資源簡(jiǎn)介

1.2 第1課時(shí)　原電池的工作原理
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.通過實(shí)驗(yàn)探究理解原電池的工作原理,學(xué)會(huì)判斷原電池的正、負(fù)極,建立宏觀辨識(shí)與微觀探析意識(shí)。
2.進(jìn)一步理解化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化,認(rèn)識(shí)從簡(jiǎn)單原電池發(fā)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(shí)。
3.通過交流討論掌握原電池反應(yīng)方程式和電極反應(yīng)的書寫方法,培養(yǎng)推理和分析問題的能力,提升證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科素養(yǎng)。
4.通過設(shè)計(jì)原電池的實(shí)驗(yàn)探究,體驗(yàn)科學(xué)探究過程,培養(yǎng)科學(xué)探究精神。
【合作探究】
【學(xué)習(xí)情境】
伏特電池的發(fā)明源于一個(gè)有趣的生物實(shí)驗(yàn):在死去的青蛙腿上同時(shí)插入用導(dǎo)線連接著兩種不同材料的電極,青蛙腿就像觸電似的痙攣起來。你知道其中的奧妙嗎
任務(wù)1　原電池的工作原理
【新知生成】
1.原電池
(1)定義:將　　　　轉(zhuǎn)化為　　　的裝置。
(2)實(shí)質(zhì):將　　　　　反應(yīng)的　　　　　變成　　　　　　　　。即將　　　　轉(zhuǎn)化成　　　。
(3)簡(jiǎn)單原電池的構(gòu)成條件:
①　　　　　　　　　　;②　　　　　　　　　　　;③　　　　　　　;④　　　　　　　　　　　　　。
2.原電池的工作原理
工作原理:利用　　　　　反應(yīng)在不同區(qū)域內(nèi)進(jìn)行,以適當(dāng)方式連接起來,獲得電流。
以銅鋅原電池為例:
(1)在CuSO4溶液中,鋅片逐漸　　　,即Zn被　　　,鋅原子　　電子,形成　　　進(jìn)入溶液,從鋅片上釋放的電子,經(jīng)過導(dǎo)線流向　　　。
CuSO4溶液中,　　　從銅片上得電子,被還原為　　　　并沉積在銅片上。
鋅為　　　,發(fā)生　　　反應(yīng),電極反應(yīng)為Zn-2e-Zn2+。
銅為　　　,發(fā)生　　　反應(yīng),電極反應(yīng)為Cu2++2e-Cu。
總反應(yīng)為Zn+Cu2+Zn2++Cu,反應(yīng)是自發(fā)進(jìn)行的。
(2)閉合回路的構(gòu)成
外電路:電子從　　　到　　　,電流從　　　到　　　,
內(nèi)電路:溶液中的　　離子移向負(fù)極,　　離子移向正極。
注意:電子“不下水”,離子“不上岸”。
(3)鹽橋
鹽橋中通常裝有　　　　　　　　　　。當(dāng)其連通時(shí),隨著反應(yīng)的進(jìn)行,Zn棒中的Zn原子失去電子成為Zn2+進(jìn)入溶液中,使ZnSO4溶液中Zn2+過多,帶正電荷;Cu2+在Cu棒表面獲得電子沉積為Cu,溶液中Cu2+過少,S過多,溶液帶負(fù)電荷;當(dāng)溶液不能保持電中性時(shí),將阻止放電作用的繼續(xù)進(jìn)行。鹽橋的存在避免了這種情況的發(fā)生,其中　　向ZnSO4溶液遷移,　　向CuSO4 溶液遷移,分別中和過剩的電荷,使溶液保持電中性,反應(yīng)可以繼續(xù)進(jìn)行。
【答案】1.(1)化學(xué)能　電能　(2)氧化還原　電子轉(zhuǎn)移　電子的定向移動(dòng)　化學(xué)能　電能　(3)活動(dòng)性不同的兩個(gè)電極
電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)　形成閉合回路　能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)　2.氧化還原　(1)溶解　氧化　失　Zn2+　銅片
Cu2+　金屬銅　負(fù)極　氧化　正極　還原　(2)負(fù)極　正極　正極　負(fù)極　陰　陽　(3)含飽和KCl溶液的瓊脂　Cl-　K+
【核心突破】
