学年人教版选修4 第4章第1节 原电池 学案.docx

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学年人教版选修4第4章第1节原电池学案

第一节　原电池

学习目标：

1.能够根据实验目的对原电池装置的设计和优化进行评价，理解构成原电池装置的条件。

（重点）2.以物质运动和变化思想，用氧化还原反应和离子移动观点理解原电池的工作原理。

（难点）3.能够根据相关信息，理解原电池的应用和会设计原电池。

（难点）

[自主预习·探新知]

一、原电池工作原理

1．原电池：

利用氧化还原反应原理将化学能转化为电能的装置。

2．原电池构成条件

3．原电池工作原理（以锌铜原电池为例）

装置

现象

锌片逐渐溶解，铜片

上有红色物质析出，

电流表指针发生偏转

电极名称

Zn电极—负极

Cu电极—正极

得失电子

失电子

得电子

电子流向

流出

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

总反应式

Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

二、原电池的设计

理论上，能自发进行的氧化还原反应均能设计成原电池。

实际设计时应注意以下几方面。

（1）外电路

负极（还原性较强的物质）

正极（较稳定的金属或能导电的非金属）。

（2）内电路

将两极浸入电解质溶液中，使阴、阳离子做定向移动。

（3）闭合电路

[基础自测]

1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（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，铜片是正极，锌片上一定没有气泡产生。

（　　）

（4）所有化学反应的化学能均能直接转变成电能。

（　　）

（5）原电池工作时，电路中通过的电量等于阴阳两极通过的电量之和。

（　　）

【答案】　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）×

2．对于原电池的电极名称，叙述错误的是（　　）

A．发生氧化反应的一极为负极

B．正极为电子流入的一极

C．比较不活泼的金属为负极

D．电流流出的一极为正极

C　[原电池中相对活泼的金属为负极，发生氧化反应；相对不活泼的金属（或非金属导体）为正极，发生还原反应。

]

[合作探究·攻重难]

原电池工作原理

[思考交流]

将锌片和铜片分别通过导线与电流计连接，同时浸入盛有CuSO4溶液的烧杯中，装置如图。

（1）如图装置两金属表面如何变化？

电流计指针是否发生偏转？

请分析铜片和锌片上的反应。

【提示】　Zn被腐蚀，Cu上有固体析出。

电流计指针发生偏转。

Zn片：

Zn－2e－===Zn2＋　铜片：

Cu2＋＋2e－===Cu

（2）在图示装置中，若实验进行一段时间，电流计指针偏转的角度减小，最终没有电流通过。

同时锌片表面逐渐被铜全部覆盖。

这是什么原因？

如何避免这种状况？

【提示】　Zn与Cu2＋发生反应：

Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋，覆盖在Zn片上。

为避免这种情况发生，可以采用盐桥。

1．工作原理

2．原电池正负极的判断

3．电极反应式书写的一般步骤：

[对点训练]

1．锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是（　　）

A．铜电极上发生氧化反应

B．电池工作一段时间后，甲池的c（SO

）减小

C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加

D．阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡

C　[A.Cu作正极，电极上发生还原反应，错误；B.电池工作过程中，SO

不参加电极反应，故甲池的c（SO

）基本不变，错误；C.电池工作时，甲池反应为Zn－2e－===Zn2＋，乙池反应为Cu2＋＋2e－===Cu，甲池中Zn2＋会通过阳离子交换膜进入乙池，以维持溶液中电荷平衡，由电极反应式可知，乙池中每有64gCu析出，则进入乙池的Zn2＋为65g，溶液总质量略有增加，正确；D.由题干信息可知，阴离子不能通过阳离子交换膜，错误。

]

