新教材适用2024-2025学年高中化学第4章化学反应与电能第1节原电池第1课时原电池的工作原理学案新人教版选择性必修1

第四章化学反应与电能情景切入化学能与其他形式的能量可以相互转换，而且严格遵守能量守恒定律。化学能和电能通过肯定的装置也可以相互转换，从能量转换角度看，电化学反应过程(包括装置)可分两类：一是化学能转换为电能，二是电能转换为化学能。通过化学能和电能之间的相互转换，能够使我们对氧化还原反应的相识及化学反应中能量变更的相识更加深刻。学问导航本章内容探究化学能与电能的相互转化、化学电源和金属的防护。本章学问在结构上分为三节：第一节主要学习原电池——原电池的工作原理和化学电源；其次节主要学习电解池——电解原理和电解原理的应用；第三节主要学习金属的腐蚀与防护。,学法指导1．理解本质，重应用。通过探究常见化学电源的工作原理，体会原电池反应的本质，并能应用原电池原理解决实际问题。2．相互比照，巧关联。比照原电池的构造，分析电解池的构造，加强对原电池、电解池原理的理解。3．紧抓本质，析规律。依据电解原理的本质即氧化还原反应，结合常见阴、阳离子的还原性、氧化性的强弱，分析各种微粒的放电依次，归纳总结各类盐溶液的电解规律，理清电解产物及电解质溶液的变更。4．联系生产，明责任。通过介绍日常生活、生产中常见腐蚀的实例如铁闸门、轮船船体、桥梁、铁制炊具等的腐蚀，探究其腐蚀的本质，探求变更腐蚀速率的方法，加深对电化学原理的理解，深刻相识绿色化学的重要性，培育社会责任感。第一节原电池第1课时原电池的工作原理学习目标1．相识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。2．了解原电池的工作原理。,核心素养1．以锌铜原电池为例，从宏观和微观的角度，分析理解原电池的工作原理，培育宏观辨识与微观探析的实力。2．通过对锌铜原电池工作原理的分析，建立对电化学过程的系统分析思路，培育证据推理与模型认知的意识。某化学爱好小组为了体验水果电池电流的存在进行了下列试验。用橘子一个，铝片和锌片各一片，电灯泡一个，按图连接好。在试验前，先用砂纸擦去金属表面的氧化膜，试验时保持两金属片插在橘子上，不能干脆接触。你知道在上述水果电池中，电流的强弱与两极的距离有什么关系吗？影响电流的因素还可能有哪些呢？电能是现代社会中应用最广泛，运用最便利、污染最小的一种二次能源，又称电力。例如，日常生活中运用的手提电脑、手机、相机、摄像机……这一切都依靠于电池的应用。那么，电池是怎样把化学能转变为电能的呢？我们这节课先一起复习一下有关原电池的相关内容。新知预习一、原电池原理1．原电池的概念和实质：(1)概念。将_化学能__转化为_电能__的装置。(2)实质。利用能自发进行的_氧化还原__反应把化学能转化为电能。2．原电池工作原理(以锌铜原电池为例)：装置图电极名称负极正极电极材料_锌__片_铜__片电极反应Zn－2e－=Zn2＋Cu2＋＋2e－=Cu反应类型_氧化__反应_还原__反应电子流向由_锌__片沿导线流向_铜__片离子迁移方向阴离子向_负极__迁移；阳离子向_正极__迁移电池反应方程式Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu两类装置的不同点还原剂Zn与氧化剂Cu2＋干脆接触，既有化学能转化为电能，又有化学能转化为热能，造成能量损耗Zn与氧化剂Cu2＋不干脆接触，仅有化学能转化为电能，避开了能量损耗，故能量转化率高，电流稳定，持续时间长3.原电池形成的条件：(1)闭合回路。(2)两极有电势差——两个活性不同的电极，相对较活泼的金属作_负极__。(3)_电解质__溶液或_熔融__电解质。(4)自发的_氧化还原__反应。二、原电池的设计1．理论上，任何自发的_氧化还原__反应都可以设计成原电池。2．外电路：_还原__性较强的物质在负极上失去电子，_氧化__性较强的物质在正极上得到电子。3．内电路：将两电极浸入电解质溶液中，阴、阳离子作_定向__移动。预习自测1.如图所示电流表的指针发生偏转，同时A极的质量减小，B极上有气泡产生，C为电解质溶液，下列说法错误的是(C)A．B极为原电池的正极B．A、B、C可能分别为Zn、Cu和稀盐酸C．C中阳离子向A极移动D．A极发生氧化反应解析：原电池中，负极金属失去电子，发生氧化反应，溶解质量减小，故A极为负极，B极为正极，A、D项正确；A、B、C分别为Zn、Cu和稀盐酸时，可以构成原电池，且现象符合题意，B项正确；电解质溶液中阳离子移向正极，C项错误。2．下列装置中，能构成原电池的是(D)解析：酒精为非电解质，A错误；选项B中未运用盐桥，没有形成闭合回路；C项中两个电极材料相同，不能形成原电池。依据原电池的构成条件可知D正确。3．