典例1　將用導(dǎo)線連接的鐵片和碳棒放入盛有稀H2SO4的燒杯中,外電路中電子流向如圖所示,下列關(guān)于該裝置的說法正確的是(　　)
A.X為碳棒,Y為鐵片
B.該裝置將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能
C.X極上的電極反應(yīng)為Fe-3e-Fe3+
D.如果將鐵片換成鋅片,電路中的電流方向不變
【解析】由電子移動(dòng)方向知X為負(fù)極,Y為正極,X比Y活潑,故X應(yīng)為鐵片,Y為碳棒,A項(xiàng)錯(cuò)誤;該裝置為原電池,將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能,B項(xiàng)錯(cuò)誤;X極上的電極反應(yīng)為Fe-2e-Fe2+,C項(xiàng)錯(cuò)誤;若將鐵片換成鋅片,Zn作負(fù)極,碳棒作正極,電路中的電流方向不變,D項(xiàng)正確。
【答案】D
典例2　如圖所示的8個(gè)裝置中,屬于原電池的是(　　)
①　②　③　④
⑤　⑥ ⑦　⑧
A.①②③⑤⑧ B.③④⑥⑦ C.④⑥⑦ D.③⑤⑦
【解析】①?zèng)]有形成閉合回路,不能構(gòu)成原電池;②兩個(gè)電極材料相同,都為Zn,不能構(gòu)成原電池;③能構(gòu)成原電池,Fe為負(fù)極,C為正極;④酒精屬于非電解質(zhì),不能構(gòu)成原電池;⑤能構(gòu)成原電池,Zn為負(fù)極,Pb為正極;⑥Zn插入CuSO4溶液中,Zn與CuSO4直接接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng),不能構(gòu)成原電池;⑦能構(gòu)成原電池,Fe為負(fù)極,Cu為正極;⑧沒有形成閉合回路,不能構(gòu)成原電池;故③⑤⑦屬于原電池。
【答案】D
歸納總結(jié)：(1)原電池的構(gòu)成條件
反應(yīng) 能發(fā)生自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)(一般是活潑性強(qiáng)的金屬與電解質(zhì)溶液反應(yīng))
電極 一般是活潑性不同的兩電極(金屬或石墨)
形成閉 合回路 形成需三個(gè)條件:①電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì);②兩電極直接或間接接觸;③兩電極插入電解質(zhì)溶液中
記憶口訣:兩極一液成回路,氧化還原反應(yīng)是中心。
(2)原電池正負(fù)極的判斷方法
特別提醒:判斷電極時(shí),不能簡(jiǎn)單地根據(jù)金屬的活動(dòng)性順序來判斷,要看反應(yīng)的具體情況。如:①Al在強(qiáng)堿溶液中比Mg更易失電子,Al作負(fù)極,Mg作正極;②常溫下,Fe、Al在濃HNO3中鈍化后,比Cu更難失電子,Cu作負(fù)極,Fe、Al作正極。
(3)原電池電極反應(yīng)式、電池總反應(yīng)式的書寫
訓(xùn)練1　下列關(guān)于原電池的敘述中,錯(cuò)誤的是(　　)
A.原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置
B.用導(dǎo)線連接的兩種不同金屬同時(shí)插入液體中,能形成原電池
C.在原電池中,電子流出的一極是負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng)
D.在原電池中,電子流入的一極是正極,發(fā)生還原反應(yīng)
【解析】原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,A項(xiàng)正確;除活動(dòng)性不同的兩金屬或非金屬導(dǎo)體和導(dǎo)線外,要形成原電池還要有電解質(zhì)溶液和自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng),B項(xiàng)錯(cuò)誤;在原電池中,電子流出的一極是負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng),C項(xiàng)正確;在原電池中,電子流入的一極是正極,發(fā)生還原反應(yīng),D項(xiàng)正確。
