資源簡介

1.2 第1課時　原電池的工作原理
【學習目標】
1.通過實驗探究理解原電池的工作原理,學會判斷原電池的正、負極,建立宏觀辨識與微觀探析意識。
2.進一步理解化學能與電能的相互轉化,認識從簡單原電池發展到帶有鹽橋原電池的過程變化,建立變化觀念與平衡思想意識。
3.通過交流討論掌握原電池總反應式和電極反應式的書寫方法,培養推理和分析問題的能力,提升證據推理與模型認知的學科素養。
4.通過設計原電池的實驗探究,體驗科學探究過程,培養科學探究精神。
【自主預習】
一、原電池
1.原電池的構成條件
(1)定義:能把　　　　轉化為　　　　的裝置。
(2)構成條件:
2.原電池原理(以鋅銅作電極、硫酸銅溶液作離子導體為例)
電極名稱 負極 正極
電極材料 　　　 　　　
電極反應 　　　　　　　 　　　　　　　
電極質量變化 　　　 　　　
反應類型 　　　　反應 　　　　反應
電子流向 由　　　　極沿導線流向　　　　極
電流方向 從　　　　極沿導線流向　　　　極
離子移向 陽離子移向　　　　極,陰離子移向　　　　極
二、原電池的應用
1.加快氧化還原反應的速率
構成原電池的反應速率比直接接觸的反應速率快,例如,在鋅與稀H2SO4反應時加入少量CuSO4溶液,CuSO4與鋅發生置換反應生成Cu,從而形成Cu-Zn微小　　　　　,加快產生H2的速率。
2.比較金屬活動性強弱
例如,有兩種金屬a和b,用導線連接后插入稀硫酸中,觀察到a極溶解,b極上有氣泡產生。由此可判斷出a是負極,b是正極,且金屬活動性:a　　　　b。
3.設計原電池
理論上,自發的　　　　　反應,都可以設計成原電池。
①外電路
負極——化合價　　　　的物質
正極——活潑性弱的物質,一般選碳棒
②內電路:有元素化合價降低的物質作電解質溶液(離子導體)。
【參考答案】一、1.(1)化學能　電能　(2)活潑性不同　電解質
2.鋅片　銅片　Zn-2e-Zn2+　Cu2++2e-Cu　減小　增大　氧化　還原　負　正　正　負　正　負
二、1.原電池　2.>　3.氧化還原　升高
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)理論上,自發的氧化還原反應都可設計成原電池。 (　　)
(2)在原電池中,發生氧化反應的一極是負極。 (　　)
(3)在鋅銅原電池中,因為有電子通過電解質溶液形成閉合回路,所以有電流產生。 (　　)
(4)在原電池中,正極本身一定不參與電極反應,負極本身一定要發生氧化反應。 (　　)
(5)原電池的電極材料一定是金屬單質。 (　　)
(6)原電池工作時,溶液中的陽離子向負極移動,鹽橋中的陽離子向正極移動。 (　　)
【答案】(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)×
2.在原電池中,較活潑的金屬是不是一定作負極
【答案】不一定作負極,要看誰能與電解質溶液反應。如Mg-Al-H2SO4溶液形成的原電池中,Mg作負極;Mg-Al-NaOH溶液形成的原電池中,Al作負極;常溫下,Fe-Cu-濃HNO3形成的原電池中,Fe被鈍化,Cu作負極。
3.生石灰和水反應放熱,所以有同學認為可以利用這個反應設計成原電池,你認為正確嗎
【答案】不正確。此反應不是氧化還原反應。
【合作探究】
任務1：原電池的工作原理
情境導入　冰心的《小桔燈》里有一句話:“天黑了,路滑,這盞小桔燈照你上山吧!”文章里的小桔燈是用蠟燭放在桔皮里做成的。你知道嗎 利用化學知識可以用桔子來制作真正的“小桔燈”。原理很簡單:把一個桔子的桔瓣并聯,將鍍鋅鐵釘、銅線插到桔子瓣上,并與放在中心的Led燈珠相連接,就制成了一個真正的“小桔燈”。