下列有关图甲和图乙的叙述不正确的是(B)A．均发生了化学能转化为电能的过程B．Zn和Cu既是电极材料又是反应物C．工作过程中，电子均由Zn经导线流向CuD．相同条件下，图乙比图甲的能量利用效率高解析：A项，两个装置都为原电池装置，均发生化学能转化为电能的过程，正确；B项，依据原电池的工作原理，锌比铜活泼，锌作负极、铜作正极，铜本身不是反应物，错误；C项，锌作负极，电子从负极经外电路流向正极，正确；D项，图乙装置产生的电流在一段时间内变更不大，但图甲装置产生的电流在较短时间内就会衰减，正确。学问点1原电池的工作原理问题探究：1.在Cu-Zn-H2SO4原电池中，1molZn完全反应，流经电解质溶液的电子数是多少？2．某原电池工作时，a电极质量增加，则该电池的电解质溶液可以是盐酸吗？探究提示：1.0。电子只能沿着导线移动，不经过电解质溶液。2．不能，因为a电极质量增加，说明该电极上应有金属析出，应是溶液中的金属阳离子得电子而析出金属，故电解质不行能是盐酸。学问归纳总结：1．原电池的工作原理简图：[特殊提示]电子及离子的移动(1)电子移动方向：从负极流出沿导线流入正极，电子不能通过电解质溶液。(2)若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。(3)若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过交换膜移向正极。2．原电池中盐桥的作用：(1)通过离子在盐桥中的定向移动，使两个隔离的电解质溶液连接起来，可使电流持续传导。(2)运用盐桥是将两个半电池完全隔开，使副反应减至最低程度，可以获得单纯的电极反应，有利于最大限度地将化学能转化为电能。3．原电池中正负极的推断方法：典例1有关如图所示原电池(盐桥中吸附有KNO3饱和溶液)的叙述不正确的是(A)A．盐桥中的K＋向Cu片移动B．电子沿导线由Cu片流向Ag片C．正极的电极反应是Ag＋＋e－=AgD．Cu片上发生氧化反应，Ag片上发生还原反应解析：该原电池中，Cu为负极，Ag为正极，放电时溶液中阳离子向正极移动，即盐桥中K＋向Ag片移动，A项错误；该电池放电时电子由负极Cu片经导线流向Ag片，B项正确；正极电极反应式为：Ag＋＋e－=Ag，C项正确；Cu为负极，失电子发生氧化反应，Ag为正极，得电子发生还原反应，D项正确。变式训练❶关于下图所示的原电池，下列说法正确的是(A)A．电子从锌电极通过电流表流向铜电极B．盐桥中的阴离子向硫酸铜溶液中迁移C．锌电极发生氧化反应；铜电极发生还原反应，其电极反应式为2H＋＋2e－=H2↑D．取出盐桥后，电流表仍会偏转；铜电极在反应前后质量不变解析：锌片作负极，铜片作正极，电子从负极流向正极，A项正确；盐桥中的阴离子向负极移动，B项错误；负极发生氧化反应，正极发生还原反应，铜电极发生的反应为Cu2＋＋2e－=Cu，C项错误；取出盐桥后不能形成原电池，铜电极在反应后质量增加，D项错误。学问点2原电池原理应用问题探究：1.试验室常用粗锌和稀硫酸反应制备H2，请探讨为何不用纯锌？2．依据原电池原理如何比较Fe、Cu两种金属的活动性强弱？3．中和反应能够放出大量的热，有人设想将其设计成原电池，你认为他是否能胜利？缘由是什么？探究提示：1.粗锌中的锌、杂质和稀硫酸构成原电池，加快化学反应速率，而纯锌与稀硫酸反应比粗锌缓慢。2．将铁片和铜片用导线连接浸入稀硫酸中，发觉铁片渐渐溶解，铜片表面有气泡产生，说明铁比铜活泼。3．不能；缘由是中和反应不属于氧化还原反应。学问归纳总结：1．比较金属活动性强弱：两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。2．加快氧化还原反应的速率：构成原电池的反应速率比干脆接触的反应速率快。例如：试验室制取氢气时，粗锌比纯锌与稀硫酸反应速率快或向溶液中滴入几滴硫酸铜溶液，产生氢气的速率加快。3．设计原电池：(1)分析氧化还原反应，找出氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物，将其分成氧化反应和还原反应两个半反应。(2)设计成无盐桥电池：发生氧化反应的物质作负极，找一种比负极活泼性差的物质作正极，以与负极发生反应的溶液为电解质溶液，用导线将两个电极构成闭合回路即可。(3)设计成有盐桥的电池：发生氧化反应的物质作负极，找一种比负极活泼性差的物质作正极，以含负极氧化产物的溶液作为负极电解质溶液，以含氧化剂的溶液作为正极电解质溶液，然后用盐桥连接两个电池，用导线连接两个电极即可。4．用于金属爱护：依据原电池的工作原理，负极金属发生氧化反应。将被爱护的金属与比其活泼的金属连接。