人教版选修4 第4章第1节 原电池 学案 (5).doc

目标导航1.以铜锌原电池为例，理解原电池的工作原理。2.学会判断原电池的正、负极。3.掌握原电池反应方程式和电极反应式的书写。一、原电池的工作原理1理清氧化还原反应的两条线索(1)还原剂失电子元素化合价升高被氧化发生氧化反应。(2)氧化剂得电子元素化合价降低被还原发生还原反应。2原电池构成的条件：(1)一看反应：看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。(2)二看两电极：一般是活泼性不同的两电极。(3)三看是否形成闭合回路，形成闭合回路需三个条件：电解质溶液；两电极直接或间接接触；两电极插入电解质溶液中。3原电池是将化学能转化为电能的装置，原电池内发生的反应属于氧化还原反应。(1)分析下图所示原电池装置并填空。原电池总反应式：zn2h=zn2h2。(2)电子流动方向和电流方向外电路：电子由zn电极经过导线流向铜电极，电流由铜电极流向zn电极；内电路：阳离子移向正极，阴离子移向负极。【合作探究】1.(1)写出右图装置中电极反应式和总反应式。答案负极：zn2e=zn2正极：cu22e=cu总反应式：zncu2=zn2cu(2)随着时间的延续，电流表的指针偏转角度逐渐减小，最终没有电流通过，为什么？答案由于锌片与cuso4溶液直接接触，在反应一段时间后，难以避免溶液中有cu2在锌片表面直接被还原，一旦有少量铜在锌片表面析出，即在负极(锌)表面也构成了原电池，进一步加速铜在负极表面析出，致使向外输出的电流减弱。当锌片表面完全被铜覆盖后，反应终止，也就无电流产生。2如图装置，可使原电池不断地产生电流，试分析其原理。(1)当有盐桥存在时，在znso4溶液中，锌片逐渐溶解，即zn被氧化，锌原子失去电子，形成zn2进入溶液；从锌片上释放出的电子，经过导线流向铜片；cuso4溶液中的cu2从铜片上得到电子，被还原成为金属铜并沉积在铜片上；随着反应的进行，左边烧杯的溶液中c(zn2)增大(填“增大”、“减小”或“不变”)，右边烧杯的溶液中c(cu2)减小。同时，盐桥中的cl会移向znso4溶液，k会移向cuso4溶液，使znso4溶液和cuso4溶液均保持电中性，氧化还原反应得以继续进行，从而使原电池不断地产生电流。(2)取出盐桥后，由于zn原子失去电子成为zn2进入溶液，使znso4溶液因zn2增加而带正电；同时cu2获得电子成为金属铜沉淀在铜片上，使cuso4溶液因so相对增加而带负电。这两种因素均会阻止电子从锌片流向铜片，造成电流中断，构不成原电池。3在上题图中，盐桥的作用是什么？答案(1)盐桥中通常装有含有琼脂的kcl饱和溶液，能使两个烧杯中的溶液连成一个通路。离子在盐桥中能定向移动，通过盐桥将两个隔离的电解质溶液连接起来，可使电流持续传导。(2)使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，便于分析放电过程，有利于最大限度地将化学能转化为电能。二、原电池原理的应用【练一练】1有a、b、c、d四块金属片，进行如下实验：a、b用导线相连后，同时浸入稀h2so4中，a极为负极；c、d用导线相连后，同时浸入稀h2so4中，电流由d导线c；a、c相连后，同时浸入稀h2so4中，c极产生大量气泡；b、d相连后，同时浸入稀h2so4中，d极发生氧化反应。据此，判断四种金属的活动性顺序是()aabcd bacdbccabd dbdca答案b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；电子流动方向由负极正极，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，金属的活动性顺序为ab；c、d作电极的原电池中，c为负极，金属的活动性顺序为cd；a、c作电极的原电池中，a为负极，金属的活动性顺序为ac；b、d作电极的原电池中，d为负极，金属的活动性顺序为db。综上可知，金属的活动性顺序为acdb。2利用原电池原理，可以加快化学反应的进行，原因是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。如实验室中用zn与稀h2so4反应制取h2时，通常滴入几滴cuso4溶液。