2024-2025学年高中化学专题一化学反应与能量变化第二单元第1课时原电池的工作原理学案苏教版选修4

PAGE16-其次单元化学能与电能的转化【格林太太的假牙】格林太太是一位美丽、开朗、乐观的妇女。当她开怀大笑的时候，人们发觉她一口整齐雪白的牙齿中有两颗假牙：一颗是金黄色的——这是她富有的标记；另一颗是不锈钢的——这是一次车祸留下的痕迹。可令人百思不得其解的是，自从车祸以后，格林太太常常头疼，晚上失眠，心情烦躁……医生费尽心机，可她的病情仍未好转。后来，一位年轻的化学家来探望她，才为她揭开了病因。你知道化学家发觉了什么吗？你能为格林太太开一个药方吗？第1课时原电池的工作原理一、原电池及其工作原理1．原电池(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将化学能转化为电能。2．原电池工作原理(以锌铜原电池为例)3.原电池形成条件(1)两个活泼性不同的电极较活泼金属作负极，较不活泼金属或非金属作正极。(2)电解质溶液两电极必需浸在电解质溶液中。(3)形成闭合回路用导线(或盐桥)分别连通外电路、内电路。(4)自发氧化还原反应实质性非物质形式条件。二、原电池的设计理论上，能自发进行的氧化还原反应均能设计成原电池。实际设计时应留意以下几方面。(1)外电路负极(还原性较强的物质)eq\o(→,\s\up17(e－),\s\do15(导线))正极(较稳定的金属或能导电的非金属)。(2)内电路将两极浸入电解质溶液中，使正、负离子作定向运动。(3)闭合电路探究点一原电池的构成条件和工作原理1．原电池的构成条件(1)具有不同的电极，较活泼的金属作负极，失去电子，发生氧化反应；较不活泼的金属或非金属(石墨等)作正极，得到电子，发生还原反应，此电极本身不变。(2)具有电解质溶液。(3)具有导线相连(或干脆接触)组成的闭合回路或具备将化学能转变成电能的条件。(4)有能自发进行的氧化还原反应(有明显电流产生时需具备此条件)。a．不要形成“活泼金属肯定作负极”的思维定式，如下图甲池中Mg作负极：Mg－2e－=Mg2＋，Al作正极：2H＋＋2e－=H2↑；乙池中由于镁不与强碱反应而Al和NaOH溶液的反应能自发进行，所以Al作负极：Al－3e－＋4OH－=AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O，Mg作正极：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－。b．原电池中，电极材料可能与电解质反应，也可能与电解质不反应。如下图：c．形成闭合回路的方式有多种，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极干脆接触。如下图：d．有的原电池产生的电流大，可以对外做功；有的原电池，电极上发生的反应很慢，产生的电流极其微弱，不能对外做功(如电极是Fe、C，电解质溶液是NaCl溶液)。2．半电池、盐桥、内电路、外电路(1)半电池原电池由两个半电池组成。原电池把一个能自发进行的氧化还原反应分在两个不同的区域进行，正极区进行还原反应，负极区进行氧化反应，通过导线转移电子。(2)盐桥①盐桥中的盐溶液是电解质溶液，能使两个烧杯中的溶液连成一个通路。②当有盐桥存在时，随着反应的进行，溶液保持电中性，让氧化还原反应得以持续进行，从而使原电池不断地产生电流。③盐桥的制作方法。方法1：取1g琼脂置于烧杯中，加入100mL饱和KCl溶液，加热，使琼脂变成糊状，趁热加入U形管中，待冷却后即可充当盐桥。方法2：将KCl饱和溶液装入U形管中，用棉花堵住管口即可。(3)内电路、外电路①在原电池中，用还原性较强的物质作为负极，负极向外电路供应电子；用氧化性较强的物质作为正极，正极从外电路得到电子。②在原电池的内部，两极浸在电解质溶液中，并通过阴、阳离子的定向移动而形成内电路。3．原电池工作原理(1)原理图示(2)电极名称与反应类型：正极→还原反应；负极→氧化反应。(3)电子流向：负极→正极。(4)电流方向：正极→负极。(5)离子流向：阳离子→正极；阴离子→负极。1．盐桥是装有含琼脂的饱和KCl溶液的U形管，原电池工作时，K＋、Cl－的移动方向是怎样的？提示：原电池工作时，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，故K＋向正极区移动，Cl－向负极区移动。