2019-2020年高中化學 第四章 第一節(jié) 原電池學案 新人教版選修4.doc

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2019-2020年高中化學 第四章 第一節(jié) 原電池學案 新人教版選修41.了解原電池的工作原理。2.能正確書寫電極反應式和電池反應方程式。3.能設計簡單的原電池。知識點一原電池工作原理閱讀教材P71P72，思考并填空。1原電池(1)概念：將化學能轉化為電能的裝置。(2)實質：自發(fā)進行氧化還原反應，把化學能轉化為電能。2原電池工作原理(以鋅銅原電池為例)裝置示意圖現(xiàn)象鋅片逐漸溶解，銅片上有紅色物質析出，質量增加，電流表指針發(fā)生偏轉電極Zn電極Cu電極電極名稱負極正極得失電子失電子得電子電子流向流出(填“出”或“入”)流入(填“出”或“入”)反應類型氧化反應還原反應電極反應式Zn2e=Zn2Cu22e=Cu總反應式ZnCu2=CuZn23.鹽橋(1)成分：含有瓊膠的KCl飽和溶液。(2)離子移動方向：Cl移向ZnSO4溶液(負極區(qū))，K移向CuSO4溶液(正極區(qū))。(3)作用：使兩個半電池形成通路，并保持兩溶液的電中性。4原電池形成的條件(1)兩個活潑性不同的電極。(2)電解質溶液或熔融電解質。(3)形成閉合回路(或兩極直接接觸)。(4)能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應。5原電池兩極負極：一般是活潑性較強的金屬，發(fā)生氧化反應。正極：一般是活潑性較弱的金屬(或導電非金屬)，發(fā)生還原反應。判斷正誤(1)原電池是把化學能轉化為電能的一種裝置。()(2)原電池正極發(fā)生氧化反應，負極發(fā)生還原反應。()(3)不能自發(fā)進行的氧化還原反應，通過原電池裝置可以實現(xiàn)。()(4)碳棒不能用來作原電池的電極。()(5)反應Cu2Ag=2AgCu2能以原電池的形式來實現(xiàn)。()答案：(1)(2)(3)(4)(5)原電池的工作原理及正負極的判斷1工作原理示意圖(以銅鋅原電池為例)2原電池電極的判斷正確理解原電池的負極一般，在原電池反應中活潑金屬作負極包含兩層含義：(1)“活潑”是指相對活潑而不是絕對活潑。 (2)在大部分原電池反應中，金屬活動性較強的一極作負極，另一電極作正極。但在某些特殊條件下例外，例如：冷的濃硝酸作電解質溶液，金屬鐵或鋁與金屬銅作電極時，鐵或鋁在冷的濃硝酸中鈍化，金屬活動性弱的銅與濃硝酸發(fā)生氧化反應充當負極。NaOH溶液作電解質溶液，金屬鎂與金屬鋁作電極時，因鋁能與NaOH溶液反應，充當負極，而金屬活動性強的鎂只能充當正極。有關右圖所示原電池的敘述，正確的是(鹽橋中裝有含瓊膠的KCl飽和溶液) ()A銅片上發(fā)生氧化反應B取出鹽橋后，電流計依然發(fā)生偏轉C反應中，鹽橋中的K會移向CuSO4溶液D反應前后銅片質量不改變解析左池中Cu2放電，發(fā)生還原反應，A錯；取出鹽橋后，未形成閉合回路，無電流，B錯；鹽橋中陽離子向正極遷移，C對；左池中有銅析出，銅片質量增加，D錯。答案C對于例1：(1)若將銅片改為碳棒，電流表指針是否偏轉？若偏轉，請寫出原電池反應的總離子方程式。(2)原電池反應中有0.1 mol電子轉移時，正極析出銅的質量為多少？答案：(1)偏轉；ZnCu2=Zn2Cu。(2)正極析出銅3.2 g。