高中化学 原电池（基础）知识讲解学案 新人教版选修4.doc

原电池【学习目标】1、进一步了解原电池的工作原理；2、能够写出原电池的电极反应式和原电池的总反应方程式。 【要点梳理】要点一、原电池 1、概念：将化学能转化为电能的装置叫原电池。【高清课堂：原电池#原电池的组成条件】 2、原电池的构成条件 两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属)，分别发生氧化和还原反应。 负极：活泼性强，失去电子发生氧化反应。 正极：活泼性弱，溶液中阳离子得到电子发生还原反应。 电解质溶液，电解质中阴离子向负极方向移动，阳离子向正极方向移动，阴阳离子定向移动形成内电路。 导线将两电极连接，形成闭合回路。 有能自发进行的氧化还原反应。 要点诠释：a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。如图： b形成闭合回路的方式有多种，可以是用导线连接两个电极，也可以是两电极直接接触。如图： 要点二、原电池工作原理的实验探究【高清课堂：原电池#原电池的工作原理】 1、实验设计 按照图示装置进行实验。请观察两个金属片插入溶液后电流表指针位置的变化、金属电极表面的变化以及溶液温度的变化，分析是否有电流产生。 按照下图组装实验装置，注意最后将盐桥插入两种电解质溶液中。请观察反应过程中电流表指针位置的变化，判断是否有电流产生，并观察电极表面以及溶液温度的变化情况。 要点诠释：盐桥的作用及优点 a组成：将热的饱和kcl或nh4no3琼胶溶液倒入u形管中(不能产生裂隙)，即可得到盐桥。将冷却后的u形管浸泡在kcl饱和溶液或nh4no3饱和溶液中备用。 b作用：使两个半电池中的溶液连成一个通路。 c优点：使原电池中的氧化剂和还原剂近乎完全隔离，并在不同区域之间实现了电子的定向移动，使原电池能持续、稳定地产生电流。 2、实验记录电流产生情况电极表面变化情况温度变化情况能量变化情况()有电流产生锌片质量减小，同时铜片上有红色物质析出，铜片质量增加溶液温度升高化学能转化为电能、热能()有电流产生锌片质量减小，铜片上有红色物质析出，铜片质量增加溶液温度不变化学能转化为电能 3、实验分析 对于图甲装置 zn片：zn2ezn2+ cu片：cu2+2ecu 同时在zn片上，zn可直接与cuso4溶液反应，生成cu与znso4，因此该装置中既有化学能转化为电能，同时也有化学能转化为热能。 对于图乙所示原电池 锌片：负极，zn2ezn2+(氧化反应) 铜片：正极，cu2+2ecu(还原反应) 总化学方程式：zn+cu2+cu+zn2+ 4、实验原理分析：(如图所示) 要点三、原电池中电荷移动方向 在原电池构成的闭合电路中，有电荷的流动；从电路的构成方面来说，有外电路上电荷的流动和内电路上电荷的流动；从电荷的类型方面来说，有电子的流动和阴、阳离子的流动，其中的具体情况见图。 要点四、原电池的电极判断 要点诠释：活泼金属在原电池中不一定作负极。 如mgalnaoh溶液原电池，活泼性mgal，但此原电池中al作负极，mg作正极。负极反应：al+4oh3e alo2+2h2o，正极反应：2h+2eh2，总反应：2al+2naoh+2h2o2naalo2+3h2。判断一个原电池中的正负极，最根本的方法是：失e的一极是负极；得e的一极为正极。要点五、原电池电极反应式的书写 1、题目给定图示装置 2、题目给定总反应式 分析化合价，确定电极反应物与产物，按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应的原理，写出正负电极的反应物与产物。 在电极反应式的左边写出得失电子数，并使左右两边电荷守恒。 根据质量守恒定律配平电极反应式。 3、几个注意点 负极材料若不与电解质溶液发生反应，则负极失电子，空气中的o2得电子发生还原反应。 电极反应式的书写必须遵守离子方程式的书写要求，如难溶物、难电离物、气体、单质、氧化物等均应写成化学式形式。 