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？提示：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，故不行能是盐酸。【例1】下列装置中能够构成原电池形成持续电流的是()【思路分析】推断装置是否为原电池，要以构成原电池的基本条件为标准进行推断，不能仅凭装置的外形下结论。【解析】A项中两电极均为Cu，且不能与稀硫酸反应，不能构成原电池；B项中Zn、Cu用导线连接，通过稀硫酸发生原电池反应，属于原电池装置；C项中Zn、Cu用导线连接，但CH3CH2OH为非电解质，不能形成闭合回路，不能构成原电池；D项中Zn、Cu在CuSO4溶液中不接触，不能形成闭合回路，不能构成原电池；E项中Zn、Cu用导线连接，形成闭合回路，但Zn、Cu均不与食盐水反应，能构成原电池但不能产生持续电流；F项中AgNO3溶液分装在两个容器中，不能形成闭合电路，不能构成原电池。【答案】B如图所示为一原电池装置，下列叙述中正确的是(A)A．铜离子在铜片表面被还原B．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液C．电流从锌片经导线流向铜片D．铜是负极，铜片上有气泡产生解析：锌作负极，锌发生氧化反应，铜作正极，Cu2＋发生还原反应，A选项正确。盐桥中的K＋向正极移动，即移向CuSO4溶液，B选项错误。电子从锌片经导线流向铜片，电流方向与电子流向相反，C选项错误。原电池中的两个电极分别为正极和负极，在题中的原电池中铜作正极，铜离子在正极上得到电子转化为铜单质，D选项错误。探究点二原电池正负极的推断和电极反应式的书写名师释疑：在书写电极反应式时应当留意哪些方面？①两极得失电子数目相等；②电极反应式常用“=”不用“→”表示；③电极反应式中若有气体生成，需加“↑”；而弱电解质或难溶物均以分子式表示，其余以离子符号表示；④写电极反应式时要保证电荷守恒、元素守恒，可在电极反应式一端依据须要添加H＋或OH－或H2O；⑤两电极反应、电池总反应的三个方程式，若已知其中两个，可由方程式的加减得到第三个。1．在原电池的电极材料的选择上有哪些留意事项？提示：(1)若两个电极材料本身都能与电解质溶液反应，则两极活动性须有差异；(2)若电极材料本身都不参与电极反应，则一极储存还原剂，一极储存氧化剂；(3)若只有一个电极材料本身与电解质溶液反应，则另一个电极一般是碳棒等导电材料。2．在原电池中，负极的金属性肯定比正极的金属性强吗？提示：不肯定。在推断原电池正、负极时，不要只考虑金属活动性的相对强弱，还要考虑电解质溶液。故应由电池反应来确定电极名称，发生氧化反应的金属作负极。如下图甲池中Mg作负极：Mg－2e－=Mg2＋，Al作正极：2H＋＋2e－=H2↑；乙池中由于镁不与强碱反应而Al和NaOH溶液能反应，所以Al作负极：Al－3e－＋4OH－=AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O，Mg作正极：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－。3．在原电池中，电极材料肯定与电解质溶液反应吗？提示：不肯定。在原电池中，电极材料可能与电解质溶液反应，也可能与电解质溶液不反应。如图所示：【例2】分析下图所示的四个装置，其中结论正确的是()A．(1)(2)中Mg作负极，(3)(4)中Fe作负极B．(2)中Mg作正极，电极反应为6H2O＋6e－=6OH－＋3H2↑C．(3)中Fe作负极，电极反应为Fe－2e－=Fe2＋D．(4)中Fe作负极，电极反应为Fe－2e－=Fe2＋【思路分析】推断原电池的两极是解题的关键，同时留意特别电解质溶液的存在会使电池的两极发生变更。【解析】金属活动性：Mg>Al，故在(1)中Mg作负极；在NaOH溶液中，Al能与NaOH溶液反应而Mg不能，故(2)中Al作负极，Mg作正极，正极的电极反应为6H2O＋6e－=6OH－＋3H2↑；铁在浓硝酸中发生钝化，而铜与浓硝酸在常温下能反应，故(3)中Cu作负极；(4)中CH3CH2OH是非电解质，不符合原电池的构成条件。【答案】B如图所示装置，电流表A发生偏转，同时A极渐渐变粗，B极渐渐变细，C为电解质溶液，则A、B、C应是下列各组中的(D)A．A是Zn，B是Cu，C为稀H2SO4B．A是Cu，B是Zn，C为稀H2SO4C．A是Fe，B是Ag，C为稀AgNO3溶液D．