电池的正极和负极必须是两种不同的金属 B、原电池是将化学能转变为电能的装置 C、原电池中电子流出的一极是负极，该极被还原 2、下列关于原电池的叙述正确的是（ ） A、构成原电池的正极和负极必须是两种不同的金属 B、原电池是将化学能转变为电能的装置 C、原电池中电子流出的一极是负极，该极被还原 D、原电池放电时，电流的方向是从负极到正极 B

3、能实现原电池总反应式为：Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+的原电池是( ) B A B C D 电极材料 Cu、Zn Cu、Ag Cu、C Fe、Zn 电解质溶液 FeCl3 Fe2(SO4)3 Fe(NO3)2 CuSO4