【答案】B
訓(xùn)練2　下圖是某同學(xué)設(shè)計(jì)的原電池裝置,下列敘述中正確的是(　　)
A.電極Ⅰ上發(fā)生還原反應(yīng),作原電池的負(fù)極
B.電極Ⅱ的電極反應(yīng)為Cu2++2e-Cu
C.鹽橋中裝有含氯化鉀飽和溶液的瓊脂,其作用是傳遞電子
D.該原電池中電子的運(yùn)動(dòng)方向:電極Ⅱ→導(dǎo)線→電極Ⅰ
【解析】電極Ⅰ鉑電極上鐵離子得電子發(fā)生還原反應(yīng),所以鉑電極作正極,A項(xiàng)錯(cuò)誤;電極Ⅱ銅電極上銅失電子發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)為Cu-2e-Cu2+,B項(xiàng)錯(cuò)誤;鹽橋的作用是平衡電荷,鹽橋中離子的定向移動(dòng)形成電流,電子不能通過電解質(zhì)溶液,C項(xiàng)錯(cuò)誤;電極Ⅱ是負(fù)極,電極Ⅰ是正極,所以該原電池中電子的運(yùn)動(dòng)方向:電極Ⅱ→導(dǎo)線→電極Ⅰ,D項(xiàng)正確。
【答案】D
任務(wù)2　原電池原理的應(yīng)用
【新知生成】
1.比較金屬的活動(dòng)性強(qiáng)弱
原電池中,一般活動(dòng)性　　的金屬作負(fù)極,而活動(dòng)性弱的金屬(或可導(dǎo)電的非金屬)作正極。如有兩種金屬A和B,用導(dǎo)線將A和B連接后,插入稀硫酸中,一段時(shí)間后,若觀察到A溶解,而B上有氣體放出,則說明A作負(fù)極,B作正極,即可以判斷金屬活動(dòng)性A>B。
2.加快化學(xué)反應(yīng)速率
一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng),設(shè)計(jì)成原電池時(shí)反應(yīng)速率　　　。如Zn與稀硫酸反應(yīng)制氫氣時(shí),可向溶液中滴加少量CuSO4溶液,形成Cu-Zn原電池,加快化學(xué)反應(yīng)速率。
3.設(shè)計(jì)制作化學(xué)電源
設(shè)計(jì)原電池時(shí)要緊扣原電池的構(gòu)成條件。具體方法如下:
(1)首先判斷出氧化還原反應(yīng)中的還原劑和氧化劑,將還原劑(一般為比較活潑的金屬)作負(fù)極,活潑性比負(fù)極弱的金屬或?qū)щ姷姆墙饘?如石墨等)作正極,含氧化劑對(duì)應(yīng)離子的電解質(zhì)溶液作電解液。
(2)如果兩個(gè)半反應(yīng)分別在要求的兩個(gè)容器中進(jìn)行(中間連接鹽橋),則兩個(gè)容器中的電解質(zhì)溶液應(yīng)含有與電極材料相同的金屬的陽離子。如在Cu-Zn構(gòu)成的原電池中,負(fù)極Zn浸泡在含有Zn2+的電解質(zhì)溶液中,而正極Cu浸泡在含有Cu2+的電解質(zhì)溶液中。
(3)實(shí)例:
根據(jù)Cu+2Ag+Cu2++2Ag設(shè)計(jì)電池:
【答案】1.強(qiáng)　2.增大
【核心突破】
典例3　等質(zhì)量的兩份鋅粉a、b,分別加入過量的稀H2SO4中,同時(shí)向a中放入少量的CuSO4固體,下列各圖表示產(chǎn)生H2的體積(V)與時(shí)間(t)的關(guān)系,其中正確的是(　　)
A B C D
【解析】等質(zhì)量的兩份鋅粉a、b,分別加入過量的稀H2SO4中,同時(shí)向a中放入少量的CuSO4固體,a中發(fā)生反應(yīng):Zn+Cu2+Zn2++Cu,形成原電池,反應(yīng)速率增大,反應(yīng)用時(shí)少于b,但生成的氫氣也少于b,圖像應(yīng)為D。
【答案】D
典例4　某學(xué)習(xí)小組的同學(xué)查閱相關(guān)資料知氧化性:Cr2>Fe3+,設(shè)計(jì)了含鹽橋的原電池,如圖所示。鹽橋中裝有含飽和K2SO4溶液的瓊脂。下列敘述中正確的是(　　)
A.甲燒杯的溶液中發(fā)生氧化反應(yīng)
B.乙燒杯中發(fā)生的電極反應(yīng)為2Cr3++7H2O-6e-Cr2+14H+
C.外電路的電流方向?yàn)閺腶到b
D.電池工作時(shí),鹽橋中的S移向乙燒杯
