学年高二化学苏教版选修四同步导学专题1第2单元第1课时原电池的工作原理和化学电源.docx
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学年高二化学苏教版选修四同步导学专题1第2单元第1课时原电池的工作原理和化学电源
第二单元
化学能与电能的转化第一课时 原电池的工作原理和化学电源
1．原电池构成“三条件”：
（1）正负两个电极；
（2）电解质溶液；
（3）形成闭合回路。
2．原电池正、负极判断的“五招”：
（1）负极：
①活泼性较强的金属；②流出电子；③发生氧化反应；④阴离子流向的极；⑤电极不断溶解（质量减少）的极。
（2）正极：
①活泼性较弱的金属或非金属；②流入电子；③发生还原反应；④阳离子流向的极；⑤电极增重或有气体产生的极。
3．氢氧燃料电池的“两电极反应”：
（中性介质）
原电池的工作原理
[自学教材·填要点]
1．实验探究
（1）现象：
①锌片逐渐溶解；
②铜片上有红色物质析出；
③电流计指针发生偏转。
（2）结论：
导线上有电流通过。
2．原电池
（1）概念：
将化学能转化为电能的装置。
（2）构成条件：
3．工作原理
（1）原理分析：
电极
锌半电池
铜半电池
电极名称
负极
正极
得失电子
失电子
得电子
电子流向
电子流出
电子流入
反应类型
氧化反应
还原反应
电极反应式
Zn－2e－===Zn2＋
Cu2＋＋2e－===Cu
总电池反应式
Zn＋CuSO4===ZnSO4＋Cu
（2）盐桥：
[师生互动·解疑难]
判断原电池的正、负极
1．下列四位同学的说法正确的是（ ）
解析：
在原电池中，较活泼的金属作负极，失去电子发生氧化反应，电子从负极流出经导线流向正极，内电路中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，故只有A项正确。
答案：
A
化学电源
[自学教材·填要点]
1．一次电池
（1）特点：
只能放电，不能充电，消耗到一定程度就不能再使用。
（2）常见一次电池：
①普通锌锰干电池：
②碱性锌锰干电池：
③银锌钮扣电池：
2．二次电池
（1）特点：
既可以放电，又可以充电。
（2）常见二次电池（铅蓄电池）：
3．燃料电池
（1）特点：
连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能，能量利用率高，污染小。
（2）电极反应（碱性环境）：
负极：
H2－2e－＋2OH－===2H2O；
正极：
O2＋2e－＋H2O===2OH－；
总电池反应：
H2＋O2===H2O。
[师生互动·解疑难]
1．电极反应式书写“两情况”
（1）如果题目给定的是图示装置，先分析正、负极，再根据正、负极反应规律写电极反应式。
（2）如果题目给定的是总反应式，可分析此反应中的氧化反应或还原反应（分析有关元素的化合价变化情况），可选择一个简单变化情况写电极反应式，另一极的电极反应式可直接写或将各反应式看作数学中的代数式，用总反应式减去已写出的电极反应式即可（加、减法）。
加、减法书写电极反应式归纳：
电池总反应：
还原剂＋氧化剂＋介质===氧化产物＋还原产物＋其他；
负极：
还原剂＋介质－ne－===氧化产物（还原剂失去电子，发生氧化反应）；
正极：
氧化剂＋介质＋ne－===还原产物（氧化剂得到电子，发生还原反应）。
2．氢氧燃料电池电极反应式的书写“模板”
2．锌锰干电池在放电时，电池总反应方程式可以表示为Zn（s）＋2MnO2＋2NH===Zn2＋＋Mn2O3（s）＋2NH3＋H2O。
此电池放电时，在正极（碳棒）上发生反应的物质是（ ）
A．Zn B．碳
C．Zn2＋和NH3D．MnO2和NH
解析：
据总电池反应式可知负极失电子物质是Zn，正极得电子物质为MnO2，且介质参与该极反应。
答案：
D
原电池的工作原理
[例1] （2011·福建高考）研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。
该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。
关于该电池的下列说法不正确的是（ ）
A．水既是氧化剂又是溶剂