原電池工作原理的記憶方法原電池工作原理主要考查：正負極的判斷；電子移動方向；離子移動方向(陰離子移向負極，陽離子移向正極)；反應類型及電極反應式書寫和現(xiàn)象判斷。可從口訣記憶：原電池有兩極，活潑金屬作負極；負極氧化正還原，電子由負流向正。 原電池的構成1下列反應不可用于設計原電池的是()ANaOHHCl=NaClH2OB2CH3OH3O22CO24H2OCZn2HCl=ZnCl2H2D4Al3O26H2O=4Al(OH)3解析：選A。只有自發(fā)進行的氧化還原反應才能設計成原電池，中和反應不是氧化還原反應。2下列裝置中，電流表指針能發(fā)生偏轉的是()解析：選D。A項中鋅電極和乙燒杯中的電解質溶液不能發(fā)生氧化還原反應，不能構成原電池，錯誤；B項中冰醋酸不導電，不能構成原電池，錯誤；C項中裝置符合構成原電池的條件，但兩極直接接觸，相當于短路，因此電路中無電流，錯誤。原電池工作原理3如圖所示的裝置中，在產生電流時，以下說法不正確的是()AFe是負極，C是正極B負極反應式為Fe3e=Fe3C內電路中陰離子移向FeCl2溶液D電流由C電極流向Fe電極解析：選B。Fe與C作為原電池的電極，則Fe為負極，C是正極；Fe在負極發(fā)生氧化反應生成Fe2，因此B項錯誤；且左邊燒杯中正電荷增加，必然使鹽橋中的陰離子移向FeCl2溶液；電子由Fe電極流向C電極，則電流由C電極流向Fe電極。4.如右圖是Zn和Cu形成的原電池，某實驗興趣小組做完實驗后，在讀書卡片上記錄如下。在卡片上，描述合理的是() 實驗后的記錄：Zn為正極，Cu為負極H向負極移動電子流動方向ZnCuCu極上有H2產生若有1 mol電子流過導線，則產生H2為0.5 mol正極的電極反應式為Zn2e=Zn2A BC D解析：選B。Zn比Cu活潑，Zn為負極，電極反應為Zn2e=Zn2，Cu為正極，電極反應為2H2e=H2，每轉移1 mol電子，產生0.5 mol H2，電子由負極Zn流出，經導線流向正極銅片，溶液中H向正極移動，SO向負極移動。知識點二原電池原理的應用閱讀教材P72，思考并填空。原電池的設計從理論上講，能自發(fā)進行的氧化還原反應均可以設計成原電池，實際設計時應注意以下幾點：1外電路負極(還原性較強的物質)正極(氧化性較強的物質)。2內電路將兩電極浸入電解質溶液中，陰、陽離子作定向移動。3閉合回路如圖為某小組為研究電化學原理設計的裝置。將銅棒和碳棒插入FeCl3溶液中用導線連接，并滴入幾滴硫氰化鉀溶液，反應一段時間后，下面說法正確的是()A銅的金屬活動性較弱，作正極，電極反應為Cu2e=Cu2B電子從碳棒流向銅棒C碳棒上發(fā)生的反應為2Fe32e=2Fe2D溶液中的Fe3向銅棒移動解析：選C。該原電池中C作正極，電極反應式為2Fe32e=2Fe2；Cu作負極，電極反應式為Cu2e=Cu2，電子從銅棒流向碳棒。溶液中的Fe3向碳棒(正極)移動。原電池原理的應用1加快氧化還原反應的速率例如：在鋅與稀硫酸反應時加入少量CuSO4溶液，能使產生H2的速率加快。2比較金屬活動性強弱3用于金屬的保護請見本章第四節(jié)知識點二。4設計化學電池例如：以2FeCl3Cu=2FeCl2CuCl2為依據(jù)，設計一個原電池。(1)將氧化還原反應拆成氧化反應和還原反應兩個半反應，分別作原電池的負極和正極的電極反應式。負極：Cu2e=Cu2，正極：2Fe32e=2Fe2。