2020高中化学 第四章 电化学基础 第一节 原电池导学案 新人教版选修4

第一节原电池学习目标定位1.以铜锌原电池为例，熟悉原电池的工作原理。2.会正确判断原电池的正极和负极。3.掌握原电池电极反应式的书写方法。一原电池的工作原理1.按右图所示装置，完成实验并回答下列问题：(1)有关的实验现象是锌片溶解，铜片加厚变亮，CuSO4溶液颜色变浅；电流表的指针发生偏转，装置中的能量变化是化学能转化为电能。该装置称作原电池。(2)原电池构成的条件：具有活动性不同的两个电极，二者直接或间接地连在一起，插入电解质溶液中，且能自发地发生氧化还原反应。下列图示装置能形成原电池的是AD。(3)电子流动方向和电流方向外电路：电子由锌电极经过导线流向铜电极，电流由铜电极流向锌电极。锌电极为负极，铜电极为正极。内电路：阳离子移向正极，阴离子移向负极。(4)电极反应：负极反应式是Zn2e=Zn2，发生氧化反应；正极反应式是Cu22e=Cu，发生还原反应；电池总反应的离子方程式是ZnCu2=Zn2Cu。(5)用温度计测量溶液的温度，其变化是溶液的温度略有升高，原因是还有Cu2直接在锌电极上得电子被还原，部分化学能转化成热能。2.按下图所示装置，完成实验，并回答下列问题：(1)实验过程中，能观察到的实验现象是锌片溶解，铜片加厚变亮；电流表指针发生偏转；CuSO4溶液的颜色变浅。(2)用温度计测量溶液的温度，其结果是溶液的温度不升高(或无变化)；由此可说明CuSO4溶液中的Cu2不能移向锌片得电子被还原。(3)离子移动方向硫酸锌溶液中：Zn2向盐桥移动；硫酸铜溶液中：Cu2向铜极移动；盐桥中：K移向正极区(CuSO4溶液)，Cl移向负极区(ZnSO4溶液)。(4)若取出装置中的盐桥，电流表的指针是否还会发生偏转？为什么？答案不偏转。如果要使电流表指针发生偏转，则该装置中必须形成闭合回路。若取出盐桥，很显然该装置未构成闭合回路，电流表指针不会发生偏转。3.实验结论：与问题1中的原电池装置相比较，问题2中双液原电池具有的特点：(1)具有盐桥。取下盐桥，无法形成闭合回路，反应不能进行，可控制原电池反应的进行。(2)两个半电池完全隔开，Cu2无法移向锌片，可以获得单纯的电极反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。归纳总结1.原电池原理原电池原理是将氧化反应和还原反应分开进行，还原剂在负极上失去电子发生氧化反应，电子通过导线流向正极，氧化剂在正极上得到电子发生还原反应。2.原电池电极及电极反应特点(1)负极为电子流出极，相对活泼，通常是活动性较强的金属或某些还原剂，电极被氧化，发生氧化反应。(2)正极为电子流入极，相对不活泼，通常是活动性较差的金属或非金属导体，一般是电解质溶液中的氧化性强的离子被还原或电极上附着物本身被还原，发生还原反应。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。关键是选择合适的电解质溶液和两个电极。(1)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。(2)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导体作正极。1.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()A.a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出B.a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D.a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。2.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。二原电池的电极判断及电极反应式的书写1.原电池电极(正极、负极)的判断依据有多种。试填写下表：判断依据正极负极电极材料不活泼金属或非金属导体活泼金属电子流向电子流入电子流出电极反应还原反应氧化反应电极现象电极增重或产生气体电极减轻离子移向阳离子移向阴离子移向2.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_。答案2H2e=H2Fe2e=Fe2FeH2SO4=FeSO4H23.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。(1)Zn发生_反应，是_极，电极反应式是_。(2)Ag2O发生_反应，是_极，电极反应式是_。答案(1)氧化负Zn2OH2e=Zn(OH)2(2)还原正Ag2O2eH2O=2Ag2OH归纳总结1.一般电极反应式的书写方法(1)定电极，标得失。