化學(xué)新素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)人教選修四講義第4章第1節(jié)原電池

第一節(jié)原電池目標(biāo)與素養(yǎng)：1.以銅鋅原電池為例，了解原電池的工作原理。(宏觀辨識(shí)與變化觀念)2.會(huì)正確判斷原電池的正極和負(fù)極，能正確書寫電極反應(yīng)式和電池反應(yīng)方程式。(科學(xué)探究與模型認(rèn)知)3.了解原電池原理的應(yīng)用。(科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任)一、原電池工作原理1．概念：將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，稱為原電池，其反應(yīng)實(shí)質(zhì)是自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。2．鋅銅原電池工作原理裝置與現(xiàn)象鋅片逐漸溶解，銅片上有紅色物質(zhì)析出，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)電極名稱Zn電極—負(fù)極Cu電極—正極得失電子失電子得電子電子流向流出流入反應(yīng)類型氧化反應(yīng)還原反應(yīng)電極反應(yīng)式Zn－2e－=Zn2＋Cu2＋＋2e－=Cu總反應(yīng)式Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu3．鹽橋(1)成分：含有瓊膠的KCl飽和溶液。(2)離子移動(dòng)方向：Cl－移向負(fù)極區(qū)，K＋移向正極區(qū)。微點(diǎn)撥：鹽橋作用：①通過離子在鹽橋中的定向移動(dòng)，使兩個(gè)隔離的電解質(zhì)溶液連接起來，可使電流持續(xù)傳導(dǎo)。②將兩個(gè)半電池完全隔開，使副反應(yīng)減至最低程度，可以獲得單純的電極反應(yīng)，有利于最大程度地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。提高原電池效率。4．原電池的構(gòu)成條件二、原電池的設(shè)計(jì)1．原電池的組成：原電池是由兩個(gè)半電池組成，如鋅銅原電池是鋅半電池和銅半電池通過鹽橋連接。2．原電池設(shè)計(jì)關(guān)鍵(1)外電路負(fù)極(還原性較強(qiáng)的物質(zhì))eq\o(→,\s\up10(e－),\s\do10(導(dǎo)線))正極(較穩(wěn)定的金屬或能導(dǎo)電的非金屬)。(2)內(nèi)電路將兩極浸入電解質(zhì)溶液中，使陰、陽離子做定向移動(dòng)。陰離子移向負(fù)極，陽離子移向正極。1．判斷正誤(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)任何自發(fā)的放熱反應(yīng)均可設(shè)計(jì)原電池反應(yīng)。()(2)原電池反應(yīng)將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分在不同區(qū)域同時(shí)進(jìn)行。()(3)鹽橋中的陰離子移向正極區(qū)域，使正極區(qū)溶液呈電中性。()(4)Fe—CuSO4(aq)—Cu形成的原電池的負(fù)極反應(yīng)為Fe－3e－=Fe3＋。()[答案](1)×(2)√(3)×(4)×2．對于原電池的電極名稱，敘述錯(cuò)誤的是()A．發(fā)生氧化反應(yīng)的一極為負(fù)極B．正極為電子流入的一極C．比較不活潑的金屬為負(fù)極D．電流流出的一極為正極[答案]C3．有下列裝置ABCD其中是原電池的是____________________，兩極反應(yīng)式：負(fù)極__________________，正極：__________________。[答案]DZn－2e－=Zn2＋2H＋＋2e－=H2↑原電池的原理模型認(rèn)知：原電池正負(fù)極判定思路1．鋅銅原電池裝置如圖所示，其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過，下列有關(guān)敘述正確的是()A．