高中化學 第4章 電化學基礎 第1節(jié) 原電池課件 新人教版選修4.ppt

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成才之路 化學,路漫漫其修遠兮 吾將上下而求索,人教版 選修④,電化學基礎,第四章,第一節(jié) 原電池,第四章,某化學興趣小組為了體驗水果電池電流的存在進行了下列實驗。用橘子一個，鋁片和鋅片各一片，電燈泡一個，按圖連接好。在實驗前，先用砂紙擦去金屬表面的氧化膜，實驗時保持兩金屬插在橘子上不能直接接觸。,,你知道在上述水果電池中，電流的強弱與兩極的距離有什么關(guān)系嗎？影響電流的因素還可能有哪些呢？ 電能是現(xiàn)代社會中應用最廣泛，使用最方便、污染最小的一種二次能源，又稱電力。例如，日常生活中使用的手提電腦、手機、相機、攝像機……這一切都依賴于電池的應用。那么，電池是怎樣把化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪?？我們這節(jié)課先一起復習一下有關(guān)原電池的相關(guān)內(nèi)容。,●新知導學,氧化還原,化學,電,負,Zn－2e－===Zn2＋,氧化,正,Cu2＋＋2e－===Cu,還原,Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋,負極,正極,電解質(zhì),閉合,氧化還原,活潑性較強,活潑性較弱,電解質(zhì)溶液,陰、陽離子的定向,移動,導線,1．為什么實驗室用鋅與稀H2SO4反應制H2，在其他條件相同的條件下，用粗鋅產(chǎn)生H2的速率會更快？ 提示：形成鋅|稀H2SO4|雜質(zhì)金屬的原電池，所以反應速率會更快。,●自主探究,2．鎂、鋁和NaOH溶液組成原電池，作負極的應該是哪種金屬？為什么？ 提示：原電池的負極總是失電子發(fā)生氧化反應，其正極總是得電子發(fā)生還原反應。哪個電極與電解質(zhì)溶液更易反應而失電子，就是原電池的負極，不一定是較活潑的金屬作負極，而要看是否發(fā)生氧化反應。鎂、鋁和NaOH溶液組成的原電池中，鋁能與NaOH溶液反應，而鎂盡管較為活潑但它不與NaOH溶液反應，所以鋁為原電池的負極。,3．鹽橋在原電池中有何作用？ 提示：(1)作用：使兩個半電池中的溶液連成一個通路。 (2)優(yōu)點：使原電池中氧化劑和還原劑近乎完全隔離，并在不同區(qū)域之間實現(xiàn)了電子的定向移動，使原電池能持續(xù)、穩(wěn)定地產(chǎn)生電流。,4．鹽橋是裝有飽和KCl瓊脂溶膠的 U 形管，溶液不致流出來，但離子則可以在其中自由移動。試推斷，鹽橋中是通過什么微粒的定向移動使整個裝置構(gòu)成回路的？ 提示：是溶在瓊脂溶膠中的電解質(zhì)電離出的陰陽離子，在電場中做定向移動的結(jié)果，在此要特別注意的是鹽橋中的電解質(zhì)不會(或很少)進入相連的兩池中。,1．原電池的相關(guān)概念 (1)原電池的定義：將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置叫做原電池。 (2)原電池的電極。 負極：發(fā)生氧化反應，電子流出(流向正極)的一極。 正極：發(fā)生還原反應，電子流入(來自負極)的一極。,原電池的構(gòu)造及工作原理,●教材點撥,(3)原電池中電荷的移動。 在氧化還原反應的過程中，在外電路(電解質(zhì)溶液以外)，電子由負極經(jīng)導線(包括電流計和其他用電器)流向正極，使負極呈正電性趨勢，正極呈負電性趨勢。