电化学基础原理及应用.docx
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电化学基础原理及应用
电化学基础原理及应用
电化学是研究化学能与电能相互转化的装置、过程和效率的科学,它的应用十分广泛,在分析、合成等领域应用很广,由此形成的工业也很多,如电解、电镀、电冶金、电池制造等。
因此本课题有利于学生了解电化学反应所遵循的规律,知道电化学知识在生产、生活和科学研究中的作用。
同时,通过设计一些有趣的实验和科学探究活动,可以激发和培养学生探索化学反应原理的兴趣,树立学习和研究化学的志向。
电化学是高考命题的热点之一。
电化学中的电路、电量等与物理学联系紧密,既可以综合学科内知识,又可以与生产、生活、新科技、新技术等相联系,是不容忽视的知识点。
预计在今后的高考中,对该部分内容的考查仍会保持目前东风热度。
在题型上应以传统题型为主,其中原电池的工作原理、电解产物的判断与相关计算、电极反应式及电池反应方程式的书写、离子的转移方向、溶液pH的变化仍会是高考的热点。
本课题共包括原电池、化学电源、电解池、金属的电化学腐蚀与防护四部分内容。
计划课时安排:
原电池2课时
化学电源2课时
电解池2课时
金属的电化学腐蚀与防护2课时
电化学原理综合应用2课时
专题一原电池
【课标要求】
体验化学能与电能相互转化的探究过程,认识原电池,掌握原电池的工作原理。
【学习重点】
1.初步认识原电池概念、原理、组成及应用;
2.了解原电池的工作原理,探究组成原电池的条件,会写电极反应式和电池反应方程式
【学习难点】
通过对原电池实验的研究,从电子转移角度理解化学能向电能转化的本质,以及这种转化的综合利用价值。
再现历史:
1799年意大利物理学家——伏打
如右图所示,组成的原电池:
实验步骤
现象
1、锌片插入稀硫酸
2、铜片插入稀硫酸
3、锌片和铜片连接在一起插入稀硫酸
问题:
①.锌片和铜片分别插入稀硫酸中有什么现象发生?
②.锌片和铜片连接在一起插入稀硫酸,现象又怎样?
③.锌片的质量有无变化?
溶液中C(H+)如何变化?
④.锌片和铜片上变化的反应式怎样书写?
⑤.电子流向如何?
〖思考与交流〗当电解质溶液为CuSO4溶液时:
Zn电极是____极,其电极反应为_____________,该反应是________反应;Cu电极是____极,其电极反应为_____________,该反应是_________反应。
【小结】1.定义:
原电池是将转变为的装置。
2.本质:
原电池反应的本质是___________反应。
3.原电池工作原理:
填写页表中的空白
正极反应:
电子(反应)
负极反应:
电子(反应)
总反应:
正极反应+负极反应
【学习新知】
一、对锌铜原电池工作原理的进一步探究
【思考与交流】上图是我们在必修2中学习过的将锌片和铜片置于稀硫酸的原电池,如果用它做电源,不但效率低,而且时间稍长电流就很快减弱,因此不适合实际应用。
这是什么原因造成的呢?
有没有什么改进措施?
原因:
改进措施:
【思考与交流】改进后的装置为什么能够持续、稳定的产生电流?
盐桥在此的作用是什么?
〖附:
盐桥制法:
1)将热的琼胶溶液倒入U形管中(注意不要产生裂隙),将冷却后的U形管浸泡在KCl或NH4NO3的饱和溶液中即可。
2)将KCl或NH4NO3的饱和溶液装入U形管,用棉花堵住管口即可。
〗
产生持续、稳定的电流的原因
盐桥的作用
〖思考与交流〗
上述原电池装置是将什么反应的化学能转换成电能的?
。
指出电池的正负极,并分别写出其中负极和正极的电极反应式及该电池的总反应方程式。
负极(片):
正极(片):
电池反应(总化学方程式):
电池符号:
(负极)(盐桥)(正极)
注意:
电极反应式要①注明正负极和电极材料;②满足所有守恒。
【归纳总结】
1、对比两种电池有何不同?