A是Ag，B是Fe，C为稀AgNO3溶液解析：A极渐渐变粗，说明A为原电池的正极，溶液中的金属阳离子得到电子后在A极上析出；B极变细，说明B为原电池的负极，失去电子后变成离子进入了溶液中。A和B两项反应为Zn＋H2SO4=ZnSO4＋H2↑，则A选项中A极变细，B选项中A极不变；C和D两项反应为Fe＋2AgNO3=2Ag＋Fe(NO3)2，其中C选项中A极变细，D选项中A极变粗，答案为D项。探究点三原电池原理的应用1．比较金属的活动性强弱(1)原理：一般原电池中活动性较强的金属作负极，活动性较弱的金属作正极。(2)应用：A、B两种金属用导线连接后插入稀H2SO4中，若A极溶解，B极上有气泡冒出，则金属活动性：A>B。2．加快化学反应的进行(1)原理：在原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，溶液中的粒子运动时相互间的干扰小，使化学反应加快。(2)应用：试验室中用Zn与稀H2SO4反应制取H2时，通常滴入几滴CuSO4溶液。这样做的缘由是Zn与置换出的Cu、稀H2SO4构成了原电池，加快了反应的进行。3．原电池的设计从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应，都可以设计成原电池。(1)基本方法：以氧化还原反应为基础，确定原电池的正负极、电解质溶液及电极反应，其方法是：还原剂作负极，比负极不活泼的金属或非金属导体作正极，氧化剂的溶液作电解质溶液。(2)电解质溶液的选择：电解质是使负极放电的物质。因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质与负极发生反应(如空气中的氧气)。但假如两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则左、右两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子的盐溶液。(3)电极材料的选择：电池的电极必需导电，电池中的负极必需能够与电解质溶液反应，简单失去电子，因此负极一般是活泼的金属材料。正极和负极之间只有产生电势差，电子才能定向移动，所以正极和负极不用同一种材料。一般状况下，两个电极的构成分为下列四种状况：①活动性不同的两种金属。例如，锌铜原电池中，锌作电池的负极，铜作电池的正极。②金属和非金属。例如，锌锰干电池中，锌片作电池的负极，石墨棒作电池的正极。③金属和化合物。例如，铅蓄电池中，铅作电池的负极，二氧化铅作电池的正极。④惰性电极。例如，氢氧燃料电池中，两个电极均可用Pt。(4)形成闭合回路。以Zn＋H2SO4=ZnSO4＋H2↑为例设计原电池的思路如下：1．把A、B两块金属插入稀硫酸中，用导线相连可以组成原电池，结果A极减轻，则A、B两种金属哪种更活泼？提示：A极减轻，说明A失去电子溶解，故A金属更活泼。2．将反应Zn＋Fe2＋=Zn2＋＋Fe设计成原电池，则该电池的电解质可能是什么？提示：该电池的电解质可能是FeSO4、FeCl2或Fe(NO3)2。【例3】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：________。(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，并写出电极反应式。正极反应：________；负极反应：________。【思路分析】首先依据题给离子方程式确定原电池的正负极，由此写出两个半电池的电极反应，然后依据电极反应确定电解质溶液。【解析】首先分析Fe3＋与Cu的反应中的氧化剂、还原剂，然后依据原电池原理，再设计成原电池。依据反应：2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋，Cu失电子，应为原电池的负极，正极材料选用不如铜活泼的碳棒或铂丝均可，电解质溶液选用FeCl3溶液。【答案】(1)2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋(2)装置如下图或2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋Cu－2e－=Cu2＋有A、B、C、D四块金属片，进行如下试验：①A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，A极为负极；②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，电流由D→导线→C；③A、C相连后，同时浸入稀H2SO4中，C极产生大量气泡；④B、D相连后，同时浸入稀H2SO4中，D极发生氧化反应。