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高中化学 原电池(基础)知识讲解学案 新人教版选修4

原电池

【学习目标】

1、进一步了解原电池的工作原理;

2、能够写出原电池的电极反应式和原电池的总反应方程式。

【要点梳理】

要点一、原电池

1、概念:将化学能转化为电能的装置叫原电池。

【高清课堂:原电池#原电池的组成条件】

2、原电池的构成条件

①两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属),分别发生氧化和还原反应。

负极:活泼性强,失去电子发生氧化反应。

正极:活泼性弱,溶液中阳离子得到电子发生还原反应。

②电解质溶液,电解质中阴离子向负极方向移动,阳离子向正极方向移动,阴阳离子定向移动形成内电路。

③导线将两电极连接,形成闭合回路。

④有能自发进行的氧化还原反应。

要点诠释:a.原电池中,电极材料可能与电解质反应,也可能与电解质不反应。如图:

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b.形成闭合回路的方式有多种,可以是用导线连接两个电极,也可以是两电极直接接触。如图:

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要点二、原电池工作原理的实验探究

【高清课堂:原电池#原电池的工作原理】

1、实验设计

①按照图示装置进行实验。请观察两个金属片插入溶液后电流表指针位置的变化、金属电极表面的变化以及溶液温度的变化,分析是否有电流产生。

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②按照下图组装实验装置,注意最后将盐桥插入两种电解质溶液中。请观察反应过程中电流表指针位置的变化,判断是否有电流产生,并观察电极表面以及溶液温度的变化情况。

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要点诠释:盐桥的作用及优点

a.组成:将热的饱和KCl或NH4NO3琼胶溶液倒入U形管中(不能产生裂隙),即可得到盐桥。将冷却后的U 形管浸泡在KCl饱和溶液或NH4NO3饱和溶液中备用。

b.作用:使两个半电池中的溶液连成一个通路。

c.优点:使原电池中的氧化剂和还原剂近乎完全隔离,并在不同区域之间实现了电子的定向移动,使原电池能持续、稳定地产生电流。

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①对于图甲装置

Zn片:Zn-2e-=Zn2+

Cu片:Cu2++2e-=Cu

同时在Zn片上,Zn可直接与CuSO4溶液反应,生成Cu与ZnSO4,因此该装置中既有化学能转化为电能,同时也有化学能转化为热能。

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②对于图乙所示原电池

锌片:负极,Zn-2e-=Zn2+(氧化反应)

铜片:正极,Cu2++2e-=Cu(还原反应)

总化学方程式:Zn+Cu2+=Cu+Zn2+

4、实验原理分析:(如图所示)

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要点三、原电池中电荷移动方向

在原电池构成的闭合电路中,有电荷的流动;从电路的构成方面来说,有外电路上电荷的流动和内电路上电荷的流动;从电荷的类型方面来说,有电子的流动和阴、阳离子的流动,其中的具体情况见图。

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要点四、原电池的电极判断

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要点诠释:活泼金属在原电池中不一定作负极。

如Mg—Al—NaOH溶液原电池,活泼性Mg>Al,但此原电池中Al作负极,Mg作正极。负极反应:Al+4OH--3e-= AlO2-+2H2O,正极反应:2H++2e-=H2↑,总反应:2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑。判断一个原电池中的正负极,最根本的方法是:失e-的一极是负极;得e-的一极为正极。

要点五、原电池电极反应式的书写

1、题目给定图示装置

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2、题目给定总反应式

①分析化合价,确定电极反应物与产物,按照负极发生氧化反应,正极发生还原反应的原理,写出正负电极的反应物与产物。

②在电极反应式的左边写出得失电子数,并使左右两边电荷守恒。

③根据质量守恒定律配平电极反应式。

3、几个注意点

①负极材料若不与电解质溶液发生反应,则负极失电子,空气中的O2得电子发生还原反应。

②电极反应式的书写必须遵守离子方程式的书写要求,如难溶物、难电离物、气体、单质、氧化物等均应写成化学式形式。

③注意电解质溶液的成分对正负极反应产物的影响。如负极反应生成的阳离子若与电解质溶液的阴离子反应,则电解质溶液的阴离子应写入电极反应式,例如Fe与Cu在NaOH溶液中形成原电池,负极反应为Fe+2OH--2e-=Fe(OH)2。