(2)確定電極材料若發(fā)生氧化反應的物質為金屬單質，可用該金屬直接作負極；若發(fā)生氧化反應的為氣體(如H2)或溶液中的還原性離子，可用惰性電極(如Pt、碳棒)作負極。發(fā)生還原反應的電極材料一般不如負極材料活潑。本例中可用銅棒作負極，用鉑絲或碳棒作正極。(3)確定電解質溶液一般選用反應物中的電解質溶液即可，如本例中可用FeCl3溶液作電解液。(4)構成閉合回路：將電極用導線連接，使之構成閉合回路。(1)為獲得持續(xù)、穩(wěn)定、較強的電流，所選用的電解質溶液一般能與負極發(fā)生氧化還原反應，而且使用鹽橋將兩個半電池連通。(2)設計原電池時，若氧化還原方程式中無明確的電解質溶液，可用水作為電解質，但為了增強其導電性，通常加入強堿或一般的強酸，如燃料電池，水中一般要加入KOH或H2SO4。設計原電池Zn2Fe3=Zn22Fe2，在方框中畫出能形成穩(wěn)定電流的裝置圖(標出電極材料、電解質溶液)。負極：_，電極反應：_。正極：_，電極反應：_。解析由題意知所要求設計的裝置圖中有鹽橋，分析元素化合價的變化可知，Zn為負極，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溶液。答案見下圖(合理即可)ZnZn2e=Zn2Pt2Fe32e=2Fe2在設計原電池裝置時，由自發(fā)的氧化還原反應方程式，如何確定原電池的正、負極，如反應：Fe2Fe3=3Fe2。答案：由反應方程式根據(jù)氧化還原反應原理先確定好負極，如該反應中Fe發(fā)生失電子的氧化反應，確定Fe為負極，正極應為活潑性弱于Fe的金屬材料或能導電的石墨。原電池的設計方法“兩極一液一連線”(1)根據(jù)電池總反應寫出電極反應式。(2)電極材料的選擇：電池的電極必須導電。一般電池中的負極必須能夠與電解質溶液反應，容易失去電子，因此負極一般是活潑的金屬材料，所以正極和負極不能用同一種材料，兩個電極可以是活潑性不同的兩種金屬或一種金屬和非金屬。(3)電解質溶液的選擇電解質溶液是為正極提供放電的物質，一般能夠與負極發(fā)生反應。(4)形成閉合回路。利用原電池判斷金屬的活潑性1M、N、P、E四種金屬：MN2=NM2M、P用導線連接放入硫酸氫鈉溶液中，M表面有大量氣泡N、E用導線連接放入E的硫酸鹽溶液中，電極反應為E22e=E，N2e=N2。四種金屬的還原性由強到弱的順序是()AP、M、N、E BE、N、M、PCP、N、M、E DE、P、M、N解析：選A。由知，金屬活動性MN；M、P用導線連接放入硫酸氫鈉溶液中，M表面產生氣泡，M作原電池正極，活動性PM；N、E構成的原電池N作負極，活動性NE。2鋅與100 mL 1 mol/L鹽酸反應的實驗中，若設想向溶液中加入少量的醋酸鈉，溴化銅，醋酸銅(均為可溶性鹽)，并測定生成H2的速率(mL/min)，預計三種方案的速率大小可能是()A BC D解析：選C。醋酸鈉與鹽酸反應減小了氫離子濃度，反應速率減慢；溴化銅與鋅反應置換出銅，形成銅鋅原電池，加快了反應速率；醋酸銅既有減小反應速率的因素又有加快反應速率的因素，不好判斷以哪個因素為主。由的速率最大可確定答案為C。設計原電池3根據(jù)下式所表示的氧化還原反應設計一個原電池：Cu2Ag=Cu22Ag。(1)裝置采用燒杯和鹽橋，畫出此原電池的裝置圖，注明原電池的正、負極和外電路中電子的流向。(2)寫出兩個電極上的電極反應。