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(2)根据外电路电流的方向或电子的流向判断:
在原电池的外电路,电流由正极流向负极,电子由负极流向正极。
(3)根据内电路离子的移动方向判断:
在原电池电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极。
(4)根据原电池两极发生的化学反应判断:
原电池中,负极总是发生氧化反应,正极总是发生还原反应。
因此可以根据总化学方程式中化合价的升降来判断。
(5)根据电极质量的变化判断:
原电池工作后,若某一极质量增加,说明溶液中的阳离子在该电极得电子,该电极为正极,活泼性较弱;
如果某一电极质量减轻,说明该电极溶解,电极为负极,活泼性较强。
(6)根据电极上产生的气体判断:
原电池工作后,如果一电极上产生气体,通常是因为该电极发生了析出氢的反应,说明该电极为正极,活动性较弱。
(7)根据某电极附近pH的变化判断
析氢或吸氧的电极反应发生后,均能使该电极附近电解质溶液的pH增大,因而原电池工作后,该电极附近的pH增大了,说明该电极为正极,金属活动性较弱。
三、电极反应式的书写
(1)准确判断原电池的正负极是书写电极反应的关键
如果原电池的正负极判断失误,电极反应式的书写一定错误。
上述判断正负极的方法是一般方法,但不是绝对的,例如铜片和铝片同时插入浓硝酸溶液中,由于铝片表明的钝化,这时铜失去电子,是负极,其电极反应为:
负极:
Cu-2e-=Cu2+正极:
NO3-+4H++2e-=2H2O+2NO2↑
再如镁片和铝片同时插入氢氧化钠溶液中,虽然镁比铝活泼,但由于镁不与氢氧化钠反应,而铝却反应,失去电子,是负极,其电极反应为:
2Al+8OH--2×
3e-=2AlO2-+2H2O正极:
6H2O+6e-=6OH-+3H2↑
(2)要注意电解质溶液的酸碱性。
在正负极上发生的电极反应不是孤立的,它往往与电解质溶液紧密联系,如氢氧燃料电池有酸式和碱式,在酸溶液中,电极反应式中不能出现OH-,在碱溶液中,电极反应式中不
能出现H+,像CH4、CH3OH等燃料电池,在碱溶液中碳(C)元素以CO32-离子形式存在,而不是放出CO2气体。
(3)要考虑电子的转移数目
在同一个原电池中,负极失去电子数必然等于正极得到的电子数,所以在书写电极反应时,一定要考虑电荷守恒。
防止由总反应方程式改写成电极反应式时所带来的失误,同时也可避免在有关计算中产生误差。
(4)要利用总的反应方程式
从理论上讲,任何一个自发的氧化还原反应均可设计成原电池,而两个电极反应相加即得总反应方程式。
所以只要知道总反应方程式和其中一个电极反应,便可以写出另一个电极反应方程式。
四、原电池原理的应用
原电池原理在工农业生产、日常生活、科学研究中具有广泛的应用。
1.化学电源:
人们利用原电池原理,将化学能直接转化为电能,制作了多种电池。
如干电池、蓄电池、充电电池以及高能燃料电池,以满足不同的需要。
在现代生活、生产和科学研究以及科学技术的发展中,电池发挥的作用不可代替,大到宇宙火箭、人造卫星、飞机、轮船,小到电脑、电话、手机以及心脏起搏器等,都离不开各种各样的电池。
2.加快反应速率:
如实验室用锌和稀硫酸反应制取氢气,用纯锌生成氢气的速率较慢,而用粗锌可大大加快化学反应速率,这是因为在粗锌中含有杂质,杂质和锌形成了无数个微小的原电池,加快了反应速率。
3.比较金属的活动性强弱:
一般来说,负极比正极活泼。
4.防止金属的腐蚀:
金属的腐蚀指的是金属或合金与周围接触到的气体或液体发生化学反应,使金属失去电子变为阳离子而消耗的过程。
在金属腐蚀中,我们把不纯的金属与电解质溶液接触时形成的原电池反应而引起的腐蚀称为电化学腐蚀,电化学腐蚀又分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀:
在潮湿的空气中,钢铁表面吸附一层薄薄的水膜,里面溶解了少量的氧气、二氧化碳,含有少量的H+和OH-形成电解质溶液,它跟钢铁里的铁和少量的碳形成了无数个微小的原电池,铁作负极,碳作正极,发生吸氧腐蚀:
2.负极:
2Fe-2×
2e-=2Fe2+
3.正极:
O2+4e-+2H2O=4OH-
电化学腐蚀是造成钢铁腐蚀的主要原因。
因此可以用更活泼的金属与被保护的金属相连接,或者让金属与电源的负极相连接均可防止金属的腐蚀。
锌与硫酸锌不反应,但锌通过导线与铜相连。
金属内部电子是自由移动的,由于锌比铜活泼,电子会从锌流动到铜,硫酸铜溶液中的铜离子从铜上得到电子,盐桥中的钾离子移入硫酸铜的溶液中。
在锌半电池内由于锌失电子,使溶液中过量阳离子,吸引盐桥中的氯离子向该烧杯内移动,这样构成了闭合回路,使锌可以不断失电子。
根据考试大纲要求学生会书写电极反应的原电池的基本形式有如下几类:
1、金属与酸(H+)、盐(Mn+)构成的原电池
