同步蘇教化學(xué)選修四新突破講義：專題1 第2單元 第1課時(shí) 原電池的工作原理 Word版含答案

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1、 第二單元　化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化 第1課時(shí)　原電池的工作原理 目標(biāo)與素養(yǎng)：1.以銅鋅原電池為例，理解原電池的工作原理。(宏觀辨識(shí)與微觀探析)2.學(xué)會(huì)判斷原電池的正、負(fù)極，掌握原電池反應(yīng)方程式和電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)。(宏觀辨識(shí)與微觀探析)3.掌握原電池原理的基本應(yīng)用。(科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任) 一、原電池的工作原理 1．原電池 (1)概念：將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。 (2)構(gòu)成條件 ①兩個(gè)活潑性不同的電極(材料可以是金屬或?qū)щ姷姆墙饘?。 ②電解質(zhì)溶液。 ③形成閉合回路(或兩極直接接觸)。 ④能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應(yīng)。 2．銅鋅原電池的工作原理 (1)用溫度計(jì)測(cè)量

2、鋅粉與CuSO4溶液反應(yīng)的溫度變化，說(shuō)明該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，該反應(yīng)在物質(zhì)變化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。 (2)銅鋅原電池的工作原理 裝置 電極 Zn Cu 反應(yīng)現(xiàn)象 逐漸溶解 銅片上有紅色物質(zhì)析出 電極名稱 負(fù)極 正極 得失電子 失電子 得電子 電子流向 電子流出 電子流入 反應(yīng)類型 氧化反應(yīng) 還原反應(yīng) 電極反應(yīng)式 Zn－2e－===Zn2＋ Cu2＋＋2e－===Cu 電池總反應(yīng)式 Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu 3．鹽橋(以銅鋅原電池為例) (1)成分：含有KCl飽和溶液的瓊脂。 (2)離子移動(dòng)方向：Cl－移向ZnSO4溶液

3、(負(fù)極區(qū))，K＋移向CuSO4溶液(正極區(qū))。 (3)作用：①使兩個(gè)半電池形成通路，并保持兩溶液的電中性。②避免電極與電解質(zhì)溶液反應(yīng)，有利于最大程度地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。 二、原電池的設(shè)計(jì) 請(qǐng)根據(jù)離子反應(yīng)Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu設(shè)計(jì)一個(gè)原電池 (1)將氧化還原反應(yīng)拆成氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)兩個(gè)半反應(yīng)，分別作原電池的負(fù)極和正極的電極反應(yīng)式。 負(fù)極：Fe－2e－===Fe2＋； 正極：Cu2＋＋2e－===Cu。 (2)確定電極材料 如發(fā)生氧化反應(yīng)的物質(zhì)為金屬單質(zhì)，可用該金屬直接作負(fù)極；如為氣體(如H2)或溶液中的還原性離子，可用惰性電極(如Pt、碳棒)作正極。 發(fā)生還原反

4、應(yīng)的電極材料一般不如負(fù)極材料活潑。 本例中可用鐵作負(fù)極，用銅作正極。 (3)確定電解質(zhì)溶液 ①負(fù)極區(qū)用FeCl2溶液作電解液； ②正極區(qū)用CuCl2溶液作電解液； ③如果原電池中沒(méi)有鹽橋，可用CuCl2溶液作電解液。 (4)構(gòu)成閉合回路：將電極用導(dǎo)線連接，使之構(gòu)成閉合回路。 (5)畫(huà)出裝置圖 1．判斷正誤(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)。 (1)原電池中電子流出的一極是正極，發(fā)生氧化反應(yīng)。(　　) (2)原電池中的鹽橋是為了連通電路，也可用金屬導(dǎo)線代替。(　　) (3)在原電池中陽(yáng)離子移向正極，陰離子移向負(fù)極。(　　) (4)銅、鋅與硫酸組成的原電池中，鋅為負(fù)