这样做的原因是zn与置换出的cu、稀h2so4构成了原电池，加快了反应的进行。【合作探究】1在原电池中，负极的金属性一定比正极的金属性强吗？试举例说明。答案不一定。在判断原电池正、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：mg2e=mg2，al作正极：2h2e=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：al3e4oh=alo2h2o，mg作正极：2h2o2e=h22oh。2为什么实验室用粗锌比用纯锌与稀硫酸反应速率快？答案因为粗锌中锌、杂质和稀h2so4构成了原电池，减小了粒子运动时的相互干扰。3利用反应cu2fecl3=2fecl2cucl2设计一个原电池，画出装置图(带盐桥)写出电极反应式。答案负极：cu2e=cu2正极：2fe32e=2fe2一、原电池原理及正、负的判断【例1】下列有关原电池的说法中正确的是()a在内电路中，电子由正极流向负极b在原电池中，一定是相对较活泼的金属作负极，不活泼的金属作正极c原电池工作时，正极表面一定有气泡产生d原电池工作时，可能会伴随着热能变化解析a项，内电路中不存在电子的移动；b项，若是由铝、镁、氢氧化钠溶液构成的原电池，则负极是铝；c项，若是由锌、铜、硫酸铜溶液构成的原电池，则正极表面析出铜，没有气泡产生。答案d【归纳总结】正负极的判断方法判断依据负极正极电极材料活动性较强的金属活动性较弱的金属或能导电的非金属电子流动方向电子流出极电子流入极电解质溶液中离子定向流动的方向阴离子移向的电极阳离子移向的电极电流方向电流流入极电流流出极与电解质溶液能否发生反应能自发发生氧化还原反应的金属不能自发发生氧化还原反应的金属(非金属)反应现象电极溶解电极增重或有气泡产生变式训练1分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是()a中mg作负极，中fe作负极b中mg作正极，电极反应式为6h2o6e=6oh3h2c中fe作负极，电极反应式为fe2e=fe2d中cu作正极，电极反应式为2h2e=h2答案b解析中mg不与naoh溶液反应，而al能和naoh溶液反应，失去电子，故al作负极，中fe在浓硝酸中易钝化，cu和浓hno3反应失去电子，故cu作负极，a、c项错误；中电池总反应为2al2oh2h2o=2alo3h2，负极电极反应式为2al8oh6e=2alo4h2o，二者相减得到正极电极反应式为6h2o6e=6oh3h2，b项正确；中cu作正极，电极反应式为o22h2o4e=4oh，d项错误。二、原电池电极反应式的书写【例2】(1)将铁片、铜片用导线连接后，置于稀硫酸中，形成原电池，其正极反应式：_；负极反应式：_；总反应方程式：_。(2)有一纽扣电池，其电极分别为zn和ag2o，以koh溶液为电解质溶液，电池的总反应为znag2oh2o=2agzn(oh)2。zn发生_反应，是_极，电极反应式是_。ag2o发生_反应，是_极，电极反应式是_。答案(1)2h2e=h2fe2e=fe2feh2so4=feso4h2(2)氧化负zn2e2oh=zn(oh)2还原正ag2o2eh2o=2ag2oh【归纳总结】1.一般电极反应式的书写方法第一步第三步：两电极反应式相加，与总反应式对照验证2已知总反应式，书写电极反应式(1)分析化合价，确定正极、负极的反应物与生成物。(2)在电极反应式的左边写出得失电子数，使得失电子守恒。(3)根据质量守恒配平电极反应式。(4)复杂电极反应式总反应式简单的电极反应式。变式训练2如图所示，x为单质硅，y为金属铁，a为naoh溶液，组装成一个原电池，回答下列问题。(1)正极_(填名称，下同)发生_反应，电极反应式_ _。(2)负极_，发生_反应，电极反应式_。(3)电池总反应式_。答案(1)铁还原4h2o4e=4oh2h2(2)硅氧化si6oh4e=sio3h2o(3)si2naohh2o=na2sio32h2三、原电池的设计【例3】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，发生的电极反应式为_；x电极上发生的电极反应式为_。(3)外电路中的电子是从_极流向_极。解析原电池中负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应，盐桥起到形成闭合回路、平衡电荷的作用。