要点六、原电池原理在化学中的应用

1、设计原电池

从理论上讲,任何一个自发的氧化还原反应,都可以设计成原电池。

关键:

电解质溶液:一般能与负极反应。或者溶解在溶液中的物质(如O2)与负极反应。

电极材料:一般较活泼的金属作负极,较不活泼的金属或非金属作正极。

设计思路:

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【高清课堂:原电池#原电池的应用】

2、原电池工作原理的其他应用

①制造种类电池

②金属的腐蚀与防护

③判断金属的活泼性

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④加快反应的速率

构成原电池时反应速率比直接接触的反应速率快。如实验室制取H2时,用粗锌与稀H2SO4反应比用纯锌时的速率快。

【典型例题】

类型一:原电池原理及简单应用

例1 下图中能组成原电池产生电流的是 ( )

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【答案】B

【解析】A、D两项中电极与电解质溶液之间不发生反应,不能构成原电池。B项符合构成原电池的条件,且Zn能与H2SO4溶液反应,两电极发生的反应分别是Zn-2e-=Zn2+,2H++2e-=H2↑。C项中酒精不是电解质,且与Cu不能反应。

例2 有关原电池的下列说法中正确的是 ( )

A.在外电路中电子由正极流向负极

B.在原电池中,只有金属锌作负极

C.原电池工作时,阳离子向正极方向移动

D.原电池工作时,阳离子向负极方向移动

【答案】C

【解析】在原电池中,电子从负极流向正极,A错误;原电池中是活泼金属作负极,而不一定是锌;随着反应的进行,阳离子在正极被还原,所以电解质溶液中的阳离子向正极移动,而阴离子向负极移动。

举一反三:

【高清课堂:原电池#例3】

【变式1】下列变化中属于原电池反应的是 ( )

A.在空气中金属铝表面迅速氧化成保护层

B.镀锌铁表面有划损时,仍然能阻止铁被氧化

C.红热的铁丝与冷水接触,表面形成蓝黑色的保护层

D.锌与稀硫酸反应时,加入少量的CuSO4溶液可使反应加快

【答案】BD

例 3 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

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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

【答案】C

【解析】图甲是一个原电池装置,负极(Zn):Zn-2e-=Zn2+,正极(Cu):2H++2e-=H2↑,形成的原电池能加快产生氢气的速率;图乙中,Zn直接与稀硫酸反应生成H2:Zn+2H+=Zn2++H2↑,甲、乙两烧杯中H2SO4均被消耗,溶液的pH均增大。

例4 如图所示的原电池装置中,X、Y为两电极,电解质溶液为稀硫酸,外电路中的

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电子流向如图所示,则对此装置的下列说法正确的是( )

A.外电路的电流方向为:X→外电路→Y

B.若两电极分别为Zn棒和碳棒,则X为碳棒,Y为Zn棒

C.若两电极都是金属,则它们的活动性为X>Y

D.X极上发生的是还原反应,Y极上发生的是氧化反应

【答案】C

【解析】由图可知电子的流动方向是X→外电路→Y,则电流的方向为Y→外电路→X;X为原电池的负极,Y 为正极,X的活动性比Y强;X极应发生氧化反应,Y极应发生还原反应。所以,A、B、D错误,C正确。

举一反三:

【变式1】X、Y、Z、W四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中,组成原电池。X、Y相连时,X为负极;Z、W相连时,电流方向是W→Z;X、Z相连时,Z极上产生大量气泡;W、Y相连时,W极发生氧化反应。据此判断四种金属的活泼性顺序是( )

A.X>Z>W>Y B.Z>X>Y>W C.W>X>Y>Z D.Y>W>Z>X

【答案】A

【解析】在原电池中,活泼金属作为电池的负极,失去电子,发生氧化反应;不活泼的金属作为电池的正极,得到电子,发生还原反应。电子由负极经导线流向正极,与电流的方向相反(物理学中规定正电荷移动的方向为电流的方向)。因此,X、Y相连时,X为负极,则活泼性X>Y;Z、W相连时,电流方向是W→Z,则活泼性Z>W;X、Z相连时,Z极上产生大量气泡,则活泼性X>Z;W、Y相连时,W极发生氧化反应,则活泼性W>Y。综上所述,可以得出金属的活泼性顺序是X>Z>W>Y。