解析：首先將已知反應拆成兩個半反應：Cu2e=Cu2，2Ag2e=2Ag，然后結合原電池的電極反應特點分析可知，該電池的負極材料為Cu，正極材料為Ag。原電池由兩個半電池組成，銅和銅鹽溶液組成銅半電池，銀和銀鹽溶液組成銀半電池，中間通過鹽橋連接起來。答案：(1)如圖所示(2)負極(Cu極)：Cu2e=Cu2，正極(Ag極)：2Ag2e=2Ag。4在制作印刷電路板的過程中常利用的反應的離子方程式是_。依據(jù)該反應，設計一個鹽橋原電池，畫出實驗裝置圖，指出正、負極并寫出電極反應式，標出電子流動方向。解析：常用FeCl3溶液刻蝕電路板，所發(fā)生反應的離子方程式為2Fe3Cu=2Fe2Cu2。該反應中，發(fā)生氧化反應的是Cu，Cu作負極；發(fā)生還原反應的是Fe3，在正極獲得電子，轉化為Fe2。因此，應選用Cu作負極，浸入CuCl2溶液中；選用石墨作正極，浸入FeCl3溶液中。答案：2Fe3Cu=2Fe2Cu2實驗裝置和電子流向如圖所示負極為Cu：Cu2e=Cu2，正極為石墨：2Fe32e=2Fe2。 重難易錯提煉1.構成原電池的“四條件”(1)正、負兩個電極。(2)電解質溶液或熔融電解質。(3)形成閉合回路。(4)自發(fā)的氧化還原反應。2.判斷原電池正、負極的“四方法”(1)負極活潑性較強的金屬；流出電子的一極；發(fā)生氧化反應的一極；陰離子移向的一極。(2)正極活潑性較弱的金屬或導電的非金屬(碳棒)；流入電子的一極；發(fā)生還原反應的一極；陽離子移向的一極。3.利用原電池原理可加快化學反應速率。課后達標檢測基礎鞏固1在理論上可設計成原電池的化學反應是()AC(s)H2O(g)=CO(g)H2(g)H0BBa(OH)28H2O(s)2NH4Cl(s)=BaCl2(aq)2NH3H2O(l)8H2O(l)H0CCaC2(s)2H2O(l)=Ca(OH)2(s)C2H2(g)H0DCH4(g)2O2(g)=CO2(g)2H2O(l)H0解析：選D。能設計成原電池的化學反應屬于能自發(fā)進行的放出能量的氧化還原反應。A為吸熱的非自發(fā)氧化還原反應，B、C不屬于氧化還原反應，D為能自發(fā)進行的放出能量的氧化還原反應。2如圖所示的裝置能夠組成原電池產生電流的是()解析：選B。依據(jù)構成原電池的四個必要條件分析：A中兩電極相同；C中沒有構成閉合回路；D中酒精是非電解質。3有甲、乙兩位同學，他們一起做了水果電池的實驗，測得數(shù)據(jù)如下：實驗次數(shù)電極材料水果品種電極間距/cm電壓/mV1鋅銅菠蘿39002鋅銅蘋果36503鋅銅柑橘38504鋅銅西紅柿37505鋅鋁菠蘿36506鋅鋁蘋果3450下列對于甲同學提出的問題，乙同學解釋不正確的是()甲：實驗6中的負極反應式如何寫？乙：鋁為負極，Al3e=Al3。甲：實驗1和實驗5電流方向為什么相反？乙：實驗1中鋅為負極，電流由銅經導線流向鋅；實驗5中鋁為負極，電流由鋅經導線流向鋁。甲：水果電池的電壓與哪些因素有關？乙：只跟水果的類型有關。ABC D解析：選A。實驗6中Al為負極，故負極反應式為Al3e=Al3，正確；實驗1中Zn為負極，實驗5中Al為負極，正確；對比實驗1和實驗5可發(fā)現(xiàn)水果類型相同時，電極材料不同，電壓也不相同，不正確。4X、Y、Z、W四塊金屬分別用導線兩兩相連浸入稀硫酸中，組成原電池。X、Y相連時，X為負極；Z、W相連時，電流方向是WZ；X、Z相連時，Z極上產生大量氣泡；W、Y相連時，W極發(fā)生氧化反應。