由总反应方程式可知电极x的材料是cu，发生氧化反应，电解质溶液y是可溶性银盐溶液，常用agno3溶液。电极反应式如下，负极：cu2e=cu2，正极：2ag2e=2ag，电子由负极(cu)流出，经外电路流向正极(ag)。答案(1)cuagno3溶液(2)正2ag2e=2agcu2e=cu2(3)负(cu)正(ag)【归纳总结】原电池装置的设计方法思路以fecuso4=feso4cu反应为例，原电池装置设计方法思路如下第一步：将电池总反应拆成两个半反应负极：fe2e=fe2，正极：cu22e=cu第二步：确定负极材料、正极材料和电解质溶液负极材料：失电子的物质(还原剂)作负极材料即fe。正极材料：用比负极材料金属活动性差的金属或非金属导体作正极材料即cu或ag或c等。电解质溶液：含有反应中作氧化剂的物质作电解质，即cuso4溶液，如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则两个容器中的电解质溶液应含有与电极材料相同的金属的阳离子。第三步：画出装置图，并注明电极材料和电解质溶液，如下图。变式训练3由锌片、铜片和200 ml稀h2so4组成的原电池如下图所示。(1)原电池的负极反应式为_，正极反应式为_。(2)电流的方向是_。(3)一段时间后，当在铜片上放出1.68 l(标准状况)气体时，h2so4恰好消耗一半。则产生这些气体的同时，共消耗_g锌，有_个电子通过了导线，原硫酸的物质的量浓度是_(设溶液体积不变)。答案(1)zn2e=zn22h2e=h2(2)由cu极流向zn极(3)4.8759.0310220.75 moll1解析产生0.075 mol h2，通过0.07520.15(mol)电子，消耗0.075 mol zn和0.075 mol h2so4。所以m(zn)0.075 mol65 gmol14.875 g，n(e)0.15 mol6.021023 mol19.031022，c(h2so4)0.75 moll1。变式训练4请运用原电池原理设计实验，验证cu2、fe3氧化性的强弱。请画出实验装置图并写出电极反应式。答案正极：2fe32e=2fe2负极：cu2e=cu2解析根据反应cu2fe3=2fe2cu2可以证明氧化性为fe3cu2，根据原电池原理可知负极：cu2e=cu2，正极：2fe32e=2fe2。根据两极反应可知负极材料为cu，正极材料可以是c或ag，电解质溶液含有fe3。1下列关于原电池的叙述中正确的是()a构成原电池的两极必须是两种不同金属b原电池是将化学能转化为电能的装置c原电池工作时总是负极溶解，正极上有物质析出d原电池的正极是还原剂，总是溶液中的阳离子在此被还原答案b2.某小组为研究电化学原理，设计了如图所示装置。下列叙述不正确的是()aa和b不连接时，铁片上会有金属铜析出ba和b用导线连接时，铜片上发生的反应为cu22e=cuc无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色da和b用导线连接后，电流由铁电极经导线流向铜电极答案d解析a和b不连接时，fe和cu2直接发生氧化还原反应，铁片上会有金属铜析出，a项正确；若a和b用导线连接，则构成原电池，此时铁为负极，铜为正极，电极反应式分别为fe2e=fe2、cu22e=cu，b项正确；分析选项a、b可知，选项c是正确的；在原电池中，电流应由正极流出，经导线流向负极，故d项错。3关于下图所示的原电池，下列说法正确的是()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，其电极反应是2h2e=h2d取出盐桥后，电流表仍会偏转，铜电极在反应前后质量不变答案a解析锌片作负极，铜片作正极，电子从负极流向正极，a选项正确；盐桥中的阴离子向负极移动，b选项错误；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cu22e=cu，c选项错误；取出盐桥后不能形成原电池，铜电极在反应后质量增加，d选项错误。4由a、b、c、d四种金属按下表中装置图进行实验。装置现象二价金属a不断溶解c极质量增加a上有气泡产生根据实验现象回答下列问题：(1)装置甲中负极的电极反应式是_ _。