2018-2019學(xué)年高中化學(xué) 第1章 化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化 第3節(jié) 化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能——電池 第1課時 原電池的工作原理學(xué)案 魯科版選修4.doc

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第1課時　原電池的工作原理 學(xué)習(xí)目標：1.了解原電池的工作原理。(重點)2.能寫出電極反應(yīng)式和電池反應(yīng)方程式。(重點)3.學(xué)會設(shè)計簡單原電池裝置。 [自 主 預(yù) 習(xí)探 新 知] 1．銅鋅原電池實驗探究 (1)實驗裝置 (2)實驗現(xiàn)象 檢流計指針 電極表面變化情況 Ⅰ 發(fā)生偏轉(zhuǎn) 鋅片質(zhì)量減少，銅片質(zhì)量增加 Ⅱ 發(fā)生偏轉(zhuǎn) 鋅片質(zhì)量減少，銅片質(zhì)量增加 (3)電極材料及電極反應(yīng) 負極 正極 電極材料 鋅片 銅片 電極反應(yīng) Zn－2e－===Zn2＋ Cu2＋＋2e－===Cu 反應(yīng)類型 氧化反應(yīng) 還原反應(yīng) 電池反應(yīng) Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋ 電子流向 由鋅極通過導(dǎo)線流向銅極 離子移向 陽離子移向正極，陰離子移向負極 鹽橋作用 構(gòu)成閉合回路，使離子通過，傳導(dǎo)電流 微點撥：外電路中由電子的定向移動產(chǎn)生電流，而電解質(zhì)溶液內(nèi)部只有離子的定向移動，沒有電子的移動。 2．原電池的工作原理 (1)原電池 ①定義：能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。 ②電極名稱及電極反應(yīng)。 負極：電子流出的一極，發(fā)生氧化反應(yīng)； 正極：電子流入的一極，發(fā)生還原反應(yīng)。 ③原電池的構(gòu)成條件。 a．兩個活潑性不同的電極(兩種金屬或一種金屬和一種能導(dǎo)電的非金屬)。 b．將電極插入電解質(zhì)溶液。 c．構(gòu)成閉合回路。 d．能自發(fā)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。 (2)工作原理 外電路中電子由負極流向正極；內(nèi)電路(電解質(zhì)溶液)中陰離子移向負極，陽離子移向正極；電子發(fā)生定向移動從而形成電流，實現(xiàn)了化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。 [基礎(chǔ)自測] 1．判斷對錯(對的在括號內(nèi)打“√”，錯的在括號內(nèi)打“”。) (1)所有的氧化還原反應(yīng)都可以設(shè)計成原電池。(　　) (2)原電池中，負極材料一定比正極材料活潑。(　　) (3)原電池工作時，負極發(fā)生氧化反應(yīng)。(　　) (4)原電池中，電流從負極經(jīng)導(dǎo)線流向正極。(　　) (5)銅鋅原電池中，溶液中的陽離子移向鋅極。(　　) [提示]　(1)　自發(fā)的氧化還原反應(yīng)才能設(shè)計成原電池。 (2)　原電池的負極材料不一定比正極材料活潑，如Mg－Al－NaOH(aq)原電池中，Al作負極。 (3)√ (4)　原電池中，電流由正極經(jīng)導(dǎo)線流向負極。 (5)　銅鋅原電池中，Cu2＋移向銅極。 2．如圖所示的裝置能夠組成原電池的是(　　) B　[A項，兩電極材料相同；C項，不能形成閉合回路；D項，為電解池。] [教師備選] 下列反應(yīng)，不可以設(shè)計成原電池的是(　　) A．2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2 B．NaOH＋HCl===NaCl＋H2O C．2Fe＋3Br2===2FeBr3 D．2KMnO4＋5SO2＋2H2O===K2SO4＋2MnSO4＋2H2SO4 B　[NaOH＋HCl===NaCl＋H2O不屬于氧化還原反應(yīng)，故不能設(shè)計成原電池。] 3．據(jù)圖分析，下列有關(guān)該原電池的敘述正確的是(　　) A．工作時，鹽橋中的K＋會移向CuSO4溶液 B．