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(shí) 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(shí) 原電池的工作原理 學(xué)習(xí)目標(biāo):1.了解原電池的工作原理。(重點(diǎn))2.能寫出電極反應(yīng)式和電池反應(yīng)方程式。(重點(diǎn))3.學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單原電池裝置。 [自 主 預(yù) 習(xí)探 新 知] 1.銅鋅原電池實(shí)驗(yàn)探究 (1)實(shí)驗(yàn)裝置 (2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 檢流計(jì)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(fù)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(fù)極 鹽橋作用 構(gòu)成閉合回路,使離子通過,傳導(dǎo)電流 微點(diǎn)撥:外電路中由電子的定向移動(dòng)產(chǎn)生電流,而電解質(zhì)溶液內(nèi)部只有離子的定向移動(dòng),沒有電子的移動(dòng)。 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(fù)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(gè)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(fù)極流向正極;內(nèi)電路(電解質(zhì)溶液)中陰離子移向負(fù)極,陽離子移向正極;電子發(fā)生定向移動(dòng)從而形成電流,實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。 [基礎(chǔ)自測(cè)] 1.判斷對(duì)錯(cuò)(對(duì)的在括號(hào)內(nèi)打“√”,錯(cuò)的在括號(hào)內(nèi)打“”。) (1)所有的氧化還原反應(yīng)都可以設(shè)計(jì)成原電池。( ) (2)原電池中,負(fù)極材料一定比正極材料活潑。( ) (3)原電池工作時(shí),負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)。( ) (4)原電池中,電流從負(fù)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(jì)成原電池。 (2) 原電池的負(fù)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(fù)極。 (3)√ (4) 原電池中,電流由正極經(jīng)導(dǎo)線流向負(fù)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(xiàng),兩電極材料相同;C項(xiàng),不能形成閉合回路;D項(xiàng),為電解池。] [教師備選] 下列反應(yīng),不可以設(shè)計(jì)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(jì)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(shí),鹽橋中的K+會(huì)移向CuSO4溶液 B.取出鹽橋后,檢流計(jì)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(fù)極,Cu作正極,陽離子移向正極,A項(xiàng)正確;取出鹽橋后,不能構(gòu)成原電池,故檢流計(jì)指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn),B項(xiàng)錯(cuò)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(xiàng)錯(cuò)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(duì)“伏特電池”進(jìn)行了改良,制造了一個(gè)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(dòng)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(fù)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(dòng),Cl-向負(fù)極移動(dòng),從而平衡電荷,溶液中的SO不會(huì)通過鹽橋移向鋅極。 2.取出鹽橋,檢流計(jì)指針還會(huì)偏轉(zhuǎn)嗎? [提示] 取出鹽橋,不能構(gòu)成閉合回路,檢流計(jì)指針不會(huì)偏轉(zhuǎn)。 3.將鹽橋改為銅導(dǎo)線連接兩種溶液,檢流計(jì)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(jì)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(gè)裝置構(gòu)成閉合回路的作用,同時(shí)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(jìn)行。 [對(duì)點(diǎn)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(shí)間后,甲池的c(SO)減小 C.電池工作一段時(shí)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(fù)極和正極移動(dòng),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(cuò)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(shí),甲池反應(yīng)為Zn-2e-===Zn2+,乙池反應(yīng)為Cu2++2e-===Cu,甲池中Zn2+會(huì)通過陽離子交換膜進(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)時(shí)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(fù)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(cuò)誤;B.由于Zn是負(fù)極,不斷發(fā)生反應(yīng)Zn-2e-===Zn2+,所以溶液中c(Zn2+)增大,錯(cuò)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(cuò)誤。] 規(guī)避原電池基礎(chǔ)中的5個(gè)失分點(diǎn) (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(jì)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(dòng),構(gòu)成一個(gè)完整的閉合回路,電子由負(fù)極移向正極,電解液中陽離子移向正極,陰離子移向負(fù)極。 