2020-2021学年鲁科版化学选修4学案：1.3第1课时-原电池的工作原理-化学电源含解析

www.ks5u.com第3节化学能转化为电能——电池第1课时原电池的工作原理化学电源1．理解原电池的工作原理及其构成条件，了解常见的化学电源。2．能判断原电池的正负极，并正确书写电极反应式。(重点)3．能根据原电池原理设计简单的原电池。授课提示：对应学生用书第15页知识点一原电池的工作原理1．两种铜锌原电池装置的对比装置图相同点实验现象检流计指针偏转，锌片质量减小，铜片质量增加电子流向电子由锌片流向铜片能量转化将化学能转化为电能电极反应及反应类型正极：Cu2＋＋2e－===Cu　还原反应负极：Zn－2e－===Zn2＋　氧化还原总反应方程式Zn＋CuSO4===ZnSO4＋Cu反应区域氧化反应和还原反应在同一区域进行正负极通过盐桥联系在一起，氧化反应和还原反应在不同区域进行不同点回路外电路：电子由锌片经导线流向铜片内电路：溶液中自由移动离子的定向移动外电路：电子由锌片经导线流向铜片内电路：除溶液中离子定向移动外，盐桥起到沟通两个半电池的作用2.原电池的概念、构成条件(1)概念：将化学能转变为电能的装置。(2)构成条件①两个电极：活泼性不同的两种金属或一种金属与一种非金属导体。②电解质溶液。③形成闭合回路。[自我诊断]　(1)原电池中外电路电子流动的方向是正极流向负极，溶液中阳离子向正极移动。(×)(2)铜锌原电池中，若将铜片抽走，则不会发生反应。(×)(3)铜、锌、稀硫酸构成的原电池，铜片是阳极，锌片上有气泡产生。(×)(4)所有化学反应的化学能均能直接转变成电能。(×)知识点二化学电源1．常见电源分类eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(一次电池：只能放电，不能充电,\x(\a\al(二次电池可,充电电池))\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(放电时—原电池反应,充电时—电解池反应)),燃料电源))2．常见电源(1)锌锰干电池(一次电池)①酸性锌锰干电池负极：Zn－2e－===Zn2＋正极：2NHeq\o\al(＋,4)＋2e－===2NH3↑＋H2↑总方程式：Zn＋2NH4Cl===ZnCl2＋2NH3↑＋H2↑②碱性锌锰干电池负极：Zn－2e－＋2OH－===ZnO＋H2O正极：MnO2＋2H2O＋2e－===Mn(OH)2＋2OH－总方程式：Zn＋MnO2＋H2O===ZnO＋Mn(OH)2(2)铅蓄电池(二次电池)放电时(原电池)：负极：Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－===PbSO4正极：PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－===PbSO4＋2H2O总方程式：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O充电时(电解池)：阴极(电池的负极)：PbSO4＋2e－===Pb＋SOeq\o\al(2－,4)阳极(电池的正极)：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)总方程式：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4(3)氢氧燃料电池①碱性电解液：负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－②酸性电解液：负极：2H2－4e－===4H＋正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O③中性电解液：负极：2H2－4e－===4H＋正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－总方程式：2H2＋O2===2H2O[自我诊断]可充电电池的充电、放电过程的原理分别是什么？两过程是否是可逆反应？[提示]可充电电池放电时是原电池，把化学能转变为电能，充电时是电解池，把电能转变为化学能。否，因为两过程是在不同条件下进行的反应，所以不属于可逆反应。授课提示：对应学生用书第16页要点一原电池正负极的判断与电极反应式的书写[典例1]下列叙述不正确的是(　　)A．原电池中电子从正极流出B．原电池中电子从发生氧化反应的电极流出C．原电池的两个电极中，质量减轻的电极是负极D．原电池中发生还原反应的电极是正极解析：在原电池中，负极失去电子，发生氧化反应，电子由负极经外电路流向正极，正极上发生还原反应。若负极是较活泼的金属，则负极因发生氧化反应而质量减轻。