优化课堂学年高二化学人教版选修四学案41 原电池.docx

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优化课堂学年高二化学人教版选修四学案41原电池

第一节

原电池

[学习目标]　1.了解原电池的工作原理和构成原电池的条件。

（重点）　2.能正确书写电极反应式和电池反应方程式。

（重难点）　3.能设计简单的原电池。

一、原电池原理

1．原电池概念：

利用氧化还原反应原理将化学能转化为电能的装置。

2．构成条件

3．原电池工作原理（以锌铜原电池为例）

装置

现象

锌片逐渐溶解，铜片上

有红色物质析出，电流

表指针发生偏转

电极名称

Zn电极—负极

Cu电极—正极

得失电子

失电子

得电子

电子流向

流出

流入

反应类型

氧化反应

还原反应

电极反应式

Zn－2e－===Zn2＋

Cu2＋＋2e－===Cu

总反应式

Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

1．原电池的两个电极必须都是金属吗？

原电池中盐桥的作用是什么？

【提示】　原电池中的电极不一定是金属材料，可用石墨等导电非金属作电极。

盐桥的作用是利用盐桥中离子的移动，使两个半电池中的溶液形成闭合回路。

2．Cu、Ag与稀硫酸能否设计成原电池？

【提示】　不能。

Cu、Ag与稀硫酸不能自发地发生氧化还原反应。

二、原电池的设计

理论上，能自发进行的氧化还原反应均能设计成原电池。

实际设计时应注意以下几方面。

（1）外电路

负极（还原性较强的物质）

正极（较稳定的金属或能导电的非金属）。

（2）内电路

将两极浸入电解质溶液中，使正、负离子作定向移动。

（3）闭合电路

3．根据原电池原理怎样比较Fe、Cu两种金属的活动性强弱？

【提示】　将铁片和铜片用导线连接浸入稀硫酸中，铁片溶解，铜片表面有气泡产生，说明铁比铜活泼。

4．中和反应能够放出大量的热，有人设想将其设计成原电池，你认为他能成功吗？

【提示】　不能成功。

中和反应不是氧化还原反应，没有电子转移。

1．易误诊断

（1）原电池是将化学能转化为电能的装置。

（　　）

（2）CaO＋H2O===Ca（OH）2是放热反应，可设计成原电池。

（　　）

（3）原电池正极发生氧化反应，负极发生还原反应。

（　　）

（4）碳是非金属，故碳棒不能用来作原电池的电极。

（　　）

【答案】　

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）×

2．下图中能组成原电池产生电流的是（　　）

【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项符合原电池的三个构成条件，且Zn能与H2SO4溶液反应，两电极发生的反应分别是Zn－2e－===Zn2＋，2H＋＋2e－===H2↑。

C项中酒精不是电解质，故不是原电池。

【答案】　B

3．（双选）铜锌原电池（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，电子从负极流向正极

D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液

【解析】　原电池的正极得电子，A选项错误；结合该电池的装置图可知，该过程中的氧化还原反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，B选项正确；在外电路中，电子从负极流向正极，C选项正确；左烧杯中由于Zn失去电子形成Zn2＋，使得该烧杯中正电荷的离子增加，为维持电中性，K＋应该通过盐桥流向CuSO4所在的右烧杯，D选项错误。