題組二 原電池正、負(fù)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(fù)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(fù)極為鐵,則正極應(yīng)是比鐵不活潑的金屬,B項(xiàng)錯(cuò)誤,D項(xiàng)正確;在反應(yīng)中負(fù)極不斷被消耗,C項(xiàng)錯(cuò)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(xiàng)錯(cuò)誤。] 4.某興趣小組為了提高電池的效率設(shè)計(jì)了如圖所示的原電池。請(qǐng)回答下列問題。 【導(dǎo)學(xué)號(hào):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(shí)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(fù)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(shí)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(fù)極,Cu失電子被氧化為Cu2+。 [答案] (1)負(fù)極 Al-3e-===Al3+ 正極 2H++2e-===H2↑ (2)正極 2NO+4H++2e-===2NO2↑+2H2O 負(fù)極 Cu-2e-===Cu2+ 原電池正、負(fù)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(qiáng)弱如何排序? [提示] 由裝置圖可知金屬活動(dòng)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(dòng)性:Cd>Ag,故Ag不能置換Cd。 3.設(shè)計(jì)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(duì)點(diǎn)訓(xùn)練] 1.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 部分 實(shí)驗(yàn) 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(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 [由第一個(gè)裝置a極溶解,可知a極是負(fù)極,金屬活動(dòng)性a>b,對(duì)于第二個(gè)裝置,依據(jù)還原性規(guī)律知,金屬活動(dòng)性b>c,第三個(gè)裝置的金屬活動(dòng)性d>c,由第四個(gè)裝置電流從a→d,則電子從d→a,故金屬活動(dòng)性d>a。] 2.設(shè)計(jì)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(biāo)出電極材料、電解質(zhì)溶液) 【導(dǎo)學(xué)號(hào):41722036】 負(fù)極:________,電極反應(yīng):______________; 正極:________,電極反應(yīng):______________。 [解析] 分析元素化合價(jià)的變化可知,Zn為負(fù)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(shí)驗(yàn)室制H2時(shí),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(dòng)性強(qiáng)弱 對(duì)于酸性電解質(zhì),一般是作負(fù)極的金屬活動(dòng)性強(qiáng),作正極的金屬活動(dòng)性較弱。 (3)設(shè)計(jì)原電池 ①理論上,自發(fā)的氧化還原反應(yīng),可以設(shè)計(jì)成原電池。 ②外電路 負(fù)極—還原性較強(qiáng)的物質(zhì)被氧化 ↓e- 正極—氧化性較強(qiáng)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(dòng)。 [當(dāng) 堂 達(dá) 標(biāo)固 雙 基] 1.下列說法正確的是( ) A.構(gòu)成原電池正極和負(fù)極的材料必須是金屬 B.在原電池中,電子流出的一極是負(fù)極,該電極被還原 C.實(shí)驗(yàn)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(xiàng)錯(cuò)誤;在原電池中電子流出的一極是負(fù)極,失電子被氧化,B項(xiàng)錯(cuò)誤;粗鋅中含有雜質(zhì),可形成原電池,C項(xiàng)正確;能量轉(zhuǎn)化率不可能達(dá)到100%,D項(xiàng)錯(cuò)誤。] [教師備選] 下列四個(gè)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(fù)極。] 2.如圖所示是鋅、銅和稀硫酸形成的原電池,某實(shí)驗(yàn)興趣小組同學(xué)做完實(shí)驗(yàn)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(fù)極是Zn,故①錯(cuò)誤;電子從Zn電極(負(fù)極)流出,流向Cu電極(正極),H+向正極移動(dòng),在Cu電極上得到電子:2H++2e-===H2↑,故②錯(cuò)誤,③④正確;此原電池中負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)是Zn-2e-===Zn2+,⑥錯(cuò)誤;總反應(yīng)方程式為Zn+2H+===Zn2++H2↑,當(dāng)有1 mol電子轉(zhuǎn)移時(shí),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(fèi)+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(qiáng)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(fù)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(jì)了如圖所示的裝置,按要求完成以下填空: 【導(dǎo)學(xué)號(hào):41722037】 (1)此裝置在工作時(shí),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(shí),CuSO4溶液中SO向________移動(dòng)。 (3)鹽橋是通過________的定向移動(dòng)實(shí)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(shí),K+移向________(填“正”或“負(fù)”)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(shí),觀察到檢流計(jì)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(shí),CuSO4溶液中SO向鹽橋移動(dòng)。在原電池中,鹽橋是通過離子定向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的,若鹽橋內(nèi)為KCl飽和溶液,K+向正極移動(dòng)。 [答案] (1)檢流計(jì)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- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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