高中化学专题化学反应与能量变化化学能与电能的转化第1课时原电池的工作原理教学案.docx
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高中化学专题化学反应与能量变化化学能与电能的转化第1课时原电池的工作原理教学案
第二单元化学能与电能的转化
第一课时 原电池的工作原理
——————————————————————————————————————[课标要求]
1.了解原电池的工作原理和构成原电池的条件。
2.能够写出电极反应式和电池反应方程式。
3.能根据提供的氧化还原反应设计简单的原电池。
1.原电池构成“四条件”:
①活泼性不同的两电极;②浸入电解质溶液中;③形成闭合回路;④能发生自发的氧化还原反应。
2.原电池正、负极判断的“五招”:
(1)正极:
①活泼性较弱的金属或非金属;②流入电子或电流流出;③发生还原反应;④阳离子流向的极;⑤电极增重或有气体产生的极。
(2)负极:
①活泼性较强的金属;②流出电子或电流流入;③发生氧化反应;④阴离子流向的极;⑤电极不断溶解(质量减少)的极。
1.铜锌原电池的工作原理
装置
电极
Zn
Cu
反应现象
逐渐溶解
铜片上有红色物质析出
电极名称
负极
正极
得失电子
失电子
得电子
电子流向
电子流出
电子流入
电流方向
电流流入
电流流出
反应类型
氧化反应
还原反应
电极反应式
Zn-2e-===Zn2+
Cu2++2e-===Cu
总电池反应式
Zn+Cu2+===Zn2++Cu
2.原电池的构成条件
3.盐桥的成分及作用
1.铜锌原电池中正、负极材料是什么?
写出正、负极反应式。
提示:
Zn作负极,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+;Cu作正极,电极反应式为Cu2++2e-===Cu。
2.原电池装置中,盐桥中离子移动的方向是什么?
提示:
盐桥中的Cl-移向负极(ZnSO4溶液),K+移向正极(CuSO4溶液)。
3.原电池装置中,盐桥的作用是什么?
提示:
①形成闭合回路;②保持两溶液呈电中性,使电池反应能持续发生。
1.原电池工作原理图解
2.原电池正、负极的判断
(1)判断方法
①由电极材料判断。
一般是较活泼的金属为负极,活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。
②由电流方向或电子流向判断。
电流是由正极流向负极;电子是由负极流向正极。
③由电解质溶液中离子的移动方向判断。
阳离子移向的极是正极,阴离子移向的极是负极。
④由原电池两极发生反应的类型判断。
发生氧化反应的电极是负极,发生还原反应的电极是正极。
⑤根据电极现象判断。
溶解的一极为负极,增重或有气泡放出的一极为正极。
(2)注意事项
原电池的电极类型不仅跟电极材料有关,还与电解质溶液的性质有关。
如镁铝电极在稀硫酸中构成原电池,镁为负极,铝为正极;而镁铝电极在氢氧化钠溶液中构成原电池,铝为负极,镁为正极;FeCu浓HNO3构成的原电池,Fe钝化,而Cu作负极。
3.带盐桥原电池装置中两个“半电池”
以锌铜原电池为例,如图所示:
(1)ZnZnSO4半电池:
在ZnSO4溶液中,锌片逐渐溶解,即Zn被氧化,锌原子失去电子,形成Zn2+进入溶液,即Zn-2e-===Zn2+;从锌片上释放出的电子,经过导线流向铜片。
(2)CuCuSO4半电池:
CuSO4溶液中的Cu2+从铜片上得到电子,还原为铜单质并沉积在铜片上,即Cu2++2e-===Cu。
(3)盐桥的作用:
电池工作时,盐桥中的Cl-会移向ZnSO4溶液,K+移向CuSO4溶液,使两溶液均保持电中性。
当取出盐桥后,形成断路,反应停止。
1.关于如图所示装置的叙述,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
D.氢离子在铜片表面被还原
解析:
选D 由所给图示可知,Zn为原电池负极,失去电子被氧化,电子经导线流向正极铜电极,溶液中的氢离子在正极得到电子而被还原为H2;电流方向与电子流动的方向相反。
2.铜锌原电池(如下图)工作时,下列叙述正确的是( )
①正极反应为Zn-2e-===Zn2+
②电池反应为Zn+Cu2+===Zn2++Cu
③在外电路中,电子从负极流向正极
④盐桥中的K+移向ZnSO4溶液
A.①② B.②③
C.③④D.①④
解析:
选B ①正极发生还原反应:
Cu2++2e-===Cu,负极发生氧化反应:
Zn-2e-===Zn2+;②由正、负两极发生的电极反应合并得总反应:
Zn+Cu2+===Zn2++Cu;③电子流向为负极沿导线到正极;④由于Cu2+放电,为使CuSO4溶液保持电中性,则盐桥中的K+移向CuSO4溶液,Cl-移向ZnSO4溶液。
1.加快化学反应速率
构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。
