化學(xué)人教版（2023）選擇性必修第一冊(cè) 4.1.2原電池的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 課件(共34張PPT)

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第四章化學(xué)反應(yīng)與電能

第一節(jié)原電池

第2課時(shí)原電池的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

二、原電池的設(shè)計(jì)

從理論上講,能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)均可以設(shè)計(jì)成原電池,實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

1.外電路

負(fù)極(還原性較強(qiáng)的物質(zhì))正極(氧化性較強(qiáng)的物質(zhì))。

2.內(nèi)電路

將兩電極浸入電解質(zhì)溶液中,陰、陽離子作定向運(yùn)動(dòng)。

3.閉合回路

負(fù)極

正極

4.電極材料的選擇

電池的電極必須導(dǎo)電。負(fù)極一般是活潑的金屬材料,能夠與電解質(zhì)溶液反應(yīng)，容易失去電子。正極一般選用活潑性比負(fù)極差的金屬材料或石墨等惰性電極。

①活潑性不同的兩種金屬。如鋅銅原電池，鋅作負(fù)極，銅作正極

②金屬和非金屬。如鋅錳干電池，鋅作負(fù)極，石墨棒作正極

③金屬和化合物。如鉛蓄電池，鉛版作負(fù)極，PbO2作正極

④惰性電極。如氫氧燃料電池中，兩根電極均可用Pt

5.電解質(zhì)溶液的選擇

電解質(zhì)溶液是為正極提供放電的物質(zhì)，因此電解質(zhì)溶液一般要能夠與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)。若是兩個(gè)半反應(yīng)分別在兩個(gè)燒杯中進(jìn)行，則左右兩個(gè)燒杯中的電解質(zhì)溶液應(yīng)與電極材料具有相同的陽離子。

例如：在鋅、銅和稀硫酸構(gòu)成的原電池中，鋅極應(yīng)置于ZnSO4、ZnCl2、Zn(NO3)2等溶液中；正極材料置于稀硫酸中，稀硫酸還可以換成鹽酸。

再如：在鋅、銅和硫酸銅構(gòu)成的原電池中，鋅極應(yīng)置于ZnSO4、ZnCl2、Zn(NO3)2等溶液中；正極材料置于硫酸銅溶液中。

設(shè)計(jì)步驟

1、先將已知能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)拆分為兩個(gè)半反應(yīng)

2、根據(jù)原電池的電極反應(yīng)特點(diǎn)，結(jié)合兩個(gè)半反應(yīng)，找出正負(fù)極材料及電解質(zhì)溶液

3、組成閉合回路

原電池的設(shè)計(jì)思路——“兩極一液一連線”

4、按要求畫出原電池裝置圖

設(shè)計(jì)鹽橋原電池的思路：

Zn+2Ag+=Zn2++2Ag

還原劑和氧化產(chǎn)物為負(fù)極的半電池

氧化劑和還原產(chǎn)物為正極的半電池

根據(jù)電極反應(yīng)確定合適的電極材料和電解質(zhì)溶液

外電路用導(dǎo)線連通，可以接用電器

內(nèi)電路是將電極浸入電解質(zhì)溶液中，并通過鹽橋溝通內(nèi)電路

畫出裝置示意圖

Fe–2e-=Fe2+

Cu2++2e-=Cu

例題：請(qǐng)結(jié)合組成原電池的條件:Fe+Cu2+=Cu+Fe2+的反應(yīng)原理，設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定電流的原電池裝置，并寫出兩個(gè)電極上的電極反應(yīng)。

正極：

負(fù)極：

練習(xí)1：依據(jù)氧化還原反應(yīng)：2Ag++Cu=Cu2++2Ag

設(shè)計(jì)的原電池如右圖所示。

請(qǐng)回答下列問題：

（1）電極X的材料是___；電解質(zhì)溶液Y是；

（2）銀電極為電池的__極，電極反應(yīng)為_________；

X電極上發(fā)生的電極反應(yīng)為；

（3）外電路中的電子是從_____電極流向______電極。

鹽橋

X

Y溶液

A

CuSO4溶液

電流計(jì)

