基礎(chǔ)課時(shí)16 原電池的工作原理學(xué) 習(xí) 任 務(wù)1.以鋅銅原電池為例,從宏觀和微觀的角度,分析理解原電池的工作原理,能正確判斷原電池的正極和負(fù)極,會(huì)書(shū)寫(xiě)其電極反應(yīng)式,培養(yǎng)學(xué)生宏觀辨識(shí)與微觀探析、變化觀念與平衡思想的化學(xué)核心素養(yǎng)。2認(rèn)識(shí)化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化,建立對(duì)電化學(xué)過(guò)程的系統(tǒng)分析思路,提高學(xué)生對(duì)化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。一、原電池的工作原理1.原電池:利用氧化還原反應(yīng)原理將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。2.原電池的構(gòu)成條件3.原電池工作原理(以鋅銅原電池為例)裝置現(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++Cu 鹽橋在原電池中有何作用?若撤去鹽橋,電流表的指針如何變化?[提示] 鹽橋的作用:利用溶液中離子的移動(dòng),使兩個(gè)半電池中的溶液形成閉合回路。若撤去鹽橋,電流表的指針會(huì)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 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。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_(kāi)______________________________________________。(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(guò)鹽橋連接起來(lái)。(3)電池工作時(shí),硫酸鋅溶液中SO向________移動(dòng),硫酸銅溶液中SO向________移動(dòng)。(4)此鹽橋內(nèi)為飽和KCl溶液,鹽橋是通過(guò)________移動(dòng)來(lái)導(dǎo)電的。在工作時(shí),K移向________。[解析] 該裝置為鋅銅原電池,總反應(yīng)式為Zn+Cu2+===Cu+Zn2+。電池工作時(shí),觀察到①電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn),②鋅片不斷溶解,③銅片上有紅色物質(zhì)析出。其中Zn與ZnSO4溶液組成鋅半電池,Cu與CuSO4溶液組成銅半電池。電池工作時(shí),ZnSO4溶液中SO向負(fù)極(鋅電極)移動(dòng),CuSO4溶液中SO向鹽橋移動(dòng),而鹽橋中的K向正極區(qū)(CuSO4溶液)移動(dòng),Cl向負(fù)極區(qū)(ZnSO4溶液)移動(dòng),這樣靠離子的移動(dòng)形成閉合回路。[答案] (1)電流表指針發(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 (2)鋅半電池 銅半電池 (3)鋅電極 鹽橋 (4)離子 正極區(qū)(CuSO4溶液)二、原電池工作原理的應(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3.設(shè)計(jì)原電池實(shí)例:根據(jù)Cu+2Ag===Cu2++2Ag設(shè)計(jì)電池: 下列有關(guān)電化學(xué)知識(shí)的描述正確的是(  )A.行人踩踏發(fā)電瓷磚(原理是利用行人踩踏地板產(chǎn)生的振動(dòng)來(lái)發(fā)電)是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能B.某原電池反應(yīng)為Cu+2AgNO3===Cu(NO3)2+2Ag,裝置中的鹽橋可以裝有含瓊膠的KCl飽和溶液C.因?yàn)殍F的活潑性強(qiáng)于銅,所以將鐵、銅用導(dǎo)線連接后放入濃硝酸中,若能組成原電池,必是鐵作負(fù)極、銅作正極D.理論上,任何能自發(fā)進(jìn)行的且能放出能量的氧化還原反應(yīng)都可設(shè)計(jì)成原電池D [行人踩踏地板產(chǎn)生的振動(dòng)不屬于化學(xué)能,A錯(cuò)誤;在原電池的正極端氯離子和銀離子反應(yīng),所以不可以用KCl飽和溶液制得的瓊膠,B錯(cuò)誤;Fe在濃硝酸中發(fā)生鈍化,Cu能與濃硝酸反應(yīng),可組成原電池,但鐵作正極、銅作負(fù)極,C錯(cuò)誤;原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,需要自發(fā)進(jìn)行的釋放能量的氧化還原反應(yīng),D正確。]探究原電池的構(gòu)成與工作原理1789年,意大利生理學(xué)家伽法尼在一次解剖青蛙時(shí),把銅鉤鉤著的青蛙腿掛在陽(yáng)臺(tái)的鐵欄桿上,偶然發(fā)現(xiàn)蛙腿每次接觸鐵欄桿就會(huì)抽搐一次。經(jīng)過(guò)研究,伽法尼認(rèn)為這種肌肉收縮作用是“動(dòng)物電”引起的。伽法尼的同事——意大利物理學(xué)家伏打一開(kāi)始相信這種解釋,還親自體驗(yàn)了這一過(guò)程。他將放在舌尖上的錫箔與一枚銀幣接觸,感覺(jué)到滿口酸味。由此他猜想:肌肉收縮不一定是由動(dòng)物電引起的,很可能是受到了電刺激產(chǎn)生的。