【答案】　BC

4．下列反应不可用于设计成原电池的是（　　）

A．CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O

B．2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O

C．Zn＋2HCl===ZnCl2＋H2↑

D．4Al＋3O2＋6H2O===4Al（OH）3

【解析】　A项不是氧化还原反应，不能设计成原电池。

【答案】　A

学生分组探究一　原电池正、负极的判断方法

第1步探究——问题引入，自主探究

1．原电池中，电子流出的一极是正极还是负极？

【提示】　负极。

2．若某电极在反应过程中增重，则该电极是原电池的正极还是负极？

【提示】　正极。

第2步阐述——要点归纳，深化知识

根据电极材料的活泼性来判断正负极，要注意电解质溶液对原电池正负极的影响。

例如，①Mg、Al、NaOH溶液构成的原电池，Al为负极；②Fe（或Al）、Cu、浓HNO3构成的原电池，Cu为负极。

第3步例证——典例印证，思维深化

　某高二化学兴趣小组为了探索铝电极在原电池中的作用，设计并进行了以下一系列实验，实验结果如下。

试根据下表中的实验现象回答下列问题：

编号

电极材料

电解质溶液

电流计指针偏转方向

1

Mg、Al

稀盐酸

偏向Al

2

Al、Cu

稀盐酸

偏向Cu

3

Al、石墨

稀盐酸

偏向石墨

4

Mg、Al

NaOH

偏向Mg

5

Al、Zn

浓硝酸

偏向Al

（1）实验1、2中Al所作的电极是否相同？

（2）写出实验3中的电极反应式和电池总反应方程式。

（3）实验4中Al作正极还是作负极？

为什么？

写出Al电极的电极反应式。

（4）解释实验5中电流计指针偏向Al的原因。

（5）根据实验结果总结：

在原电池中金属铝作正极还是作负极受到哪些因素的影响？

【解析】　一般情况下，较活泼的金属作原电池的负极，根据实验1、2的结果，自然得出实验1中Al作正极，实验2中Al作负极。

在NaOH溶液中，Al能与其发生氧化还原反应而Mg不能，故Al作负极。

在浓硝酸中由于Al发生钝化，Zn作负极。

【答案】　

（1）不同，实验1中Al作正极，实验2中Al作负极；

（2）Al为负极：

Al－3e－===Al3＋，石墨为正极：

2H＋＋2e－===H2↑，2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑；

（3）Al作负极，因为Al能与NaOH溶液反应而Mg不能，Al＋4OH－－3e－===AlO

＋2H2O；

（4）实验5中由于Al在浓硝酸中发生钝化，所以Zn为负极；

（5）与另一电极材料的活泼性、电解质溶液的酸碱性以及电解质溶液的氧化性强弱等因素有关。

第4步运用——精选习题，落实强化

1．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

【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。

【答案】　C

2．在如图所示的装置中，a的金属活动性比氢要强，b为碳棒，关于此装置的各种叙述不正确的是（　　）

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

【解析】　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为原电池的负极，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）

由于正极放电消耗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A流向b极。

【答案】　B

3．在如图所示装置中，观察到电流计指针偏转，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（　　）

M

N

P

A

锌

铜

稀硫酸溶液

B

铜

铁

稀盐酸

C

银

锌

硝酸银溶液

D

锌

铁

硝酸铁溶液

【解析】　本题通过电极变化来确定原电池的正负电极，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，由M棒变粗，可知B不正确。

【答案】　C

4．

（1）下列装置属于原电池的是________。

（2）在选出的原电池中，________是负极，发生______反应，________是正极，该极的现象是____________________________。

（3）此原电池反应的化学方程式为_______________________________________________________。

【解析】　

（1）构成原电池的条件：

两个活泼性不同的电极；电解质溶液；形成闭合回路；自发进行的氧化还原反应。

根据此条件知，⑤属于原电池。

（2）（3）在⑤中，Fe为负极，发生氧化反应，Cu为正极，发生还原反应，Cu表面有气泡冒出，反应实质为Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑。

【答案】　

（1）⑤

（2）Fe　氧化　Cu　Cu表面有气泡产生

（3）Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑

学生分组探究二　原电池原理的应用

第1步探究——问题引入，自主探究

1．若纯锌与粗锌（含Fe、C等）分别与同浓度的稀H2SO4反应制取H2，哪种方法产生H2的速率快？

【提示】　粗锌。

2．将金属a、b用导线相连插入稀H2SO4中，发现b上产生气泡，则a与b相比较，谁更活泼？

【提示】　a。

第2步阐述——要点归纳，深化知识

1．加快氧化还原反应的速率

例如：

在锌与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率加快。

2．比较金属活动性强弱

例如：

有两种金属a和b，用导线连接后插入到稀硫酸中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生。

根据电极现象判断出a是负极，b是正极，由原电池原理可知，金属活动性a>b。

3．用于金属的防护

如要保护一个铁闸，可用导线将其与一锌块相连，使锌作原电池的负极，铁闸作正极。

4．设计化学电池

例如：

以2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2为依据，设计一个原电池。

（1）将氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个半反应，分别作原电池的负极和正极。

电极反应式为：

负极：

Cu－2e－===Cu2＋

正极：

2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

（2）确定电极材料

若发生氧化反应的物质为金属单质，可用该金属直接作负极[若为气体（如H2）或溶液中的还原性离子，可用惰性电极（如Pt、碳棒）作负极]。

正极的电极材料必须不如负极材料活泼。

（3）确定电解质溶液

一般选用反应物中的电解质溶液即可。

如本例中可用FeCl3溶液作电解液。

（4）构成闭合回路。

第3步例证——典例印证，思维深化

　（2013·广东高考）原电池可将化学能转化为电能。

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（如图所示），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）以铜片为电极之一，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_______________________________。

【解析】　

（1）因为电子的流向是从左到右，所以可以这样设计原电池：

左侧烧杯内盛放FeSO4溶液，电极用铁片（或左侧烧杯内盛放ZnSO4溶液，电极用锌片），右侧烧杯内盛放CuSO4溶液，电极用铜片，即可实现反应Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu（或Zn＋CuSO4===Cu＋ZnSO4）。

（2）由所给的电极材料可知，当铜片作电极时，铜片一定是正极，则负极是活泼的金属（失电子，发生氧化反应），反应现象是电极逐渐溶解，表面有红色固体析出。

（3）以锌片和铜片作电极为例，如果不用盐桥，则除了发生原电池反应外还发生锌和铜离子的直接的置换反应，会使部分化学能以热能的形式转化掉，而盐桥的使用可以避免锌和铜离子的直接接触，从而避免了化学能转化为热能，提高电池效率。