金属与酸(H+)、盐(Mn+)构成的原电池是最基本的一类原电池,也是学生要重点掌握的一类原电池,这类原电池的实质是负极金属失电子被氧化,正极H+、Mn+得电子被还原,可根据原理直接书写,如:
2、金属与碱反应的非置换反应类型原电池
这类原电池在中学阶段主要是铝和其它金属或非金属碳在氢氧化钠溶液中形成的原电池,其总反应为:
2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2↑,该电池的实质是负极金属铝失电子被氧化为Al3+,然后是Al3++4OH-=AlO2-+2H2O,因此负极的电极反应应为:
2Al+8OH--6e-=2AlO2-+4H2O;
而正极是H2O得电子被还原生成H2,故正极反应为:
6H2O+6e-=6OH-+3H2↑。
3、金属的吸氧腐蚀类原电池
金属的吸氧腐蚀(如钢铁的吸氧腐蚀)类原电池一般是金属在弱酸性、中性或碱性电解质溶液中形成的原电池,其总反应的基本形式是M+O2+H2O→M(OH)n,因此这类原电池的负极反应一般为:
M–ne-=Mn+;
正极的反应一般是:
O2+2H2O+4e-=4OH-。
但要注意的是碱性电解质和弱酸性、中性电解质溶液中负极反应的差异及现象的不同,如:
再如航海上的Al-海水-空气电池,其总反应为:
4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3,故其负极反应为:
4Al-12e-=4Al3+正极反应:
3O2+6H2O+12e-=12OH-
原电池是高中化学的一个难点,又极易与电解池混淆,尤其是对原电池的电极反应书写学生总是感觉难。
因此,老师在复习这部分知识时要善于对知识点和方法进行归纳总结,使学生在理解原电池基本原理的基础上,归纳原电池的基本形式,掌握每一类原电池电极反应的书写方法与技巧,就能有效突破这一难关。
一、正确理解和记忆原电池原理是书写电极反应式的前提。
1、用图象清析原电池的原理。
原电池的基本原理可以用下图清析直观的列示:
正负极的判断、正负极发生的反应类型、内电路(电解质溶液中)阴阳离子的移动方向、外电路中电子的流向及电流方向等。
2、用“口诀”归纳记忆原理
显然,要正确理解原电池的基本原理,就要准确把握原电池中“自发进行的氧化还原反应、原电池正负极的确定、外电路电子的流向、内电路(电解质溶液)中阴阳离子的移动方向”等基本要素。
为了让学生能理解和记住上述基本要素,我用“口诀”概括上述基本原理,读起来既上口又易记,用起来便得心应手了。
“口诀”为:
“原电池有反应,正极负极反应定;
失升氧是负极,与之对立为正极;
外电路有电流,依靠电子负正游;
内电路阳离子,移向正极靠电子;
阴离子平电荷,移向负极不会错。
”
其中“原电池有反应”是指原电池有自发进行的氧化还原反应发生,是将化学能转化为电能的装置;
“正极负极反应定”是指原电池正负极的确定要依据所发生的氧化还原反应来定。
“失升氧是负极,与之对立为正极”是原电池正负极的正确判断方法,而不能简单的记为“相对活泼的金属为负极,而相对不活泼的金属或非金属为正极”,再给学生例举以下两个原电池让学生加深理解正负极的确定。
“内电路阳离子,移向正极靠电子”意思是正极上有带负电的电子,从而能吸引阳离子向正极移动;
其余几句不言而喻,就不再解释了。
二、归纳原电池的基本形式,由浅入深,各个击破电极反应式的书写
正确书写原电池电极反应式的基本方法和技巧是:
首先要正确书写原电池中自发进行的总反应,如果是离子反应的就应该书写离子方程式,然后再将反应拆分为氧化反应即为负极反应,还原反应即为正极反应。
如果是较为复杂的电极反应如燃料电池电极反应的书写则一般先写总反应和简单的电极反应,然后用总反应减简单的电极反应就可得到复杂的一极电极反应。
金属与酸(H+)、盐(Mn+)构成的原电池是最基本的一类原电池,也是学生要重点掌握的一类原电池,这类原电池的实质是负极金属失电子被氧化,正极H+、Mn+得电子被还原,可根据原理直接书写,如:
这类原电池在中学阶段主要是铝和其它金属或非金属碳在氢氧化钠溶液中形成的原电池,其总反应为:
金属的吸氧腐蚀(如钢铁的吸氧腐蚀)类原电池一般是金属在弱酸性、中性或碱性电解质溶液中形成的原电池,其总反应的基本形式是M+O2+H2O→M(OH)n,因此这类原电池的负极反应一般为:
原电池原理
定义:
将化学能转变成电能的装置。
形成条件:
1、活动行不同的两电极(连接)
2、电解质溶液(电极插入其中并与电极自发反应)3、形成闭合回路
电极名称:
较活泼金属(电子流出的极)正极:
较不活泼金属或能导电的非金属(如:
碳棒)(电子流入的极)
电极反应:
负极:
氧化反应;
金属或还原性气体失电子。
正极:
还原反应;
溶液中的阳离子得电子或氧化性气体得电子(吸氧腐蚀)
见原电池举例:
电池名称
电极材料
电解质溶液
电极反应
电池总反应式
干电池
溶液
蓄电池
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