人教版高中化学选修4课堂学案第四章第一节原电池.docx
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人教版高中化学选修4课堂学案第四章第一节原电池
[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:
①电解质溶液;②两电极直接或间接接触;③两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:
Zn+2H+===Zn2++H2↑。
(2)电子流动方向和电流方向
①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;
②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:
Zn-2e-===Zn2+
正极:
Cu2++2e-===Cu
总反应式:
Zn+Cu2+===Zn2++Cu
(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:
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,判断四种金属的活动性顺序是()
A.A>B>C>DB.A>C>D>B
C.C>A>B>DD.B>D>C>A
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A>B;C、D作电极的原电池中,C为负极,金属的活动性顺序为C>D;A、C作电极的原电池中,A为负极,金属的活动性顺序为A>C;B、D作电极的原电池中,D为负极,金属的活动性顺序为D>B。
综上可知,金属的活动性顺序为A>C>D>B。
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:
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-===AlO
+2H2O,Mg作正极:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-。
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Cu+2FeCl3===2FeCl2+CuCl2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:
Cu-2e-===Cu2+
正极:
2Fe3++2e-===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.①②中Mg作负极,③④中Fe作负极
B.②中Mg作正极,电极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑
C.③中Fe作负极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+
D.④中Cu作正极,电极反应式为2H++2e-===H2↑
答案B
解析②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,③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;②中电池总反应为2Al+2OH-+2H2O===2AlO
+3H2↑,负极电极反应式为2Al+
8OH--6e-===2AlO
+4H2O,二者相减得到正极电极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑,B项正确;④中Cu作正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-===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Zn+Ag2O+H2O===2Ag+Zn(OH)2。
①Zn发生______反应,是____极,电极反应式是________________。
②Ag2O发生______反应,是____极,电极反应式是________________________。
答案
(1)2H++2e-===H2↑Fe-2e-===Fe2+
Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑
(2)①氧化负Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2
②还原正Ag2O+2e-+H2O===2Ag+2OH-
【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4H2O+4e-===4OH-+2H2↑
(2)硅氧化Si+6OH--4e-===SiO
+3H2O
(3)Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑
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:
Cu-2e-===Cu2+,正极:
2Ag++2e-===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2Ag++2e-===2AgCu-2e-===Cu2+
(3)负(Cu)正(Ag)
【归纳总结】原电池装置的设计方法思路
以Fe+CuSO4===FeSO4+Cu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:
Fe-2e-===Fe2+,正极:
Cu2++2e-===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200mL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1.68L(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)Zn-2e-===Zn2+2H++2e-===H2↑
(2)由Cu极流向Zn极
(3)4.8759.03×10220.75mol·L-1
解析产生0.075molH2,通过0.075×2=0.15(mol)电子,消耗0.075molZn和0.075molH2SO4。
所以m(Zn)=0.075mol×65g·mol-1=4.875g,N(e-)=0.15mol×6.02×1023mol-1=9.03×1022,c(H2SO4)=
=0.75mol·L-1。
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:
2Fe3++2e-===2Fe2+
负极:
Cu-2e-===Cu2+
解析根据反应Cu+2Fe3+===2Fe2++Cu2+可以证明氧化性为Fe3+>Cu2+,根据原电池原理可知
负极:
Cu-2e-===Cu2+,正极:
2Fe3++2e-===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B
2.
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Cu2++2e-===Cu
C.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Fe-2e-===Fe2+、Cu2++2e-===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2H++2e-===H2↑
D.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Cu2++2e-===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)A-2e-===A2+
(2)Cu2++2e-===Cu
(3)变大(4)D>A>B>C
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A>B;乙中C极增重,即析出Cu,则B为负极,活动性B>C;丙中A上有气泡即H2产生,则A为正极,活动性D>A,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
D.H+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()
A.CaO+H2O===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Cu+2AgNO3===Cu(NO3)2+2Ag,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CaO+H2O===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→Y
B.若两电极分别为Fe和碳棒,则X为碳棒,Y为Fe
C.X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X>Y
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X>Y。
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
M
N
P
A
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
B.a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
D.a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a>b(碳棒),所以a为电池的负极,b为正极。
电极反应式:
a(负)极:
a-ne-===an+(氧化反应)
b(正)极:
nH++ne-===
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()
A.Fe比Pb活泼,始终作负极
B.Fe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)3
D.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:
Pb-2e-===Pb2+;随着反应的进行,浓HNO3变成稀HNO3,Fe变为原电池的负极:
Fe-2e-===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:
Pb+4HNO3(浓)===Pb(NO3)2+2NO2↑+2H2O,过量的Fe与稀HNO3发生反应:
3Fe+8HNO3(稀)===3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O,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Al-3e-===Al3+
B.由Mg、Al、NaOH溶液组成原电池,其负极反应式为Al-3e-+4OH-===AlO
+2H2O
C.由Fe、Cu、FeCl3溶液组成原电池,其负极反应式为Cu-2e-===Cu2+
D.由Al、Cu、浓硝酸组成原电池,其负极反应式为Cu-2e-===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Zn-2e-===Zn2+
B.电池反应为Zn+Cu2+===Zn2++Cu
C.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Zn-2e-===Zn2+,正极反应为Cu2++2e-===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Li+MnO2===LiMnO2,下列说法正确的是()
A.Li是正极,电极反应为Li-e-===Li+
B.Li是负极,电极反应为Li-e-===Li+
C.MnO2是负极,电极反应为MnO2+e-===MnO
D.Li是负极,电极反应为Li-2e-===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(0→+1),Mn元素在反应后化合价降低(+4→+3)。
Li被氧化,在电池中作负极,电极反应为Li-
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