答案：A1．正负极判断判断依据负极正极电极材料活泼性较强的金属活泼性较弱的金属或能导电的非金属电子流动方向电子流出极电子流入极电解质溶液中离子定向移动方向阴离子移向的电极阳离子移向的电极发生的反应氧化反应还原反应反应现象溶解的极增重或有气泡放出的极2.电极反应式的书写书写电极反应的原则：电极反应是氧化还原反应，要遵循质量守恒、电子守恒及电荷守恒。另外还遵循：①加和性原则：两电极反应相加，消去电子后得电池总反应式。利用此原则，电池总反应式减去已知的一电极反应得另一电极反应。②共存原则：碱性溶液中，CO2不可能生成，也不会有H＋参加反应或生成；同样酸性溶液中，不会有OH－参加反应或生成。根据此原则，物质得失电子后在不同的电解质环境中所存在的形式不同。3．电极反应的书写技巧(1)一般采用加减法：若已知总反应和一个电极反应，总反应－一个电极反应＝另一个电极反应。(注意：电极反应转移电子必须相等)(2)由金属(Pt除外)作电极的原电池，活泼金属为负极，有两种写法：一般电极反应：负极：M－ne－===Mn＋；若电解质为碱性，则电极反应：负极：M＋nOH－－ne－===M(OH)n。注意：Al在NaOH溶液中作负极时的电极反应：Al－3e－＋4OH－===[Al(OH)4]－。要注意Al、Fe在不同的电解质溶液中的活泼性的变化。正极材料总是被保护，一般不参与反应(正极材料是金属氧化物除外，如铅蓄电池)，电极反应一般为溶液中的阳离子放电，则电极反应有：正极：Am＋＋me－===A2H＋＋2e－===H2↑如果负极材料与电解质溶液发生反应，正极反应按上述书写；若负极材料与电解质溶液不发生反应时，则正极反应为吸氧腐蚀。如铁棒在食盐水中生锈。(3)有H2参加反应的原电池(石墨或Pt为电极)，通入H2一极为负极，有三种写法：①一般电极反应：负极：H2－2e－===2H＋；②若电解质为碱性，则电极反应：负极：H2＋2OH－－2e－===2H2O；③若电解质为熔融的氧化物，则电极反应：负极：H2＋O2－－2e－===H2O。(4)有O2参加反应的原电池，O2一定为正极反应物，有三种写法：①一般电极反应：正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－；②若为酸性电解质溶液时，正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O；③若为熔融状态下的氧化物时，正极：O2＋4e－===2O2－。1．甲醇燃料电池(DMFC)可用于笔记本电脑、汽车、遥感通信设备等，它的一极通入甲醇，一极通入氧气；电解质是质子交换膜，它能传导氢离子(H＋)。电池工作时，甲醇被氧化为二氧化碳和水，氧气在电极上的反应是O2＋4H＋＋4e－===2H2O。下列叙述中不正确的是(　　)A．负极的反应式为CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋B．电池的总反应式是2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2OC．电池工作时，H＋由正极移向负极D．电池工作时，电子从通入甲醇的一极流出，经外电路再从通入氧气的一极流入解析：首先判断通入甲醇的一极失去电子作为负极，通入氧气的一极得到电子作正极。根据：电池总反应式＝负极反应式＋正极反应式，B项电池的总反应式是正确的，减去氧气在正极的反应式，就得到了负极的反应式，A项也正确。电池工作时，H＋移向正极而不是移向负极，所以C项错误。答案：C要点二原电池原理的应用[典例2]依据氧化还原反应：2Ag＋(aq)＋Cu(s)===Cu2＋(aq)＋2Ag(s)，设计一个最简单的原电池。(1)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________________________________。(2)该反应还可设计成能量转化效率更高的原电池装置，如图所示：请回答下列问题：①电极X的材料是________，Y的材料是________，电解质溶液Z是________。②盐桥的作用是__________________________________________。③外电路中的电子是从________电极流向________电极。解析：本题考查原电池的原理和设计，解题时应明确设计思路，理解带盐桥的原电池的组成原理。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)：Cu－2e－===Cu2＋，2Ag＋＋2e－===2Ag；然后结合原电池的电极反应特点，分析可知，该电池的负极材料应该用Cu，正极要保证Ag＋得到负极失去的电子，电解质溶液只能用含Ag＋的电解质溶液，如AgNO3溶液，而正极材料的活泼性比Cu弱。