問題生成
1.“小桔燈”中,桔瓣里的桔子汁的作用是什么
【答案】桔子汁作用是作電解質溶液(離子導體)。
2.鍍鋅鐵釘、銅線在“小桔燈”工作中起到什么作用
【答案】鍍鋅鐵釘作負極,銅線作正極。
3.請分析小桔燈中能量轉化形式。
【答案】化學能轉化為電能。
4.如果將鍍鋅鐵釘、銅線分開插入兩瓣桔子中,Led燈珠能否被點亮 為什么
【答案】不能被點亮,因為沒有形成閉合回路。
5.若將問題4中兩瓣桔子緊貼在一起,Led燈珠能否被點亮 請歸納原電池的構成條件。
【答案】能被點亮,因為兩瓣桔子中間的膜能讓離子通過,離子定向移動構成了閉合回路。原電池構成的條件:①有活潑性不同的兩個電極;②有電解質溶液;③形成閉合回路;④能自發進行的氧化還原反應。
【實驗探究】
1.實驗操作
將置有鋅片的ZnSO4溶液和置有銅片的CuSO4溶液用一個鹽橋連接起來,然后將鋅片和銅片用導線連接,并在中間串聯一個電流表,觀察現象。
電池名稱 單液電池 雙液電池(鹽橋電池)
實驗裝置
實驗現象 電流表 指針　　　
電極變化 鋅片逐漸溶解,銅片質量　　　
電流變化 一段時間后,電流逐漸衰減 產生的電流持續、穩定
微觀探析 鋅片失去電子形成　　　進入溶液,質量減輕; 電子通過導線傳遞到銅片上形成電流,電流表指針偏轉; 溶液中的　　　　在銅片獲得電子變成　　　沉積在銅片上,銅片質量增加
符號表征 電極反應 Zn片:　　　　　　　　(氧化反應) Cu片:　　　　　　　　(還原反應)
電池反應 Zn+Cu2+Zn2++Cu
能量轉換 　　　　能轉化為　　　　能
　　【答案】偏轉　增加　Zn2+　Cu2+　Cu　Zn-2e-Zn2+　Cu2++2e-Cu　化學　電
2.原理分析
(1)若將CuSO4溶液換成稀硫酸,能產生電流嗎
【答案】能。
(2)可以將鋅銅原電池中的Cu電極換成石墨嗎 為什么
【答案】可以;因為Cu在該原電池中起到傳遞電子的作用,其本身并未參與電極反應,所以可以把Cu電極換成能導電的石墨。
(3)原電池輸出電能的能力,主要取決于什么
【答案】組成原電池的反應物的氧化還原能力。
(4)什么是鹽橋 取出鹽橋,電流表的指針有何變化 鹽橋有什么作用
【答案】鹽橋是裝有含KCl(或NH4NO3)飽和溶液的瓊脂,瓊脂不移動,離子可在其中自由移動。取出鹽橋,電流表指針回到零點。鹽橋的作用:①構成閉合回路;②避免電極與電解質溶液直接反應,有利于最大限度地將化學能轉化為電能;③鹽橋中的陰、陽離子定向遷移,使電解質溶液保持電中性,反應持續進行,能長時間穩定放電。
(5)在原電池中,鹽橋中的陰、陽離子是如何移動的 為什么
【答案】以鋅銅原電池為例,負極Zn失電子生成Zn2+進入左池,因此左池中離子所帶的正電荷增多,我們知道電解質溶液是保持電中性的,因此鹽橋中的陰離子向負極移動,同樣的道理,鹽橋中的陽離子向正極移動。
【核心歸納】
1.原電池的構成條件
反應 能發生自發進行的氧化還原反應(一般是活潑性強的金屬與電解質溶液反應)
電極 一般是活潑性不同的兩個電極(金屬或石墨)
形成閉 合回路 形成需三個條件:①電解質溶液或熔融電解質;②兩電極直接或間接接觸;③兩電極插入電解質溶液中
記憶口訣:兩極一液成回路,氧化還原是中心。
2.原電池正負極的判斷方法
3.原電池電極反應、電池反應的書寫
【典型例題】
【例1】如圖所示的8個裝置中,能構成原電池的是(　　)。
①　②　③　④
⑤　⑥
⑦　⑧
A.①②③⑤⑧　　　　　　 B.③④⑥⑦
C.④⑥⑦ D.③⑤⑦
【答案】D