按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应，判断出电极反应产物，找出得失电子的数量。(2)看环境，配守恒。电极产物在电解质溶液中应能稳定存在，如碱性介质中生成的H应让其结合OH生成水。电极反应式要依据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等加以配平。(3)两式加，验总式。两电极反应式相加，与总反应方程式对照验证。2.已知总反应式，书写电极反应式(1)分析化合价，确定正极、负极的反应物与反应产物。(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。3.某电池的总反应为Fe2Fe3=3Fe2，能实现该反应的原电池是()正极负极电解质溶液ACuFeFeCl3溶液BCFeFe(NO3)2溶液CFeZnFe2(SO4)3溶液DAgFeCuSO4溶液答案A解析能实现反应Fe2Fe3=3Fe2的原电池应符合以下条件：负极为Fe，正极材料的活泼性比Fe差；电解质溶液应为含Fe3的溶液，B、D两项电解质溶液选错；C项负极材料选错。4.依据氧化还原反应：2Ag(aq)Cu(s)=2Ag(s)Cu2(aq)设计的原电池如下图所示。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_电极流向_电极。答案(1)CuAgNO3溶液(2)正2Ag2e=2Ag(或Age=Ag)Cu2e=Cu2(3)Cu(负)Ag(正)解析该原电池的电池总反应式为2Ag(aq)Cu(s)=2Ag(s)Cu2(aq)，由此可知X极是铜，作负极，银作正极，Y应是AgNO3溶液。电子从原电池的负极经导线流向正极，即从铜电极流向银电极。1.将纯锌片和纯铜片按下图所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)：Zn2e=Zn2，正极(Cu)：2H2e=H2，形成原电池能加快产生氢气的速率；图乙中，Zn直接与稀H2SO4反应生成H2：Zn2H=Zn2H2，甲、乙两烧杯中H2SO4均被消耗，溶液的pH均增大。2.某原电池装置如图所示。下列有关叙述中正确的是()A.Fe作正极，发生氧化反应B.工作一段时间后，两烧杯中溶液pH均不变C.负极反应：2H2e=H2D.工作一段时间后，NaCl溶液中c(Cl)增大答案D解析该装置是原电池。A项，在该原电池中Fe作负极，发生氧化反应；B项，工作一段时间后，左边的烧杯中会含有大量的Fe2，溶液的pH减小，右边烧杯中的H不断放电产生氢气，因此烧杯中溶液pH会逐渐增大；C项，负极反应是Fe2e=Fe2；D项，工作一段时间后，左侧烧杯中由于Fe2不断进入溶液，根据溶液呈电中性原则，盐桥中的Cl会进入该烧杯溶液中，则该烧杯溶液中c(Cl)增大。3.用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有琼脂KNO3的U形管)构成一个原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是()在外电路中，电流由铜电极流向银电极正极反应为Age=Ag实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作将铜片直接浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同A. B. C. D.答案C解析铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线、盐桥构成一个原电池，Cu作负极，Ag作正极，电极反应为Cu2e=Cu2(负极)，2Ag2e=2Ag(正极)，盐桥起到了传导离子、形成闭合回路的作用，电子是由负极流向正极，电流的方向和电子的流向相反。因此错误，正确。4.分析如图所示的四个原电池装置，下列结论正确的是()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D.中Cu作正极，电极反应式为2H2e=H2答案B解析电解质溶液不同，导致两极反应发生改变。当稀硫酸是电解质溶液时，Mg作负极(活动性MgAl)；当NaOH溶液是电解质溶液时，Al作负极(Mg不与NaOH溶液反应)；中Cu作负极，反应式为Cu2e=Cu2，Fe作正极，因为常温下，Fe遇浓硝酸发生钝化；中Cu作正极，电极反应式为2H2OO24e=4OH。5.(1)向等质量的两份锌粉a、b中分别加入过量的稀H2SO4，同时向a中加入少量CuSO4溶液，下列产生氢气的体积(V)与时间(t)的关系基本正确的是_。(2)甲、乙两个烧杯中盛有等体积等浓度的两份稀H2SO4，分别加入足量的锌粒，要保证产生H2的量不变而使甲烧杯中的反应速率减慢、乙烧杯中的反应速率加快，可向甲烧杯中加入的一种盐是_(写化学式，下同)，向乙烧杯中加入的一种盐是_。