2020年高中化学 第04章 电化学基础 11页

1 4-1 原电池 【学习目标】 1．以铜锌原电池为例，熟悉原电池的工作原理 2．会正确判断原电池的正极和负极 3．学会原电池电极反应式的书写方法 【学习重难点】 学习重点：原电池的工作原理及电极反应式的书写。 学习难点：原电池的工作原理及电极反应式的书写。 【自主预习】 一．1.氧化还原反应的本质是 2． 原电池是将 转化为 的装置。其本质是 原理的应用。 二．原电池工作原理： 1．知识回顾—以 Cu-Zn-硫酸铜原电池为例，如右图 锌片： 极，_________ 电子，发生________ 反应。 铜片： 极，_________ 电子，发生________ 反应。 外电路：电子从 极流入 极 内电路：________向负极移动，______ 向正极移动 思考：如果用以上装置作电源，能持续稳定地产生电流吗？怎样进行改进？ 2.探究活动—有盐桥的原电池的工作原理：阅读课本 P71 页有关【实验 4-1】的论述，结合 图 4-1，和上述“题 1”的 Cu-Zn 原电池装置对照，实验装置有何变化 _____________________ 根据实验，填写下表： 电极 Zn 电极 Cu 电极 现 象 得失电子 电极名称 电子流向 反应类型 电极反应式 2 总反应式 【思考】原电池的工作原理是怎样的？（教材 P72） 【结论】把氧化反应和还原反应分开在不同的区域进行，再以适当的方式连接起来，就可以 获得电流 三．原电池的形成条件： （1）两个活泼性不同的电极.相对活泼的金属作 ，较不活泼的金属或能导电的非金 属作 ；（2）有 溶液； （3）形成 回路； （4）能自发地发生 反应。 四．原电池的设计方法—构成原电池的基本条件，是进行原电池设计的基本依据。 1、根据电池反应写出电极反应式，以 2Ag+(aq) + Cu(s) == Cu2+(aq) + 2Ag(s)为例。把以 上反应分解为氧化反应和还原反应两个半反应，从而确定电极反应。 氧化反应（负极）： ； 还原反应（正极）： 。 2．电极材料的选择：电池的电极必须导电。一般电池的负极必须能够与电解质溶液反应， 容易失去电子，往往以负极反应为依据确定电极材料，这里选用 为负极。正极与 负极之间只有产生电势差，电子才能定向移动，所以正极和负极一般不用同一种材料， 且正极材料的活动性比 Ag 弱，多采用惰性电极 C。本例也可用 等金属 3．电解质溶液的选择。电解质溶液一般要能够与负极发生反应。本例电解质溶液要含 有 ，可以为 溶液。 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 ，如下图，图中的 X 是 ，Y 是 4．形成闭合回路。 3 五．电极反应式的书写： 1．如果题目给定的是图示装置，先分析正、负极，再根据正、负极规律（负氧正还）书写 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，再选择某一极上 的简单变化情况去写电极反应式，另一极的电极反应式可直接写或用总反应式减去已写 出的电极反应式即可。 【例题】将镁片和铝片用导线相连，分别同时插入稀H2SO4和NaOH溶液中，写出电池总反应方 程式和两池中的电极反应式 1 Mg—Al—稀H2SO4原电池： 2 Al—Mg—NaOH 原电池： 【预习检测】 1．关于右图装置的叙述，正确的是( ) A．铜是负极，铜片上有气泡产生 B．铜片质量逐渐减少 C．电流从锌片经导线流向铜片 4 D．氢离子在铜片表面被还原后生成 H2 2．关于原电池、电解池的电极名称，下列说法错误的是( ) A．原电池中失去电子的一极为负极 B．电解池中与直流电源负极相连的一极为阴极 C．原电池中相对活泼的一极为正极 D．电解池中发生氧化反应的一极为阳极 合作探究 探究活动一：原电池的工作原理 1.按右图所示装置，完成实验并回答下列问题： （1）有关的实验现象是①锌片 ，铜片 ，CuSO4 溶液颜色 。②检流计的指 针 ，该装置中的能量变化是 。 （2）电子流动方向和电流方向 ①外电路：电子由 电极经过导线流向铜电极，电流由铜电极流向 电极。 ②内电路：电流由 电极流向 电极。 （3）电极反应：负极反应式是 ；正极反应式 是 ； 总反应式是 。 （4）用温度计测量溶液的温度，其变化是 ，原因是还 有 。 2．按下图所示装置，完成实验，并回答下列问题： (1) 实验过程中，你能观察到的实验现象是 。 （2）用温度计测量溶液的温度，其结果是 ，由此可说 明 。 （3）离子移动方向 ①硫酸锌溶液中： 向盐桥移动； 5 ②硫酸铜溶液中： 向铜极移动； ③盐桥中：K＋移向 区(CuSO4 溶液)，Cl－移向 区(ZnSO4 溶液)。 （4）若取出装置中的盐桥，检流计的指针是否还会发生偏转？为什么？ 3．实验结论：与问题 1 中的原电池装置相比较，问题 2 中双液原电池具有的特点是 （1）具有盐桥。取下盐桥， 。 （2）两个半电池完全隔开，Cu2＋无法移向锌片，可以获 得 。 [归纳总结] 1．原电池原理是把 进行，还原剂在 极上失去电子发生 反应， 电子通过导线流向正极，氧化剂在 极上得到电子发生 反应。 2．原电池电极及电极反应特点 （1） 为电子流出极，相对活泼，通常是活动性 的金属或某些还原剂，电极被 ， 发生 。 （2） 为电子流入极，相对不活泼，通常是活动性 的金属或非金属导体，一般是电 解质溶液中的氧化性强的离子被还原或电极上附着物本身被 ，发生 。 3．原电池的设计 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。关键是选择合适的电解质 溶液和两个电极。 （1）电解质溶液：一般能与 反应，或者溶解在溶液中的物质(如 O2)与 反应。 （2）电极材料：一般较活泼的金属作 ，较不活泼的金属或非金属导体作 。 【学以致用】 1．原电池的电极名称不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。下列说法中不正 确的是( ) A．由 Al、Cu、稀硫酸组成原电池，其负极反应式为：Al－3e－===Al3＋ B．由 Mg、Al、NaOH 溶液组成原电池，其负极反应式为：Al－3e－＋4OH－===[Al(OH)4]－ C．由 Fe、Cu、FeCl3 溶液组成原电池，其负极反应式为：Cu－2e－===Cu2＋ D．由 Al、Cu、浓硝酸组成原电池，其负极反应式为：Cu－2e－===Cu2＋ 2．利用反应 Cu＋2FeCl3===CuCl2＋2FeCl2 设计一个原电池，正极为______，电极反应式为 ________________________________________________________________________； 负极为________，电极反应式为_____________________________________________；电解 质溶液是______________。 探究活动二：原电池的电极判断及电极反应式的书写 1．原电池电极(正极、负极)的判断依据有多种。试填写下表： 判断依据 正极 负极 6 电极材料 电子流向 电极反应 电极现象 2．写出下表中原电池装置的电极反应和总的化学反应方程式： 负极材料 正极材料 电解质溶液 （1） 铁 铜 稀硫酸 （2） 铜 银 硝酸银 （1）正极反应_________________________________________________________； 负极反应_________________________________________________________； 总反应方程式_________________________________________________________。 （2）正极反应___________________________________________________________； 负极反应__________________________________________________________； 总反应方程式________________________________________________________。 3．有一纽扣电池，其电极分别为 Zn 和 Ag2O，以 KOH 溶液为电解质溶液，电池的总反应为 Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2。 （1）Zn 发生 反应，是 极，电极反应式是 。 （2）Ag2O 发生 反应，是 极，电极反应式 是 。 [归纳总结] 1．一般电极反应式的书写方法 （1）定电极，标得失。按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应，判断出电极反应产物， 找出得失电子的数量。 （2）看环境，配守恒。电极产物在电解质溶液的环境中，应能稳定存在，如碱性介质中生 成的 H＋应让其结合 OH－生成水。电极反应式要依据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒 等加以配平。 （3）两式加，验总式。两电极反应式相加，与总反应方程式对照验证。 2．已知电池总反应式，书写电极反应式 （1）分析化合价，确定正极、负极的反应物与产物。 （2）在电极反应式的左边写出得失电子数，使得失电子守恒。 （3）根据质量守恒配平电极反应式。 （4）＝－ 【学以致用】 3．如图所示，烧杯内盛有浓 HNO3，在烧杯中放入用铜线相连的铁、铅两个电极，已知原电 7 池停止工作时，Fe、Pb 都有剩余。下列有关说法正确的是( ) A．Fe 比 Pb 活泼，始终作负极 B．Fe 在浓 HNO3 中钝化，始终不会溶解 C．电池停止工作时，烧杯中生成了 Fe(NO3)3 D．利用浓 HNO3 作电解质溶液不符合“绿色化学”思想 【学习小结】 【巩固练习】 1．锌铜原电池(如图)工作时，下列叙述正确的是( ) A．正极反应为 Zn－2e－===Zn2＋ B．电池反应为 Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu C．在外电路中，电流从负极流向正极 D．盐桥中的 K＋移向 ZnSO4 溶液 2．关于原电池的叙述中正确的是( ) A．构成原电池的两极必须是两种不同金属 B．原电池是将化学能转化为电能的装置 C．原电池工作时总是负极溶解，正极上有物质析出 D．原电池的正极是还原剂，总是溶液中的阳离子在此被还原 3．若某装置发生如下反应：Cu＋2H＋===Cu2＋＋H2↑，关于该装置的有关说法正确的是( ) 8 A．该装置一定为原电池 B．该装置为电解池 C．