銅電極上發(fā)生氧化反應(yīng)B．電池工作一段時(shí)間后，甲池的c(SOeq\o\al(2－,4))減小C．電池工作一段時(shí)間后，乙池溶液的總質(zhì)量增加D．陰陽離子分別通過交換膜向負(fù)極和正極移動(dòng)，保持溶液中電荷平衡C[A.Cu作正極，電極上發(fā)生還原反應(yīng)，錯(cuò)誤；B.電池工作過程中，SOeq\o\al(2－,4)不參加電極反應(yīng)，故甲池的c(SOeq\o\al(2－,4))基本不變，錯(cuò)誤；C.電池工作時(shí)，甲池反應(yīng)為Zn－2e－=Zn2＋，乙池反應(yīng)為Cu2＋＋2e－=Cu，甲池中Zn2＋會(huì)通過陽離子交換膜進(jìn)入乙池，以維持溶液中電荷平衡，由電極反應(yīng)式可知，乙池中每有64gCu析出，則進(jìn)入乙池的Zn2＋為65g，溶液總質(zhì)量略有增加，正確；D.由題干信息可知，陰離子不能通過陽離子交換膜，錯(cuò)誤。]2．控制適合的條件，將反應(yīng)2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I(xiàn)2設(shè)計(jì)成如圖所示的原電池。下列判斷不正確的是()A．反應(yīng)開始時(shí)，乙中石墨電極上發(fā)生氧化反應(yīng)B．反應(yīng)開始時(shí)，甲中石墨電極上Fe3＋被還原C．電流計(jì)讀數(shù)為零時(shí)，反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)D．電流計(jì)讀數(shù)為零后，在甲中溶入FeCl2固體，乙中的石墨電極為負(fù)極D[由題圖并結(jié)合原電池原理分析可知，F(xiàn)e3＋得電子變?yōu)镕e2＋被還原，I－失去電子變?yōu)镮2被氧化，所以A、B項(xiàng)正確；電流計(jì)讀數(shù)為零時(shí)，反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，C項(xiàng)正確；在甲中溶入FeCl2固體，對于2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I(xiàn)2，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，此時(shí)Fe2＋被氧化，I2被還原，故甲中的石墨電極為負(fù)極，乙中的石墨電極為正極，D錯(cuò)誤。]對于可逆反應(yīng)，當(dāng)改變條件，平衡移動(dòng)的方向不同時(shí)，電極的正負(fù)互換，電流方向相反。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，I＝0。原電池原理的應(yīng)用1．加快氧化還原反應(yīng)的速率如：在鋅與稀硫酸反應(yīng)時(shí)加入少量CuSO4溶液，能使產(chǎn)生H2的速率加快。2．比較金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱注意：對于“Mg—NaOH(aq)—Al”原電池負(fù)極為Al，對于“Cu—濃HNO3—Al(Fe)”原電池負(fù)極為Cu。3．設(shè)計(jì)原電池裝置：兩極材料、電解質(zhì)溶液的選擇、鹽橋等。模型認(rèn)知：設(shè)計(jì)原電池的思路(以Cu與AgNO3反應(yīng)為例)(1)明確兩極反應(yīng)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(正極：2Ag＋＋2e－=2Ag,負(fù)極：Cu－2e－=Cu2＋))(2)選擇電極材料eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(負(fù)極材料一般為負(fù)極失電子物質(zhì)，如Cu,正極材料一般為導(dǎo)電性材料且活潑性,較差，如C、Ag等))eq\a\vs4\al(?3?