【解析】氧化性:Cr2>Fe3+,所以Cr2在乙燒杯的b極得電子發(fā)生還原反應(yīng),b是正極;Fe2+在甲燒杯的a極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成Fe3+,a是負(fù)極,A項(xiàng)正確。乙燒杯中Cr2在b極得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成Cr3+,b電極反應(yīng)為Cr2+14H++6e-2Cr3++7H2O,B項(xiàng)錯(cuò)誤。a是負(fù)極,b是正極,外電路的電流方向?yàn)閺腷到a,C項(xiàng)錯(cuò)誤。a是負(fù)極,b是正極,電池工作時(shí),鹽橋中的S移向甲燒杯,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
【答案】A
歸納總結(jié)：設(shè)計(jì)原電池的一般步驟
理論上能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)都可以設(shè)計(jì)成原電池。
(1)拆反應(yīng)
將氧化還原反應(yīng)拆成氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)兩個(gè)半反應(yīng),分別作原電池負(fù)極和正極的電極反應(yīng)。
(2)確定電極材料
若發(fā)生氧化反應(yīng)的物質(zhì)為金屬單質(zhì),可用該金屬直接作負(fù)極;若為氣體(如H2)或溶液中的還原性離子,可用惰性電極(如Pt、碳棒)作負(fù)極。一般情況下,發(fā)生還原反應(yīng)的電極材料的活潑性弱于負(fù)極材料。
(3)確定電解質(zhì)溶液
一般選用反應(yīng)物中的電解質(zhì)溶液即可。
(4)構(gòu)成閉合回路
訓(xùn)練3　有A、B、C、D四種金屬片,進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn):①A、B用導(dǎo)線相連后,同時(shí)浸入稀H2SO4中,A極為負(fù)極;②C、D用導(dǎo)線連接后浸入稀H2SO4中,電流由D經(jīng)導(dǎo)線流向C;③A、C相連后同時(shí)浸入稀H2SO4中,C極產(chǎn)生大量氣泡;④B、D相連后同時(shí)浸入稀H2SO4中,D極發(fā)生氧化反應(yīng)。試判斷四種金屬的活動(dòng)性順序(　　)
A.A>B>C>D B.A>C>D>B C.C>A>B>D D.B>D>C>A
【解析】①A、B用導(dǎo)線相連后,同時(shí)浸入稀H2SO4中,A極為負(fù)極,則活動(dòng)性:A>B;②C、D用導(dǎo)線連接后浸入稀H2SO4中,電流由D經(jīng)導(dǎo)線流向C,則活動(dòng)性:C>D;③A、C相連后同時(shí)浸入稀H2SO4中,C極產(chǎn)生大量氣泡,則活動(dòng)性:A>C;④B、D相連后同時(shí)浸入稀H2SO4中,D極發(fā)生氧化反應(yīng),則活動(dòng)性:D>B。綜上所述,四種金屬的活動(dòng)性順序?yàn)锳>C>D>B。
【答案】B
訓(xùn)練4　依據(jù)Cd(Hg)+Hg2SO43Hg+Cd2++S反應(yīng)原理,設(shè)計(jì)出韋斯頓標(biāo)準(zhǔn)電池,其簡(jiǎn)易裝置如圖所示。下列有關(guān)該電池的說法正確的是(　　)
A.電池工作時(shí)Cd2+向電極B移動(dòng)
B.電極A上發(fā)生反應(yīng)Hg2SO4+2e-2Hg+S
C.電極B上發(fā)生反應(yīng)Cd(Hg)-4e-Hg2++Cd2+
D.反應(yīng)中每生成a mol Hg轉(zhuǎn)移3a mol電子
【解析】根據(jù)電池總反應(yīng)可知,放電時(shí)Cd在負(fù)極失電子,故B為負(fù)極,電極反應(yīng)為Cd-2e-Cd2+,生成的Cd2+移向A極,A、C項(xiàng)錯(cuò)誤;正極上Hg2SO4得電子生成Hg,電極反應(yīng)為Hg2SO4+2e-2Hg+S,當(dāng)生成a mol Hg時(shí),轉(zhuǎn)移a mol電子,B項(xiàng)正確,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
【答案】B
課堂小結(jié)
【隨堂檢測(cè)】