若为原电池，Cu 为正极 D．电解质溶液可能是硝酸溶液 4．如图是锌、铜和稀硫酸形成的原电池，某实验兴趣小组同学做完实验后，记录如下： ①Zn 为正极，Cu 为负极 ②H＋向负极移动 ③电子流动方向为 Zn―→Cu ④Cu 极有 H2 产生 ⑤ 若有 1 mol 电子流过导线，则产生的 H2 为 0.5 mol ⑥正极反应式：Zn－2e－===Zn2＋ 则上述描述合理的是( ) A．①②③ B．③④⑤ C．①⑤⑥ D．②③④ 5． （1）将 Al 片和 Cu 片用导线相连，插入稀 H2SO4 中组成原电池，写出电极名称及电极反 应式： Al 片( )_________________________________________________________________， Cu 片( )__________________________________________________________。 （2）若将 Al 片和 Cu 片用导线相连，插入浓 HNO3 中能否组成原电池？________(填“能” 或“不能”)，若能组成原电池，写出电极名称及电极反应式：(若不能，此问不用作答) Al 片( )_________________________________________________________________， Cu 片( )_________________________________________________________________。 【总结与反思】 通过自评、互评、师评相结合对本节学习过程进行反思感悟。 9 【参考答案】 【自主预习】 一．1.反应物之间电子的转移；2.将化学能转化为电能能的装置；氧化还原反应 二．1．锌与 CuSO4 溶液发生置换反应，溶液中的 Cu2+在锌片表面被直接还原，析出的铜在锌 片表面构成原电池，逐渐使向外输出的电流强度减弱直至无电流再产生。 2. 电极 Zn 电极 Cu 电极 现象 锌片逐渐溶解 铜片上有红色铜沉积 得失电子 失电子 得电子 电极名称 负极 正极 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＋===Cu＋Zn2＋ 三．构成原电池的条件：负极 正极 电解质 闭合氧化还原 负极（Al）：2Al-6e-+8OH-=2AlO2 -+4H2O（氧化反应） 正极（Mg）：6H2O+6e-=3H2↑+6OH-（还原反应） 电池反应：2Al+2OH-+2H2O=2AlO2 -+3H2 【预习检测】1．D 2．C 【合作探究】 探究活动一： 1．（1） 溶解，加厚变亮，变浅，发生偏转，化学能转化为电能； （2）锌，锌；锌，铜 （3）Zn－2e－===Zn2＋； Cu2＋＋2e－===Cu；Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu。 （4）溶液的温度略有升高，部分 Cu2＋直接在锌电极上得电子被还原，部分化学能转化成热 10 能。 2．（1）①锌片溶解，铜片加厚变亮；②检流计指针发生偏转；③CuSO4 溶液的颜色变浅。 （2）溶液的温度不升高(或无变化)， CuSO4 溶液中的 Cu2＋不能移向锌片得电子被还原。 （3）①Zn2＋；②Cu2＋；③正极，负极 （4） 不偏转。如果要使检流计指针发生偏转，则该装置中必须形成闭合回路，若取出盐桥， 很显然该装置未构成闭合回路，检流计指针不会发生偏转。 3． （1）无法形成闭合回路，反应不能进行，可控制原电池反应的进行。 （2）单纯的电极反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。 [归纳总结] 1．把氧化反应和还原反应分开，负，氧化，正还原。 2． （1）负极，较强，氧化，氧化反应。 （2）正极，较差，还原，还原反应。 3． （1）负极，负极 （2）负极，正极。 【学以致用】1． C 2．Pt(或 C) 2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋ Cu Cu－2e－===Cu2＋ FeCl3 溶液 探究活动二 1． 判断依据 正极 负极 电极材料 不活泼金属或非金属导体 活泼金属 电子流向 电子流入 电子流出 电极反应 还原反应 氧化反应 电极现象 电极增重或产生气体 电极减轻 2． （1）2H＋＋2e－===H2↑ Fe－2e－===Fe2＋ Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑ （2）2Ag＋＋2e－===2Ag Cu－2e－===Cu2＋ Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag 3．（1）氧化，负，Zn－2e－===Zn2＋。 （2）还原，正，Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－。 【学以致用】 3．D 【巩固练习】 1． B 2． B 3． B 4．B 5．（1）负极 2Al－6e－===2Al3＋(或 Al－3e－===Al3＋) 正极 6H＋＋6e－===3H2↑(或 2H＋＋2e－ ===H2↑) 11 （2）能 正极 2NO － 3 ＋4H＋＋2e－===2NO2↑＋2H2O 负极 Cu－2e－===Cu2＋