如实验室制H2时,粗锌比纯锌与稀硫酸反应快,或向溶液中滴入几滴CuSO4溶液,反应加快。
2.比较金属的活动性强弱
(1)对于酸性电解质,一般是作负极的金属活动性强,作正极的金属活动性较弱。
(2)常用比较方法
3.设计原电池
Ⅰ.一般思路
(1)理论上,自发的氧化还原反应,可以设计成原电池。
(2)外电路。
还原性较强的物质被氧化
氧化性较强的物质被还原
(3)内电路:
将两电极浸入电解质溶液中,阴、阳离子作定向移动。
Ⅱ.设计方法——“两极一液一连线”
(1)根据电池总反应写出电极反应式。
(2)电极材料的选择:
电池的电极必须导电。
一般电池中的负极必须能够与电解质溶液反应,容易失去电子,因此负极一般是活泼的金属材料;正极和负极不能用同一种材料,两个电极可以是活泼性不同的两种金属,或一种金属和非金属。
例如,铜锌原电池中,锌板作电池的负极,铜板作电池的正极。
(3)电解质溶液的选择:
电解质溶液是为负极提供放电的物质,因此,电解质溶液一般要能够与负极发生反应。
例如:
ZnCu稀H2SO4形成的原电池中,Zn与稀H2SO4能发生氧化还原反应。
(4)形成闭合回路。
1.有a、b、c、d四个金属电极,有关的实验装置及部分实验现象如下:
实验装置
部分实验现象
a极质量减小;b极质量增加
b极有气体产生;c极无变化
d极溶解;c极有气体产生
电流从a极流向d极
由此可判断这四种金属的活动性顺序是( )
A.a>b>c>d B.b>c>d>a
C.d>a>b>cD.a>b>d>c
解析:
选C 由第一个装置a极溶解,可知a极是负极,金属活动性a>b,第二个装置依据氧化性、还原性的规律知金属活动性b>c,故第三个装置的金属活动性d>c,由第四个装置电流从a→d,则电子从d→a,故金属活动性d>a。
2.将2Ag+(aq)+Cu(s)===Cu2+(aq)+2Ag(s)反应设计的原电池如下图所示。
请回答下列问题:
(1)电极X的材料是________,电解质溶液Y是________。
(2)外电路中的电子是从________电极流向________电极。
(3)银电极上发生的电极反应式为________________________________________。
解析:
由总反应知负极反应:
Cu-2e-===Cu2+;正极反应:
2Ag++2e-===2Ag。
(1)由图示分析知X作负极,电极材料是铜,Y中电解液中含Ag+,只能是AgNO3溶液。
(2)在外电路中,电子从负极流向正极,故电子从X电极流向Ag电极。
答案:
(1)Cu AgNO3
(2)X(或Cu) Ag
(3)2Ag++2e-===2Ag
[三级训练·节节过关]
1.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
解析:
选C 在原电池工作时,电子由负极流向正极,A错误;在原电池中,活泼金属作负极,不一定是锌,B错误;原电池工作时,电解质溶液中的阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,C正确,D错误。
2.在盛有稀硫酸的烧杯中放入用导线连接的锌片和铜片,下列叙述正确的是( )
A.正极附近的SO
浓度逐渐增大
B.电子通过导线由铜片流向锌片
C.正极有O2逸出
D.铜片上有H2逸出
解析:
选D 在ZnCuH2SO4组成的原电池中,Zn为负极,发生氧化反应,Cu为正极,发生还原反应,正极上产生H2,电子由锌片流向铜片,阴离子向负极移动,阳离子向正极移动。
3.事实证明,原电池中发生的反应通常是放热反应。
利用下列化学反应可以设计成原电池的是( )
A.C(s)+H2O(g)===CO(g)+H2(g) ΔH>0
B.NaOH(aq)+HCl(aq)===NaCl(aq)+H2O(l) ΔH<0
C.2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH<0
D.CaCO3(s)+2HCl(aq)===CaCl2(aq)+H2O(l)+CO2(g) ΔH<0
解析:
选C 原电池反应是自发进行的氧化还原反应,由条件知是放热反应,A为吸热反应,B、D不是氧化还原反应。
4.一个原电池总反应的离子方程式是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,该反应的原电池的正确组成是( )
选项
A
B
C
D
正极
Zn
Cu
Cu
Mg
负极
Cu
Zn
Zn
Zn
电解质溶液
CuCl2
H2SO4
CuSO4
CuCl2
解析:
选C 根据Zn+Cu2+===Zn2++Cu知,Zn发生氧化反应,Zn-2e-===Zn2+,是电池负极;正极反应为Cu2++2e-===Cu,故正极材料可以是石墨或Cu等,电解质溶液应是可溶性铜盐溶液,C项符合。
5.
