2018-2019學年高中化學 專題1 化學反應與能量變化 第二單元 化學能與電能的轉化 第1課時 原電池的工作原理學案 蘇教版選修4.doc

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第1課時　原電池的工作原理 學習目標：1.以銅鋅原電池為例，理解原電池的工作原理。(重點)2.學會判斷原電池的正、負極。(重點)3.掌握原電池反應方程式和電極反應式的書寫。4.掌握原電池原理的基本應用。 [自 主 預 習探 新 知] 1．銅鋅原電池的工作原理 (1)用溫度計測量鋅粉與CuSO4溶液反應的溫度變化，說明該反應為放熱反應，該反應在物質變化的同時，實現(xiàn)化學能轉化為電能。 (2)銅鋅原電池的工作原理 裝置 電極 Zn Cu 反應現(xiàn)象 逐漸溶解 銅片上有紅色物質析出 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 反應類型 氧化反應 還原反應 電極反應式 Zn－2e－===Zn2＋ Cu2＋＋2e－===Cu 總電池反應式 Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu 2．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。 3．原電池形成的條件 (1)兩個活潑性不同的電極。 (2)電解質溶液。 (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。 4．原電池的設計 例如：以2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2為依據(jù)，設計一個原電池。 (1)將氧化還原反應拆成氧化反應和還原反應兩個半反應，分別作原電池的負極和正極的電極反應式。 負極：Cu－2e－===Cu2＋， 正極：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋。 (2)確定電極材料 如發(fā)生氧化反應的物質為金屬單質，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)生還原反應的電極材料一般不如負極材料活潑。 本例中可用銅棒作負極，用鉑絲或碳棒作正極。 (3)確定電解質溶液 一般選用反應物中的電解質溶液即可。如本例中可用FeCl3溶液作電解液。 (4)構成閉合回路：將電極用導線連接，使之構成閉合回路。 (5)畫出裝置圖。 [基礎自測] 1．判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“”)。 (1)原電池能將化學能轉化為電能。(　　) (2)銅鋅原電池中鋅作負極，發(fā)生還原反應。(　　) (3)構成原電池的兩個電極必須是兩種不同的金屬。(　　) (4)原電池反應一定是氧化還原反應。(　　) 【答案】　(1)√　(2)　(3)　(4)√ 2．關于如圖所示的原電池，下列說法正確的是(　　) 【導學號：73702028】 A．電子從鋅電極通過導線流向銅電極 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 D．銅電極上發(fā)生的電極反應為2H＋＋2e－===H2↑ A　[該原電池中，較活潑的金屬——鋅作負極，發(fā)生氧化反應，較不活潑的銅作正極，發(fā)生還原反應，電子由負極——鋅流出，經導線流向銅電極，負極、正極反應分別為負極：Zn－2e－===Zn2＋，正極：Cu2＋＋2e－===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．某原電池反應的離子方程式為：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑，則下列說法正確的是(　　) 【導學號：73702029】 A．HNO3可作電解質溶液 B．在電解質溶液中電子從正極流向負極 C．鋅極質量不變 D．石墨可作原電池的正極 D　[硝酸不能作電解質溶液，因為硝酸與金屬鋅反應生成氮的氧化物，不生成氫氣，A錯誤；原電池中，電子從負極流向正極，B錯誤；負極反應為Zn－2e－===Zn2＋，金屬鋅的質量減少，C錯誤。] [合 作 探 究攻 重 難] 原電池的工作原理 實驗目的：研究原電池的工作原理。 實驗裝置： 實驗現(xiàn)象：有鹽橋存在時，鋅片不斷溶解，電流計指針發(fā)生偏轉，銅片不斷增厚；取出鹽橋后，電流中斷，指針迅速回零。 [思考交流] 1．有鹽橋時，電流計指針發(fā)生偏轉，說明有電流產生，該電流是如何產生的？產生電流的過程中，鋅片、銅片上分別發(fā)生了什么變化？ 【提示】　當有鹽橋存在時，在ZnSO4溶液中，鋅片逐漸溶解，即Zn被氧化，Zn失去電子，形成Zn2＋進入溶液，用電極反應式表示為Zn－2e－===Zn2＋；從鋅片上釋放出的電子，經過導線流向銅片；CuSO4溶液中的Cu2＋從銅片上得到電子，被還原為Cu并沉積在銅片上，用電極反應式表示為Cu2＋＋2e－===Cu；隨著反應的進行，左邊燒杯的溶液中c(Zn2＋)增大，右邊燒杯的溶液中c(Cu2＋)減小。同時，鹽橋中的Cl－會移向ZnSO4溶液，K＋會移向CuSO4溶液，使ZnSO4溶液和CuSO4溶液均保持電中性，氧化還原反應得以繼續(xù)進行，從而使原電池不斷地產生電流。 2．取出鹽橋后電流為什么會中斷？ 【提示】　取出鹽橋后裝置不再是閉合回路。 