5、極，質(zhì)量減少，銅為正極，質(zhì)量不變。(　　) 答案：(1)×　(2)×　(3)√　(4)√ 2．關(guān)于如圖所示的原電池，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．電子從鋅電極通過(guò)導(dǎo)線流向銅電極 B．鹽橋中的陰離子向硫酸銅溶液中遷移 C．鋅電極發(fā)生還原反應(yīng) D．銅電極上發(fā)生的電極反應(yīng)為2H＋＋2e－===H2↑ A　[該原電池中，較活潑的金屬——鋅作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，較不活潑的銅作正極，發(fā)生還原反應(yīng)，電子由負(fù)極——鋅流出，經(jīng)導(dǎo)線流向銅電極，電極反應(yīng)分別為負(fù)極：Zn－2e－===Zn2＋，正極： Cu2＋＋2e－===Cu；鹽橋中的陰離子向負(fù)極區(qū)域硫酸鋅溶液中遷移，故A正確，B、C、D錯(cuò)誤。

6、] 3．如圖所示：(1)當(dāng)K斷開(kāi)時(shí)，________片上有氣泡產(chǎn)生，生成氣體對(duì)應(yīng)的離子方程式為_(kāi)___________________________________ _________________________________________________________。 (2)當(dāng)K閉合時(shí)，________片上有氣泡。生成氣體對(duì)應(yīng)的反應(yīng)式為_(kāi)______________________________________________________。 解析：(1)K斷開(kāi)時(shí)，Zn與鹽酸直接發(fā)生置換反應(yīng)，離子方程式為Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。 (2)K閉合時(shí)，Z

7、n、Cu和鹽酸構(gòu)成原電池，Cu為正極，電極反應(yīng)為2H＋＋ 2e－===H2↑，因此銅片上產(chǎn)生氣體。 答案： (1)鋅　Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑ (2)銅　2H＋＋2e－===H2↑ 原電池正負(fù)極的判斷 及電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě) 1．原電池正負(fù)極的判斷 2．原電池的電極材料“兩注意” (1)注意電解質(zhì)溶液對(duì)電極類型的影響 一般較活潑金屬作負(fù)極，較不活潑的金屬或?qū)щ姷姆墙饘僮髡龢O，但若是較不活潑的金屬發(fā)生的氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)的原電池，則是較不活潑的金屬作負(fù)極。例如：鎂-鋁電極在稀硫酸中構(gòu)成原電池，鎂為負(fù)極，鋁為正極；但若以氫氧化鈉為電解質(zhì)溶液，則鋁為負(fù)極，鎂為正極。

8、 (2)注意電極材料是否參與反應(yīng) 負(fù)極材料不一定參與反應(yīng)，如燃料電池；負(fù)極和正極材料都參與反應(yīng)，如鉛蓄電池。 3．一般電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法 (1)定電極，標(biāo)得失。按照負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，判斷出電極反應(yīng)產(chǎn)物，找出得失電子的數(shù)量。 (2)看環(huán)境，配守恒。電極產(chǎn)物在電解質(zhì)溶液中應(yīng)能穩(wěn)定存在，如堿性介質(zhì)中生成的H＋應(yīng)讓其結(jié)合OH－生成水。電極反應(yīng)式要依據(jù)電荷守恒和質(zhì)量守恒、得失電子守恒等加以配平。 (3)兩式加，驗(yàn)總式。兩電極反應(yīng)式相加，與總反應(yīng)方程式對(duì)照驗(yàn)證。 4．已知總反應(yīng)式，書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式 (1)分析化合價(jià)，確定正極、負(fù)極的反應(yīng)物與反應(yīng)產(chǎn)物。 (2)在電極反應(yīng)式

