2020高中化学 原电池（基础）知识讲解学案 新人教版选修4

2020高中化学 原电池（基础）知识讲解学案 新人教版选修4

原电池 ‎【学习目标】‎ ‎1、进一步了解原电池的工作原理；‎ ‎2、能够写出原电池的电极反应式和原电池的总反应方程式。 ‎ ‎【要点梳理】‎ 要点一、原电池 ‎ 1、概念：将化学能转化为电能的装置叫原电池。‎ ‎【高清课堂：原电池#原电池的组成条件】‎ ‎ 2、原电池的构成条件 ‎ ①两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属)，分别发生氧化和还原反应。‎ ‎ 负极：活泼性强，失去电子发生氧化反应。‎ ‎ 正极：活泼性弱，溶液中阳离子得到电子发生还原反应。‎ ‎ ②电解质溶液，电解质中阴离子向负极方向移动，阳离子向正极方向移动，阴阳离子定向移动形成内电路。‎ ‎ ③导线将两电极连接，形成闭合回路。‎ ‎ ④有能自发进行的氧化还原反应。‎ ‎ 要点诠释：a．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。如图：‎ ‎ ‎ ‎ b．形成闭合回路的方式有多种，可以是用导线连接两个电极，也可以是两电极直接接触。如图：‎ ‎ ‎ 要点二、原电池工作原理的实验探究 ‎【高清课堂：原电池#原电池的工作原理】‎ ‎ 1、实验设计 ‎ ①按照图示装置进行实验。请观察两个金属片插入溶液后电流表指针位置的变化、金属电极表面的变化以及溶液温度的变化，分析是否有电流产生。‎ ‎ ‎ ‎ ②按照下图组装实验装置，注意最后将盐桥插入两种电解质溶液中。请观察反应过程中电流表指针位置的变化，判断是否有电流产生，并观察电极表面以及溶液温度的变化情况。‎ 7‎ ‎ ‎ ‎ 要点诠释：盐桥的作用及优点 ‎ a．组成：将热的饱和KCl或NH4NO3琼胶溶液倒入U形管中(不能产生裂隙)，即可得到盐桥。将冷却后的U形管浸泡在KCl饱和溶液或NH4NO3饱和溶液中备用。‎ ‎ b．作用：使两个半电池中的溶液连成一个通路。‎ ‎ c．优点：使原电池中的氧化剂和还原剂近乎完全隔离，并在不同区域之间实现了电子的定向移动，使原电池能持续、稳定地产生电流。‎ ‎ 2、实验记录 电流产生情况 电极表面变化情况 温度变化情况 能量变化情况 ‎(Ⅰ)‎ 有电流产生 锌片质量减小，同时铜片上有红色物质析出，铜片质量增加 溶液温度升高 化学能转化为电能、热能 ‎(Ⅱ)‎ 有电流产生 锌片质量减小，铜片上有红色物质析出，铜片质量增加 溶液温度不变 化学能转化为电能 ‎ 3、实验分析 ‎ ①对于图甲装置 ‎ Zn片：Zn－2e－＝Zn2+‎ ‎ Cu片：Cu2++2e－＝Cu ‎ 同时在Zn片上，Zn可直接与CuSO4溶液反应，生成Cu与ZnSO4，因此该装置中既有化学能转化为电能，同时也有化学能转化为热能。‎ ‎ ‎ ‎ ②对于图乙所示原电池 ‎ 锌片：负极，Zn－2e－＝Zn2+(氧化反应)‎ ‎ 铜片：正极，Cu2++2e－＝Cu(还原反应)‎ ‎ 总化学方程式：Zn+Cu2+＝Cu+Zn2+‎ ‎ 4、实验原理分析：(如图所示)‎ ‎ ‎ 7‎ 要点三、原电池中电荷移动方向 ‎ 在原电池构成的闭合电路中，有电荷的流动；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，其中的具体情况见图。‎ ‎ ‎ 要点四、原电池的电极判断 ‎ ‎ ‎ 要点诠释：活泼金属在原电池中不一定作负极。‎ ‎ 如Mg—Al—NaOH溶液原电池，活泼性Mg＞Al，但此原电池中Al作负极，Mg作正极。负极反应：Al+4OH－－3e－＝ AlO2－+2H2O，正极反应：2H++2e－＝H2↑，总反应：2Al+2NaOH+2H2O＝2NaAlO2+3H2↑。判断一个原电池中的正负极，最根本的方法是：失e－的一极是负极；得e－的一极为正极。‎ 要点五、原电池电极反应式的书写 ‎ 1、题目给定图示装置 ‎ ‎ ‎ 2、题目给定总反应式 ‎ ①分析化合价，确定电极反应物与产物，按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应的原理，写出正负电极的反应物与产物。‎ ‎ ②在电极反应式的左边写出得失电子数，并使左右两边电荷守恒。‎ ‎ ③根据质量守恒定律配平电极反应式。‎ ‎ 3、几个注意点 ‎ ①负极材料若不与电解质溶液发生反应，则负极失电子，空气中的O2得电子发生还原反应。‎ ‎ ②电极反应式的书写必须遵守离子方程式的书写要求，如难溶物、难电离物、气体、单质、氧化物等均应写成化学式形式。‎ ‎ ③注意电解质溶液的成分对正负极反应产物的影响。如负极反应生成的阳离子若与电解质溶液的阴离子反应，则电解质溶液的阴离子应写入电极反应式，例如Fe与Cu在NaOH溶液中形成原电池，负极反应为Fe+2OH－－2e－＝Fe(OH)2。