注意电解质溶液的成分对正负极反应产物的影响。如负极反应生成的阳离子若与电解质溶液的阴离子反应，则电解质溶液的阴离子应写入电极反应式，例如fe与cu在naoh溶液中形成原电池，负极反应为fe+2oh2efe(oh)2。要点六、原电池原理在化学中的应用 1、设计原电池 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。 关键： 电解质溶液：一般能与负极反应。或者溶解在溶液中的物质(如o2)与负极反应。 电极材料：一般较活泼的金属作负极，较不活泼的金属或非金属作正极。 设计思路：设计思路实例以自发的氧化还原反应为基础2fecl3+cu2fecl2+cucl2把氧化还原反应分为氧化反应和还原反应两个半反应，从而确定电极反应氧化反应(负极)：cu2ecu2+；还原反应(正极)：2fe3+2e2fe2+以两极反应原理为依据，确定电极材料及电解质溶液负极材料：cu；正极材料：石墨或铂或比cu不活泼的其他金属；电解质溶液：fecl3溶液画出示意图【高清课堂：原电池#原电池的应用】 2、原电池工作原理的其他应用制造种类电池金属的腐蚀与防护判断金属的活泼性 加快反应的速率 构成原电池时反应速率比直接接触的反应速率快。如实验室制取h2时，用粗锌与稀h2so4反应比用纯锌时的速率快。【典型例题】类型一：原电池原理及简单应用 例1 下图中能组成原电池产生电流的是 ( ) 【答案】b【解析】a、d两项中电极与电解质溶液之间不发生反应，不能构成原电池。b项符合构成原电池的条件，且zn能与h2so4溶液反应，两电极发生的反应分别是zn2ezn2+，2h+2eh2。c项中酒精不是电解质，且与cu不能反应。 例2 有关原电池的下列说法中正确的是 ( ) a在外电路中电子由正极流向负极 b在原电池中，只有金属锌作负极 c原电池工作时，阳离子向正极方向移动 d原电池工作时，阳离子向负极方向移动 【答案】c 【解析】在原电池中，电子从负极流向正极，a错误；原电池中是活泼金属作负极，而不一定是锌；随着反应的进行，阳离子在正极被还原，所以电解质溶液中的阳离子向正极移动，而阴离子向负极移动。举一反三：【高清课堂：原电池#例3】 【变式1】下列变化中属于原电池反应的是 ( ) a在空气中金属铝表面迅速氧化成保护层 b镀锌铁表面有划损时，仍然能阻止铁被氧化 c红热的铁丝与冷水接触，表面形成蓝黑色的保护层 d锌与稀硫酸反应时，加入少量的cuso4溶液可使反应加快 【答案】bd 例3 将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是( ) a两烧杯中铜片表面均无气泡产生b甲中铜片是正极，乙中铜片是负极c两烧杯中溶液的ph均增大d产生气泡的速率甲比乙慢 【答案】c【解析】图甲是一个原电池装置，负极(zn)：zn2ezn2+，正极(cu)：2h+2eh2，形成的原电池能加快产生氢气的速率；图乙中，zn直接与稀硫酸反应生成h2：zn+2h+zn2+h2，甲、乙两烧杯中h2so4均被消耗，溶液的ph均增大。 例4 如图所示的原电池装置中，x、y为两电极，电解质溶液为稀硫酸，外电路中的电子流向如图所示，则对此装置的下列说法正确的是( ) a外电路的电流方向为：x外电路y b若两电极分别为zn棒和碳棒，则x为碳棒，y为zn棒 c若两电极都是金属，则它们的活动性为xy dx极上发生的是还原反应，y极上发生的是氧化反应 【答案】c 【解析】由图可知电子的流动方向是x外电路y，则电流的方向为y外电路x；x为原电池的负极，y为正极，x的活动性比y强；x极应发生氧化反应，y极应发生还原反应。所以，a、b、d错误，c正确。举一反三： 【变式1】x、y、z、w四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中，组成原电池。x、y相连时，x为负极；z、w相连时，电流方向是wz；x、z相连时，z极上产生大量气泡；w、y相连时，w极发生氧化反应。