(2)装置乙中正极的电极反应式是_。(3)装置丙中溶液的ph_(填“变大”、“变小”或“不变”)。(4)四种金属活动性由强到弱的顺序是_。答案(1)a2e=a2(2)cu22e=cu(3)变大(4)dabc解析甲、乙、丙均为原电池装置。依据原电池原理，甲中a不断溶解，则a为负极、b为正极，活动性ab；乙中c极增重，即析出cu，则b为负极，活动性bc；丙中a上有气泡即h2产生，则a为正极，活动性da，随着h的消耗，ph变大。 基础过关一、原电池工作原理的应用1关于右图装置的叙述，正确的是()a铜是负极，铜片上有气泡产生b铜片质量逐渐减少c电流从锌片经导线流向铜片dh在铜片表面被还原后生成h2答案d解析本题主要考查有关原电池的知识，由所给图示可知zn为原电池负极，失去电子被氧化；cu为原电池的正极。电子经导线流向正极(cu极)，溶液中的h在正极得到电子而被还原为h2。电流流向则与电子流向相反。2有关电化学知识的描述正确的是()acaoh2o=ca(oh)2，可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池，把其中的化学能转化为电能b某原电池反应为cu2agno3=cu(no3)22ag，装置中的盐桥中可以是装有含琼胶的kcl饱和溶液c原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成d从理论上讲，任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池答案d解析caoh2o=ca(oh)2不是氧化还原反应；kcl和agno3反应生成agcl沉淀易阻止原电池反应的发生；作电极的不一定是金属，如石墨棒也可作电极。3如图，在盛有稀硫酸的烧杯中放入用导线连接的电极x、y，外电路中电子流向如图所示，关于该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yb若两电极分别为fe和碳棒，则x为碳棒，y为fecx极上发生的是还原反应，y极上发生的是氧化反应d若两电极都是金属，则它们的活动性顺序为xy答案d解析由图示电子流向知x为负极，y为正极，则电流方向为y外电路x，故a错；若两电极分别为fe和碳棒，则x为fe，y为碳棒，b错；负极上失去电子发生氧化反应，正极上得到电子发生还原反应，c错；若两电极均为金属，活泼金属作负极，故有活动性xy。4如图所示装置中，可观察到电流表指针偏转，m棒变粗，n棒变细，由此判断下表中所列m、n、p物质，其中可以成立的是()选项mnpa锌铜稀硫酸溶液b铜锌稀盐酸c银锌硝酸银溶液d锌铁硝酸铁溶液答案c解析本题通过电极变化来确定电极，n棒变细，即n极上发生氧化反应，n棒金属较活泼，排除a、d项；由m棒变粗，可知b项不正确。二、原电池正极、负极的判断5对于原电池的电极名称，叙述错误的是()a发生氧化反应的一极为负极b正极为电子流入的一极c比较不活泼的金属为负极d电流流出的一极为正极答案c解析原电池中相对活泼的金属为负极，发生氧化反应；相对不活泼的金属(或非金属导体)为正极，发生还原反应。6在如图所示的装置中，a的金属活动性比氢要强，b为碳棒，下列关于此装置的叙述不正确的是()a碳棒上有气体放出，溶液ph变大ba是正极，b是负极c导线中有电子流动，电子从a极流向b极da极上发生了氧化反应答案b解析本题考查原电池基本知识，难度不大，但概念容易混淆。电极a、b与电解质溶液稀h2so4组成原电池。因活动性ab(碳棒)，所以a为电池的负极，b为正极。电极反应式：a(负)极：ane=an(氧化反应)b(正)极：nhne=h2(还原反应)由于正极消耗h，溶液中c(h)减小，ph增大。在外电路中，电子由a极流出经电流表流向b极。7如图所示，烧杯内盛有浓hno3，在烧杯中放入用铜线相连的铁、铅两个电极，已知原电池停止工作时，fe、pb都有剩余。下列有关说法正确的是()afe比pb活泼，始终作负极bfe在浓hno3中钝化，始终不会溶解c电池停止工作时，烧杯中生成了fe(no3)3d利用浓hno3作电解质溶液不符合“绿色化学”思想答案d解析开始时，电解质溶液是浓hno3，fe在浓hno3中钝化，所以开始时pb是负极：pb2e=pb2；随着反应的进行，浓hno3变成稀hno3，fe变为原电池的负极：fe2e=fe2。