2．如图所示，将锌、铜通过导线相连，置于稀硫酸中。

（1）锌片上的现象是__________________，电极反应式为__________________。

（2）铜片上的现象是__________________，电极反应式为__________________。

（3）电流由________经导线流向_______，说明____________为正极，________为负极。

（4）若反应过程中有0.2mol电子发生转移，则生成的氢气在标准状况下的体积为________。

（5）若将电解质溶液换成硫酸铜溶液，能否形成原电池？

________（填“能”或“不能”）。

若能，请写出电极反应式

_______________________________________________________________；

若不能，请说明理由____________________________________________。

【答案】　

（1）锌片溶解变薄　Zn－2e－===Zn2＋

（2）有气泡冒出　2H＋＋2e－===H2↑

（3）铜　锌　铜　锌

（4）2.24L

（5）能　负极：

Zn－2e－===Zn2＋、正极：

Cu2＋＋2e－===Cu

原电池原理的应用

[思考交流]

根据电极材料Fe、Cu、石墨，电解质溶液：

CuCl2溶液、FeCl3溶液、NaOH溶液，选择合适的材料和溶液，运用原电池原理设计实验装置，验证Cu2＋、Fe3＋的氧化性的强弱。

（1）如何证明氧化性：

Fe3＋>Cu2＋？

【提示】　利用反应：

2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋，氧化性：

氧化剂（Fe3＋）>氧化产物（Cu2＋）。

（2）请画出相关的原电池装置图（含盐桥）。

【提示】　

（3）该原电池正极反应类型是什么？

负极反应类型是什么？

【提示】　还原反应，氧化反应

（4）正极区域、负极区域有何现象？

【提示】　负极：

Cu棒不断溶解；正极：

溶液由黄色变为浅绿色。

（5）写出电极反应式以及电池反应方程式。

【提示】　负极：

Cu－2e－===Cu2＋

正极：

2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

总反应：

2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋

1．加快氧化还原反应的速率

如：

在锌与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液，能使产生H2的速率加快。

2．比较金属活动性强弱

3．设计原电池

以Cu＋2AgNO3===Cu（NO3）2＋2Ag为依据，设计一个原电池。

（1）将氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个半反应，分别作原电池的负极和正极的电极反应式。

本例的电极反应式为：

负极：

Cu－2e－===Cu2＋，正极：

2Ag＋＋2e－===2Ag。

（2）确定电极材料。

发生氧化反应的物质为金属单质，可用该金属直接作负极；如为气体（如H2）或溶液中的还原性离子，可用惰性电极（如Pt、碳棒）作负极。

发生还原反应的电极材料一般不如负极材料活泼。

本例中可用铜棒作负极，用银棒作正极。

（3）确定电解质溶液。

电解质是使负极放电的物质，因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应。

或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应（如空气中的氧气）。

但如果两个半反应分别在两个容器中进行（中间连接盐桥），则左右两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子。

如本例中可用AgNO3溶液作电解液。

（4）构成闭合回路：

将电极用导线连接，使之构成闭合回路。

（5）图示：

[对点训练]

3．①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。

①②相连时，外电路电流从②流向①；①③相连时，③为正极；②④相连时，②上有气泡逸出；③④相连时，③的质量减少。

据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是（　　）

A．①③②④B．①③④②

C．③④②①D．③①②④

B　[利用原电池的形成和工作原理解决问题。

在外电路中，电流从正极流向负极，则①作原电池的负极，②作正极，故活动性①>②；活动性相对较差的金属作原电池的正极，故金属的活动性①>③；有气泡产生的电极发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑，为原电池的正极，故活动性④>②；质量减少的电极发生氧化反应生成金属离子而溶解，为负极，故活动性③>④，由此可得金属活动性：

①>③>④>②。

]

4．某实验小组同学为探究电化学原理，进行了如下一系列实验。

（1）该实验小组同学设计了如图所示的原电池装置，该原电池反应为_______________________________________________________________

（用离子方程式表示）。

经测定发现，反应前两电极质量相等，一段时间后，两电极质量相差12g，则导线中通过了________mol电子。

（2）若将CuCl2溶液换为NH4Cl溶液，则石墨电极上的电极反应式为_______________________________________________________________，