由電性作用原理可知，在內(nèi)電路(電解質(zhì)溶液中)，陽離子(帶正電荷)向正極移動，陰離子(帶負電荷)向負極移動。這樣就形成了電荷連續(xù)定向移動，電性趨向平衡的閉合電路。,若化學反應的過程中有電子轉(zhuǎn)移，我們就可以把這個過程中的電子轉(zhuǎn)移設計成定向移動，即形成電流。所以只有氧化還原反應中的能量變化才能被轉(zhuǎn)化成電能；非氧化還原反應中的能量變化不能設計成電池的形式被人類利用，但可以以光能、熱能等其他形式的能量被人類應用。,2．構(gòu)成原電池的條件 (1)有兩種活動性不同的金屬(或一種非金屬導體)作電極。 (2)電極材料均插入電解質(zhì)溶液中。 (3)兩極相連形成閉合回路。 (4)能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應。,提示：①原電池中，負極的金屬性比正極的金屬性強。 ②形成閉合回路的方式有多種，可以是導線連接兩個電極，也可以是兩電極直接接觸。如圖所示：,,3．原電池的判定 先分析有無外接電源，有外接電源的為電解池，無外接電源的可能為原電池；然后依據(jù)原電池的形成條件分析判斷，主要是“四看”：一看電極——兩極為導體且存在活潑性差異(燃料電池的電極一般為惰性電極)。二看溶液——兩極插入電解質(zhì)溶液中。三看回路——形成閉合回路或兩極直接接觸。四看本質(zhì)——有無自發(fā)的氧化還原反應發(fā)生。 提示：多池相連，但無外接電源時，兩極活潑性差異最大的一池為原電池，其他各池可看做電解池。,下列裝置可以構(gòu)成原電池的是( ),●典例透析,,,【解析】 原電池構(gòu)成的三個條件是：活潑性不同的兩個電極，A錯誤；電解質(zhì)溶液，B錯誤；構(gòu)成閉合回路，D錯誤；C滿足這三個條件。 【答案】 C,1．(2015經(jīng)典習題選萃)在下列的8個裝置中，屬于原電池的是哪幾個？( ),●變式訓練,,解析：構(gòu)成原電池要有四個基本條件：A．電解質(zhì)溶液；B．兩個電極，其中一個相對較活潑，另一個相對較不活潑，兩個電極直接或間接地連接在一起，并插入電解質(zhì)溶液中；C．能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應；D．形成閉合電路。本題⑤中不是電解質(zhì)溶液；①②③不具備活潑性不同的電極；⑧中不能形成閉合電路。 答案：④⑥⑦,原電池有兩個電極，一個是正極，一個是負極，判斷正極和負極的方法是： 1．由組成原電池兩極的電極材料判斷。一般是活潑的金屬為負極，活潑性較弱的金屬或能導電的非金屬為正極。 2.根據(jù)電流方向或電子流動方向判斷。電流是由正極流向負極；電子流動方向是由負極流向正極。,原電池正負極的判斷方法,●教材點撥,3.根據(jù)原電池里電解質(zhì)溶液中離子的定向移動方向判斷。在原電池的電解質(zhì)溶液中，陽離子移向的極是正極，陰離子移向的極是負極。 4.根據(jù)原電池兩極發(fā)生的變化來判斷，原電池的負極總是失電子發(fā)生氧化反應，其正極總是得電子發(fā)生還原反應。 5.依據(jù)現(xiàn)象判斷。溶解的一極為負極，質(zhì)量增加或者有氣體放出的一極為正極。 提示：根據(jù)電極材料的活潑性來判斷正負極，要注意電解質(zhì)溶液對原電池正負極的影響。例如，①Mg、Al、NaOH溶液構(gòu)成的原電池，Al為負極；②Fe(或Al)、Cu、濃HNO3構(gòu)成的原電池，Cu為負極。,(2015湖南寧鄉(xiāng)中學月考)關(guān)于如圖所示的原電池，下列說法正確的是( ),●典例透析,,【答案】 A 【點評】 (1)理解原電池的工作原理。 (2)區(qū)別電子流動方向和電流方向。,2．有如圖所示的兩個原電池裝置，下列說法不正確的是( ),●變式訓練,,A．A池中負極的電極反應為Mg－2e－===Mg2＋ B．Mg在A池中為負極，在B池中為正極 C．B池中電子的流向：Mg→Al D．原電池工作一段時間后，A池溶液的pH會增大 解析：判斷原電池正負極，除考慮活潑性還要注意電解質(zhì)溶液對正負極的影響。對于稀硫酸來說，鎂是比鋁更活潑的金屬；但對于氫氧化鈉溶液來說，鋁是比鎂更活潑的金屬，所以A池中鎂是負極，B池中鋁是負極，B對；,A池中電極反應為Mg－2e－===Mg2＋，A對；B池中電子流向為Al―→Mg，C項錯。A池中正極2H＋＋2e－===H2↑，隨著反應進行，c(H＋)減小，pH增大，D對。 答案：C,1．設計原電池 (1)設計依據(jù) 形成原電池的基本條件，即是設計原電池的基本依據(jù)。 (2)設計思路 ①根據(jù)氧化還原反應方程式寫出電極反應式； ②確定兩電極材料； ③確定電解質(zhì)溶液； ④構(gòu)成閉合回路。,原電池原理的應用,●教材點撥,例如：以2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2為依據(jù)，設計一個原電池。 a．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電極反應式。 負極：Cu－2e－===Cu2＋ 正極：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋,b．確定電極材料 若發(fā)生氧化反應的物質(zhì)為金屬單質(zhì)，可用該金屬直接作負極；若為氣體(如H2)或溶液中的還原性離子，可用惰性電極(如Pt、碳棒)作負極。 發(fā)生還原反應的電極材料必須比發(fā)生氧化反應的電極材料活潑性差。 本例中可用銅棒作負極，用鉑絲或碳棒作正極。 c．確定電解質(zhì)溶液 一般選用反應物中的電解質(zhì)溶液即可。如本例中可用FeCl3溶液作電解質(zhì)溶液。 d．構(gòu)成閉合回路。,提示： 設計原電池時，若氧化還原方程式中無明確的電解質(zhì)溶液，可用水作電解質(zhì)，但為了增強其導電性，通常加入強堿或一般的強酸。如燃料電池，水中一般要加入KOH或H2SO4。,2．加快氧化還原反應速率 (1)實驗室制取氫氣時用粗鋅比用純鋅產(chǎn)生氫氣的速率快，原因是粗鋅中的雜質(zhì)和鋅形成原電池，使產(chǎn)生氫氣的速率加快。 (2)在稀硫酸中加入少量硫酸銅溶液，鋅與硫酸銅發(fā)生置換反應，在鋅的表面生成的銅與鋅構(gòu)成原電池，產(chǎn)生氫氣的速率加快。,3．比較金屬的活動性強弱 例如：有兩種金屬a和b，用導線連接后插入到稀硫酸中，觀察到a極溶解，b極上有氣泡產(chǎn)生。根據(jù)電極反應現(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。 4.用于金屬的防護 如要保護一個鐵閘?？捎脤Ь€將其與一鋅塊相連，使鋅作原電池的負極，鐵閘作正極。 5．尋求和制造干電池和蓄電池等化學能源,(2015試題調(diào)研)根據(jù)下式所表示的氧化還原反應設計一個原電池： Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag (1)裝置可采用燒杯和鹽橋，畫出此原電池的裝置圖，注明原電池的正極、負極和外電路中電子的流向。 (2)寫出兩個電極上的電極反應。