9、的左邊寫(xiě)出得失電子數(shù)，使得失電子守恒。 (3)根據(jù)質(zhì)量守恒配平電極反應(yīng)式。 (4)復(fù)雜電極反應(yīng)式＝總反應(yīng)式－簡(jiǎn)單的電極反應(yīng)式。 【例1】　如圖是某同學(xué)設(shè)計(jì)的原電池裝置，下列敘述中正確的是(　　) A．電極Ⅰ上發(fā)生還原反應(yīng)，作原電池的負(fù)極 B．電極Ⅱ的電極反應(yīng)式為：Cu2＋＋2e－===Cu C．該原電池的總反應(yīng)為：2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋ D．若鹽橋中裝有含氯化鉀的瓊脂，則其作用是傳遞電子 C　[該原電池所發(fā)生的反應(yīng)實(shí)質(zhì)是Fe3＋與Cu的反應(yīng)，C正確；電極Ⅰ上發(fā)生還原反應(yīng)，作正極，A錯(cuò)；電極Ⅱ?yàn)樨?fù)極，電極反應(yīng)式為：Cu－2e－=== Cu2＋，B錯(cuò)；電子

10、在負(fù)極上產(chǎn)生后經(jīng)導(dǎo)線聚集在正極上被吸收掉，不可能通過(guò)溶液和鹽橋，D錯(cuò)。] 原電池電極反應(yīng)式在書(shū)寫(xiě)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題 (1)電極反應(yīng)常用“===”而不用“”連接。 (2)電極反應(yīng)中若有氣體生成，需加“↑”，弱電解質(zhì)或難溶物均以化學(xué)式表示，其余以離子符號(hào)表示。 (3)注意電解質(zhì)溶液的酸堿性，酸性溶液中進(jìn)行的反應(yīng)，電極反應(yīng)中不能出現(xiàn)OH－；堿性溶液中進(jìn)行的反應(yīng)，電極反應(yīng)中不能出現(xiàn)H＋，電極反應(yīng)中出現(xiàn)的離子要與電解質(zhì)溶液的性質(zhì)相吻合。 (4)必須遵循質(zhì)量守恒、電荷守恒及正、負(fù)兩極得失電子數(shù)相等的規(guī)律。 (5)原電池正、負(fù)兩極的電極反應(yīng)在得失電子數(shù)相等的情況下加和即得總反應(yīng)(合二為一)；反之

11、，總反應(yīng)減去其中的一極反應(yīng)可得另一極反應(yīng)(一分為二)。 1．如圖，在盛有稀硫酸的燒杯中放入用導(dǎo)線連接的電極X、Y，外電路中電子流向如圖所示，關(guān)于該裝置的下列說(shuō)法中正確的是 (　　) A．外電路的電流方向?yàn)椋篨→外電路→Y B．若兩電極分別為Fe和碳棒，則X為碳棒，Y為Fe C．X極上發(fā)生的是還原反應(yīng)，Y極上發(fā)生的是氧化反應(yīng) D．若兩電極都是金屬，則它們的活動(dòng)性順序?yàn)閄>Y D　[由圖示電子流向知X為負(fù)極，Y為正極，則電流方向?yàn)閅→外電路→X，故A錯(cuò)；若兩電極分別為Fe和碳棒，則X為鐵，Y為碳棒，B錯(cuò)；負(fù)極上失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，C錯(cuò)；若兩電極

12、均為金屬，活潑金屬作負(fù)極，故有活動(dòng)性X>Y。] 2．分析如圖所示的四個(gè)原電池裝置，其中結(jié)論正確的是(　　) A．①②中Mg作為負(fù)極，③④中Fe作為負(fù)極 B．②中Mg作為正極，電極反應(yīng)式為6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑ C．③中Fe作為負(fù)極，電極反應(yīng)式為Fe－2e－===Fe2＋ D．④中Cu作為正極，電極反應(yīng)式為2H＋＋2e－===H2↑ B　[Mg比Al活潑，在①中Mg作負(fù)極，但在NaOH溶液中，Mg不反應(yīng)，而Al可以反應(yīng)，故②中Al是負(fù)極。在濃硝酸中鐵會(huì)鈍化，故Cu為負(fù)極，F(xiàn)e為正極。在④中由于不斷向Cu極附近通入空氣，而O2比溶液中的H＋得電子能力強(qiáng)，故Fe失去