典例2铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式：2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋。(2)若将(1)中的反应设计成原电池，请在方框内画出原电池的装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。答案：正极反应：2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋，负极反应：Cu－2e－=Cu2＋解析：依据反应：2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋。氧化反应为Cu－2e－=Cu2＋，还原反应为2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋，则设计思路明确：原电池组成为Cu是负极，正极材料选用比铜活泼性差的铂或导电的非金属如石墨棒，电解质溶液选用FeCl3溶液。变式训练❷依据反应2Ag＋Cl2=2AgCl设计的一种原电池的装置如图。下列说法正确的是(C)A．负极反应为Cl2＋2e－=2Cl－B．放电时，离子交换膜右侧溶液中有白色沉淀生成C．理论上，可以用NaCl溶液代替盐酸D．当电路中有0.01mole－转移时，交换膜左侧溶液中约削减0.02mol离子解析：负极上发生Ag－e－＋Cl－=AgCl，故A错误；放电时，交换膜右侧的氯离子向左侧移动，在负极上有银离子生成，银离子在左侧和氯离子反应生成AgCl沉淀，故B错误；依据电池总反应为2Ag＋Cl2=2AgCl可知，用NaCl溶液代替盐酸，电池的总反应不变，故C正确；放电时，当电路中转移0.01mole－时，交换膜右侧会有0.01mol氯离子通过阴离子交换膜向左侧移动，同时会有0.01molAg失去0.01mol电子生成银离子，银离子会与氯离子反应生成氯化银沉淀，所以交换膜左侧溶液中离子物质的量不变，故D错误。原电池的电流是怎样产生的我们以铜锌原电池为例来分析原电池的电流是怎样产生的。锌片上和ZnSO4溶液中都存在Zn2＋。在锌片和溶液的接触面上，水分子与金属表面的Zn2＋相互吸引，发生水合作用，使部分Zn2＋离开锌片进入溶液：Zn→Zn2＋＋2e－溶液中的Zn2＋也可以沉积到锌片的表面：Zn2＋＋2e－→Zn由于前一过程的趋势大于后一过程，并且锌片上的电子不能自由进入溶液，因而锌片带负电荷。又由于异性电荷的吸引作用，锌片上的电子与溶液中的Zn2＋在金属—水界面的两侧聚积，最终在锌片和ZnSO4溶液的界面达到溶解与沉积的平衡状态：ZnZn2＋＋2e－此时，由于锌片与溶液的界面两侧电荷不均等，便产生了电势差。铜原子和锌原子失电子的实力不同，因此铜电极和锌电极的溶解——沉积平衡状态不一样，两个电极材料与其溶液间的电势差不相等。由于锌原子比铜原子简单失电子，在锌电极的锌片表面上积累的电子比铜电极的铜片表面上积累的电子多，因此将两极接通后，电子由锌片流向铜片。电子的移动破坏了两极的溶解——沉积平衡，锌极的平衡由于电子移走而向溶解方向移动，铜极的平衡由于电子移入而向沉积方向移动；结果使电子持续流淌形成电流。1．锌铜原电池装置如图所示，下列说法正确的是(B)A．铜片作负极B．锌电极的反应式：Zn－2e－=Zn2＋C．电流从锌片流向铜片D．盐桥的作用是传递电子解析：A项，Zn易失电子发生氧化反应而作负极，错误；B项，Zn易失电子发生氧化反应，锌电极的反应式：Zn－2e－=Zn2＋，正确；C项，铜作正极，电流由铜片流向锌片，错误；D项，盐桥的作用是传递离子，电子不能通过溶液，错误。2．化学电源应用广泛。某原电池装置如图所示，下列说法正确的是(A)A．锌电极发生氧化反应B．锌片和铜片都有O2产生C．电子由铜电极经导线流向锌电极D．原电池工作一段时间后溶液的c(H＋)不变解析：锌比铜活泼，作负极，发生氧化反应，故A正确；铜作正极，电极上有氢气产生：2H＋＋2e－=H2↑，故B错误；电子由负极流向正极，即从锌电极经导线流向铜电极，故C错误；原电池工作一段时间后，正极反应为：2H＋＋2e－=H2↑，则溶液的c(H＋)变小，故D错误。3．由W、X、Y、Z四种金属按下列装置进行试验。下列说法不正确的是(C)装置现象金属W不断溶解Y的质量增加W上有气体产生A.装置甲中X作原电池正极B．装置乙中Y电极上的反应式为Cu2＋＋2e－=CuC．装置丙中溶液的c(H＋)不变D．四种金属的活动性强弱依次为Z>W>X>Y解析：装置甲中金属W不断溶解，负极失电子渐渐溶解，则W作原电池负极，X为正极，氢离子得到电子生成氢气，故A正确；Y上铜离子得电子生成Cu，电极反应式为Cu2＋＋2e－=Cu，故B正确；装置丙中W上氢离子得电子生成氢气，