取出鹽橋后，檢流計指針依然發(fā)生偏轉(zhuǎn) C．銅電極上有氣泡逸出 D．反應(yīng)前后銅電極的質(zhì)量不變 A　[在該原電池中，Zn作負極，Cu作正極，陽離子移向正極，A項正確；取出鹽橋后，不能構(gòu)成原電池，故檢流計指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，B項錯誤；Cu電極為正極，電極反應(yīng)式為Cu2＋＋2e－===Cu，無氣泡逸出，且銅電極的質(zhì)量增加，C、D項錯誤。] [合 作 探 究攻 重 難] 原電池的構(gòu)成條件 1799年，意大利科學(xué)家伏特發(fā)明了世界上最早的電池——伏特電池。 1836年，英國科學(xué)家丹尼爾對“伏特電池”進行了改良，制造了一個能穩(wěn)定工作的銅鋅原電池，稱為“丹尼爾電池”。其基本構(gòu)造如圖所示。 [思考交流] 1．該裝置中電子移動方向如何？溶液中的SO通過鹽橋移向鋅極嗎？ [提示]　該原電池中負極是鋅，正極是銅，電子由鋅極流向銅極，鹽橋中的K＋向正極移動，Cl－向負極移動，從而平衡電荷，溶液中的SO不會通過鹽橋移向鋅極。 2．取出鹽橋，檢流計指針還會偏轉(zhuǎn)嗎？ [提示]　取出鹽橋，不能構(gòu)成閉合回路，檢流計指針不會偏轉(zhuǎn)。 3．將鹽橋改為銅導(dǎo)線連接兩種溶液，檢流計指針還能偏轉(zhuǎn)嗎？ [提示]　將鹽橋改為銅導(dǎo)線連接兩種溶液，不能構(gòu)成原電池，檢流計指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 4．根據(jù)以上現(xiàn)象分析，鹽橋起了什么作用？ [提示]　鹽橋起到了使整個裝置構(gòu)成閉合回路的作用，同時能阻止反應(yīng)物的直接接觸。鹽橋中Cl－向ZnSO4溶液遷移，K＋向CuSO4溶液遷移，分別中和過剩的電荷，使溶液保持電中性，反應(yīng)可以繼續(xù)進行。 [對點訓(xùn)練] 題組一　原電池的工作原理 1．鋅銅原電池裝置如圖所示，其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過，下列有關(guān)敘述正確的是(　　) A．銅電極上發(fā)生氧化反應(yīng) B．電池工作一段時間后，甲池的c(SO)減小 C．電池工作一段時間后，乙池溶液的總質(zhì)量增加 D．陰陽離子分別通過交換膜向負極和正極移動，保持溶液中電荷平衡 C　[A．Cu作正極，電極上發(fā)生還原反應(yīng)，錯誤；B.電池工作過程中，SO不參加電極反應(yīng)，故甲池的c(SO)基本不變；C．電池工作時，甲池反應(yīng)為Zn－2e－===Zn2＋，乙池反應(yīng)為Cu2＋＋2e－===Cu，甲池中Zn2＋會通過陽離子交換膜進入乙池，以維持溶液中電荷平衡，由電極反應(yīng)式可知，乙池中每有64 g Cu析出，則進入乙池的Zn2＋為65 g，溶液總質(zhì)量略有增加，正確；D.由題干信息可知，陰離子不能通過陽離子交換膜。] 2．圖1是銅鋅原電池示意圖。圖2中，x軸表示實驗時流入正極的電子的物質(zhì)的量，y軸表示(　　) 圖1　　　　　　圖2 A．銅棒的質(zhì)量　　　 B．c(Zn2＋) C．c(H＋) D．c(SO) C　[該裝置構(gòu)成原電池，Zn是負極，Cu是正極。A．在正極Cu上溶液中的H＋獲得電子變?yōu)闅錃?，Cu棒的質(zhì)量不變，錯誤；B.由于Zn是負極，不斷發(fā)生反應(yīng)Zn－2e－===Zn2＋，所以溶液中c(Zn2＋)增大，錯誤；C．由于反應(yīng)不斷消耗H＋，所以溶液的c(H＋)逐漸降低，正確；D.SO不參加反應(yīng)，其濃度不變，錯誤。] 規(guī)避原電池基礎(chǔ)中的5個失分點 (1)原電池的閉合回路有多種形式，如兩電極相接觸也是一種閉合。 (2)鹽橋使兩池電解液相連接，構(gòu)成閉合，但不能用導(dǎo)線替換。 (3)只有放熱的氧化還原反應(yīng)才能設(shè)計成原電池，把多余的能量轉(zhuǎn)化成電能。 (4)在原電池中，電子不能通過電解質(zhì)溶液。 (5)電解液中的陰陽離子與導(dǎo)線中的電子各自的定向移動，構(gòu)成一個完整的閉合回路，電子由負極移向正極，電解液中陽離子移向正極，陰離子移向負極。 題組二　原電池正、負極及其產(chǎn)物的判斷 3．某原電池反應(yīng)的離子方程式為Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，下列說法正確的是(　　) A．