為了證明自己的猜想,伏打在1792~1796年多次重復(fù)了伽法尼的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)只要兩種不同的金屬接觸,中間隔著濕的硬紙、皮革或其他海綿狀物品,不管有沒(méi)有接觸蛙腿都會(huì)起電。[問(wèn)題1] 閱讀上述材料總結(jié)構(gòu)成原電池的條件有哪些?[提示] 具有活潑性不同的兩個(gè)電極,兩電極插入電解質(zhì)溶液中,形成閉合回路,且兩電極能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應(yīng)。[問(wèn)題2] 下列裝置中,哪些能構(gòu)成原電池?其他不能構(gòu)成原電池的原因是什么?A      BC         D[提示] 裝置D能構(gòu)成原電池;裝置A不能構(gòu)成原電池,原因是酒精為非電解質(zhì);裝置B不能構(gòu)成原電池,原因是沒(méi)有形成閉合回路;裝置C不能構(gòu)成原電池,原因是兩個(gè)金屬電極的活潑性相同。[問(wèn)題3] 鐵制品和銅制品與蛙腿接觸時(shí),鐵制品發(fā)生氧化反應(yīng)還是還原反應(yīng)?寫(xiě)出反應(yīng)的電極反應(yīng)式。[提示] 鐵制品與蛙腿接觸時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)。電極反應(yīng)式為Fe-2e=== Fe2+。[問(wèn)題4] 原電池工作時(shí),電子和離子分別怎樣移動(dòng)?[提示] 電子是從負(fù)極經(jīng)過(guò)導(dǎo)線移向正極;在原電池電解質(zhì)溶液中,陽(yáng)離子移向正極,陰離子移向負(fù)極。 原電池的工作原理(1)反應(yīng)類型:負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),正極發(fā)生還原反應(yīng)。(2)電子的移動(dòng)方向:從負(fù)極流出,經(jīng)導(dǎo)線流向正極。(3)離子的移動(dòng)方向:陽(yáng)離子向正極移動(dòng),陰離子向負(fù)極移動(dòng)。1.用銅片、銀片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、導(dǎo)線和鹽橋(裝有瓊膠-KNO3的U形管)構(gòu)成一個(gè)原電池。以下有關(guān)該原電池的敘述正確的是(  )①在外電路中,電流由銅電極流向銀電極?、谡龢O反應(yīng)式為Ag+e===Ag ③實(shí)驗(yàn)過(guò)程中取出鹽橋,原電池仍繼續(xù)工作?、軐~片直接浸入AgNO3溶液中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)與該原電池反應(yīng)相同A.①②   B.②③   C.②④   D.③④C [銅片、銀片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、導(dǎo)線、鹽橋構(gòu)成一個(gè)原電池,Cu作負(fù)極,Ag作正極,電極反應(yīng)式為Cu-2e===Cu2+(負(fù)極),2Ag+2e===2Ag(正極),鹽橋起到了傳導(dǎo)離子、形成閉合回路的作用,電子是由負(fù)極流向正極,電流的方向和電子的流向相反。因此①③錯(cuò)誤,②④正確。]2.如圖是某同學(xué)設(shè)計(jì)的原電池裝置,下列敘述正確的是(  )A.氧化劑和還原劑必須直接接觸才能發(fā)生反應(yīng)B.電極Ⅱ上發(fā)生還原反應(yīng),作原電池的正極C.該原電池的總反應(yīng)式為2Fe3++Cu===Cu2++2Fe2+D.鹽橋中裝有含氯化鉀的瓊膠,K移向負(fù)極區(qū)C [A項(xiàng),該原電池反應(yīng)中氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)在兩個(gè)不同的燒杯中進(jìn)行,因此氧化劑和還原劑沒(méi)有直接接觸,錯(cuò)誤;B項(xiàng),Cu電極為原電池的負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為Cu-2e===Cu2+,錯(cuò)誤;D項(xiàng),正極反應(yīng)式為2Fe3++2e===2Fe2+,正電荷減小,K移向正極區(qū)補(bǔ)充正電荷,錯(cuò)誤。]構(gòu)建原電池的思維模型 原電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了三位在鋰離子電池發(fā)展做出突出貢獻(xiàn)的化學(xué)家。由于金屬鋰的化學(xué)性質(zhì)非常活潑,使得金屬鋰在加工、保存、使用等環(huán)節(jié)要求很高,所以鋰電池長(zhǎng)期沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用,隨著電子技術(shù)的發(fā)展,在科學(xué)家的努力下鋰離子電池進(jìn)入了大規(guī)模的實(shí)用階段。某種鋰電池的總反應(yīng)方程式為L(zhǎng)i+MnO2=== LiMnO2。[問(wèn)題1] 你能依據(jù)總反應(yīng)方程式書(shū)寫(xiě)該電池的正極、負(fù)極電極反應(yīng)式嗎?[提示] 負(fù)極反應(yīng)式為L(zhǎng)i-e===Li,正極反應(yīng)式為MnO2+ e===MnO。