由于最终fe有剩余，所以不会生成fe(no3)3。根据pb与浓hno3反应：pb4hno3(浓)=pb(no3)22no22h2o，过量的fe与稀hno3发生反应：3fe8hno3(稀)=3fe(no3)22no4h2o，可知反应产生了有害气体no2、no，会污染环境，不符合“绿色化学”思想。故选d。三、电极反应式的书写8原电池的电极名称不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。下列说法中不正确的是()a由al、cu、稀硫酸组成原电池，其负极反应式为al3e=al3b由mg、al、naoh溶液组成原电池，其负极反应式为al3e4oh=alo2h2oc由fe、cu、fecl3溶液组成原电池，其负极反应式为cu2e=cu2d由al、cu、浓硝酸组成原电池，其负极反应式为cu2e=cu2答案c解析原电池正、负极的判断不能完全依赖金属的活动性，因为可能会出现特殊情况：浓硝酸使铁、铝钝化；铝与naoh溶液反应，而镁不能与naoh溶液反应等。9锌铜原电池(如图)工作时，下列叙述正确的是()a正极反应为zn2e=zn2b电池反应为zncu2=zn2cuc在外电路中，电流从负极流向正极d盐桥中的k移向znso4溶液答案b解析在原电池中，相对活泼的金属材料作负极，相对不活泼的金属材料作正极，负极反应为zn2e=zn2，正极反应为cu22e=cu，因zn失电子生成zn2，为使znso4溶液保持电中性，盐桥中的cl移向znso4溶液。10锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到了普遍重视，目前已成功研制多种锂电池。某种锂电池的总反应方程式为limno2=limno2，下列说法正确的是()ali是正极，电极反应为lie=libli是负极，电极反应为lie=licmno2是负极，电极反应为mno2e=mnodli是负极，电极反应为li2e=li2答案b解析由总反应o2=o2可知，li元素在反应后化合价升高(01)，mn元素在反应后化合价降低(43)。li被氧化，在电池中作负极，电极反应为lie=li，mno2在正极上反应，电极反应为mno2e=mno。 能力提升11某学生利用如图实验装置探究盐桥式原电池的工作原理(cu元素的相对原子质量为64)。按照实验步骤依次回答下列问题：(1)导线中电子流向为_(用a、b表示)。(2)若装置中铜电极的质量增加0.64 g，则导线中转移的电子数目为_(用“na”表示)。(3)装置中盐桥中除添加琼脂外，还要添加kcl的饱和溶液，电池工作时，对盐桥中的k、cl的移动方向的表述正确的是_(填字母)。a盐桥中的k向左侧烧杯移动、cl向右侧烧杯移动b盐桥中的k向右侧烧杯移动、cl向左侧烧杯移动c盐桥中的k、cl几乎都不移动(4)若将反应2fe3cu=cu22fe2设计成原电池，其正极反应为_ _。(5)下列是用化学方程式表示的化学变化，请在每小题后的横线上注明能量的转化形式。电池总反应：znag2oh2o=zn(oh)22ag：_；2c2h25o24co22h2o：_；6h2o6co2c6h12o6(葡萄糖)6o2：_。答案(1)ab(2)0.02na(3)b(4)2fe32e=2fe2(5)化学能转化为电能化学能转化为热能太阳能(光能)转化为化学能解析(1)锌铜原电池中，锌比铜活泼，故锌为负极，铜为正极。原电池中，电子由负极流向正极，故电子的流向为ab。(2)0.64 g铜物质的量为0.01 mol，由电极反应式cu22e=cu可知，生成1 mol铜，转移2 mol电子，故生成0.01 mol铜，导线中转移0.02 mol电子，电子数目为0.02na。(3)左侧烧杯中锌失电子变成锌离子，使得锌电极附近带正电荷，吸引阴离子向左侧烧杯移动，右侧烧杯中铜离子得到电子变成铜，使得铜电极附近带负电荷，吸收阳离子向右侧烧杯移动，故盐桥中的k向右侧烧杯移动、cl向左侧烧杯移动。(4)由方程式2fe3cu=cu22fe2可知，cu被氧化，为原电池的负极，负极反应为cu2e=2cu2，正极fe3被还原，电极反应式为2fe32e=2fe2。(5)放电是通过原电池装置把化学能转化为电能。燃烧是剧烈的氧化还原反应，把化学能转化为热能。绿色植物在叶绿体内，吸收和利用光能把二氧化碳和水合成葡萄糖，同时放出氧气。12(1)控制适