可用硝酸作電解質(zhì)溶液 B．可用鋅作原電池正極 C．用鐵作負極，鐵的質(zhì)量不變 D．可用銅作原電池正極 D　[由電池反應(yīng)的離子方程式可知，電池的負極為鐵，則正極應(yīng)是比鐵不活潑的金屬，B項錯誤，D項正確；在反應(yīng)中負極不斷被消耗，C項錯誤；由反應(yīng)中放出了氫氣并生成了Fe2＋，可知電解質(zhì)溶液不可能是硝酸，A項錯誤。] 4．某興趣小組為了提高電池的效率設(shè)計了如圖所示的原電池。請回答下列問題。 【導(dǎo)學(xué)號：41722035】 (1)若X是AlCl3溶液，Y是稀硫酸，寫出電極名稱及電極反應(yīng)： Al片(　　)________________________________________________， Cu片(　　)________________________________________________。 (2)若X是濃硝酸，Y是NaCl溶液，寫出電極名稱及電極反應(yīng)： Al片(　　)_________________________________________________， Cu片(　　)________________________________________________。 [解析]　(1)若X是AlCl3溶液，Y是稀硫酸，實質(zhì)上是由Al—稀硫酸—Cu組成的原電池，由于Al比Cu活潑，所以Al作負極，Al失電子被氧化為Al3＋，Cu作正極，溶液中的H＋得電子被還原為H2。(2)若X是濃硝酸，Y是NaCl溶液，實質(zhì)上是由Al—濃硝酸—Cu組成的原電池，常溫下由于Al遇濃硝酸發(fā)生鈍化，Al作正極，Cu作負極，Cu失電子被氧化為Cu2＋。 [答案]　(1)負極　Al－3e－===Al3＋　正極　2H＋＋2e－===H2↑ (2)正極　2NO＋4H＋＋2e－===2NO2↑＋2H2O　負極　Cu－2e－===Cu2＋ 原電池正、負極的判斷方法 原電池原理的應(yīng)用 已知如圖裝置： [思考交流] 1．Cd2＋、Co2＋、Ag＋的氧化性強弱如何排序？ [提示]　由裝置圖可知金屬活動性：Cd＞Co＞Ag，故氧化性：Cd2＋＜Co2＋＜Ag＋。 2．2Ag(s)＋Cd2＋(aq)===2Ag＋(aq)＋Cd(s)能否發(fā)生？說明理由。 [提示]　不能發(fā)生。由于金屬活動性：Cd＞Ag，故Ag不能置換Cd。 3．設(shè)計原電池Cd＋2Ag＋===2Ag＋Cd2＋，畫出能形成穩(wěn)定電流的半電池形式的裝置圖。 [提示]　 [對點訓(xùn)練] 1．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??；b極質(zhì)量增加 b極有氣體產(chǎn)生；c極無變化 d極溶解；c極有氣體產(chǎn)生 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(　　) A．a(chǎn)＞b＞c＞d B．b＞c＞d＞a C．d＞a＞b＞c D．a(chǎn)＞b＞d＞c C　[由第一個裝置a極溶解，可知a極是負極，金屬活動性a＞b，對于第二個裝置，依據(jù)還原性規(guī)律知，金屬活動性b＞c，第三個裝置的金屬活動性d＞c，由第四個裝置電流從a→d，則電子從d→a，故金屬活動性d＞a。] 2．設(shè)計原電池Zn＋2Fe3＋===Zn2＋＋2Fe2＋，在方框中畫出能形成穩(wěn)定電流的半電池形式的裝置圖(標出電極材料、電解質(zhì)溶液) 【導(dǎo)學(xué)號：41722036】 　 負極：________，電極反應(yīng)：______________； 正極：________，電極反應(yīng)：______________。 [解析]　分析元素化合價的變化可知，Zn為負極，比Zn活潑性差的金屬或非金屬(石墨等)作正極，選擇與電極材料有相同離子的溶液作電解質(zhì)溶液。 [答案]　見下圖 Zn　Zn－2e－===Zn2＋ Pt　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋ 原電池工作原理的應(yīng)用 (1)加快化學(xué)反應(yīng)速率 構(gòu)成原電池的反應(yīng)速率比直接接觸的反應(yīng)速率快。如實驗室制H2時，粗鋅比純鋅與稀硫酸反應(yīng)快，或向溶液中滴入幾滴CuSO4溶液，反應(yīng)加快。 (2)比較金屬的活動性強弱 對于酸性電解質(zhì)，一般是作負極的金屬活動性強，作正極的金屬活動性較弱。 (3)設(shè)計原電池 ①理論上，自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，可以設(shè)計成原電池。 ②外電路 負極—還原性較強的物質(zhì)被氧化 ↓e－ 正極—氧化性較強的物質(zhì)被還原 ③內(nèi)電路：將兩電極浸入電解質(zhì)溶液中，陰、陽離子作定向移動。 [當(dāng) 堂 達 標固 雙 基] 1．下列說法正確的是(　　) A．構(gòu)成原電池正極和負極的材料必須是金屬 B．在原電池中，電子流出的一極是負極，該電極被還原 C．實驗室欲快速制取氫氣，可利用粗鋅與稀硫酸反應(yīng) D．原電池可以把物質(zhì)內(nèi)部的能量全部轉(zhuǎn)化為電能 C　[構(gòu)成原電池的電極材料可以是非金屬，如石墨，A項錯誤；在原電池中電子流出的一極是負極，失電子被氧化，B項錯誤；粗鋅中含有雜質(zhì)，可形成原電池，C項正確；能量轉(zhuǎn)化率不可能達到100%，D項錯誤。] [教師備選] 下列四個裝置中，導(dǎo)線中的電子由左側(cè)一極流向右側(cè)一極的是(　　) C　[電子由左側(cè) 一極流向右側(cè)一極，則左側(cè)電極作負極。] 2．如圖所示是鋅、銅和稀硫酸形成的原電池，某實驗興趣小組同學(xué)做完實驗后，在讀書卡片上的記錄如下： 卡片上的描述正確的是(　　) A．①②③　　　　　 B．③④⑤ C．①⑤⑥ D．②③④ B　[構(gòu)成原電池的正極是Cu，負極是Zn，故①錯誤；電子從Zn電極(負極)流出，流向Cu電極(正極)，H＋向正極移動，在Cu電極上得到電子：2H＋＋2e－===H2↑，故②錯誤，③④正確；此原電池中負極上發(fā)生的反應(yīng)是Zn－2e－===Zn2＋，⑥錯誤；總反應(yīng)方程式為Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑，當(dāng)有1 mol電子轉(zhuǎn)移時，產(chǎn)生的H2為0.5 mol，故⑤正確。] 3．有M、N、P、E四種金屬，已知：①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P用導(dǎo)線連接后放入硫酸氫鈉溶液中，M表面有大量氣泡產(chǎn)生；③N、E用導(dǎo)線連接后放入E的硫酸鹽溶液中，電極反應(yīng)為E2＋＋2e－===E，N－2e－===N2＋。則四種金屬的還原性由強到弱的順序是(　　) A．P、M、N、E B．E、N、M、P C．P、N、M、E D．E、P、M、N A　[由①知，還原性：M＞N；由②知，M為原電池正極，故還原性：P＞M；由③知，N為原電池負極，故還原性：N＞E。綜上所述，還原性：P＞M＞N＞E。] 4．為了避免鋅片與Cu2＋直接接觸發(fā)生反應(yīng)而影響原電池的放電效率，有人設(shè)計了如圖所示的裝置，按要求完成以下填空： 【導(dǎo)學(xué)號：41722037】 (1)此裝置在工作時，可以觀察到的現(xiàn)象是________________，電池的總反應(yīng)式為___________________________________________。 (2)原電池工作時，CuSO4溶液中SO向________移動。 (3)鹽橋是通過________的定向移動實現(xiàn)導(dǎo)電的，若此鹽橋內(nèi)為KCl飽和溶液，則該電池在工作時，K＋移向________(填“正”或“負”)極。 [解析]　該裝置為鋅銅原電池，總反應(yīng)式為Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋，該電池工作時，觀察到檢流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，鋅片不斷溶解，銅片上有紅色物質(zhì)析出。該電池工作時，CuSO4溶液中SO向鹽橋移動。在原電池中，鹽橋是通過離子定向移動實現(xiàn)導(dǎo)電的，若鹽橋內(nèi)為KCl飽和溶液，K＋向正極移動。 [答案]　(1)檢流計的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，鋅片逐漸溶解，銅片上有紅色物質(zhì)析出　Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu　(2)鹽橋　(3)離子　正