导线和盐桥的作用:
原电池中的几个判断:
2、电流方向与电子流向的判断:
3、电解质溶液中离子运动方向的判断:
【反馈练习】
1.锌铜原电池产生电流时,阳离子()
A移向Zn极,阴离子移向Cu极B移向Cu极,阴离子移向Zn极
C和阴离子都移向Zn极D和阴离子都移向Cu极
2.下列关于原电池的叙述正确的是()
A构成原电池的正极和负极必须是两种不同的金属
B原电池是将化学能转变为电能的装置
C原电池中电子流出的一极是负极,该极被还原
D原电池放电时,电流的方向是从负极到正极
二、由两个半电池组成原电池的工作原理
(1)把氧化反应和还原反应分开在不同区域进行,再以适当方式连接,可以获得电流。
①在这类电池中,用较强的物质作为负极,负极向外电路提供电子;用作为正极,正极从外电路得到电子。
②在原电池的内部,两极浸在电解质溶液中,并通过阴阳离子的定向运动而形成内电路。
(2)探究组成原电池的条件
【归纳总结】组成原电池的条件(四要素)
①。
②。
③。
④本质条件:
。
〖思考与交流〗
(3)原电池的正负极的判断方法
微观判断:
①根据电子流动方向或电流的方向
电流由 极流向 极,电子由 极流向 极
宏观判断:
②根据电极材料:
一般活泼的金属为 极,活泼性弱的金属或能导电的非金属为 极
③根据原电池电极发生的反应:
原电池的负极上发生 反应,正极上发生 反应。
④根据某些现象:
电极溶解的一极为 极,电极增重或产生气体的一极为 极。
⑤根据原电池的电解质溶液内离子移动的方向来判断。
在原电池的电解质溶液内,阳离子移向 极,阴离子移向 极
【反馈练习】
1、一个电池反应的离子方程式是Zn+Cu2+=Zn2++Cu,该反应的的原电池正确组合是()(以下电解质溶液浓度相同)
A
B
C
D
正极
Zn
Cu
Cu
Fe
负极
Cu
Zn
Zn
Zn
电解质溶液
CuCl2
H2SO4
CuSO4
HCl
2、下列哪几个装置能形成原电池?
3:
某金属能跟稀盐酸作用发出氢气,该金属与锌组成原电池时,锌为负极,此金属是()
A.MgB.FeC.AlD.Cu
4:
由铜锌和稀硫酸组成的原电池工作时,电解质溶液的pH()
A.不变B先变大后变小C逐渐变大D.逐渐变小
*【拓展练习】
5:
如图所示,在铁圈和银圈的焊接处,用一根棉线将其悬在盛水的烧杯中,使之平衡;小心的向烧杯中央滴入CuSO4溶液,片刻后可观察到的现象是()
A.铁圈和银圈左右摇摆不定B.保持平衡状态
C.铁圈向下倾斜,银圈向上倾斜
D.银圈向下倾斜,铁圈向上倾斜
三、原电池的应用
(1)电解质溶液和电极材料的选择
电解质溶液一般要能够与负极发生反应。
但若是两个半反应分别在两个烧杯中进行,则左右两个烧杯中的电解质溶液应与电极材料具有相同的阳离子。
①活泼性不同的两种金属。
如锌铜原电池,锌作负极,铜作正极
②金属和非金属。
如锌锰干电池,锌作负极,石墨棒作正极
③金属和化合物。
如铅蓄电池,铅作负极,PbO2作正极
④惰性电极。
如氢氧燃料电池中,两根电极均可用Pt
【反馈练习】
请根据氧化还原反应:
Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+
设计成原电池。
你有哪些可行方案?
负极:
正极:
总反应式:
电解质溶液:
若是采用烧杯和盐桥装置图,采用的电解质溶液又是什么?