(1)下列装置属于原电池的是________。
(2)在选出的原电池中,________是负极,发生________反应,________是正极,该极的现象是________________________________________________________________________。
(3)此原电池反应的化学方程式为___________________________________________。
解析:
(1)根据构成原电池的条件判断:
⑤属于原电池。
(2)(3)在⑤原电池中,Fe为负极,发生氧化反应,Cu为正极,发生还原反应,Cu表面有气泡产生,反应为Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑。
答案:
(1)⑤
(2)Fe 氧化 Cu Cu表面有气泡产生
(3)Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑
6.
(1)事实证明,能设计成原电池的反应通常是放热反应,下列化学反应在理论上可以设计成原电池的是________(填字母,下同)。
a.C(s)+H2O(g)===CO(g)+H2(g) ΔH>0
b.2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH<0
c.NaOH(aq)+HCl(aq)===NaCl(aq)+H2O(l) ΔH<0
若以KOH溶液为电解质溶液,依据所选反应设计一个原电池,其正极的电极反应为______________________。
(2)某同学用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有琼脂-KNO3的U形管)设计成一个原电池,如图所示,下列判断中正确的是________。
a.实验过程中,左侧烧杯中NO
浓度不变
b.实验过程中取出盐桥,原电池能继续工作
c.若开始时用U形铜代替盐桥,装置中无电流产生
d.若开始时用U形铜代替盐桥,U形铜的质量不变
解析:
(1)根据题中信息,设计成原电池的反应通常是放热反应,排除a,根据已学知识,原电池反应必是自发进行的氧化还原反应,排除c。
原电池正极发生还原反应,由于是碱性介质,则电极反应中不应出现H+,故正极的电极反应为O2+4e-+2H2O===4OH-。
(2)该原电池的工作原理是Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+,盐桥起形成闭合回路和平衡电荷的作用,因此当电池工作时,盐桥中的NO
向负极移动,因此左侧烧杯中NO
的浓度将增大,a错误。
当取出盐桥,不能形成闭合回路,电池处于断路状态,不能继续工作,b错误。
若开始时用U形铜代替盐桥,则左侧烧杯相当于电解装置,而右侧烧杯相当于原电池装置,电极反应从左往右依次为阳极:
4OH--4e-===2H2O+O2↑,阴极:
Cu2++2e-===Cu,负极:
Cu-2e-===Cu2+,正极Ag++e-===Ag,由此可知c错误、d正确。
答案:
(1)b O2+2H2O+4e-===4OH-
(2)d
1.下列装置中,能构成原电池的是( )
解析:
选D 酒精为非电解质,A错误;选项B中未使用盐桥,没有形成闭合回路;C项中两个电极材料相同,不能形成原电池。
依据原电池的构成条件可知D正确。
2.下列四位同学的说法正确的是( )
解析:
选A 在原电池中,较活泼的金属作负极,失去电子发生氧化反应,电子从负极流出经导线流向正极,内电路中,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,故只有A项正确。
3.有关如图所示原电池的叙述,正确的是(盐桥中装有含琼胶的KCl饱和溶液)( )
A.铜片上有气泡逸出
B.取出盐桥后,检流计依然发生偏转
C.反应中,盐桥中的K+会移向CuSO4溶液
D.反应前后铜片质量不改变
解析:
选C 由题图可得知,Cu为正极,电极反应为Cu2++2e-===Cu,Zn为负极,电极反应为Zn-2e-===Zn2+,则铜片上应有固体析出,反应后铜片质量增加,所以A、D均错误;取出盐桥后,原电池成断路,因此检流计不会再发生偏转,B错误;盐桥中的K+会移向正极即移向CuSO4溶液,C正确。
4.如图所示的原电池装置,X、Y为两电极,电解质溶液为稀硫酸,外电路中的电子流向如图所示,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和石墨棒,则X为石墨棒,Y为Zn