在带盐桥的原电池组成半电池时，注意电极材料与溶液中的离子一般要相对应，如Cu2＋/Cu或Ag＋/Ag。答案：(1)实验装置图如图：Pt(合理即可)　2Ag＋＋2e－===2AgCuCu－2e－===Cu2＋(2)①CuAgAgNO3②将两个隔离的电解质溶液连接起来，可使电流持续传导③CuAg1．比较不同金属的活动性强弱根据原电池原理可知，在原电池反应过程中，一般活动性强的金属作负极，而活动性弱的金属(或碳棒)作正极。若有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入稀硫酸中，一段时间后，若观察到A极溶解，而B极上有气体放出，则说明在原电池工作过程中，A被氧化成阳离子而失去电子作负极，B作正极，则可以断定金属A的金属活动性比B的强。2．加快化学反应速率由于原电池将氧化还原反应拆成两个半反应且有电流产生，因而反应速率加快。如Zn与稀H2SO4反应制氢气时，可向溶液中滴加少量CuSO4溶液，形成Cu­Zn原电池，加快反应进行。3．设计制作化学电源依据原电池的工作原理，紧扣原电池形成的四个条件，可以将氧化还原反应设计成原电池。设计思路如下：设计思路实例以自发进行的氧化还原反应为基础2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2根据化合价变化，把氧化还原反应分解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＋以两极反应为原理，确定电极材料及电解质溶液负极材料：Cu正极材料：石墨或铂电解质溶液：FeCl3画出示意图2．把a、b、c、d四块金属浸泡在稀H2SO4中，用导线两两相连可以组成各种原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连，d上有气体逸出；a、c相连时a极减轻；b、d相连时，b为正极。则四种金属的活动性顺序为(　　)A．a>b>c>d　　　　　B．a>c>b>dC．a>c>d>bD．b>d>c>a解析：a、b相连时，a为负极，则金属活动性a>b；c、d相连时，d上有气体逸出，即发生反应：2H＋＋2e－===H2↑为正极，c为负极，则金属活动性c>d；a、c相连时，a极减轻，说明被氧化为阳离子进入溶液中，a为负极，则金属活动性：a>c；b、d相连时，b为正极，d为负极，金属活动性d>b。故有金属活动性顺序为a>c>d>b。答案：C实验探究原电池的构成条件[典例]某同学设计实验探究构成原电池的条件，装置如下：实验一：实验探究电极的构成(甲图)①A、B两极均选用石墨作电极，发现检流计指针不偏转；②A、B两极均选用铜片作电极，发现检流计指针不偏转；③A极用锌片，B极用铜片，发现检流计指针向左偏转；④A极用锌片，B极用石墨，发现检流计指针向左偏转。结论一：__________________________________________________。实验二：探究溶液的构成(甲图，A极用锌片，B极用铜片)①液体采用无水乙醇，发现检流计指针不偏转；②改用硫酸溶液，发现检流计指针偏转，B极上有气体产生。结论二：________________________________________________。实验三：对比实验，探究乙图装置能否构成原电池将锌、铜两电极分别放入稀硫酸溶液中，发现锌片上有气泡产生，铜片上无明显现象，检流计指针不发生偏转。结论三：_________________________________________。思考：对该同学的实验，同学乙提出了如下疑问，请你帮助解决。(1)在甲图装置中，若A为镁片，B为铝片，电解质溶液为NaOH溶液，检流计的指针应向________偏转。(2)一根金属丝两端分别放在图乙的两个烧杯之中，检流计指针________(填“能”或“不能”)偏转。解析：本题是考查原电池的构成条件的。原电池的构成条件是：活动性不同的两金属(或者一种金属跟一种能导电的非金属)做两极，其中活动性较强的金属做负极，活动性较差的金属(或导电的非金属)做正极，负极发生氧化反应，正极发生还原反应；电解质溶液；闭合回路。因此实验一中两电极相同时，不能组成原电池，不同时可以组成原电池，而且比较活泼的金属做负极；实验二中有电解质溶液时可以组成原电池，非电解质溶液不能组成原电池；实验三中由于没有构成闭合回路，所以也不能组成原电池；镁铝在NaOH溶液中应该是铝更活泼，做负极；作为两个半电池组成的原电池，中间必须靠盐桥才可以形成闭合回路，因此一根金属丝无法将整个装置连接成原电池。答案：结论一：电极必须是活动性不同的两电极结论二：溶液必须是电解质溶液结论三：必须构成闭合回路，才能形成原电池　(1)右　(2)不能