【解析】①沒有形成閉合回路,不能構成原電池;②兩個電極材料相同,都為Zn,不能構成原電池;③能構成原電池,Fe為負極,C為正極;④酒精屬于非電解質,不能構成原電池;⑤能構成原電池,Zn為負極,Pb為正極;⑥Zn插入CuSO4溶液中,Zn與CuSO4直接接觸發生化學反應,不能構成原電池;⑦能構成原電池,Fe為負極,Cu為正極;⑧沒有形成閉合回路,不能構成原電池;故③⑤⑦屬于原電池。
【例2】下圖是以Cu和Zn為電極的兩種原電池,設NA為阿伏加德羅常數的值,下列相關敘述錯誤的是(　　)。
A.(a)和(b)相比,(a)的能量利用率更高,電流更穩定
B.(a)和(b)均為Zn作負極,Cu作正極
C.(a)中Cu2+移向Cu電極,S移向Zn電極
D.(b)中Zn片質量減少6.5 g時,理論上電路中轉移0.2NA個電子
【答案】A
【解析】(b)為雙液原電池,避免了Zn與CuSO4溶液接觸,(a)為單液原電池,負極Zn與CuSO4溶液接觸,部分Cu2+會直接與Zn在負極反應,進而形成微小的原電池,能量利用率低且電流不穩定,A項錯誤;活潑金屬作負極,所以兩種原電池都是Zn作負極,Cu作正極,B項正確;陽離子移向正極,陰離子移向負極,C項正確;(b)中Zn片質量減少6.5 g時,理論上電路中轉移0.2 mol電子,數目為0.2NA,D項正確。
思維建模：原電池的工作原理
任務2：原電池原理的應用
【實驗探究】
(1)有a、b、c、d四個金屬電極,有關的實驗裝置及部分實驗現象如下:
實驗 裝置
部分實驗 現象 a極質量減小,b極質量增大 b極有氣泡產生,c極無明顯變化 c極有氣泡產生,d極溶解 電流從a極流向d極
由此判斷這四種金屬的活動性順序。
【答案】d>a>b>c。
(2)鋅片與稀H2SO4反應時,加入少量CuSO4溶液能使產生H2的速率加快,試分析其原因。
【答案】Zn與CuSO4反應生成的Cu覆蓋在鋅片表面,Zn、Cu、稀H2SO4構成原電池,加快反應速率。
(3)將氧化還原反應Fe+Cu2+Fe2++Cu設計成原電池,畫出原電池裝置圖,并標出電極材料及電解質溶液(要求:畫出兩個原電池裝置,一個不帶鹽橋,另一個帶有鹽橋)。
【答案】
【核心歸納】
設計原電池的一般步驟
理論上能自發進行的氧化還原反應都可以設計成原電池。
(1)拆反應
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反應和正極反應。
(2)確定電極材料
若發生氧化反應的物質為金屬單質,則可直接用該金屬作負極;若為氣體(如H2)或溶液中的還原性離子,則可用惰性電極(如Pt、碳棒)作負極。一般情況下,發生還原反應的電極材料的活潑性弱于負極材料。
(3)確定離子導體
一般選用反應物中的電解質溶液即可。
(4)構成閉合回路
【典型例題】
【例3】某原電池總反應為Cu+2Fe3+Cu2++2Fe2+,下列能實現該反應的原電池是(　　)。
A B C D
電極材料 Cu、C Cu、Ag Cu、Zn Fe、Zn
離子導體(電解質溶液) Fe(NO3)3 FeSO4 FeCl3 CuSO4
　　【答案】A
【解析】根據原電池的總反應可知,Cu的化合價升高,Cu作負極,電解質溶液應含有Fe3+,另一個電極應是活動性比Cu弱的導電物質。B項,電解質溶液中不含Fe3+;C項,Zn比Cu活潑,Zn作負極;D項,發生的電池反應是Zn+Cu2+Zn2++Cu。
【例4】利用原電池的工作原理可以除掉含氮廢水(以N為例),反應原理為2N+ZnZn2++2NH3↑+H2↑,裝置圖如圖所示。下列說法正確的是(　　)。
A.石墨為電池的負極
B.電池工作時,Zn逐漸被消耗
C.電子由石墨電極經外電路流向Zn電極
D.反應2N+ZnZn2++2NH3↑+H2↑在負極上發生
【答案】B