13、電子，在Cu極O2得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－。] 原電池原理的應(yīng)用 1．加快氧化還原反應(yīng)的速率 例如：在鋅與稀硫酸反應(yīng)時(shí)加入少量CuSO4溶液能使產(chǎn)生H2的速率加快。 2．比較金屬活動(dòng)性的強(qiáng)弱 例如：有兩種金屬a和b，用導(dǎo)線連接后插入稀硫酸中， 觀察到a極溶解，b極上有氣泡產(chǎn)生。根據(jù)電極現(xiàn)象判斷出a是負(fù)極，b是正極，由原電池原理可知，金屬活動(dòng)性a＞b。 3．設(shè)計(jì)原電池 設(shè)計(jì)思路 實(shí)例 以自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ) 2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2 把氧化還原反應(yīng)分解為氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)兩個(gè)半反應(yīng)，從而確定電

14、極反應(yīng) 氧化反應(yīng)(負(fù)極)： Cu－2e－===Cu2＋ 還原反應(yīng)(正極)： 2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋ 以兩極反應(yīng)為原理，確定電極材料及電解質(zhì)溶液 負(fù)極銅和CuCl2溶液 正極碳(或鉑)和FeCl3溶液 畫(huà)出示意圖 【例2】　依據(jù)氧化還原反應(yīng)：2Ag＋(aq)＋Cu(s)===Cu2＋(aq)＋2Ag(s)設(shè)計(jì)的原電池如圖所示。請(qǐng)回答下列問(wèn)題： (1)電極X的材料是____________________________________； 電解質(zhì)溶液Y是_______________________________________。 (2)銀電極為電池的

15、__________極，發(fā)生的電極反應(yīng)式為_(kāi)_____ __________；X電極上發(fā)生的電極反應(yīng)式為_(kāi)_______________。 (3)外電路中的電子是從________極流向________極。 解析：原電池中負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上發(fā)生還原反應(yīng)，鹽橋起到形成閉合回路、平衡電荷的作用。由總反應(yīng)方程式可知電極X的材料是Cu，發(fā)生氧化反應(yīng)，電解質(zhì)溶液Y是可溶性銀鹽溶液，常用AgNO3溶液。電極反應(yīng)式如下，負(fù)極：Cu－2e－===Cu2＋，正極：2Ag＋＋2e－===2Ag，電子由負(fù)極(Cu)流出，經(jīng)外電路流向正極(Ag)。 答案：(1)Cu　AgNO3溶液 (2)正　2Ag＋

16、＋2e－===2Ag　Cu－2e－===Cu2＋ (3)負(fù)(Cu)　正(Ag) (1)如果將裝置圖中的兩個(gè)燒杯換成一個(gè)燒杯，還需要CuSO4溶液?jiǎn)幔? (2)正極材料除了用金屬Ag，還可以用哪些材料？ 提示：(1)不需要，只需要用AgNO3溶液。 (2)還可以用金屬Pt、石墨電極等。 3．一個(gè)原電池的總反應(yīng)的離子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，該反應(yīng)的原電池的正確組成是(　　) 正極 負(fù)極 電解質(zhì)溶液 A Zn Cu CuCl2溶液 B Cu Zn H2SO4溶液 C Cu Zn CuSO4溶液 D Mg Zn CuCl2

17、溶液 C　[根據(jù)Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu知，Zn發(fā)生氧化反應(yīng)，Zn－2e－=== Zn2＋，是電池負(fù)極；正極反應(yīng)為Cu2＋＋2e－===Cu，故正極材料可以是石墨或Cu等，電解質(zhì)溶液應(yīng)是可溶性銅鹽溶液，C符合。] 1．下列裝置不可以組成原電池的是(　　) 　　　　　　 A　　　　　　　　B 　　　　　　 C　　　　　　　　D C　[C中的裝置不能形成閉合回路。] 2．關(guān)于原電池的說(shuō)法，正確的是(　　) A．在正極上發(fā)生氧化反應(yīng) B．某電極上有氫氣產(chǎn)生，則此電極為正極 C．在外電路電子流出的為正極 D．在負(fù)極上發(fā)生還原反應(yīng) B　