據(jù)此判斷四種金屬的活潑性順序是()AXZWY BZXYWCWXYZ DYWZX解析：選A。在原電池中，一般較活潑的金屬作負極，失去電子，發(fā)生氧化反應；較不活潑的金屬作正極，得到電子，發(fā)生還原反應。電子由負極經導線流向正極，與電流的方向相反。X、Y相連時，X為負極，則活潑性XY；Z、W相連時，電流方向是WZ，則活潑性ZW；X、Z相連時，Z極上產生大量氣泡，則活潑性XZ；W、Y相連時，W極發(fā)生氧化反應，則活潑性WY。綜上所述，可以得出金屬的活潑性順序是XZWY。5某原電池總反應為Cu2Fe3=Cu22Fe2，下列能實現(xiàn)該反應的原電池是()選項ABCD電極材料Cu、ZnCu、CFe、ZnCu、Ag電解液FeCl3Fe(NO3)2CuSO4Fe2(SO4)3答案：D6在如圖所示的裝置中，觀察到電流計指針偏轉，M棒變粗，N棒變細，由此判斷表格中所列M、N、P物質，其中可以成立的是()MNPAZnCu稀硫酸BCuFe稀鹽酸CAgZn硝酸銀溶液DZnFe硝酸鐵溶液解析：選C。從題設條件，M棒變粗，N棒變細分析：M棒為原電池正極，N棒為原電池負極；N棒金屬材料的活潑性要大于M棒材料的活潑性；電解質溶液中所含陽離子必須能在M棒上析出。只有C項符合，負極材料Zn溶解，變細；Ag被還原，在正極材料Ag表面析出，變粗。7100 mL濃度為2 mol/L的鹽酸跟過量的鋅片反應，為加快反應速率，又不影響生成H2的總量，可采用的方法是()A加入適量6 mol/L的鹽酸B加入幾滴CuCl2溶液C加入適量蒸餾水D加入適量的NaCl溶液解析：選B。Zn置換出CuCl2中的Cu，CuZn稀鹽酸構成原電池，加快了反應速率，同時也不影響產生H2的總量。8在盛有稀H2SO4的燒杯中放入用導線連接的電極X、Y，外電路中電子流向如圖所示，關于該裝置的下列說法正確的是()A外電路的電流方向為XA YB若兩極分別為鐵和碳棒，則X為碳棒，Y為鐵CX極上發(fā)生的是還原反應，Y極上發(fā)生的是氧化反應D若兩電極都是金屬，則它們的活動性順序為XY解析：選D。外電路電子流向為XA Y，電流方向與其相反；X極失電子發(fā)生氧化反應，作負極，Y極發(fā)生的是還原反應；若兩極分別為鐵和碳棒，則Y為碳棒，X為鐵。9已知某原電池的電極反應是Fe2e=Fe2、Cu22e=Cu，據(jù)此設計原電池，并回答下列問題。(1)若原電池裝置為上圖甲所示：電極材料A是_，B是_。(寫名稱)A電極觀察到的現(xiàn)象是_。(2)若原電池裝置為上圖乙所示：電極材料X是_(填序號，下同)。a鐵 b銅 c石墨電解質Y是_。aFeSO4 bCuSO4 cCuCl2解析：(1)結合氧化還原反應的知識可知Fe2e=Fe2是負極反應，故Fe作負極，即為B；Cu22e=Cu是正極反應，故A可以是銅，現(xiàn)象是看到有紅色物質析出。(2)不含鹽橋的原電池中正極材料是比負極金屬活潑性差的金屬或導電的非金屬即可，故此時正極是銅或石墨，但負極只能是鐵，電解質溶液是含不活潑金屬離子的鹽溶液，可為硫酸銅、氯化銅或硝酸銅。答案：(1)銅(答案合理即可)鐵有紅色物質析出 (2)bcbc能力提升10下圖中甲和乙均是鹽橋原電池裝置。判斷下列說法不正確的是()A甲中電池總反應的離子方程式為Cd(s)Co2(aq)=Co(s)Cd2(aq)B反應2Ag(s)Cd2(aq)=Cd(s)2Ag(aq)能夠發(fā)生C鹽橋的作用是形成閉合回路，并使兩燒杯中溶液保持電中性D乙電池中有1 mol電子通過外電路時，正極有108 g Ag析出解析：選B。