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 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。(宏觀辨識與微觀探析)2.學(xué)會判斷原電池的正、負極，掌握原電池反應(yīng)方程式和電極反應(yīng)式的書寫。(宏觀辨識與微觀探析)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)成條件兩個活潑性不同的電極(材料可以是金屬或?qū)щ姷姆墙饘?。電解質(zhì)溶液。形成閉合回路(或兩極直接接觸)。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)用溫度計測量鋅粉與CuSO4溶液反應(yīng)的溫度變化，說明該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，該反應(yīng)在物質(zhì)變化的同時，

2、實現(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ZnCu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Zn2e=Zn2Cu22e=Cu電池總反應(yīng)式ZnCu2=Zn2Cu3鹽橋(以銅鋅原電池為例)(1)成分：含有KCl飽和溶液的瓊脂。(2)離子移動方向：Cl移向ZnSO4溶液(負極區(qū))，K移向CuSO4溶液(正極區(qū))。(3)作用：使兩個半電池形成通路，并保持兩溶液的電中性。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)計請根據(jù)離子反應(yīng)FeCu2=Fe2Cu設(shè)計一個原電池(1)

3、將氧化還原反應(yīng)拆成氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)兩個半反應(yīng)，分別作原電池的負極和正極的電極反應(yīng)式。負極：Fe2e=Fe2；正極：Cu22e=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)生還原反應(yīng)的電極材料一般不如負極材料活潑。本例中可用鐵作負極，用銅作正極。(3)確定電解質(zhì)溶液負極區(qū)用FeCl2溶液作電解液；正極區(qū)用CuCl2溶液作電解液；如果原電池中沒有鹽橋，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)畫出裝置圖1判斷正誤(正確的打“”，錯誤的打“

4、”)。(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)在原電池中陽離子移向正極，陰離子移向負極。()(4)銅、鋅與硫酸組成的原電池中，鋅為負極，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，下列說法正確的是()A電子從鋅電極通過導(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2H2e=H2A該原電池中，較活潑的金屬鋅作負極，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)，電子由負極鋅流出，經(jīng)導(dǎo)線流向銅電極，電極反應(yīng)分別為負極：Zn2e=

5、Zn2，正極：Cu22e=Cu；鹽橋中的陰離子向負極區(qū)域硫酸鋅溶液中遷移，故A正確，B、C、D錯誤。3如圖所示：(1)當(dāng)K斷開時，_片上有氣泡產(chǎn)生，生成氣體對應(yīng)的離子方程式為_。(2)當(dāng)K閉合時，_片上有氣泡。生成氣體對應(yīng)的反應(yīng)式為_。解析：(1)K斷開時，Zn與鹽酸直接發(fā)生置換反應(yīng)，離子方程式為Zn2H=Zn2H2。(2)K閉合時，Zn、Cu和鹽酸構(gòu)成原電池，Cu為正極，電極反應(yīng)為2H2e=H2，因此銅片上產(chǎn)生氣體。答案： (1)鋅Zn2H=Zn2H2(2)銅2H2e=H2原電池正負極的判斷及電極反應(yīng)式的書寫1原電池正負極的判斷2原電池的電極材料“兩注意”(1)注意電解質(zhì)溶液對電極類型的影響

6、一般較活潑金屬作負極，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)計的原電池，則是較不活潑的金屬作負極。例如：鎂鋁電極在稀硫酸中構(gòu)成原電池，鎂為負極，鋁為正極；但若以氫氧化鈉為電解質(zhì)溶液，則鋁為負極，鎂為正極。(2)注意電極材料是否參與反應(yīng)負極材料不一定參與反應(yīng)，如燃料電池；負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)式的書寫方法(1)定電極，標(biāo)得失。按照負極發(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

7、質(zhì)量守恒、得失電子守恒等加以配平。(3)兩式加，驗總式。兩電極反應(yīng)式相加，與總反應(yīng)方程式對照驗證。4已知總反應(yīng)式，書寫電極反應(yīng)式(1)分析化合價，確定正極、負極的反應(yīng)物與反應(yīng)產(chǎn)物。(2)在電極反應(yīng)式的左邊寫出得失電子數(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)式簡單的電極反應(yīng)式?！纠?】如圖是某同學(xué)設(shè)計的原電池裝置，下列敘述中正確的是()A電極上發(fā)生還原反應(yīng)，作原電池的負極B電極的電極反應(yīng)式為：Cu22e=CuC該原電池的總反應(yīng)為：2Fe3Cu=Cu22Fe2D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)實質(zhì)是Fe3與Cu的反應(yīng)，C正

8、確；電極上發(fā)生還原反應(yīng)，作正極，A錯；電極為負極，電極反應(yīng)式為：Cu2e=Cu2，B錯；電子在負極上產(chǎn)生后經(jīng)導(dǎo)線聚集在正極上被吸收掉，不可能通過溶液和鹽橋，D錯。原電池電極反應(yīng)式在書寫時應(yīng)注意的問題(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，其余以離子符號表示。(3)注意電解質(zhì)溶液的酸堿性，酸性溶液中進行的反應(yīng)，電極反應(yīng)中不能出現(xiàn)OH；堿性溶液中進行的反應(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、負兩極得失電子數(shù)相等的規(guī)律。(5)原電池正、負兩極的電極反應(yīng)在得

9、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，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)于該裝置的下列說法中正確的是 ()A外電路的電流方向為：X外電路YB若兩電極分別為Fe和碳棒，則X為碳棒，Y為FeCX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，則它們的活動性順序為XYD由圖示電子流向知X為負極，Y為正極，則電流方向為Y外電路X，故A錯；若兩電極分別為Fe和碳棒，則X為鐵，Y為碳棒，B錯；負極上失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，C錯；若兩電極均為金屬，活潑