答案(1)A(2)CH3COONa(或HCOOK等)CuSO4(或CuCl2等)解析(1)Zn粉的质量相等、H2SO4过量，H2的量由Zn粉的量决定。a中部分Zn与CuSO4发生反应置换出Cu并形成“ZnCuH2SO4”原电池，反应速率加快了，但产生H2的体积减小了。(2)向甲中加入一种盐使V(H2)不变而反应速率减慢，应使c(H)减小而H的总量不变，加入CH3COONa等弱酸盐最合适，但不能加入Na2CO3、NaHCO3、Na2S等盐，因为它们与H2SO4反应产生气体而使H2的量减少；欲加快反应速率，可加入CuCl2、CuSO4等盐，因为Zn粉足量，所以不影响产生H2的量，但不能加入Cu(NO3)2，因为若加入Cu(NO3)2，溶液中就有了H、NO，与Zn反应不产生H2。6.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。40分钟课时作业经典基础题题组1原电池的工作原理1.下列说法正确的是()A.原电池中，负极上发生的反应是还原反应B.原电池中，电流的方向是负极导线正极C.双液原电池中的盐桥是为了联通电路，所以也可以用金属导线代替D.在原电池中，阳离子移向正极，阴离子移向负极答案D解析A项，负极上发生氧化反应；B项，电流的方向应是正极导线负极；C项，盐桥不能用导线代替。2.某原电池反应的离子方程式为Fe2H=Fe2H2，则下列说法中正确的是()A.用HNO3作电解质溶液B.用锌作原电池正极C.用铁作负极，铁的质量不变D.用铜作原电池正极答案D解析根据原电池反应式可以确定原电池负极为Fe，电解质溶液为稀盐酸或稀硫酸，但不能为HNO3，若为稀HNO3，则原电池反应为3Fe8H2NO=2NO3Fe24H2O。3.如图所示的装置中有电流产生，则以下说法不正确的是()A.Fe是负极，C是正极B.负极反应式为Fe3e=Fe3C.内电路中阴离子移向FeCl2溶液D.电流由石墨电极流向Fe电极答案B解析图示装置为原电池，负极(Fe)：Fe2e=Fe2，正极(C)：2Fe32e=2Fe2，A项正确，B项不正确；内电路中，Fe电极失电子，呈正电，吸引阴离子，C项正确；外电路中，电流由正极(C)流向负极(Fe)，D项正确。4.一个电池反应的离子方程式是ZnCu2=Zn2Cu，该反应的原电池正确组合是()选项ABCD正极ZnCuCuFe负极CuZnZnZn电解质溶液CuCl2H2SO4CuSO4HCl答案C解析该原电池负极为Zn，正极为比Zn不活泼的金属或石墨等，电解质溶液中含有Cu2，故只有C选项正确。题组2原电池的应用5.根据下图，可判断出下列离子方程式中错误的是()A.2Ag(s)Cd2(aq)=2Ag(aq)Cd(s)B.Co2(aq)Cd(s)=Co(s)Cd2(aq)C.2Ag(aq)Cd(s)=2Ag(s)Cd2(aq)D.2Ag(aq)Co(s)=2Ag(s)Co2(aq)答案A解析根据原电池知识，金属活动性：负极正极，可得三种金属的活动性顺序应为CdCoAg，则选项中符合此关系的置换反应成立。6.有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：实验装置部分实验现象a极质量减小b极质量增加b极有气泡产生c极无变化实验装置部分实验现象d极溶解c极有气泡产生电流从a极流向d极由此判断这四种金属的活动性顺序是()A.abcd B.bcdaC.dabc D.abdc答案C解析由第一个装置a极溶解，故a为负极，可知金属活动性ab，第二个装置依据金属活动顺序可知金属活动性bc；同理第三个装置d极溶解可知d极为负极，金属活动性dc，由第四个装置电流从a极流向d极，则电子从d极流向a极，故金属活动性da，则选项C符合题意。7.下列叙述正确的是()A.反应AlCl34NaOH=NaAlO23NaCl2H2O可以设计成原电池B.Zn和稀硫酸反应时，加入少量CuSO4溶液能加快产生H2的速率C.把Fe片和Cu片放入稀硫酸中，并用导线把二者相连，观察到Cu片上产生大量气泡，说明Cu与H2SO4能发生反应而Fe被钝化D.ZnCu原电池工作过程中，溶液中H向负极作定向移动答案B解析A项，属非氧化还原反应，不能用于设计原电池；B项，锌与置换出来的铜在电解质溶液中形成原电池，加快产生H2的速率；C项，构成原电池，负极Fe2e=Fe2，正极2H2e=H2；D项，H向原电池的正极作定向移动。8.MgAgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，电池方程式为2AgClMg=Mg22Ag2Cl。有关该电池的说法正确的是()A.可用于海上照明供电B.负极反应为AgCle=AgClC.Mg为电池的正极D.AgCl为正极，发生了氧化反应答案A解析MgAgCl电池工作时将化学能转化为电能，可用于海上照明供电，A项正确；该电池中Mg发生氧化反应作电池的负极，反应式为Mg2e=Mg2，B、C项不正确；AgCl发生还原反应，为电池正极，D项不正确。