B．放电时正极上有氢气生成
C．放电时OH－向正极移动
D．总反应为：
2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑
[解析] 锂较活泼，与水发生自发的氧化还原反应：
2Li＋2H2O===2LiOH＋H2，故Li为负极，失电子成为Li＋，钢板为正极，放电时正极产生H2，在该反应中H2O作氧化剂，同时又作溶剂，溶液中离子移动方向：
OH－向负极移动。
故A、B、D正确，C错误。
[答案] C
原电池工作原理考查“五方面”
方面1：
判断原电池的正、负极；方面2：
判断电子（或电流）移动方向；方面3：
判断阴、阳离子的移动方向；方面4：
判断电极反应类型及正误；方面5：
判断电极反应式的正误。
1．如图所示的装置中，在产生电流时，以下说法不正确的是（ ）
A．Fe是负极，C是正极
B．负极反应式为：
Fe－3e－===Fe3＋
C．内电路中阴离子移向FeCl2溶液
D．电流由石墨电极流向Fe电极
解析：
据电极材料及电解质溶液知，铁为负极，失电子，电极反应为Fe－2e－===Fe2＋，正极为碳，电极反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋，总电池反应为Fe＋2FeCl3===3FeCl2，A正确，B错误；内电路中阴离子向负极移动，电流由正极（石墨）流向负极（铁），C、D正确。
答案：
B
化学电源及电极方程式的书写
[例2] （2012·北京海淀模拟）查处酒后驾驶采用的“便携式乙醇测量仪”以燃料电池为工作原理，在酸性环境中，理论上乙醇可以被完全氧化为CO2，但实际上乙醇被氧化为X，其中一个电极的反应式为：
CH3CH2OH－2e－===X＋2H＋。
下列说法中正确的是（ ）
A．电池内部H＋由正极向负极移动
B．另一极的电极反应式为：
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
C．乙醇在正极发生反应，电子经过外电路流向负极
D．电池总反应为：
2CH3CH2OH＋O2===2CH3CHO＋2H2O
[解析] 原电池工作时，阳离子向正极移动，A错误；因乙醇失电子，故该电极为负极，且据原子守恒知X为CH3CHO，则另一极（正极）为O2得电子，又因为是酸性环境，故正极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，将正、负极反应加和得到：
2CH3CH2OH＋O2===2CH3CHO＋2H2O，故B、C错误、D正确。
[答案] D
电极方程式书写注意事项
（1）首先确定正、负极，并列出正、负极上的反应物和电子得失情况。
（2）要特别注意电极产物与电解质溶液中的离子是否共存，若不共存，要将不能共存的离子合并写入电极反应式。
（3）碱性燃料电池电极反应的书写：
关键是判断负极反应物（如有机物）消耗O2的多少，确定失去电子的数目，利用得失电子守恒、电荷守恒、原子守恒配平负极的电极反应式。
负极：
有机物－ne－＋xOH－===yCO＋zH2O；
正极：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
2．一种燃料电池中发生的化学反应为：
在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。
该电池负极发生的反应是（ ）
A．CH3OH＋O2－2e－===H2O＋CO2＋2H＋
B．O2＋4H＋＋4e－===2H2O
C．CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋
D．O2＋2H2O＋4e－===4OH－
解析：
甲醇燃料电池是甲醇在负极发生氧化反应，氧气在正极发生还原反应，故A、B、D错误。
答案：
C
原电池原理的应用
[例3] （2012·邢台模拟）工业上利用氢气在氯气中燃烧，所得产物再溶于水的方法制得盐酸，流程复杂且造成能量浪费，有人设想利用原电池原理直接制备盐酸，下列说法正确的是（ ）
A．假设这种想法可行，则可能在制取盐酸的同时，获取电能
B．负极材料用锌，正极材料用石墨，用氢氧化钠作电解质溶液
