新人教版高中化学选修四第四章电化学基础第一节原电池学案.docx
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新人教版高中化学选修四第四章电化学基础第一节原电池学案
第一节 原电池
学习目标
核心素养
1.以铜锌原电池为例,了解原电池的工作原理。
2.会正确判断原电池的正极和负极,能正确书写电极反应式和电池反应方程式。
3.能设计简单的原电池。
1.宏观辨识与微观探析:
从宏观和微观的角度理解电子的移动、阴阳离子的移动、氧化反应及还原反应的发生、电流的形成过程和原理。
2.变化观念与平衡思想:
进一步深化对化学能与电能相互转化的认识,了解从简单原电池发展到带有盐桥原电池的过程变化,理解带有盐桥原电池的实用性。
一、原电池及其工作原理
1.原电池
(1)概念:
将化学能转化为电能的装置。
(2)实质:
利用能自发进行的氧化还原反应将化学能转化为电能。
2.原电池工作原理(以锌铜原电池为例)
3.原电池形成条件
(1)两个活泼性不同的电极
较活泼金属作负极,较不活泼金属或非金属作正极。
(2)电解质溶液
两电极必须浸在电解质溶液中。
(3)形成闭合回路
用导线(或盐桥)分别连通外电路、内电路。
(4)自发氧化还原反应
实质性非物质形式条件。
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、负离子作定向运动。
(3)闭合电路
探究点一 原电池的构成条件和工作原理
1.原电池的构成条件
(1)具有不同的电极,较活泼的金属作负极,失去电子,发生氧化反应;较不活泼金属或非金属(石墨等)作正极,得到电子,发生还原反应,此电极本身不变。
(2)具有电解质溶液。
(3)具有导线相连(或直接接触)组成的闭合回路。
(4)有能自发进行的氧化还原反应(有明显电流产生时需具备此条件)。
a.不要形成“活泼金属一定作负极”的思维定式,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溶液的反应能自发进行,所以Al作负极:
Al-3e-+4OH-===AlO
+2H2O,Mg作正极:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-。
b.原电池中,电极材料可能与电解质反应,也可能与电解质不反应。
如下图:
c.形成闭合回路的方式有多种,可以是导线连接两个电极,也可以是两电极直接接触。
如下图:
d.有的原电池产生的电流大,可以对外做功;有的原电池,电极上发生的反应很慢,产生的电流极其微弱,不能对外做功(如电极是Fe、C,电解质溶液是NaCl溶液)。
2.半电池、盐桥、内电路、外电路
(1)半电池
原电池由两个半电池组成。
原电池把一个能自发进行的氧化还原反应分在两个不同的区域进行,正极区进行还原反应,负极区进行氧化反应,通过导线转移电子。
(2)盐桥
①盐桥中的盐溶液是电解质溶液,能使两个烧杯中的溶液连成一个通路。
②当有盐桥存在时,随着反应的进行,溶液保持电中性,让氧化还原反应得以持续进行,从而使原电池不断地产生电流。
③盐桥的制作方法。
方法1:
取1g琼脂置于烧杯中,加入100mL饱和KCl溶液,加热,使琼脂变成糊状,趁热加入U形管中,待冷却后即可充当盐桥。
方法2:
将KCl饱和溶液装入U形管中,用棉花堵住管口即可。
(3)内电路、外电路
①在原电池中,用还原性较强的物质作为负极,负极向外电路提供电子;用氧化性较强的物质作为正极,正极从外电路得到电子。
②在原电池的内部,两极浸在电解质溶液中,并通过阴、阳离子的定向移动而形成内电路。
3.原电池的工作原理
原电池是一个闭合的电路,其中的电荷流动,从电路的构成方面来说,有外电路上电荷的流动和内电路上电荷的流动;从电荷的类型方面来说,有电子的流动和阴、阳离子的流动,其中的具体情况见下图。
注意:
电子在导线中流动而不能在溶液中通过,自由离子在溶液中迁移而不能在导线中通过。
原电池中通过离子的迁移和电子的流动而形成闭合回路,从而将化学能转化为电能。
如果取出盐桥,则不产生电流。
盐桥是装有含琼胶的饱和KCl溶液的U形管,原电池工作时,K+、Cl-的移动方向是怎样的?