‎ 要点六、原电池原理在化学中的应用 ‎ 1、设计原电池 ‎ 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：‎ 7‎ ‎ 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。‎ ‎ 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作正极。‎ ‎ 设计思路：‎ 设计思路 实例 以自发的氧化还原反应为基础 ‎2FeCl3+Cu＝2FeCl2+CuCl2‎ 把氧化还原反应分为氧化反应和还原反应两个半反应，从而确定电极反应 氧化反应(负极)：Cu－2e－＝Cu2+；‎ 还原反应(正极)：2Fe3++2e－＝2Fe2+‎ 以两极反应原理为依据，确定电极材料及电解质溶液 负极材料：Cu；‎ 正极材料：石墨或铂或比Cu不活泼的其他金属；‎ 电解质溶液：FeCl3溶液 画出示意图 ‎【高清课堂：原电池#原电池的应用】‎ ‎ 2、原电池工作原理的其他应用 ‎①制造种类电池 ‎②金属的腐蚀与防护 ‎③判断金属的活泼性 ‎ ‎ ‎ ④加快反应的速率 ‎ 构成原电池时反应速率比直接接触的反应速率快。如实验室制取H2时，用粗锌与稀H2SO4反应比用纯锌时的速率快。‎ ‎【典型例题】‎ 类型一：原电池原理及简单应用 ‎ 例1 下图中能组成原电池产生电流的是 ( )‎ ‎ ‎ ‎ 【答案】B ‎【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项符合构成原电池的条件，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，且与Cu不能反应。‎ ‎ 例2 有关原电池的下列说法中正确的是 ( )‎ ‎ A．在外电路中电子由正极流向负极 ‎ B．在原电池中，只有金属锌作负极 7‎ ‎ C．原电池工作时，阳离子向正极方向移动 ‎ D．原电池工作时，阳离子向负极方向移动 ‎ 【答案】C ‎ 【解析】在原电池中，电子从负极流向正极，A错误；原电池中是活泼金属作负极，而不一定是锌；随着反应的进行，阳离子在正极被还原，所以电解质溶液中的阳离子向正极移动，而阴离子向负极移动。‎ 举一反三：‎ ‎【高清课堂：原电池#例3】‎ ‎ 【变式1】下列变化中属于原电池反应的是 ( )‎ ‎ A．在空气中金属铝表面迅速氧化成保护层 ‎ B．镀锌铁表面有划损时，仍然能阻止铁被氧化 ‎ C．红热的铁丝与冷水接触，表面形成蓝黑色的保护层 ‎ D．锌与稀硫酸反应时，加入少量的CuSO4溶液可使反应加快 ‎ 【答案】BD ‎ 例3 将纯锌片和纯铜片按图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)：Zn－2e－＝Zn2+，正极(Cu)：2H++2e－＝H2↑，形成的原电池能加快产生氢气的速率；图乙中，Zn直接与稀硫酸反应生成H2：Zn+2H+＝Zn2++H2↑，甲、乙两烧杯中H2SO4均被消耗，溶液的pH均增大。‎ ‎ 例4 如图所示的原电池装置中，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，则对此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Zn棒和碳棒，则X为碳棒，Y为Zn棒 ‎ 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 ‎ 【答案】C ‎ 【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。‎ 举一反三：‎ ‎ 【变式1】X、Y、Z、W四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中，组成原电池。X、Y相连时，X为负极；Z、W相连时，电流方向是W→Z；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡；W、Y相连时，W极发生氧化反应。据此判断四种金属的活泼性顺序是( )‎ ‎ A．X＞Z＞W＞Y B．Z＞X＞Y＞W C．W＞X＞Y＞Z D．Y＞W＞Z＞X ‎ 【答案】A ‎ 【解析】在原电池中，活泼金属作为电池的负极，失去电子，发生氧化反应；不活泼的金属作为电池的正极，得到电子，发生还原反应。电子由负极经导线流向正极，与电流的方向相反(物理学中规定正电荷移动的方向为电流的方向)。因此，X、Y相连时，X为负极，则活泼性X＞Y；Z、W相连时，电流方向是W→Z，则活泼性Z＞W；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡，则活泼性X＞Z；W、Y相连时，W极发生氧化反应，则活泼性W＞Y。