18、[A項(xiàng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)；B項(xiàng)，產(chǎn)生H2的電極上得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，是正極；C項(xiàng)，外電路中電子由負(fù)極流出；D項(xiàng)，負(fù)極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)。] 3．銅鋅原電池(如圖)工作時(shí)，下列敘述正確的是(　　) A．正極反應(yīng)為：Zn===Zn2＋＋2e－ B．電池反應(yīng)為：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu C．在外電路中，電流從負(fù)極流向正極 D．鹽橋中的K＋移向ZnSO4溶液 B　[電池的正極得電子，A選項(xiàng)錯(cuò)誤；結(jié)合該電池的裝置圖可知，該過(guò)程中涉及的氧化還原反應(yīng)為Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，B選項(xiàng)正確；外電路中，電流從正極流向負(fù)極，C選項(xiàng)錯(cuò)誤；在燒杯中由于Zn失去電子形成Zn2＋，

19、使得該燒杯中帶正電荷的離子增加，為維持電中性，鹽橋中的Cl－移向ZnSO4溶液，而 K＋應(yīng)該通過(guò)鹽橋流向CuSO4溶液所在的右燒杯，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。] 4．有a、b、c、d四個(gè)金屬電極，有關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置及部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如下： 實(shí)驗(yàn) 裝置 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 部分實(shí) 驗(yàn)現(xiàn)象 a極質(zhì)量減小，b極質(zhì)量增大 b上有氣體產(chǎn)生，c上無(wú)變化 在導(dǎo)線中，電流從a極流向d極 由此可判斷這四種金屬的活動(dòng)性順序是(　　) A．a(chǎn)>b>c>d　　　　 B．b>c>d>a C．d>a>b>c D．a(chǎn)>b>d>c C　[根據(jù)裝置Ⅰ可確定活動(dòng)性：a>b；根據(jù)裝置Ⅱ可確定活動(dòng)性：b>c；根據(jù)裝置Ⅲ

20、可確定活動(dòng)性：d>a。] 5．現(xiàn)有如下兩個(gè)反應(yīng)： (A)NaOH＋HCl===NaCl＋H2O (B)Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag (1)根據(jù)兩反應(yīng)本質(zhì)，判斷能否設(shè)計(jì)成原電池：_______________。 (2)如果不能，說(shuō)明其原因：_______________________________。 (3)如果可以，則寫(xiě)出正、負(fù)極材料及其電極反應(yīng)式和反應(yīng)類型(“氧化反應(yīng)”或“還原反應(yīng)”)： 負(fù)極：________，____________________，____________； 正極：________，____________________，__________

21、__； 若導(dǎo)線上轉(zhuǎn)移電子1 mol，則正極質(zhì)量增加________g，電解質(zhì)溶液為_(kāi)_______。 解析：(1)只有自發(fā)的氧化還原反應(yīng)才能設(shè)計(jì)成原電池，(B)是氧化還原反應(yīng)且能自發(fā)進(jìn)行。 (3)根據(jù)電池反應(yīng)式Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag可知，Cu失電子作負(fù)極，負(fù)極材料是Cu，正極材料應(yīng)是比銅還不活潑的金屬或?qū)щ姷姆墙饘伲籄g＋得電子，所以此電解質(zhì)溶液只能為AgNO3溶液。 答案：(1)(A)不能，(B)可以　(2)(A)為非氧化還原反應(yīng)，沒(méi)有電子轉(zhuǎn)移　(3)Cu　Cu－2e－===Cu2＋　氧化反應(yīng)　碳棒、Ag、Pt、Au(任選一)　2Ag＋＋2e－===2Ag　還原反應(yīng)　108　AgNO3溶液