,●典例透析,【解析】 首先將已知的反應拆成兩個半反應：Cu－2e－===Cu2＋，2Ag＋＋2e－===2Ag，然后結(jié)合原電池的電極反應特點分析可知，該電池的負極材料為Cu，正極材料為Ag。原電池由兩個半電池組成，銅和銅鹽溶液組成銅半電池，銀和銀鹽溶液組成銀半電池，中間通過鹽橋連接起來。,【答案】 (1)如下圖 (2)負極：Cu－2e－===Cu2＋，正極：2Ag＋＋2e－===2Ag 【點評】 先確定兩極，分析原電池的電極反應，然后根據(jù)電極反應確定電解質(zhì)溶液。,,3．根據(jù)下圖，可判斷出下列離子方程式中錯誤的是( ),●變式訓練,,A．2Ag(s)＋Cd2＋(aq)===2Ag＋(aq)＋Cd(s) B．Co2＋(aq)＋Cd(s)===Co(s)＋Cd2＋(aq) C．2Ag＋(aq)＋Cd(s)===2Ag(s)＋Cd2＋(aq) D．2Ag＋(aq)＋Co(s)===2Ag(s)＋Co2＋(aq) 解析：由第一個裝置圖中正負極的標注可知，Cd失去電子作負極，則金屬性CdCo；由第二個裝置圖正負極的標注可知，Co失去電子被氧化作負極，則金屬性CoAg，綜上分析可知三者金屬性的強弱順序為CdCoAg。根據(jù)活潑性強的金屬能將活潑性弱的金屬從其鹽溶液中置換出來的規(guī)律判斷A項錯誤。 答案：A,1．用鋅片、銅片和硝酸銀組成的原電池，正極上發(fā)生的電極反應是( ) A．2H＋＋2e－===H2↑ B．Zn－2e－===Zn2＋ C．2H2O＋O2＋4e－===4OH－ D．Ag＋＋e－===Ag 解析：鋅比銅活潑，鋅作負極，銅作正極，正極反應是Ag＋＋e－===Ag。 答案：D,2．有關(guān)原電池的下列說法中正確的是( ) A．在外電路中電子由正極流向負極 B．在原電池中負極發(fā)生還原反應 C．陽離子向正極方向移動 D．原電池中正極一定是不活潑金屬 解析：在外電路中，電子從負極流向正極；原電池中負極發(fā)生氧化反應；隨著反應的進行，陽離子在正極被還原，所以電解質(zhì)溶液中的陽離子向正極移動；原電池中一般正極金屬比負極金屬活潑性差，但不一定是不活潑金屬，故選C。 答案：C,3．(2015四川廣安中學月考)如圖，在盛有稀硫酸的燒杯中放入用導線連接的電極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正確的是( ),,解析：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Fe，Y為碳棒，B錯；負極上失去電子發(fā)生氧化反應，正極上得電子發(fā)生還原反應，C錯；若兩電極均為金屬，活潑金屬作負極，故有活動性XY。 答案：D,4．依據(jù)氧化還原反應：2Ag＋(aq)＋Cu(s)===Cu2＋(aq)＋2Ag(s)設計原電池如圖所示，其中鹽橋為瓊脂—飽和KNO3鹽橋。,,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，寫出兩電極的電極反應式： 銀電極：____________________________________； X電極：____________________________________。,答案：(1)Cu AgNO3溶液 (2)正 2Ag＋＋2e－===2Ag Cu－2e－===Cu2＋ (3)Cu Ag (4)B,5．研究人員研制出一種鋰水電池，可作為魚雷和潛艇的儲備電源。該電池以金屬鋰和鋼板為電極材料，以LiOH為電解質(zhì)，使用時加入水即可放電?？偡磻獮椋?Li＋H2O===2LiOH＋H2↑。 (1)該電池的負極是__________，負極反應式是_____ ________。 (2)正極現(xiàn)象是____________________。 (3)放電時OH－向__________移動(填“正極”或“負極”)。,解析：金屬鋰比鋼板活潑，作原電池的負極，電極反應式為Li－e－===Li＋，LiOH溶液中的陽離子有Li＋和H＋，由于氧化性H＋Li＋，所以正極反應是：2H＋＋2e－===H2↑，正極產(chǎn)生無色氣體；在原電池的放電過程中，陽離子向正極移動，陰離子向負極移動，所以OH－向負極移動。 答案：(1)鋰 Li－e－===Li＋ (2)有無色氣體產(chǎn)生 (3)負極,1．下圖所示裝置能否實現(xiàn)化學能向電能的轉(zhuǎn)化？,,上圖所示裝置也是一種銅鋅原電池。鋅片插入ZnSO4溶液中，銅片插入CuSO4溶液中，分別構(gòu)成兩個電極。鋅片和銅片用導線連接構(gòu)成外電路(電池的外部電路)；ZnSO4溶液和CuSO4溶液用鹽橋連接，構(gòu)成內(nèi)電路(電池的內(nèi)部電路)。當鹽橋插入后，電流計的指針偏轉(zhuǎn)，顯示有電流產(chǎn)生，反應釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能。在這種原電池中，兩個電極反應是在彼此隔離的條件下進行的，鋅與Cu2＋不直接發(fā)生反應，這樣可以更徹底地將反應所釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能。,由銅鋅原電池可知，原電池中的氧化反應和還原反應分別在兩個電極上進行。發(fā)生氧化反應的電極是負極，發(fā)生還原反應的電極是正極。在銅鋅原電池的內(nèi)電路，鋅極發(fā)生氧化反應，鋅極是負極；銅極發(fā)生還原反應，銅極是正極。對于電池來說，電子流出的電極是負極，電子流入的電極是正極。在銅鋅原電池的外電路，電子由鋅極流向銅極，鋅極是負極，銅極是正極。在原電池中，正極上得電子的數(shù)目和負極上失電子的數(shù)目相等。原電池的兩個電極反應組成電池的總反應，這個總反應叫做電池反應。,(1)鹽橋 將熱的瓊脂溶液(可以是KCl溶液或NH4NO3溶液)倒入U形管中(注意不要產(chǎn)生裂隙)，將冷卻后的U型管浸泡在KCl飽和溶液或NH4NO3飽和溶液中，即可得到鹽橋。 離子在鹽橋中能夠定向移動。通過鹽橋?qū)蓚€隔離的電解質(zhì)溶液連接起來，可使電流持續(xù)傳導。,(2)原電池的表示式 以上裝置的銅鋅原電池可以用下式表示： (－)Zn|ZnSO4||CuSO4|Cu(＋) 負極在左，正極在右；“|”表示電極材料與電解質(zhì)溶液的界面；“‖”通常表示鹽橋。必要時，還可加注電解質(zhì)溶液的濃度等信息。 Zn2＋在鋅片表面的溶解和沉積過程同時進行,2．原電池的電流是怎樣產(chǎn)生的 我們以銅鋅原電池為例來分析原電池的電流是怎樣產(chǎn)生的。 鋅片上和ZnSO4溶液中都存在Zn2＋。在鋅片和溶液的接觸面上，水分子與金屬表面的Zn2＋相互吸引，發(fā)生水合作用，使部分Zn2＋離開鋅片進入溶液： Zn―→Zn2＋＋2e－ 溶液中的Zn2＋也可以沉積到鋅片的表面： Zn2＋＋2e－―→Zn,銅原子和鋅原子失電子的能力不同，因此銅電極和鋅電極的溶解——沉積平衡狀態(tài)不一樣，兩個電極材料與其溶液間的電勢差不相等。由于鋅原子比銅原子容易失電子，在鋅電極的鋅片表面上積累的電子比銅電極的銅片表面上積累的電子多，因此將兩極接通后，電子由鋅片流向銅片。電子的移動破壞了兩極的溶解——沉積平衡，鋅極的平衡由于電子移走而向溶解方向移動，銅極的平衡由于電子移入而向沉積方向移動；結(jié)果使電子持續(xù)流動形成電流。,