選擇電,解質(zhì)溶液)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(不含鹽橋：參與正極反應(yīng)的氧化劑，如AgNO3,含鹽橋：負(fù)極溶液一般含負(fù)極金屬離子，如Cu2＋,正極溶液為參與正極反應(yīng)的氧化劑，如AgNO3))(4)畫裝置圖：注明電極材料和溶液成分3．①②③④四種金屬片兩兩相連浸入稀硫酸中都可組成原電池。①②相連時(shí)，外電路電流從②流向①；①③相連時(shí)，③為正極；②④相連時(shí)，②上有氣泡逸出；③④相連時(shí)，③的質(zhì)量減少。據(jù)此判斷這四種金屬活動(dòng)性由大到小的順序是()A．①③②④ B．①③④②C．③④②① D．③①②④B[利用原電池的形成和工作原理解決問題。在外電路中，電流從正極流向負(fù)極，則①作原電池的負(fù)極，②作正極，故活動(dòng)性①>②；活動(dòng)性相對較差的金屬作原電池的正極，故金屬的活動(dòng)性①>③；有氣泡產(chǎn)生的電極發(fā)生的反應(yīng)為2H＋＋2e－=H2↑，為原電池的正極，故活動(dòng)性④>②；質(zhì)量減少的電極發(fā)生氧化反應(yīng)生成金屬離子而溶解，為負(fù)極，故活動(dòng)性③>④，由此可得金屬活動(dòng)性：①>③>④>②。]4．設(shè)計(jì)原電池Zn＋2Fe3＋=Zn2＋＋2Fe2＋，在方框中畫出能形成穩(wěn)定電流的半電池形式的裝置圖(標(biāo)出電極材料、電解質(zhì)溶液)負(fù)極：________，電極反應(yīng)：_____________________________；正極：________，電極反應(yīng)：______________________________。[解析]分析元素化合價(jià)的變化可知，Zn為負(fù)極，比Zn活潑性差的金屬或非金屬石墨等作正極，選擇與電極材料有相同離子的溶液作電解質(zhì)溶液。[答案]如圖ZnZn－2e－=Zn2＋Pt2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋1．下列裝置不能構(gòu)成原電池的是()ABCDC[酒精不是電解質(zhì)溶液，不導(dǎo)電。]2．如圖中兩電極上發(fā)生的電極反應(yīng)為a極：Cu2＋＋2e－=Cub極：Fe－2e－=Fe2＋下列說法中不正確的是()A．該裝置為原電池B．a(chǎn)極上發(fā)生還原反應(yīng)C．電子由b極流向a極D．該過程中能量的轉(zhuǎn)換一定是化學(xué)能全部轉(zhuǎn)化為電能D[此裝置也有一部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。]3．將純鋅片和純銅片按圖示方式插入同濃度的稀硫酸中一段時(shí)間，以下敘述正確的是()A．兩燒杯中銅片表面均無氣泡產(chǎn)生B．甲中銅片是正極，乙中銅片是負(fù)極C．兩燒杯中溶液的pH均增大D．產(chǎn)生氣泡的速率甲比乙慢C[甲裝置是銅鋅原電池，乙不能形成原電池裝置。所以乙燒杯中銅表面無氣泡生成，甲中銅表面有氣泡生成，A錯(cuò)；乙中Cu片不可能是負(fù)極，B錯(cuò)；甲、乙兩裝置發(fā)生的反應(yīng)均是Zn＋2H＋=H2↑＋Zn2＋，所以兩燒杯中溶液的pH均增大，C對；因甲是原電池裝置，所以甲燒杯中產(chǎn)生H2的速率快，D錯(cuò)。]4．如圖所示，甲和乙均是雙液原電池裝置。判斷下列說法不正確的是()甲乙A．甲中電池總反應(yīng)的離子方程式為Cd(s)＋Co2＋(aq)=Co(s)＋Cd2＋(aq)B．反應(yīng)2Ag(s)＋Cd2＋(aq)=Cd(s)＋2Ag＋(aq)能夠發(fā)生C．鹽橋的作用是形成閉合回路，并使兩邊溶液保持電中性D．乙電池中有1mol電子通過外電路時(shí)，正極有108gAg析出B[根據(jù)甲、乙裝置分析可知A項(xiàng)正確，且可推知Cd的活潑性強(qiáng)于Ag，故Ag不能置換出Cd，B項(xiàng)錯(cuò)誤。]5．已知某原電池的電極反應(yīng)是Fe－2e－=Fe2＋，Cu2＋＋2e－=Cu，據(jù)此設(shè)計(jì)該原電池，并回答問題。圖1圖2(1)若原電池裝置為圖1，①電極材料A是________，B是________(寫名稱)。②A電極觀察到的現(xiàn)象是______________________________________