C．通入氢气的电极为原电池的正极
D．电解质溶液中的阴离子向通氯气的电极移动
[解析] 该原电池应用惰性电极，氢气通入负极区，氯气通入正极区，稀盐酸作电解质溶液，B、C项错误；在原电池中，阳离子向正极区移动，阴离子向负极区移动，D项错误。
[答案] A
应用原电池原理设计原电池
以Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu为例：
3．一个原电池的总反应方程式为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该原电池可能为（ ）
选项
A
B
C
D
正极
Cu
Al
Zn
Fe
负极
Zn
Zn
Cu
Zn
电解质溶液
H2SO4
CuSO4
ZnCl2
CuCl2
解析：
由总反应式可知，Zn被氧化，失去电子，Zn应为负极；Cu2＋被还原，得电子，即电解质溶液应含Cu2＋，由此排除选项A、C，而且正极金属应比Zn活动性弱，可排除B选项。
答案：
D
[随堂基础巩固]
1．（2012·六安模拟）下列反应不可用于设计原电池的是（ ）
A．NaOH＋HCl===NaCl＋H2O
B．2CH3OH＋3O2―→2CO2＋4H2O
C．Zn＋2HCl===ZnCl2＋H2
D．4Al＋3O2＋6H2O===4Al（OH）3
解析：
原电池反应属于同时“异地”进行的氧化还原反应，A项不是氧化还原反应，故不可用于设计原电池。
答案：
A
2．用铜片、银片、Cu（NO3）2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥（装有琼脂－KNO3的U形管）构成一个原电池。
以下有关该原电池的叙述正确的是（ ）
①在外电路中，电流由铜电极流向银电极 ②正极反应为：
Ag＋＋e－===Ag ③实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作 ④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同
A．①② B．②③
C．②④D．③④
解析：
①Cu为负极，电子由Cu电极流向Ag电极；③取出盐桥，电池不能形成闭合回路，不能继续工作。
答案：
C
3．（2012·南通高二质检）科学家们发明了一种能够给电子设备提供动力的生物燃料电池。
该电池包括两个涂覆着酶的电极，它们处于充满空气和少量氢气的玻璃槽中。
由于气体可以混合从而省去了昂贵的燃料隔离膜，其工作原理如图所示。
下列说法正确的是（ ）
A．左边为该电池的负极
B．该电池可在高温环境下使用
C．该电池负极反应为H2－2e－===2H＋
D．该电池正极反应为O2＋4e－===2O2－
解析：
该电池右边为负极，失电子生成H＋，左边为正极，O2＋4e－＋4H＋===2H2O，该电池由于两个电极上都涂有酶，因此不可在高温环境下使用，因为高温时H2与O2会直接反应且酶会失去活性。
答案：
C
4．下图所示装置中，观察到电流计指针偏转，M棒变粗，N棒变细，由此判断下表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是（ ）
M
N
P
A
锌
铜
稀硫酸溶液
B
铜
铁
稀盐酸
C
银
锌
硝酸银溶液
D
锌
铁
硝酸铁溶液
解析：
该原电池中M棒变粗，N棒变细，说明原电池反应时N棒溶解作负极，溶液中有金属析出在M棒上。
M棒作正极。
A、B选项中，电解质溶液均为稀酸溶液，故正极均产生H2，不符合条件；C项，总反应为Zn＋2AgNO3===Zn（NO3）2＋2Ag，合理；D项，M极锌失电子溶解，不符合题意。
答案：
C
5．
（1）下列装置属于原电池的是__________；
（2）在选出的原电池中，______是负极，发生______反应，________是正极，该极的现象________，装置中的能量转化形式为________能转化为________能；
（3）此原电池反应的化学方程式为：
_______________
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