据此，推断四种金属的活动性依次是(B)A．A>B>C>DB．A>C>D>BC．C>A>B>DD．B>D>C>A解析：金属与稀H2SO4组成原电池，活泼金属为负极，失去电子发生氧化反应，较不活泼的金属为正极，H＋在正极表面得到电子生成H2；电子运动方向由负极→正极，电流方向则由正极→负极。在题述原电池中，A、B作电极的原电池中，A为负极，金属的活动性依次为A>B；C、D作电极的原电池中，C为负极，金属的活动性依次为C>D；A、C作电极的原电池中，A为负极，金属的活动性依次为A>C；B、D作电极的原电池中，D为负极，金属的活动性依次为D>B。综上可知，金属的活动性依次为A>C>D>B。1．下列说法正确的是(C)A．构成原电池正极和负极的材料必需是金属B．在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被还原C．试验室欲快速制取氢气，可利用粗锌与稀硫酸反应D．原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能解析：原电池也可以用石墨作电极，A错误。电子流出的一极是负极，负极发生氧化反应，B错误。粗锌中的杂质与锌及稀硫酸构成原电池，加快锌与稀硫酸的反应，C正确。原电池将化学能转化为电能，转化效率较高，但不能全部转化为电能，原电池工作时发热就是一部分能量转化为热能，D错误。2．下列说法正确的是(D)A．反应CaO＋H2O=Ca(OH)2放出大量的热，故可把该反应设计成原电池，放电过程中化学能转化为电能B．某原电池反应为Cu＋2AgNO3=Cu(NO3)2＋2Ag，其装置中的盐桥可以是含KCl饱和溶液的琼脂C．铁的活泼性强于铜，所以将铁、铜用导线连接后放入浓硝酸中，若能组成原电池，则铁作负极，铜作正极D．从理论上来说，任何能自发进行的氧化还原反应都可被设计成原电池解析：CaO＋H2O=Ca(OH)2不是氧化还原反应，不能设计成原电池，A项错误；由KCl＋AgNO3=AgCl↓＋KNO3可知，生成的AgCl会使盐桥的导电性减弱，所以该装置中的盐桥不能是含KCl饱和溶液的琼脂，B项错误；铁遇到浓硝酸会发生钝化，而铜可与浓硝酸发生反应：Cu＋4HNO3(浓)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O，Cu失去电子被氧化，作原电池的负极，C项错误。3．如表所示，将两电极用导线连接插入电解质溶液中(不考虑溶液中溶解的氧气的影响)，你认为不能构成原电池的是(C)解析：选项能否构成原电池理由A能Zn为负极，Cu为正极，自发的氧化还原反应：Zn＋Cu2＋=Cu＋Zn2＋B能Zn为负极，Fe为正极，自发的氧化还原反应：Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑C否没有氧化还原反应发生D能Al为负极，C为正极，自发的氧化还原反应：2Al＋2OH－＋2H2O=2AlOeq\o\al(－,2)＋3H2↑4.试验发觉，298K时，在FeCl3酸性溶液中加入少量锌粒后，Fe3＋马上被还原成Fe2＋。某化学爱好小组依据该试验事实设计了如图所示的原电池装置。下列有关说法中正确的是(B)A．该原电池的正极反应：Zn－2e－=Zn2＋B．左边烧杯中溶液的红色渐渐褪去C．该电池铂电极上有气泡生成D．该电池总反应：3Zn＋2Fe3＋=2Fe＋3Zn2＋解析：Zn失去电子，发生氧化反应，Zn为负极，A项错误；Fe3＋被还原为Fe2＋，溶液红色渐渐褪去，B项正确，铂电极作正极，无气泡生成，C项错误；该电池总反应：Zn＋2Fe3＋=2Fe2＋＋Zn2＋，D项错误。5．某原电池的总反应的离子方程式为Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu，则该原电池的正确组成可以是下列中的(A)解析：由电池反应可知，该原电池的负极为锌，电解质溶液为含Cu2＋的溶液，结合原电池的构成条件可知，A项符合题意。6.镁—次氯酸盐燃料电池具有比能量高、平安便利等优点，该电池主要的工作原理如图所示，其总反应为Mg＋ClO－＋H2O=Mg