综上所述，可以得出金属的活泼性顺序是X＞Z＞W＞Y。‎ 7‎ 类型二：原电池的设计 ‎【高清课堂：原电池#例1】‎ ‎ 例5 利用反应Zn+2Fe3+＝Zn2++2Fe2+设计一个原电池，在下边方框内画出实验装置图，并指出正极为________，电极反应式为________；负极为________，电极反应式为________。‎ ‎ 【答案】Pt 2Fe3++2e－＝2Fe2+ Zn Zn－2e－＝Zn2+ 实验装置图如下：‎ ‎ 或 ‎ 【解析】根据已知的氧化还原反应设计原电池的思路是，首先将已知的反应拆成两个半反应(即氧化反应和还原反应)：Zn－2e－＝Zn2+，2Fe3++2e－＝2Fe2+；然后再结合原电池的电极反应特点分析可知，该电池的负极应用Zn作材料，正极要保证Fe3+得到负极失去的电子，可选用Pt或碳棒等，电解质溶液只能选用含Fe3+的电解质溶液，如FeCl3溶液等。‎ 举一反三：‎ ‎ 【变式1】如图所示装置中，电流表A发生偏转，a极逐渐变粗，同时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( )‎ ‎ 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AgNO3溶液 ‎ D．a是Ag、b是Fe、c为AgNO3溶液 ‎ 【答案】D ‎ 【解析】原电池工作时，a极逐渐变粗，同时b极逐渐变细，说明b极失去电子是负极，a极上金属离子得电子是正极，电解质溶液中含有相同的金属离子。‎ 类型三：电极反应式、电池反应式的书写 ‎ 例6 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。‎ ‎ ‎ 7‎ ‎ 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，发生的电极反应为________；X电极上发生的电极反应为________；‎ ‎ (3)外电路中的电子是从________电极流向________电极。‎ ‎ 【答案】(1)Cu AgNO3溶液 (2)正 Ag++e－＝Ag Cu－2e－＝Cu2+ (3)X Ag ‎ 【解析】由氧化还原反应：2Ag+ (aq)+Cu (s)＝Cu2+ (aq)+2Ag (s)可知，可以选用Cu (s)—Ag (s)—AgNO3 (aq)构成简易的原电池，因此上图中电极X的材料是Cu，电解质溶液Y是AgNO3溶液，正极为Ag，正极上发生的反应为Ag++e－＝Ag，负极为Cu，负极上发生的反应为Cu－2e－＝Cu2+，在外电路电子由负极流向正极，即从X电极流向Ag电极。‎ 举一反三：‎ ‎ 【变式1】有人研究反应AsO43－+2I－+2H+＝AsO33－+I2+H2O时，认为该反应是可逆反应，为了验证该想法，他根据平衡移动原理设计出如图所示的实验装置(装置中盐桥的作用是使整个装置形成一个闭合回路)。‎ ‎ ‎ ‎ (1)请你参与探究：用实验证明他的观点。‎ ‎ ①假设该反应是可逆反应，反应的离子方程式为____________。‎ ‎ ②该实验中C1和C2两电极可以是同种材料吗？________。查阅有关资料得知Fe的还原性比I－和AsO33－都强，在Zn、Al、Pt、C棒几种材料中，可用于该实验的电极材料是________。‎ ‎ ③实验开始时，按图组装好实验装置，向A烧杯中加入适量2 mol/L KI溶液，向B烧杯中加入适量1 mol/L Na3AsO4溶液，再向B烧杯中逐滴加入浓盐酸，发生的现象是电流表________；A中________。此过程中，C1棒发生的反应为________。‎ ‎ (2)若要证明反应可逆向进行，在40％ NaOH溶液、4％ NaOH溶液、碘水、Na3AsO3溶液几种试剂中，必须向B烧杯中滴加________溶液。‎ ‎ ①证明该反应是可逆反应的事实是________。‎ ‎ ②(2)操作过程中，C2棒发生的反应为________。‎ ‎ 【答案】(1)①AsO43－+2I－+2H+AsO33－+I2+H2O ‎ ②可以 Pt或C棒 ③指针发生偏转 溶液由无色变为黄褐色 2I－－2e－＝I2‎ ‎ (2)40％ NaOH溶液 ①两次操作，指针偏转方向相反 ②AsO33－+H2O－2e－＝AsO43－+2H+‎ ‎ 【解析】正逆反应均构成原电池，由可逆反应知，①加入浓盐酸时，c (H+)增大，平衡正向进行(向右移动)，I－变成I2，C1电极反应为2I－－2e－＝I2，电子从C1流向C2，AsO43－得电子作正极。(2)加碱时反应逆向进行，AsO33－失去电子变成AsO43－，C2电极反应为AsO33－+H2O－2e－＝AsO43－+2H+，I2得电子作正极。酸性和碱性时的电流方向相反。‎ 7‎