【解析】Zn為負極,石墨電極為正極,A項錯誤;電池工作時,Zn作為負極,失去電子被氧化,生成的Zn2+進入溶液,因此Zn逐漸被消耗,B項正確;電池工作時,電子由負極(Zn電極)經外電路流向正極(石墨電極),C項錯誤;負極的電極反應為Zn-2e-Zn2+,正極的電極反應為2N+2e-2NH3↑+H2↑,總反應方程式為Zn+2NZn2++2NH3↑+H2↑,D項錯誤。
【隨堂檢測】
課堂基礎
1.一個原電池的總反應的離子方程式是Zn+Cu2+Zn2++Cu,該原電池的正確組成是(　　)。
A B C D
正極 Zn Cu Zn C
負極 Cu Zn Ag Zn
電解質溶液 CuCl2 H2SO4 CuSO4 CuCl2
　　【答案】D
【解析】Zn作負極失去電子,Cu2+得電子生成Cu,總反應的離子方程式為Zn+Cu2+Zn2++Cu,D項正確。
2.鋅銅原電池裝置如圖所示,其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過。下列有關敘述正確的是(　　)。
A.銅電極上發生氧化反應
B.電池工作一段時間后,甲池的c(S)增大
C.電池工作一段時間后,乙池溶液的總質量減小
D.陽離子通過交換膜向正極移動,形成閉合回路
【答案】D
【解析】銅電極為正極,鋅電極為負極,負極發生氧化反應,正極發生還原反應,A項錯誤;電解質溶液中的陽離子向正極移動,陰離子向負極移動,陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過,S不能通過陽離子交換膜,并且甲池中的硫酸根不參加反應,因此甲池的c(S)不變,B項錯誤;鋅作負極,銅作正極,銅離子得電子生成銅,在銅電極上析出,鋅離子通過陽離子交換膜進入乙池,乙池中每有64 g Cu析出,就有65 g Zn+通過陽離子交換膜進入乙池,故工作一段時間后,乙池溶液的質量有所增加,C項錯誤;原電池中,陽離子通過陽離子交換膜向正極移動,使溶液保持電中性,維持電荷平衡,D項正確。
3.依據氧化還原反應:2Ag+(aq)+Cu(s)2Ag(s)+Cu2+(aq)設計的原電池如圖所示。
請回答下列問題:
(1)電極X的材料是　　　　　　　　　;電解質溶液Y是　　　　　　　。
(2)銀電極為電池的　　　　　　　極,發生的電極反應為　　　　　　　　　　　　　;X電極上發生的電極反應為　　　　　　　　　　　　　　。
(3)外電路中的電子從　　　　電極流向　　　　電極。
【答案】(1)Cu　AgNO3溶液
(2)正　2Ag++2e-2Ag(或Ag++e-Ag)　Cu-2e-Cu2+
(3)Cu(或負)　Ag(或正)
【解析】該原電池的總反應為2Ag+(aq)+Cu(s)2Ag(s)+Cu2+(aq),由此可知X極是銅,作負極,銀作正極,Y應是AgNO3溶液。電子從原電池的負極經導線流向正極,即從銅電極流向銀電極。
對接高考
4.(2022·全國甲卷,10)一種水性電解液Zn-MnO2離子選擇雙隔膜電池如圖所示[KOH溶液中,Zn2+以Zn(OH存在]。電池放電時,下列敘述錯誤的是(　　)。
A.Ⅱ區的K+通過隔膜向Ⅲ區遷移
B.Ⅰ區的S通過隔膜向Ⅱ區遷移
C.MnO2電極反應:MnO2+2e-+4H+Mn2++2H2O
D.電池總反應:Zn+4OH-+MnO2+4H+Zn(OH+Mn2++2H2O
【答案】A
【解析】Zn為負極,發生氧化反應,電極反應為Zn-2e-+4OH-Zn(OH,負極區K+剩余,通過隔膜遷移到Ⅱ區,A項錯誤;Ⅰ區的S向Ⅱ區移動,B項正確;MnO2電極的電極反應為MnO2+2e-+4H+Mn2++2H2O,C項正確;電池的總反應為Zn+4OH-+MnO2+4H+Zn(OH+Mn2++2H2O,D項正確。
2

展開更多......

收起↑