Ag

銅

AgNO3溶液

正

Cu-2e-=Cu2+

2Ag++2e-=2Ag

Cu

Ag

練習(xí)2：一個(gè)完整的氧化還原反應(yīng)可以拆分，寫成兩個(gè)“半反應(yīng)”式，一個(gè)是“氧化反應(yīng)”式，一個(gè)是“還原反應(yīng)”式。如氧化還原反應(yīng)：2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2，

（1）可以寫成：氧化反應(yīng)：_____________

還原反應(yīng)：_____________

（2）請(qǐng)將此反應(yīng)設(shè)計(jì)成帶鹽橋的原電池，

畫出裝置圖

鹽橋

Cu

FeCl3溶液

A

CuCl2溶液

電流計(jì)

C

Cu－2e－＝Cu2+

2Fe3++2e－＝2Fe2+

練習(xí)3：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（）

C

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(SO42-)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

設(shè)計(jì)原電池的步驟

首先確定反應(yīng)必須是能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。

正負(fù)極材料的選擇：根據(jù)氧化還原反應(yīng)關(guān)系找出正、負(fù)極材料，若反應(yīng)中有金屬單質(zhì)，一般選擇活潑性較強(qiáng)的金屬作為負(fù)極，活潑性較弱的金屬或可到店的非金屬（如石墨等）作為正極；若反應(yīng)中沒有金屬單質(zhì)，一般用石墨作電極

電解質(zhì)溶液的選擇：電解質(zhì)溶液一般要能夠與負(fù)極反應(yīng)，或者電解質(zhì)溶液中溶解的其他物質(zhì)能與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)（如溶解于溶液中的空氣）。但如果氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩個(gè)容器中進(jìn)行（中間連接鹽橋），則兩個(gè)容器中的電解質(zhì)溶液選擇與電解材料相同的陽離子。

注：若負(fù)極材料為參與電極反應(yīng)，參與反應(yīng)的是兩種電解質(zhì)，則兩種電解質(zhì)溶液分別置于兩個(gè)容器中，一般用石墨做電解，中間用鹽橋連接。

1．形成原電池，可以加快氧化還原反應(yīng)的速率

三、原電池工作原理的應(yīng)用

如：如實(shí)驗(yàn)室用Zn和稀硫酸反應(yīng)制H2,常用粗鋅,它產(chǎn)生H2的速率大。原因是粗鋅中的雜質(zhì)和鋅、稀硫酸形成原電池,增大了鋅與稀硫酸的反應(yīng)速率,使產(chǎn)生H2的速率增大。

下列制氫氣的反應(yīng)速率最快的是（）

C.粗鋅和1mol/L鹽酸；

A.純鋅和1mol/L硫酸；

B.純鋅和18mol/L硫酸；

D.粗鋅和1mol/L硫酸的反應(yīng)中加入幾滴CuSO4溶液。

D

2．比較金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱

例題：下列敘述中，可以說明金屬甲比乙活潑性強(qiáng)的是（）

C.將甲乙作電極組成原電池時(shí)甲是負(fù)極；

A.甲和乙用導(dǎo)線連接插入稀鹽酸溶液中，乙溶解，甲上有H2氣放出；

B.在氧化–還原反應(yīng)中，甲比乙失去的電子多；

D.同價(jià)態(tài)的陽離子，甲比乙的氧化性強(qiáng)。

C

練習(xí)1：把a(bǔ)、b、c、d四塊金屬片浸入稀硫酸中，用導(dǎo)線兩兩相連組成原電池。若a、b相連時(shí)，a為負(fù)極，c、d相連時(shí)，電流由d到c；a、c相連時(shí)c極上產(chǎn)生大量氣泡，b、d相連時(shí)，b上有大量氣泡產(chǎn)生，則四種金屬的活動(dòng)性順序由強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋ǎ?/p>

A．a(chǎn)＞b＞c＞dB．a(chǎn)＞c＞d＞b

C．c＞a＞b＞dD．b＞d＞c＞a

B

練習(xí)2.X、Y、Z、W四種金屬片進(jìn)入稀鹽酸中,用導(dǎo)線連接,可以組成原電池,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示:

則四種金屬的活潑性由強(qiáng)到弱的順序?yàn)?/p>

________________

Z>Y>X>W

3、設(shè)計(jì)化學(xué)電源

尋求和制造干電池和蓄電池等化學(xué)能源

4、保護(hù)金屬設(shè)備：被保護(hù)金屬作正極

將金屬作為原電池的正極而受到保護(hù)。如在鐵器表面鍍鋅。

利用原電池原理設(shè)計(jì)新型化學(xué)電池

5.解釋某些化學(xué)現(xiàn)象

例題：在Cu-Zn原電池中，200mLH2SO4溶液的濃度為0.125mol/L,若工作一段時(shí)間后，從裝置中共收集到0.168L升氣體，則流過導(dǎo)線的電子為mol,溶液的pH值變_________？（溶液體積變化忽略不計(jì)）

0.2

解得：

y＝0.015(mol)

x＝0.015(mol)

＝

＝3.75×10﹣4(mol/L)

∴pH＝-lg3.75×10－4

＝4-lg3.75

答：……

－0.015

根據(jù)電極反應(yīng)：

正極：

負(fù)極：

Zn－2e-＝Zn2+

2H++2e-＝H2↑

得：

2222.4

xy0.168

解：

0.2×0.125×2

c(H+)余

∴

2H+——2e——H2↑

大

0.015

(1)原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。()

(2)原電池正極發(fā)生氧化反應(yīng),負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)。()

(3)不能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng),通過原電池裝置可以實(shí)現(xiàn)。()

(4)石墨棒不能用來作原電池的電極。()

(5)反應(yīng)Cu+2Ag+=2Ag+Cu2+能以原電池的形式來實(shí)現(xiàn)。()

(6)NaOH+HCl=NaCl+H2O可自發(fā)進(jìn)行,可設(shè)計(jì)成原電池。()

(7)Zn-Cu-稀硫酸原電池中,正極“半電池”可為Cu-稀硫酸,負(fù)極“半電池”可為Zn-ZnSO4溶液。()

(8)CaO＋H2O===Ca(OH)2是放熱反應(yīng)，可設(shè)計(jì)成原電池。()

1．判斷正誤(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)

√

√

√

×

×

×

×

×

A

B

C

D

E

F

M

N

2.下列哪幾個(gè)裝置能形成原電池？

O

V

X

V

V

X

X

X

X

V

3.判斷能構(gòu)成原電池？不能理由？能，指出正負(fù)極名稱，寫出電極反應(yīng)式和電池總反應(yīng)

①

②

③

(×)

(×)

(∨)

2H++2e-＝H2↑

負(fù)極：

總反應(yīng)：

正極：

Zn－2e-＝Zn2+

Zn+2H+＝Zn2++H2↑

⑤

④

(∨)

(∨)

負(fù)極：

正極：

總反應(yīng)：

正極：

負(fù)極：

總反應(yīng)：

Zn－2e-＝Zn2+

2H++2e-＝H2↑

Zn+2H+＝Zn2++H2↑

Fe－2e-＝Fe2+

Cu2++2e-＝Cu

Fe+Cu2+＝Fe2++Cu

Fe+CuSO4＝Cu+FeSO4

⑦

⑥

(×)

(∨)

負(fù)極：

正極：

總反應(yīng)：

Zn－2e-＝Zn2+

Cu2++2e-＝Cu

Zn+Cu2+＝Zn2++Cu

或Zn+CuSO4＝ZnSO4+Cu

⑧

⑨

(×)

(∨)

負(fù)極：

正極：

總反應(yīng)：

Fe－2e-＝Fe2+

2H++2e-＝H2↑

Fe+2H+＝Fe2++H2↑

或Fe+H2SO4＝FeSO4+H2↑

4．關(guān)于下圖所示的原電池，下列說法正確的是()