C.若两电极都是金属,则它们的活泼性为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
解析:
选C 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的强;X极应发生氧化反应,Y极应发生还原反应,A、B、D错误,C正确。
5.实验室准备较快地制取氢气,可采用的方法是( )
A.用纯锌与稀H2SO4溶液反应
B.用纯锌与浓HCl溶液反应
C.用粗锌与HNO3溶液反应
D.用在CuSO4溶液中浸泡过的锌与稀H2SO4溶液反应
解析:
选D B项会混入大量的HCl;C项不产生H2;D项中锌表面有置换出的铜,放入稀H2SO4溶液时,会构成原电池而加快H2的逸出,故A错误、D正确。
6.将铁片和银片用导线连接置于同一稀盐酸中,并经过一段时间后,下列各叙述中正确的是( )
A.负极有Cl2逸出,正极有H2逸出
B.负极附近Cl-的浓度减小
C.正极附近Cl-的浓度逐渐增大
D.溶液中Cl-的浓度基本不变
解析:
选D Fe为负极,Fe-2e-===Fe2+;Ag为正极:
2H++2e-===H2↑,Cl-的浓度基本不变。
7.如图所示的装置,在盛有水的烧杯中,铁圈和银圈的连接处吊着一根绝缘的细丝,使之平衡。
小心地从烧杯中央滴入CuSO4溶液,片刻后可观察到的现象是(指悬吊的金属圈)( )
A.铁圈和银圈左右摇摆不定
B.铁圈和银圈仍保持平衡状态不变
C.铁圈向下倾斜,银圈向上倾斜
D.银圈向下倾斜,铁圈向上倾斜
解析:
选D 该装置是一个Fe为负极、Ag为正极、CuSO4溶液为电解质溶液的原电池,负极反应Fe-2e-===Fe2+,正极反应Cu2++2e-===Cu,因此,铁圈质量减小,银圈质量增大。
8.X、Y、Z、W四种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动性顺序是( )
A.X>Z>W>Y B.Z>X>Y>W
C.X>Y>Z>WD.Y>W>Z>X
解析:
选A X、Y相连,X为负极,活动性X>Y;Z、W相连,电流W→Z,活动性Z>W;X、Z相连,Z放气泡,活动性X>Z;W、Y相连,W被氧化,活动性W>Y。
则活动性由强到弱的顺序为X>Z>W>Y。
9.A、B、C、D四种金属按下表中的装置图进行实验。
装置
现象
二价金属A不断溶解
C的质量增加
A上有气泡产生
根据实验现象回答下列问题:
(1)装置甲中负极的电极反应是_____________________________________。
(2)装置乙中正极的电极反应是__________________________________________。
(3)装置丙中溶液的pH________(填“变大”“变小”或“不变”)。
(4)四种金属活动性由强到弱的顺序是_____________________________________。
解析:
甲、乙、丙均为原电池装置。
依据原电池原理,甲中A不断溶解,则A为负极、B为正极,活动性A>B;乙中C极质量增加,即析出Cu,则B为负极,活动性B>C;丙中A上有气体即H2产生,则A为正极,活动性D>A,随着H+的消耗,溶液pH逐渐变大。
答案:
(1)A-2e-===A2+
(2)Cu2++2e-===Cu
(3)变大 (4)D>A>B>C
10.为了避免锌片与Cu2+直接接触发生反应而影响原电池的放电效率,有人设计了如下装置,按要求完成以下填空:
(1)此装置工作时,可以观察到的现象是____________________________________
________________________________________________________________________,
电池总反应式为_____________________________________________________。
(2)以上电池中,锌和锌盐溶液组成__________,铜和铜盐溶液组成__________,中间通过盐桥连接起来。
(3)电池工作时,硫酸锌溶液中SO
向________移动,硫酸铜溶液中SO
向________移动。
(4)此盐桥内为饱和KCl溶液,盐桥是通过________移动来导电的。
在工作时,K+移向________。
解析:
该装置为锌铜原电池,总反应式为Zn+Cu2+===Cu+Zn2+,电池工作时,观察到:
①电流计指针发生偏转,②锌片不断溶解,③铜片上有红色物质析出,其中Zn与ZnSO4溶液组成锌半电池,Cu与CuSO4溶液组成铜半电池。