3．用溫度計測量原電池內電解質溶液的溫度在反應前后是否會有明顯變化？為什么？ 【提示】　沒有明顯變化。因為化學能主要轉化為電能。 4．根據(jù)原電池的工作原理分析原電池的正極、負極有哪些判斷依據(jù)？ 【提示】　可由電極材料判斷；可以由電子流向或電流方向判斷；也可由反應類型、反應現(xiàn)象判斷。 (1)原電池正負極的判斷 (2)原電池的電極材料“兩注意” ①注意電解質溶液對電極類型的影響。 一般的，較活潑金屬作負極，較不活潑的金屬或導電的非金屬作正極，但若是較不活潑的金屬發(fā)生的氧化還原反應設計的原電池，則是較不活潑的金屬作負極。例如：鎂鋁電極在稀硫酸中構成原電池，鎂為負極，鋁為正極；但若以氫氧化鈉為電解質溶液，則鋁為負極，鎂為正極。 ②注意電極材料是否參與反應。 負極材料不一定參與反應，如燃料電池；負極和正極材料都參與反應，如鉛蓄電池。 怎樣設計原電池 依據(jù)氧化還原反應2Ag＋(aq)＋Cu(s)===Cu2＋(aq)＋2Ag(s)設計的原電池如圖所示。 Ⅰ　　　　　　　　　　?、? [思考交流] 1．如果將所給反應設計成Ⅰ裝置，其正極、負極材料、A池、B池中電解質溶液應為何種物質？ 【提示】　負極為銅，正極為Ag，A池為含有Cu2＋的電解質溶液如CuSO4，B池為AgNO3溶液。 2．如果將所給反應設計成Ⅱ裝置，其正極、負極材料、C池中電解質溶液應為何種物質？ 【提示】　負極材料為銅，正極材料為銀，C池中電解液為AgNO3溶液。 (1)原電池的設計 ①設計原電池原理： 原電池是一種將化學能轉化為電能的裝置，因此只有放熱的氧化還原反應才可以設計成原電池。在電池中，通過電極和導線將電子轉移變成了電子的定向移動，將氧化反應和還原反應分到兩個電極上進行，使其成為兩個“半反應”。 ②設計原電池思路： a．電極材料的選擇。負極一般是活潑的金屬材料，正極一般選用活潑性比負極差的金屬材料或石墨等惰性電極。 b．電解質溶液的選擇。電解質溶液一般要能夠與負極發(fā)生反應。 c．保證設計出的原電池裝置中，還原劑在負極上發(fā)生反應，氧化劑在正極上發(fā)生反應。 (2)原電池工作原理的其他應用 ①加快氧化還原反應的速率，如：在鋅與稀硫酸反應時加入少量CuSO4溶液，能使產生H2的速率加快。 ②比較金屬活動性強弱 [當 堂 達 標固 雙 基] 題組1　原電池的構成與工作原理 1．下列裝置中，能構成原電池的是(　　) D　[A中酒精不是電解質；B中未構成閉合回路；C中兩個電極相同。] 2．如圖所示的裝置中，在產生電流時，以下說法不正確的是(　　) A．Fe是負極，C是正極 B．負極反應式為：Fe－3e－===Fe3＋ C．內電路中陰離子移向FeCl2溶液 D．電流由石墨電極流向Fe電極 B　[Fe在原電池中作負極時，失電子生成Fe2＋。] 題組2　原電池正極、負極的判斷 3．如下圖所示裝置中，觀察到電流計指針偏轉，M棒變粗，N棒變細，由此判斷下表中所列M、N、P物質，其中可以成立的是(　　) 【導學號：73702030】 選項 M N P A 鋅 銅 稀硫酸溶液 B 銅 鐵 稀鹽酸 C 銀 鋅 硝酸銀溶液 D 鋅 鐵 硝酸鐵溶液 C　[本題通過電極變化來確定電極，N棒變細，即N極上發(fā)生氧化反應，N棒金屬較活潑，排除A、D，由M棒變粗，可知B不正確。] 4．分析如圖所示的四個原電池裝置，其中結論正確的是(　　) A．①②中Mg作為負極，③④中Fe作為負極 B．②中Mg作為正極，電極反應式為6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑ C．③中Fe作為負極，電極反應式為Fe－2e－===Fe2＋ D．④中Cu作為正極，電極反應式為2H＋＋2e－===H2↑ B　[Mg比Al活潑，在①中Mg作負極，但在NaOH溶液中，Mg不反應，而Al可以反應，故②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，故Fe失去電子，在Cu極O2到得電子發(fā)生還原反應，電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－。] 題組3　原電池原理的應用 5．在理論上不能用于設計原電池的化學反應是(　　) A．H2SO4(aq)＋BaCl2(aq)===2HCl(aq)＋BaSO4(s)　ΔH<0 B．2CH3OH(l)＋3O2(g)===2CO2(g)＋4H2O(l) ΔH<0 C．4Fe(OH)2(s)＋2H2O(l)＋O2(g)===4Fe(OH)3(s) ΔH<0 D．3Cu(s)＋8HNO3(aq)===3Cu(NO3)2(aq)＋2NO(g)＋4H2O(l)　ΔH<0 A　[理論上放熱的氧化還原反應能夠設計成原電池。] 6．有a、b、c、d四個金屬電極，有關的實驗裝置及部分實驗現(xiàn)象如下： 實驗 裝置 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 部分實驗現(xiàn)象 a極質量減小，b極質量增大 b上有氣體產生，c上無變化 在導線中，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(　　) 【導學號：73702031】 A．a>b>c>d　　　　 B．b>c>d>a C．d>a>b>c D．a>b>d>c C　[根據(jù)裝置Ⅰ可確定活動性：a>b；根據(jù)裝置Ⅱ可確定活動性：b>c；根據(jù)裝置Ⅲ可確定活動性：d>a。]