A．電子從鋅電極通過電流表流向銅電極

B．鹽橋中的陰離子向硫酸銅溶液中遷移

C．鋅電極發(fā)生氧化反應(yīng)；銅電極發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)是2H＋＋2e－===H2↑

D．取出鹽橋后，電流表仍會(huì)偏轉(zhuǎn)，銅電極在反應(yīng)前后質(zhì)量不變

解析:鋅片作負(fù)極，銅片作正極，電子從負(fù)極流向正極，A選項(xiàng)正確；鹽橋中的陰離子向負(fù)極移動(dòng)，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，銅電極發(fā)生的反應(yīng)為Cu2＋＋2e－===Cu，C選項(xiàng)錯(cuò)誤；取出鹽橋后不能形成原電池，銅電極在反應(yīng)后質(zhì)量增加，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。

A

5．分析下圖所示的四個(gè)原電池裝置，其中結(jié)論正確的是()

①②③④

A．①②中Mg作負(fù)極，③④中Fe作負(fù)極

B．②中Mg作正極，電極反應(yīng)式為6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑

C．③中Fe作負(fù)極，電極反應(yīng)式為Fe－2e－===Fe2＋

D．④中Cu作正極，電極反應(yīng)式為2H＋＋2e－===H2↑

B

解析:②中Mg不與NaOH溶液反應(yīng)，而Al能和NaOH溶液反應(yīng)，失去電子，故Al作負(fù)極，③中Fe在濃硝酸中易鈍化，Cu和濃硝酸反應(yīng)失去電子，故Cu作負(fù)極，A、C項(xiàng)錯(cuò)誤；②中電池總反應(yīng)為2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO2－＋3H2↑，負(fù)極電極反應(yīng)式為2Al＋8OH－－6e－===2AlO2－＋4H2O，二者相減得到正極電極反應(yīng)式為6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑，B項(xiàng)正確；④中Cu作正極，電極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D項(xiàng)錯(cuò)誤。

B

6．為了避免鋅片與Cu2＋直接接觸發(fā)生反應(yīng)而影響原電池的放電效率，有人設(shè)計(jì)了如下裝置。

(3)電池工作時(shí)，硫酸鋅溶液中SO42－向________移動(dòng)，硫酸銅溶液中SO42－向________移動(dòng)。

(4)此鹽橋內(nèi)為飽和KCl溶液，鹽橋是通過________移動(dòng)來導(dǎo)電的。在工作時(shí)，K＋移向________。

按要求完成以下填空：

(1)此裝置工作時(shí)，可以觀察到的現(xiàn)象是___________________，

電池總反應(yīng)式為________________________________。

(2)以上電池中，鋅和鋅鹽溶液組成____________，銅和銅鹽溶液組成____________，中間通過鹽橋連接起來。

電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，鋅片逐漸溶解，銅片上有紅色物質(zhì)析出

Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

鋅半電池

銅半電池

鋅電極

鹽橋

離子

正極區(qū)(CuSO4溶液)

7．市場上出售的“熱敷袋”的主要成分為鐵屑、炭粉、木屑、少量氯化鈉和水等。“熱敷袋”啟用之前用塑料袋使其與空氣隔絕，啟用時(shí)，打開塑料袋輕輕揉搓就會(huì)放出熱量。使用完后，會(huì)發(fā)現(xiàn)有大量鐵銹存在。

“熱敷袋”是利用放出熱量。

2)炭粉的主要作用是。

3)加入氯化鈉的主要作用是。

4)木屑的作用是。

鐵被氧化

與鐵屑、氯化鈉溶液構(gòu)成原電池，加速鐵屑的氧化

氯化鈉溶于水、形成電解質(zhì)溶液

使用“熱敷袋”時(shí)受熱均勻

8．如圖所示（1）若燒杯中溶液為稀硫酸，則觀察到的現(xiàn)象。

兩極反應(yīng)式為：正極