根據(jù)甲、乙裝置分析可知A項正確，且可推知Cd的活潑性強于Ag，故Ag不能置換出Cd，B項錯誤。11下列敘述正確的是 ()A反應AlCl34NaOH=NaAlO23NaCl2H2O，可以設計成原電池BZn和稀硫酸反應時，加入少量CuSO4溶液能加快產生H2的速率C把鐵片和銅片放入稀硫酸中，并用導線把二者相連，觀察到銅片上產生大量氣泡，說明Cu與H2SO4能發(fā)生反應而Fe被鈍化DZnCu原電池工作過程中，溶液中H向負極做定向移動解析：選B。A項，該反應不屬于氧化還原反應，不能用于設計原電池；B項，鋅與置換出來的銅在電解質溶液中構成原電池，加快產生H2的速率；C項，Cu與稀硫酸不反應，F(xiàn)e在稀硫酸中不發(fā)生鈍化；D項，H應向原電池的正極做定向移動。12鎂及其化合物一般無毒(或低毒)、無污染，且鎂原電池放電時電壓高而平穩(wěn)，使鎂原電池成為人們研制綠色原電池的關注焦點。其中一種鎂原電池的反應為xMgMo3S4MgxMo3S4，在鎂原電池放電時，下列說法錯誤的是 ()AMg2向正極遷移BMo3S4得到電子CMo3S4發(fā)生氧化反應D負極反應為Mg2e=Mg2解析：選C。該原電池反應中鎂是還原劑，作原電池的負極，失去電子，電極反應是Mg2e=Mg2； Mo3S4在反應中是氧化劑，得到電子，發(fā)生還原反應；溶液中陽離子向正極移動，故A、B、D正確，C錯誤。13由鋅片、銅片和200 mL稀H2SO4組成的原電池如下圖所示：(1)原電池的負極反應是_，正極反應是_。(2)電流的方向是_。(3)一段時間后，當在銅片上放出1.68 L(標準狀況)氣體時，H2SO4恰好消耗一半。則產生這些氣體的同時，共消耗_g鋅，有_個電子通過了導線，原硫酸的物質的量濃度是_。解析：(3)產生0.075 mol H2，通過0.075 mol20.15 mol電子，消耗0.075 mol Zn和0.075 mol H2SO4。所以m(Zn)0.075 mol65 gmol14.875 g，N(e)0.15 mol6.021023 mol19.031022，c(H2SO4)0.75 molL1。答案：(1)Zn2e=Zn22H2e=H2(2)由Cu極流向Zn極(3)4.8759.0310220.75 molL114控制適合的條件，將反應2Fe32I2Fe2I2設計成如圖所示的原電池?；卮鹣铝袉栴}：(1)反應開始時，乙中石墨電極上發(fā)生_反應(填“氧化”或“還原”)，鹽橋中的陰離子移向_(填“甲”或“乙”)燒杯。(2)反應開始時，甲中石墨電極上的電極反應式為_。(3)反應達到化學平衡狀態(tài)時，電流計指針是否偏轉？_(填“是”或“否”)。(4)反應達到平衡狀態(tài)后，在甲中溶入FeCl2固體，則乙中石墨電極為_極。解析：(1)由反應方程式可知，開始時乙中石墨為負極，負極上應發(fā)生氧化反應。鹽橋中的陰離子移向乙燒杯(負極)。(2)開始時，甲中石墨電極為正極，F(xiàn)e3發(fā)生還原反應，電極反應式：Fe3e=Fe2。(3)平衡狀態(tài)時，正、逆反應速率相等，則能量轉化為0，電流計不再偏轉。(4)平衡后，甲中加入FeCl2固體，平衡2Fe32I2Fe2I2逆向移動，則Fe2失電子，甲中石墨作負極；I2得電子，乙中石墨作正極。答案：(1)氧化乙(2)Fe3e=Fe2(3)否(4)正