类型二:原电池的设计

【高清课堂:原电池#例1】

例 5 利用反应Zn+2Fe3+=Zn2++2Fe2+设计一个原电池,在下边方框内画出实验装置图,并指出正极为

________,电极反应式为________;负极为________,电极反应式为________。

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【答案】Pt 2Fe3++2e-=2Fe2+ Zn Zn-2e-=Zn2+实验装置图如下:

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【解析】根据已知的氧化还原反应设计原电池的思路是,首先将已知的反应拆成两个半反应(即氧化反应和还原反应):Zn-2e-=Zn2+,2Fe3++2e-=2Fe2+;然后再结合原电池的电极反应特点分析可知,该电池的负极应用Zn作材料,正极要保证Fe3+得到负极失去的电子,可选用Pt或碳棒等,电解质溶液只能选用含Fe3+的电解质溶液,如FeCl3溶液等。

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举一反三:

【变式1】如图所示装置中,电流表A发生偏转,a极逐渐变粗,同时b极逐渐变细,c

为电解质溶液,则a、b、c应是下列各组中的( )

A.a是Zn、b是Cu、c为稀H2SO4

B.a是Cu、b是Zn、c为稀H2SO4

c.a是Fe、b是Ag、c为AgNO3溶液

D.a是Ag、b是Fe、c为AgNO3溶液

【答案】D

【解析】原电池工作时,a极逐渐变粗,同时b极逐渐变细,说明b极失去电子是负极,a极上金属离子得电子是正极,电解质溶液中含有相同的金属离子。

类型三:电极反应式、电池反应式的书写

例6 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。

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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________电极流向________电极。

【答案】(1)Cu AgNO3溶液 (2)正 Ag++e-=Ag Cu-2e-=Cu2+ (3)X Ag

【解析】由氧化还原反应:2Ag+(aq)+Cu (s)=Cu2+(aq)+2Ag (s)可知,可以选用Cu (s)—Ag (s)—AgNO3(aq)构成简易的原电池,因此上图中电极X的材料是Cu,电解质溶液Y是AgNO3溶液,正极为Ag,正极上发生的反应为Ag++e-=Ag,负极为Cu,负极上发生的反应为Cu-2e-=Cu2+,在外电路电子由负极流向正极,即从X电极流向Ag电极。

举一反三:

【变式1】有人研究反应AsO43-+2I-+2H+=AsO33-+I2+H2O时,认为该反应是可逆反应,为了验证该想法,他根据平衡移动原理设计出如图所示的实验装置(装置中盐桥的作用是使整个装置形成一个闭合回路)。

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(1)请你参与探究:用实验证明他的观点。

①假设该反应是可逆反应,反应的离子方程式为____________。

②该实验中C1和C2两电极可以是同种材料吗?________。查阅有关资料得知Fe的还原性比I-和AsO33-都强,在Zn、Al、Pt、C棒几种材料中,可用于该实验的电极材料是________。

③实验开始时,按图组装好实验装置,向A烧杯中加入适量2 mol/L KI溶液,向B烧杯中加入适量1 mol/L Na3AsO4溶液,再向B烧杯中逐滴加入浓盐酸,发生的现象是电流表________;A中________。此过程中,C1棒发生的反应为________。

(2)若要证明反应可逆向进行,在40% NaOH溶液、4% NaOH溶液、碘水、Na3AsO3溶液几种试剂中,必须向B烧杯中滴加________溶液。

①证明该反应是可逆反应的事实是________。

②(2)操作过程中,C2棒发生的反应为________。

【答案】(1)①AsO43-+2I-+2H+AsO33-+I2+H2O

②可以 Pt或C棒③指针发生偏转溶液由无色变为黄褐色 2I--2e-=I2

(2)40% NaOH溶液①两次操作,指针偏转方向相反②AsO33-+H2O-2e-=AsO43-+2H+

【解析】正逆反应均构成原电池,由可逆反应知,①加入浓盐酸时,c (H+)增大,平衡正向进行(向右移动),I-变成I2,C1电极反应为2I--2e-=I2,电子从C1流向C2,AsO43-得电子作正极。(2)加碱时反应逆向进行,AsO33

-失去电子变成AsO

43-,C

2电极反应为AsO3

3-+H

2O-2e

-=AsO

4

3-+2H+,I

2得电子作正极。酸性和碱性时的电流方向

相反。

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