[問(wèn)題2] 有人用原電池原理除去銀器皿表面的黑色硫化銀,其處理方法:將一定濃度的食鹽溶液放入一鋁制容器中,再將變黑的銀器浸入溶液中,放置一段時(shí)間后,有臭雞蛋氣味的氣體放出,銀表面的黑色會(huì)褪去而銀不會(huì)損失。你能否依據(jù)信息材料書(shū)寫(xiě)其電池總反應(yīng)式、電極反應(yīng)式?[提示] 要善于抓住題示信息。“黑色褪去而銀不會(huì)損失”,必然發(fā)生變化:Ag2S→Ag,顯然這是原電池的正極反應(yīng):3Ag2S+6e===6Ag+3S2-,負(fù)極反應(yīng)應(yīng)為活潑金屬發(fā)生氧化反應(yīng):2Al-6e===2Al3+,正極生成的S2-和負(fù)極生成的Al3+在溶液中都能水解且相互促進(jìn):2Al3++3S2-+6H2O===2Al(OH)3↓+3H2S↑,有臭雞蛋氣味的硫化氫氣體產(chǎn)生。原電池的總反應(yīng)為上述三個(gè)反應(yīng)式的加合:3Ag2S+2Al+6H2O===6Ag+2Al(OH)3↓+3H2S↑。1.一般電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法(1)定電極,標(biāo)得失。按照負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),正極發(fā)生還原反應(yīng),判斷出電極反應(yīng)產(chǎn)物,找出得失電子的數(shù)量。(2)看環(huán)境,配守恒。電極產(chǎn)物在電解質(zhì)溶液中應(yīng)能穩(wěn)定存在,如堿性介質(zhì)中生成的H應(yīng)讓其結(jié)合OH生成水。電極反應(yīng)式要依據(jù)電荷守恒和質(zhì)量守恒、得失電子守恒等加以配平。(3)兩式加,驗(yàn)總式。兩電極反應(yīng)式相加,與總反應(yīng)方程式對(duì)照驗(yàn)證。2.已知總反應(yīng)式,書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式(1)分析化合價(jià),確定正極、負(fù)極的反應(yīng)物與反應(yīng)產(chǎn)物。(2)在電極反應(yīng)式的左邊寫(xiě)出得失電子數(shù),使得失電子守恒。(3)根據(jù)質(zhì)量守恒配平電極反應(yīng)式。(4)復(fù)雜電極反應(yīng)式=總反應(yīng)式-簡(jiǎn)單的電極反應(yīng)式。1.設(shè)計(jì)原電池Zn+2Fe3+===Zn2++2Fe2+,在方框中畫(huà)出能形成穩(wěn)定電流的裝置圖(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] 由題意知所要求設(shè)計(jì)的裝置圖中有鹽橋,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] (答案合理即可)Zn Zn-2e===Zn2+ Pt 2Fe3++2e===2Fe2+2.根據(jù)下列原電池的總反應(yīng)式,寫(xiě)出其電極反應(yīng)式。(1)利用反應(yīng)2Cu+O2+2H2SO4===2CuSO4+2H2O可制備硫酸銅,若將該反應(yīng)設(shè)計(jì)為原電池,其負(fù)極反應(yīng)式是__________________________________,正極反應(yīng)式是________________________________________________。(2)某原電池總反應(yīng)為2FeO+3H2===Fe2O3+4OH+H2O,在該原電池中:負(fù)極反應(yīng)式是______________________________________________;正極反應(yīng)式是____________________________________________。[解析] (1)將總方程式拆成氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)兩個(gè)半反應(yīng),還原劑在負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng):2Cu-4e===2Cu2+;氧化劑在正極上發(fā)生還原反應(yīng):O2+4e+4H===2H2O。(2)將總方程式拆成氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)兩個(gè)半反應(yīng),還原劑在負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng):3H2-6e+6OH===6H2O;氧化劑在正極上發(fā)生還原反應(yīng):2FeO+5H2O+6e===Fe2O3+10OH。[答案] (1)2Cu-4e===2Cu2+ O2+4e+4H===2H2O(2)3H2-6e+6OH===6H2O 2FeO+5H2O+6e===Fe2O3+10OH1關(guān)于如圖所示裝置,說(shuō)法不正確的是(  )①   ?、?/span>A.在①裝置中鋅棒逐漸變細(xì),銅棒無(wú)變化B.在②裝置中鋅棒逐漸變細(xì),銅棒逐漸變粗C.在②裝置中部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化成了電能D.