1.如圖所示的雙液原電池,下列有關(guān)敘述正確的是(　　)
A.負(fù)極的電極反應(yīng)為Ag++e-Ag
B.Cu電極上發(fā)生氧化反應(yīng)
C.鹽橋中的陽離子向左池移動(dòng)
D.外電路中,電流從Cu電極流向Ag電極
【解析】Cu比Ag活潑,故Cu為負(fù)極,Ag為正極,負(fù)極銅失去電子,發(fā)生氧化反應(yīng),A項(xiàng)錯(cuò)誤,B項(xiàng)正確;原電池中,陽離子向正極移動(dòng),故鹽橋中的陽離子向銀電極移動(dòng),即向右池移動(dòng),C項(xiàng)錯(cuò)誤;銅電極為負(fù)極,銅失去電子,電子由Cu電極流向Ag電極,故電流從Ag電極流向Cu電極,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
【答案】B
2.下列反應(yīng)不可用于設(shè)計(jì)成原電池的是(　　)
A.CaCO3+2HClCaCl2+CO2↑+H2O
B.2CH3OH+3O22CO2+4H2O
C.Zn+2HClZnCl2+H2↑
D.4Al+3O2+6H2O4Al(OH)3
【解析】A項(xiàng),碳酸鈣和鹽酸的反應(yīng)不是氧化還原反應(yīng),不能設(shè)計(jì)成原電池;B項(xiàng),甲醇的燃燒屬于自發(fā)的氧化還原反應(yīng),能設(shè)計(jì)成原電池;C項(xiàng),鋅和鹽酸的反應(yīng)屬于自發(fā)的氧化還原反應(yīng),能設(shè)計(jì)成原電池;D項(xiàng),鋁和氧氣、H2O的反應(yīng)屬于自發(fā)的氧化還原反應(yīng),能設(shè)計(jì)成原電池。
【答案】A
3.如圖所示裝置,電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn),同時(shí)A極逐漸變粗,B極逐漸變細(xì),C為電解質(zhì)溶液,則A、B、C應(yīng)是下列各組中的(　　)
A.Zn　Fe　稀硫酸
B.Cu　Zn　稀硫酸
C.Zn　Ag　稀AgNO3溶液
D.Ag　Cu　稀AgNO3溶液
【解析】一般情況下,原電池中負(fù)極的活潑性大于正極的活潑性,負(fù)極上金屬失電子變成離子進(jìn)入溶液,質(zhì)量減少,正極上電解質(zhì)溶液中陽離子得電子發(fā)生還原反應(yīng),正極上析出物質(zhì),若析出的物質(zhì)是金屬,則正極質(zhì)量增加、變粗。該原電池中,A極逐漸變粗,說明A上發(fā)生還原反應(yīng),A作正極;B極逐漸變細(xì),
說明B失電子發(fā)生氧化反應(yīng),B作負(fù)極,則B的活潑性大于A的活潑性;A極逐漸變粗,說明有金屬析出,對(duì)照各選項(xiàng)可判斷,D項(xiàng)符合題意。
【答案】D
4.將金屬X、Y電極用導(dǎo)線連接后同時(shí)插入相應(yīng)的電解質(zhì)溶液中,發(fā)現(xiàn)Y電極質(zhì)量增加,則符合條件的是(　　)
A.X是負(fù)極,電解質(zhì)溶液為CuSO4溶液
B.X是負(fù)極,電解質(zhì)溶液為稀H2SO4
C.X是正極,電解質(zhì)溶液為CuSO4溶液
D.X是正極,電解質(zhì)溶液為稀H2SO4
【解析】Y電極質(zhì)量增加,可能是溶液中的金屬陽離子在Y極(正極)上得到電子析出金屬,只有A項(xiàng)符合題意。
【答案】A
5.某原電池總反應(yīng)的離子方程式為2Fe3++Fe3Fe2+,能實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)的原電池是(　　)
A.正極為銅,負(fù)極為鐵,電解質(zhì)溶液為FeCl3溶液
B.正極為銅,負(fù)極為鐵,電解質(zhì)溶液為Fe(NO3)2溶液
C.正極為鐵,負(fù)極為鋅,電解質(zhì)溶液為Fe2(SO4)3溶液
D.正極為銀,負(fù)極為鐵,電解質(zhì)溶液為CuSO4溶液
【解析】由原電池總反應(yīng)2Fe3++Fe3Fe2+,可知負(fù)極反應(yīng)為Fe-2e-Fe2+,正極反應(yīng)為2Fe3++2e-2Fe2+。
【答案】A
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