提示:
原电池工作时,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,故K+向正极区移动,Cl-向负极区移动。
【例1】 锌铜原电池装置如图所示,其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过,下列有关叙述正确的是( )
A.铜电极上发生氧化反应
B.原电池工作一段时间后,甲池的c(SO
)减小
C.原电池工作一段时间后,乙池溶液的总质量增加
D.阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动,保持溶液中电荷平衡
【解析】 由锌铜原电池原理可知,锌电极为负极,失电子,发生氧化反应,铜电极为正极,得电子,发生还原反应,A项错误;阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过,两池中c(SO
)不变,B项错误;电解过程中Zn2+由甲池通过阳离子交换膜进入乙池,乙池中Cu2++2e-===Cu,其溶液中的离子转换为Cu2+→Zn2+,摩尔质量M(Cu2+) 【答案】 C 下列装置中,电流表指针能发生偏转的是( D ) 解析: A项中锌电极和乙烧杯中的电解质溶液不能发生氧化还原反应,不能构成原电池,A错误。 B项中冰醋酸不导电,不构成原电池,B错误。 C项中装置符合构成原电池的条件,但两极直接接触,相当于短路,因此电路中无电流,C错误。 根据原电池构成条件判断,D装置能构成原电池,D正确。 探究点二 1.原电池正负极的判断 (1)由组成原电池的两极材料判断 较活泼的金属为负极,较不活泼的金属或能导电的非金属为正极。 (2)根据电流方向或电子流向判断 外电路中,电流由正极流向负极,电子由负极流向正极。 (3)根据原电池电解质溶液中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)根据原电池中两极发生的反应判断 原电池中,负极总是发生氧化反应,正极总是发生还原反应。 若给出一个总方程式,则可根据化合价升降来判断。 (5)根据电极质量的变化判断 原电池工作后,某一电极质量增加,说明溶液中的阳离子在该电极上放电,该极为正极;反之,如果某一电极质量减轻,则该电极溶解,为负极。 (6)根据电极上有气泡产生判断 原电池工作后,如果某一电极上有气体产生,通常是因为该电极发生了析出H2的反应,说明该电极为正极。 (7)根据某电极(X)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,X极附近的pH增大了,说明X极为正极。 特别提醒: 原电池的电极类型不仅跟电极材料有关,还与电解质溶液的性质有关。 如镁—铝电极在稀硫酸中构成原电池,镁为负极,铝为正极,但若以氢氧化钠为电解质溶液,则铝为负极,镁为正极。 2.原电池电极反应式的书写 (1)题目给定原电池的装置图,未给总反应式: ①首先找出原电池的正、负极,即分别找出氧化剂和还原剂。 ②结合介质判断出还原产物和氧化产物。 ③写出电极反应式(注意两极得失电子数相等),将两极反应式相加可得总反应式。 (2)题目中给出原电池的总反应式: ①分析原电池总反应式中各元素的化合价变化情况,找出氧化剂及其对应的还原产物,氧化剂发生的反应即为正极反应;找出还原剂及其对应的氧化产物,还原剂参加的反应即为负极反应。 ②当氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物由多种元素组成时,还应注意介质的反应。 ③若有一电极反应较难写出,可先写出较易写出的电极反应,然后再利用总反应式减去该电极反应即得到另一电极反应。 名师释疑: 在书写电极反应式时应当注意哪些方面? ①两极得失电子数目相等; ②电极反应式常用“===”不用“―→”表示; ③电极反应式中若有气体生成,需加“↑”;而弱电解质或难溶物均以分子式表示,其余以离子符号表示; ④写电极反应式时要保证电荷守恒、元素守恒,可在电极反应式一端根据需要添加H+或OH-或H2O; ⑤两电极反应、电池总反应的三个方程式,若已知其中两个,可由方程式的加减得到第三个。 1.在原电池的电极材料的选择上有哪些注意事项? 提示: (1)若两个电极材料本身都能与电解质溶液反应,则两极活动性中须有差异; (2)若电极材料本身都不参加电极反应,则一极储存还原剂,一极储存氧化剂;(3)若只有一个电极材料本身与电解质溶液反应,则另一个电极一般是碳棒等导电材料。 2.在原电池中,负极的金属性一定比正极的金属性强吗? 提示: 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-。 3.在原电池中,电极材料一定与电解质溶液反应吗? 提示: 不一定。 在原电池中,电极材料可能与电解质溶液反应,也可能与电解质溶液不反应。 如图所示: 【例2】 分析如图所示的四个原电池装置,其中结论正确的是( ) A.①②中Mg作为负极,③④中Fe作为负极 B.②中Mg作为正极,电极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑ C.③中Fe作为负极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+ D.④中Cu作为正极,电极反应式为2H++2e-===H2↑ 【思路分析】 判断原电池的两极是解题的关键,同时注意特殊电解质溶液的存在会使电池的两极发生改变。 【解析】 Mg比Al活泼,在①中Mg作负极,但在NaOH溶液中,Mg与NaOH溶液不反应,而Al可以反应,故②中Al是负极。 ③在浓HNO3中铁会钝化,故Cu为负极,Fe为正极。 在④中由于不断向Cu极附近通入空气,而O2比溶液中的H+得电子能力强,故Cu极发生的电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-。 【答案】 B 如图所示装置,电流表A发生偏转,同时A极逐渐变粗,B极逐渐变细,C为电解质溶液,则A、B、C应是下列各组中的( D ) A.A是Zn,B是Cu,C为稀H2SO4 B.A是Cu,B是Zn,C为稀H2SO4 C.A是Fe,B是Ag,C为稀AgNO3溶液 D.A是Ag,B是Fe,C为稀AgNO3溶液 解析: A极逐渐变粗,说明A为原电池的正极,溶液中的金属阳离子得到电子后在A极上析出;B极变细,说明B为原电池的负极,失去电子后变成离子进入了溶液中。 A和B两项反应为Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑,则A选项中A极变细,B选项中A极不变;C和D两项反应为Fe+2AgNO3===2Ag+Fe(NO3)2,其中C选项中A极变细,D选项中A极变粗,答案为D项。 探究点三 原电池原理的应用 1.比较金属的活动性强弱 (1)原理: 一般原电池中活动性较强的金属作负极,活动性较弱的金属作正极。 (2)应用: A、B两种金属用导线连接后插入稀H2SO4中,若A极溶解,B极上有气泡冒出,则金属活动性: A>B。 2.加快化学反应的进行 (1)原理: 在原电池中,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。 (2)应用: 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。 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。 (1)基本方法: 以氧化还原反应为基础,确定原电池的正负极、电解质溶液及电极反应,其方法是: 还原剂作负极,比负极不活泼的金属或非金属导体作正极,氧化剂的溶液作电解质溶液。 (2)电解质溶液的选择: 电解质是使负极放电的物质。 因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应,或者电解质溶液中溶解的其他物质与负极发生反应(如空气中的氧气)。 但如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥),则左、右两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子的盐溶液。 (3)电极材料的选择: 电池的电极必须导电,电池中的负极必须能够与电解质溶液反应,容易失去电子,因此负极一般是活泼的金属材料。 正极和负极之间只有产生电势差,电子才能定向移动,所以正极和负极不用同一种材料。 一般情况下,两个电极的构成分为下列四种情况: ①活动性不同的两种金属。 例如,锌铜原电池中,锌作电池的负极,铜作电池的正极。 ②金属和非金属。 例如,锌锰干电池中,锌片作电池的负极,石墨棒作电池的正极。 ③金属和化合物。 例如,铅蓄电池中,铅作电池的负极,二氧化铅作电池的正极。 ④惰性电极。 例如,氢氧燃料电池中,两个电极均可用Pt。 (4)形成闭合回路。 以Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑为例设计原电池的思路如下: 1.把A、B两块金属插入稀硫酸中,用导线相连可以组成原电池,结果A极减轻,则A、B两种金属哪种更活泼? 提示: A极减轻,说明A失去电子溶解,故A金属更活泼。 2.将反应Zn+Fe2+===Zn2++Fe设计成原电池,则该电池的电解质可能是什么? 提示: 该电池的电解质可能是FeSO4、FeCl2或Fe(NO3)2。 【例3】 铁及铁的化合物应用广泛,如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。 (1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式: ________________________________________。 (2)若将 (1)中的反应设计成原电池,请在方框内画出原电池的装置图,并写出电极反应式。 正极反应: ________________________________________; 负极反应: ___________________________________________。 【思路分析】 首先根据题给离子方程式确定原电池的正负极,由此写出两个半电池的电极反应,然后根据电极反应确定电解质溶液。 【解析】 首先分析Fe3+与Cu的反应中的氧化剂、还原剂,然后依据原电池原理,再设计成原电池。 依据反应: 2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+,Cu失电子,应为原电池的负极,正极材料选用不如铜活泼的碳棒或铂丝均可,电解质溶液选用FeCl3溶液。 【答案】 (1)2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+ (2)装置如下图 或 2Fe3++2e-===2Fe2+ Cu-2e-===Cu2+ 依据氧化还原反应Zn(s)+Cu2+(aq)===Zn2+(aq)+Cu(s)设计的原电池装置如图所示。 请回答下列问题: (1)X电极的电极材料是Zn;电解质溶液Y是CuCl2溶液(合理即可)。 (2)铜电极为电池的正极,发生的电极反应为Cu2++2e-===Cu,X电极上发生的电极反应为Zn-2e-===Zn2+。 (3)外电路中的电子是从Zn(填写电极材料,下同)极流向Cu极。 (4)盐桥中的Cl-向Zn极移动;若将盐桥撤掉,则电流计的指针将不偏转。 解析: 在该原电池装置中Zn作负极,Cu作正极。 盐桥中的Cl-向Zn极移动,阳离子(K+)向正极移动。 1.下列说法正确的是( C ) A.构成原电池正极和负极的材料必须是金属 B.在原电池中,电子流出的一极是负极,该电极被还原 C.实验室欲快速制取氢气,可利用粗锌与稀硫酸反应 D.原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能 解析: 原电池也可以用石墨作电极,A错误。 电子流出的一极是负极,负极发生氧化反应,B错误。 粗锌中的杂质与锌及稀硫酸构成原电池,加快锌与稀硫酸的反应,C正确。 原电池将化学能转化为电能,转化效率较高,但不能全部转化为电能,原电池工作时发热就是一部分能量转化为热能,D错误。 2.将等质量的两份锌粉装入A、B两试管中,分别加入过量的稀硫酸,并向A试管中加入少量CuSO4溶液。 下列图像表示产生H2的体积V(相同状况下)与时间t的关系,其中正确的是( D ) 解析: A试管中加入少量CuSO4溶液,发生反应Zn+CuSO4===Cu+ZnSO4,则Cu、Zn、稀硫酸构成原电池,加快产生H2的速率,但由于A试管中有少量Zn与CuSO4发生反应生成Cu,故A试管中参加反应生成H2的Zn比B试管中少,则A试管中产生H2的体积比B试管中小。 3.将纯锌片和纯铜片按下图所示方式插入相同浓度的稀硫酸中,一段时间后,下列叙述正确的是( C ) 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.甲中产生气泡的反应速率比乙中的慢 解析: 甲中形成了原电池,氢气在铜极放出,而乙不能形成闭合回路,不能产生电流,铜片不是负极,A、B项错误;甲中产生气泡的反应速率比乙中的快,因为甲中锌失去的电子流向铜,铜周围生成氢气,乙中只是锌参加反应,反应过程中会使锌片周围产生大量的ZnSO4,H+浓度下降,从而使反应速率减小,D项错误。 4.实验发现,298K时,在FeCl3酸性溶液中加入少量锌粒后,Fe3+立即被还原成Fe2+。 某化学兴趣小组根据该实验事实设计了如图所示的原电池装置。 下列有关说法中正确的是( B ) A.该原电池的正极反应: Zn-2e-===Zn2+ B.左边烧杯中溶液的红色逐渐褪去 C.该电池铂电极上有气泡生成 D.该电池总反应: 3Zn+2Fe3+===2Fe+3Zn2+ 解析: Zn失去电子,发生氧化反应,Zn为负极,A项错误;Fe3+被还原为Fe2+,溶液红色逐渐褪去,B项正确;铂电极作正极,无气泡生成,C项错误;该电池总反应: Zn+2Fe3+===2Fe2++Zn2+,D项错误。 5.如图所示的原电池装置,X、Y为两电极,电解质溶液为稀硫酸,外电路中的电子流向如图所示,对此装置的下列说法正确的是( C ) A.外电路的电流方向为X→外电路→Y B.若两电极分别为Zn和碳棒,则X为碳棒,Y为Zn C.若两电极都是金属,则它们的活动性为X>Y D.X极上发生的是还原反应,Y极上发生的是氧化反应 解析: 由图可知,电子的流动方向是X→外电路→Y,则电流的方向就为Y→外电路→X;X为原电池的负极,Y为正极,X的活动性比Y的强;X极应发生氧化反应,Y极应发生还原反应。 所以A、B、D错误,C正确。 6.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( D ) 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 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+,A项错误;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+,B项错误;由于最终Fe有剩余,所以不会生成Fe(NO3)3,C项错误;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,D项正确。 7.如下图所示的八个装置中,属于原电池的是( B ) A.全部B.④⑥⑦ C.③④⑤⑥⑦⑧D.除①②③外 解析: 构成原电池的基本条件: 电解质溶液;两个电极,其中一个相对较活泼,另一个相对较不活泼,两个电极直接或间接地连接在一起,并插入电解质溶液中;能自发地发生氧化还原反应;形成闭合回路。 构成原电池的基本条件是相互联系的。 在这几个基本条件中,氧化还原反应是核心。 构成原电池的基本条件不仅是判断原电池的依据,也是进行原电池设计的基本依据。 故选B。 8.由A、B、C、D四种金属按下表中装置图进行实验。 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A-2e-===A2+。 (2)装置乙中正极的电极反应式是Cu2++2e-===Cu。 (3)装置丙中溶液的pH变大(填“变大”“变小”或“不变”)。 (4)四种金属活动性由强到弱的顺序是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上有气体即H2产生,则A为正极,活动性D>A,随着H+的消耗,pH变大。
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