这是由于NH4Cl溶液显________（填“酸性”“碱性”或“中性”），用离子方程式表示NH4Cl溶液显此性的原因：

________________________________。

取少量铁电极附近的溶液置于试管中，向其中滴加少量新制饱和氯水，则发生反应的离子方程式为

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________。

【解析】　

（1）根据图可知反应离子方程式为：

Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu。

负极反应为：

Fe－2e－===Fe2＋，正极反应Cu2＋＋2e－===Cu，故转移2mol电子，两极质量差为120g，则两极质量差为12g时，转移电子0.2mol。

（2）NH4Cl溶液由于NH

水解而显酸性：

NH

＋H2O

NH3·H2O＋H＋，故石墨电极放电的是H＋：

2H＋＋2e－===H2↑。

负极区生成Fe2＋，Fe2＋易被氯水氧化。

【答案】　

（1）Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu　0.2

（2）2H＋＋2e－===H2↑　酸性　NH

＋H2O

NH3·H2O＋H＋

2Fe2＋＋Cl2===2Fe3＋＋2Cl－

[当堂达标·固双基]

1．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．原电池工作时，电流的方向是从负极到正极

B　[A项，构成原电池的正极和负极可能是两种不同的金属，也可能是导电的非金属（如石墨棒）和金属，错误；B项，原电池是将化学能转变为电能的装置，正确；C项，在原电池中，负极上失去电子发生氧化反应，正极上得到电子发生还原反应，电子从负极沿导线流向正极，错误；D项，原电池放电时，电子从负极沿导线流向正极，电流的方向是从正极到负极，错误。

]

[题后反思]　原电池有两极，活泼金属作负极；负极氧化正极还原，电子由负流向正。

2．将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是（　　）

A．两烧杯中铜片表面均无气泡产生

B．甲中铜片是正极，乙中铜片是负极

C．两烧杯中溶液的pH均增大

D．产生气泡的速率甲比乙慢

C　[甲装置是铜锌原电池，乙不能形成原电池装置。

所以乙烧杯中铜表面无气泡生成，甲中铜表面有气泡生成，A错；乙中Cu片不可能是负极，B错；甲、乙两装置发生的反应均是Zn＋2H＋===H2↑＋Zn2＋，所以两烧杯中溶液的pH均增大，C对；因甲是原电池装置，所以甲烧杯中产生H2的速率快，D错。

]

3．用铁片与稀硫酸反应制氢气时，下列不能使氢气生成速率加快的是（　　）

A．加热

B．不用稀硫酸，改用98%浓硫酸

C．加少量硫酸铜溶液

D．不用铁片，改用铁粉

B　[加热升高温度和增大固体反应物的接触面积都能加快化学反应速率，A、D正确；铁在浓硫酸中钝化，不产生氢气，B错误；加入少量硫酸铜溶液，由于Cu2＋＋Fe===Cu＋Fe2＋，则构成铜—铁—稀硫酸原电池，加快了铁片与稀硫酸反应制氢气的速率，C正确。

]

4．依据氧化还原反应：

2Ag＋（aq）＋Cu（s）===Cu2＋（aq）＋2Ag（s）设计的原电池，如图所示。

CuSO4溶液　　Y

请回答下列问题：

（1）电极X的材料是______；电解质溶液Y是________________________。

（2）银电极为电池的________极，发生的电极反应为________________________。

X电极上发生的电极反应为___________________

_______________________________________________________________。

（3）外电路中的电子是从______极流向______极。

【解析】　原电池中负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应，盐桥起到形成闭合回路、平衡电荷的作用。

由总反应方程式可知电极X的材料是铜，发生氧化反应，电解质溶液Y是可溶性银盐溶液，常用硝酸银溶液。

电极反应式表示为负极：

Cu－2e－===Cu2＋，正极：

Ag＋＋e－===Ag，电子由负极（或Cu）出发，经外电路流向正极（或Ag）。

【答案】　

（1）铜（或Cu）　AgNO3溶液

（2）正　Ag＋＋e－===Ag　Cu－2e－===Cu2＋

（3）负（或Cu）　正（或Ag）