试画出原电池的装置简图。
【反馈练习】
(2)原电池的主要应用
⑴比较金属的活动性大小
1:
把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中,用导线两两相连组成原电池。
若a、b相连时,a为负极;c、d相连时,电流由d到c;a、c相连时,c极上产生大量气泡,b、d相连时,b上有大量气泡产生,则四种金属的活动性顺序由强到弱的为()
A.a>b>c>dB.a>c>d>bC.c>a>b.>dD.b>d>c>a
⑵判断金属的腐蚀快慢
①原电池原理引起的腐蚀化学腐蚀有防腐蚀措施的腐蚀;(填>、<或=)
②原电池中的负极金属比正极金属腐蚀的;(填快或慢,下同)
③同种金属,在强电解质溶液中比在弱电解质溶液中腐蚀的。
⑶设计原电池
从理论上来说,任何氧化还原反应均可设计成原电池。
【归纳总结】原电池的主要应用:
1.利用原电池原理设计新型化学电池;
2.改变化学反应速率,如实验室用粗锌与硫酸反应制取氢气;
3.进行金属活动性强弱比较;
4.电化学保护法,即将金属作为原电池的正极而受到保护。
如在铁器表面镀锌。
5.解释某些化学现象
【反馈练习】
原电池原理应用:
(1)比较金属活动性强弱。
1:
下列叙述中,可以说明金属甲比乙活泼性强的是
A.甲和乙用导线连接插入稀盐酸溶液中,乙溶解,甲上有H2气放出;
B.在氧化–还原反应中,甲比乙失去的电子多;
C.将甲乙作电极组成原电池时甲是负极;
D.同价态的阳离子,甲比乙的氧化性强;
(2)比较反应速率
2:
下列制氢气的反应速率最快的是
A纯锌和1mol/L硫酸;B纯锌和18mol/L硫酸;
C粗锌和1mol/L盐酸;D粗锌和1mol/L硫酸的反应中加入几滴CuSO4溶液。
(3)比较金属腐蚀的快慢
3:
下列各情况,在其中Fe片腐蚀由快到慢的顺序是
4:
下列装置中四块相同的Zn片,放置一段时间后腐蚀速率由慢到快的顺序是
(4)判断溶液pH值变化
以氢氧燃料电池(电解质溶液为KOH溶液)为例:
负极:
2H2+4OH—4e=4H2O
正极:
O2+2H2O+4e=4OH
总反应:
2H2+O2=2H2O
负极上消耗OH,使附近溶液pH减小,正极上产生OH,使附近溶液pH增大,整个溶液中OH物质的量保持不变,但由于反应生成H2O,使整个溶液pH减小。
〖思考与交流〗若以稀硫酸为电解质溶液呢?
【思维提示】判断原电池工作过程中溶液pH变化时,不仅要看正、负两极生成OH-(H+)或消耗的OH-(H+)物质的量的多少,还要看原电池反应中是否生成或消耗H2O。
5:
在Cu-Zn原电池中,200mLH2SO4溶液的浓度为0.125mol/L,若工作一段时间后,从装置中共收集到0.168L升气体,则流过导线的电子为————mol,溶液的pH值变_________?
(溶液体积变化忽略不计)
(5)原电池原理的综合应用
6:
市场上出售的“热敷袋”的主要成分为铁屑、炭粉、木屑、少量氯化钠和水等。
“热敷袋”启用之前用塑料袋使其与空气隔绝,启用时,打开塑料袋轻轻揉搓就会放出热量。
使用完后,会发现有大量铁锈存在。
1)“热敷袋”是利用放出热量。
2)炭粉的主要作用是。
3)加入氯化钠的主要作用是。
4)木屑的作用是
*【拓展练习】
(1)若烧杯中溶液为稀硫酸,则观察到的现象。
两极反应式为:
正极;
负极。
该装置将能转化为能。
(2)若烧杯中溶液为氢氧化钠溶液,
则负极为,
总反应方程为。
【特别提醒】原电池中电子流出的电极一定为负极,但相对活泼的金属电极不一定是负极。
较易与电解质溶液反应的金属材料作原电池的负极。
【能力提升】
1.如下图所示的装置中,能够形成原电池,产生电流的是()
2.根据下式所表示的氧化还原反应设计一个原电池:
Cu(s)+2AgNO3(aq)=Cu(NO3)2(aq)+2Ag(s)
装置可采用烧杯和盐桥,画出此原电池的装置简图。
注明原电池的正极和负极
注明外电路中电子的流向
写出两个电极上的电极反应
3、下在铜一锌一硫酸构成的原电池中,当导线中有1mol电子通时,理论上的两极变化是()
①锌片溶解32.5g②锌片增重32.5g③铜片上析出1gH2④铜片上析出1molH2
A.①③B.①④C.②③D.②④
*4、(2007山东理综高考题)铁及铁的化合物应用广泛。
如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。
(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式 。
(2)若将
(1)中的反应设计成原电池,请画出原电池的装置图,标出正、负极,并写出电极反应式。
正极反应
负极反应
(3)腐蚀铜板后的混合溶液中,若Cu2+、Fe3+和Fe2+的浓度均为0.10mol•L-1,请参照下表给出的数据和药品,简述除去CuCl2溶液中Fe3+和Fe2+的实验步骤。
(4)某科研人员发现劣质不锈钢在酸中腐蚀缓慢,但在某些盐溶液中腐蚀现象明显。
请从上表提供的药品中选择两种(水可任选),设计最佳实验,验证劣质不锈钢易被腐蚀。
有关反应的化学方程式
劣质不锈钢腐蚀的实验现象