据此判断四种金属的活泼性顺序是( ) axzwy bzxyw cwxyz dywzx 【答案】a 【解析】在原电池中，活泼金属作为电池的负极，失去电子，发生氧化反应；不活泼的金属作为电池的正极，得到电子，发生还原反应。电子由负极经导线流向正极，与电流的方向相反(物理学中规定正电荷移动的方向为电流的方向)。因此，x、y相连时，x为负极，则活泼性xy；z、w相连时，电流方向是wz，则活泼性zw；x、z相连时，z极上产生大量气泡，则活泼性xz；w、y相连时，w极发生氧化反应，则活泼性wy。综上所述，可以得出金属的活泼性顺序是xzwy。类型二：原电池的设计【高清课堂：原电池#例1】 例5 利用反应zn+2fe3+zn2+2fe2+设计一个原电池，在下边方框内画出实验装置图，并指出正极为_，电极反应式为_；负极为_，电极反应式为_。 【答案】pt 2fe3+2e2fe2+ zn zn2ezn2+ 实验装置图如下： 或 【解析】根据已知的氧化还原反应设计原电池的思路是，首先将已知的反应拆成两个半反应(即氧化反应和还原反应)：zn2ezn2+，2fe3+2e2fe2+；然后再结合原电池的电极反应特点分析可知，该电池的负极应用zn作材料，正极要保证fe3+得到负极失去的电子，可选用pt或碳棒等，电解质溶液只能选用含fe3+的电解质溶液，如fecl3溶液等。举一反三： 【变式1】如图所示装置中，电流表a发生偏转，a极逐渐变粗，同时b极逐渐变细，c为电解质溶液，则a、b、c应是下列各组中的( ) aa是zn、b是cu、c为稀h2so4 ba是cu、b是zn、c为稀h2so4 ca是fe、b是ag、c为agno3溶液 da是ag、b是fe、c为agno3溶液 【答案】d 【解析】原电池工作时，a极逐渐变粗，同时b极逐渐变细，说明b极失去电子是负极，a极上金属离子得电子是正极，电解质溶液中含有相同的金属离子。类型三：电极反应式、电池反应式的书写 例6 依据氧化还原反应：2ag+ (aq)+cu (s)cu2+ (aq)+2ag (s)设计的原电池如图所示。 请回答下列问题： (1)电极x的材料是_；电解质溶液y是_； (2)银电极为电池的_极，发生的电极反应为_；x电极上发生的电极反应为_； (3)外电路中的电子是从_电极流向_电极。 【答案】(1)cu agno3溶液 (2)正 ag+eag cu2ecu2+ (3)x ag 【解析】由氧化还原反应：2ag+ (aq)+cu (s)cu2+ (aq)+2ag (s)可知，可以选用cu (s)ag (s)agno3 (aq)构成简易的原电池，因此上图中电极x的材料是cu，电解质溶液y是agno3溶液，正极为ag，正极上发生的反应为ag+eag，负极为cu，负极上发生的反应为cu2ecu2+，在外电路电子由负极流向正极，即从x电极流向ag电极。举一反三： 【变式1】有人研究反应aso43+2i+2h+aso33+i2+h2o时，认为该反应是可逆反应，为了验证该想法，他根据平衡移动原理设计出如图所示的实验装置(装置中盐桥的作用是使整个装置形成一个闭合回路)。 (1)请你参与探究：用实验证明他的观点。 假设该反应是可逆反应，反应的离子方程式为_。 该实验中c1和c2两电极可以是同种材料吗？_。查阅有关资料得知fe的还原性比i和aso33都强，在zn、al、pt、c棒几种材料中，可用于该实验的电极材料是_。 实验开始时，按图组装好实验装置，向a烧杯中加入适量2 mol/l ki溶液，向b烧杯中加入适量1 mol/l na3aso4溶液，再向b烧杯中逐滴加入浓盐酸，发生的现象是电流表_；a中_。此过程中，c1棒发生的反应为_。 (2)若要证明反应可逆向进行，在40 naoh溶液、4 naoh溶液、碘水、na3aso3溶液几种试剂中，必须向b烧杯中滴加_溶液。 证明该反应是可逆反应的事实是_。 (2)操作过程中，c2棒发生的反应为_。 【答案】(1)aso43+2i+2h+aso33+i2+h2o