在①②裝置中鋅棒均被氧化B [A項(xiàng),在①裝置中鋅與氫離子反應(yīng)生成鋅離子和氫氣,鋅棒變細(xì),銅不與氫離子反應(yīng),銅棒沒(méi)有變化;B項(xiàng),在②裝置中鋅棒與銅棒通過(guò)導(dǎo)線連接形成了閉合回路,構(gòu)成了原電池,鋅失去電子轉(zhuǎn)化為鋅離子,鋅棒變細(xì),氫離子在銅棒上得電子生成氫氣,銅棒不會(huì)變粗;C項(xiàng),②裝置實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)化;D項(xiàng),在①②裝置中,鋅均失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)。]2.關(guān)于如圖所示的原電池,下列說(shuō)法正確的是(  )A.電子從鋅電極通過(guò)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===H2D.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A [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。]3.有a、b、c、d四個(gè)金屬電極,有關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置及部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如下:實(shí)驗(yàn)裝置部分現(xiàn)象a極質(zhì)量減??;b極質(zhì)量增加b極有氣體產(chǎn)生;c極無(wú)變化d極溶解,c極有氣體產(chǎn)生電流從a極流向d極由此可判斷這四種金屬的活動(dòng)性順序是(  )A.a(chǎn)>b>c>d  B.b>c>d>aC.d>a>b>c   D.a(chǎn)>b>d>cC [由第一個(gè)裝置a極溶解,可知a極是負(fù)極,金屬活動(dòng)性:a>b,對(duì)于第二個(gè)裝置,依據(jù)還原性規(guī)律知,金屬活動(dòng)性:b>c,第三個(gè)裝置的金屬活動(dòng)性:d>c,由第四個(gè)裝置電流從a→d,則電子從d→a,故金屬活動(dòng)性:d>a。]4.分析下圖所示的四個(gè)原電池裝置,其中結(jié)論正確的是(  )①  ?、凇  、邸  、?/span>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+3H2C.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===H2B [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是負(fù)極;③中Fe在濃硝酸中易鈍化,Cu和濃硝酸反應(yīng)失去電子作負(fù)極,A、C均錯(cuò)。②中電池總反應(yīng)為2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑,負(fù)極電極反應(yīng)式為2Al+8OH-6e===2AlO+4H2O,二者相減得到正極電極反應(yīng)式為6H2O+6e===6OH+3H2↑,B正確。④中Cu是正極,電極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e===4OH,D錯(cuò)。]5.能源是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的三大支柱之一,化學(xué)在提高能源的利用率和開(kāi)發(fā)新能源中起到了重要的作用。電能是現(xiàn)代社會(huì)中應(yīng)用最廣泛的二次能源。(1)下列裝置中能夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的是_____________(填字母)。   A       B   C        D(2)寫(xiě)出所選裝置正極反應(yīng)的電極反應(yīng)式:__________________________________________________________________________________。(3)所選裝置中溶液里的陰離子移向________(填電極的化學(xué)式)極。(4)若所選裝置中轉(zhuǎn)移了0.2 mol電子,則理論上溶液增加的質(zhì)量是________________。[解析] (1)原電池的構(gòu)成條件:①有兩個(gè)活潑性不同的電極,②將電極插入電解質(zhì)溶液中,③兩電極間構(gòu)成閉合回路,④能自發(fā)地進(jìn)行氧化還原反應(yīng),C裝置符合構(gòu)成原電池的條件,故C裝置正確。(2)C裝置中Ag作正極,正極上氫離子得電子生成氫氣,其電極反應(yīng)式為2H+2e===H2↑,負(fù)極為鋅失電子生成鋅離子,電極反應(yīng)式為Zn-2e===Zn2+;總反應(yīng)式為2H+Zn===Zn2++H2↑。(3)陰離子移向負(fù)極鋅。(4)裝置中轉(zhuǎn)移了0.2 mol電子,根據(jù)總反應(yīng)式:2H+Zn===Zn2++H2↑,則理論上溶液質(zhì)量增重0.1×65 g-0.1×2 g=6.3 g。[答案] (1)C (2)2H+2e===H2↑ (3)Zn (4)6.3 g 

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高中化學(xué)人教版 (2019)選擇性必修1電子課本

第一節(jié) 原電池

版本: 人教版 (2019)

年級(jí): 選擇性必修1

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