9.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，目前已研制成功多种锂电池。某种锂电池的总反应方程式为LiMnO2=LiMnO2，下列说法正确的是()A.Li是正极，电极反应式为Lie=LiB.Li是负极，电极反应式为Lie=LiC.MnO2是负极，电极反应式为MnO2e=MnOD.Li是负极，电极反应式为Li2e=Li2答案B解析由总反应方程式inO2=nO2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。能力提升题10.常温下，将除去表面氧化膜的Al、Cu片插入电解质A溶液中组成原电池，如图1所示：图1图2(1)若A为稀盐酸，则Al片作_极，该电极的电极反应式为_，Cu片电极反应式为_。(2)若A为NaOH，则Al片作_极，该电极的电极反应式为_。(3)若A为浓HNO3，测得原电池的电流强度(I)随时间(t)的变化如图2所示，反应过程中有红棕色气体产生。0t1 s时，原电池的负极是_，正极的电极反应式为_，溶液中的H向_极移动。t1时，原电池中电子流动方向发生改变，此时_作负极，该电极的电极反应式为_。(4)若A为稀HNO3，则Cu片作_极，该电极的电极反应式为_。答案(1)负Al3e=Al32H2e=H2(2)负Al4OH3e=AlO2H2O(3)Al片NO2He=NO2H2O正(或Cu片)Cu片Cu2e=Cu2(4)正NO3e4H=NO2H2O解析(1)CuAl盐酸构成的原电池，Al作负极，电极反应式为Al3e=Al3；Cu作正极，电极反应式为2H2e=H2。(2)AlCuNaOH溶液构成的原电池，Al作负极，电极反应式为Al3e4OH=AlO2H2O，Cu作正极，电极反应式为2H2O2e=H22OH。(3)AlCu浓硝酸构成的原电池，在0t1时，Al片作负极，正极NO在酸性条件下得电子生成NO2和H2O，在原电池中，阳离子向正极移动，即H向正极移动。由于Al在浓HNO3中发生了钝化，生成的氧化膜阻止了反应的进行，此时Cu与浓HNO3反应而导致Cu作负极，电子流动方向发生改变。(4)AlCu稀HNO3构成的原电池中Al片作负极，Cu片作正极，该电极上NO在酸性条件下得电子生成NO和H2O。11.(1)利用反应Cu2FeCl3=CuCl22FeCl2设计成如下图所示的原电池，回答下列问题：写出电极反应式：正极_；负极_。图中X溶液是_，Y溶液是_。原电池工作时，盐桥中的_(填“阳”、“阴”)离子向X溶液方向移动。(2)控制适合的条件，将反应2Fe32I2Fe2I2设计成如图所示的原电池。请回答下列问题：反应开始时，乙中石墨电极上发生_(填“氧化”或“还原”)反应，电极反应式为_。甲中石墨电极上发生_(填“氧化”或“还原”)反应，电极反应式为_。电流表读数为0时，反应达到平衡状态，此时在甲中加入FeCl2固体，则乙中的石墨作_(填“正”或“负”)极，该电极的电极反应式为_。(3)利用反应2CuO22H2SO4=2CuSO42H2O可制备CuSO4，若将该反应设计为原电池，其正极电极反应式为_。答案(1)2Fe32e=2Fe2Cu2e=Cu2FeCl3CuCl2阳(2)氧化2I2e=I2还原2Fe32e=2Fe2正I22e=2I(3)O24e4H=2H2O解析(1)该原电池中Cu作负极，电极反应式为Cu2e=Cu2；C作正极，电极反应式为2Fe32e=2Fe2。X应为FeCl3溶液，Y应为CuCl2溶液。原电池工作时，盐桥中的阳离子向正极(C)移动。(2)根据反应2Fe32I=2Fe2I2，原电池的电极反应：负极2I2e=I2，发生氧化反应。正极2Fe32e=2Fe2，发生还原反应。反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应；当电流表读数为0时反应已平衡，此时，在甲中加入FeCl2固体，反应2Fe32I2Fe2I2向左移动。因此，右侧石墨作正极，电极反应式为I22e=2I；左侧石墨作负极，电极反应式为2Fe22e=2Fe3。(3)Cu作负极，O2在正极上得电子：O24e4H=2H2O。12.设计两种类型的原电池，探究其能量转化效率。限选材料：ZnSO4(aq)，FeSO4(aq)，CuSO4(aq)，铜片，铁片，锌片和导线。(1)完成原电池甲的装置示意图，并作相应标注。要求：在同一烧杯中，电极与溶液含相同的金属元素。(2)铜片为电极之一，CuSO4(aq)为电解质溶液，只在一个烧杯中组装原电池乙，工作一段时间后，可观察到负极_。(3)甲、乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是_，其原因是_。答案(1)(下列三幅图中，作出任意一幅即可)或(2)电极逐渐溶解，表面有红色固体析出(3)甲乙池的负极可与CuSO4溶液直接发生反应，导致部分化学能转化为热能；甲池的负极不与所接触的电解质