10、金屬作負極，故有活動性XY。2分析如圖所示的四個原電池裝置，其中結(jié)論正確的是()A中Mg作為負極，中Fe作為負極B中Mg作為正極，電極反應(yīng)式為6H2O6e=6OH3H2C中Fe作為負極，電極反應(yīng)式為Fe2e=Fe2D中Cu作為正極，電極反應(yīng)式為2H2e=H2BMg比Al活潑，在中Mg作負極，但在NaOH溶液中，Mg不反應(yīng)，而Al可以反應(yīng)，故中Al是負極。在濃硝酸中鐵會鈍化，故Cu為負極，F(xiàn)e為正極。在中由于不斷向Cu極附近通入空氣，而O2比溶液中的H得電子能力強，故Fe失去電子，在Cu極O2得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O22H2O4e=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

11、：在鋅與稀硫酸反應(yīng)時加入少量CuSO4溶液能使產(chǎn)生H2的速率加快。2比較金屬活動性的強弱例如：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是負極，b是正極，由原電池原理可知，金屬活動性ab。3設(shè)計原電池設(shè)計思路實例以自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)2FeCl3Cu=2FeCl2CuCl2把氧化還原反應(yīng)分解為氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)兩個半反應(yīng)，從而確定電極反應(yīng)氧化反應(yīng)(負極)：Cu2e=Cu2還原反應(yīng)(正極)：2Fe32e=2Fe2以兩極反應(yīng)為原理，確定電極材料及電解質(zhì)溶液負極銅和CuCl2溶液正極碳(或鉑)和FeCl3溶液畫出示意圖【例2】依據(jù)氧化

12、還原反應(yīng)：2Ag(aq)Cu(s)=Cu2(aq)2Ag(s)設(shè)計的原電池如圖所示。請回答下列問題：(1)電極X的材料是_；電解質(zhì)溶液Y是_。(2)銀電極為電池的_極，發(fā)生的電極反應(yīng)式為_ _；X電極上發(fā)生的電極反應(yīng)式為_。(3)外電路中的電子是從_極流向_極。解析：原電池中負極上發(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，負極：Cu2e=Cu2，正極：2Ag2e=2Ag，電子由負極(Cu)流出，經(jīng)外電路流向正極(Ag)。答案：(1)CuAgNO3溶

13、液(2)正2Ag2e=2AgCu2e=Cu2(3)負(Cu)正(Ag)(1)如果將裝置圖中的兩個燒杯換成一個燒杯，還需要CuSO4溶液嗎？(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。3一個原電池的總反應(yīng)的離子方程式是ZnCu2=Zn2Cu，該反應(yīng)的原電池的正確組成是()正極負極電解質(zhì)溶液AZnCuCuCl2溶液BCuZnH2SO4溶液CCuZnCuSO4溶液DMgZnCuCl2溶液C根據(jù)ZnCu2=Zn2Cu知，Zn發(fā)生氧化反應(yīng)，Zn2e=Zn2，是電池負極；正極反應(yīng)為Cu22e=Cu，故正極材料可以是石墨或C

14、u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() AB CDCC中的裝置不能形成閉合回路。2關(guān)于原電池的說法，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在負極上發(fā)生還原反應(yīng)BA項，正極發(fā)生還原反應(yīng)；B項，產(chǎn)生H2的電極上得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，是正極；C項，外電路中電子由負極流出；D項，負極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)。3銅鋅原電池(如圖)工作時，下列敘述正確的是()A正極反應(yīng)為：Zn=Zn22eB電池反應(yīng)為：ZnCu2=Zn2CuC在外電路中，電流從負極流向正極D鹽橋中的K移向ZnSO4溶液B電池的正極得電子，A選項

15、錯誤；結(jié)合該電池的裝置圖可知，該過程中涉及的氧化還原反應(yīng)為ZnCu2=Zn2Cu，B選項正確；外電路中，電流從正極流向負極，C選項錯誤；在燒杯中由于Zn失去電子形成Zn2，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)該通過鹽橋流向CuSO4溶液所在的右燒杯，D選項錯誤。4有a、b、c、d四個金屬電極，有關(guān)的實驗裝置及部分實驗現(xiàn)象如下：實驗裝置部分實驗現(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性順序是()AabcdBbcdaCdabcDabdcC根據(jù)裝置可確定活動性：ab；根據(jù)裝置可確定活

16、動性：bc；根據(jù)裝置可確定活動性：da。5現(xiàn)有如下兩個反應(yīng)：(A)NaOHHCl=NaClH2O(B)Cu2Ag=Cu22Ag(1)根據(jù)兩反應(yīng)本質(zhì)，判斷能否設(shè)計成原電池：_。(2)如果不能，說明其原因：_。(3)如果可以，則寫出正、負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)”)：負極：_，_，_；正極：_，_，_；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_。解析：(1)只有自發(fā)的氧化還原反應(yīng)才能設(shè)計成原電池，(B)是氧化還原反應(yīng)且能自發(fā)進行。(3)根據(jù)電池反應(yīng)式Cu2Ag=Cu22Ag可知，Cu失電子作負極，負極材料是Cu，正極材料應(yīng)是比銅還不活潑的金屬或?qū)щ姷姆墙饘?；Ag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)，沒有電子轉(zhuǎn)移(3)CuCu2e=Cu2氧化反應(yīng)碳棒、Ag、Pt、Au(任選一)2Ag2e=2Ag還原反應(yīng)108AgNO3溶液