电池工作时,ZnSO4溶液中SO
向负极(锌电池)移动,CuSO4溶液中SO
向盐桥移动,而盐桥中,K+向正极区(CuSO4溶液)移动,Cl-向负极区(ZnSO4溶液)移动,这样靠离子的移动形成闭合回路而导电。
答案:
(1)电流计指针发生偏转,锌片逐渐溶解,铜片上有红色物质析出 Zn+Cu2+===Zn2++Cu
(2)锌半电池 铜半电池 (3)锌电极 盐桥
(4)离子 正极区(CuSO4溶液)
1.有关电化学知识的描述正确的是( )
A.CaO+H2O===Ca(OH)2,可以放出大量的热,故可把该反应设计成原电池,把其中的化学能转化为电能
B.某原电池反应为Cu+2AgNO3===Cu(NO3)2+2Ag,装置中的盐桥中可以是由KCl饱和溶液制得的琼脂
C.因为铁的活动性强于铜,所以将铁、铜用导线连接后放入浓硝酸中,若能组成原电池,必是铁作负极,铜作正极
D.理论上说,任何能自发进行的氧化还原反应都可被设计成原电池
解析:
选D CaO+H2O===Ca(OH)2不是氧化还原反应,不能设计成原电池,A项错误;B项中会发生反应:
KCl+AgNO3===AgCl↓+KNO3,生成的AgCl会使盐桥的导电性减弱,所以盐桥中不能使用KCl,可换成KNO3,B项错误;由于铁遇到浓硝酸会发生钝化,而铜可与之发生反应:
Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O,Cu失电子被氧化,作原电池的负极,所以C项错误。
2.将纯锌片和纯铜片按图所示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间,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H+浓度均减小
D.产生气泡的速度甲比乙慢
解析:
选C 由题目中所给图示可知,甲中形成闭合回路,符合形成原电池的条件,其中铜作正极,发生电极反应为2H++2e-===H2↑;乙不能构成闭合回路,不能形成原电池,只在锌片上发生反应Zn+2H+===Zn2++H2↑,两者都消耗H+。
由于原电池的形成,故甲的反应速率比乙快。
3.结合下图判断,下列叙述不正确的是( )
A.Ⅰ、Ⅱ的反应原理均是Zn+Cu2+===Zn2++Cu
B.Ⅰ、Ⅱ中均有电子转移,均是把化学能转化为电能
C.随着反应的进行,Ⅰ、Ⅱ中CuSO4溶液颜色均渐渐变浅
D.取a中溶液,加足量Ba(NO3)2溶液,过滤后向滤液中加AgNO3溶液,有沉淀产生
解析:
选B Ⅰ中发生的是化学反应,没有电能产生,Ⅱ中发生的是电化学反应,化学能转化为电能,但二者的反应原理都是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,A项正确,B项错误;随着反应的进行,Ⅰ、Ⅱ中(Cu2+)逐渐减小,溶液颜色均渐渐变浅,C项正确;在原电池工作过程中,盐桥中的Cl-移向负极,即a中溶液含有Cl-故取a中溶液,加足量Ba(NO3)2溶液,过滤后向滤液中加AgNO3溶液,有AgCl沉淀产生,D项正确。
4.用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有琼脂KNO3的U形管)构成一个原电池(如图)。
以下有关该原电池的叙述正确的是( )
①在外电路中,电流由铜电极流向银电极 ②正极反应为Ag++e-===Ag ③实验过程中取出盐桥,原电池仍继续工作 ④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同
A.①②B.③④
C.②④D.②③
解析:
选C 由于活动性:
Cu>Ag,则Cu作负极,电解质溶液为Cu(NO3)2溶液;Ag作正极,电解质溶液为AgNO3溶液,盐桥形成闭合回路。
①在外电路中,电流由银电极流向铜电极,错误;②正极为溶液中Ag+得到电子被还原变为Ag,电极反应式为Ag++e-===Ag,正确;③实验过程中取出盐桥,因为不能形成闭合回路,所以原电池不能继续工作,错误;④将铜片浸入AgNO3溶液中,发生的化学反应与该原电池反应相同,正确。
5.298K时,在FeCl3溶液中加少量锌粒后,Fe3+被还原成Fe2+。
据此某学习小组设计如图所示的原电池装置。
下列有关说法正确的是( )
A.正极电极反应为Zn-2e-===Zn2+
B.左边烧杯中溶液的红色变浅
C.Pt电极上有气泡出现
D.该电池的总反应为3Zn+2Fe3+===3Zn2++2Fe
解析:
选B A项,反应Zn-2e-===Zn2+为负极反应,错误;B项,左边烧杯中发生反应Fe3++e-===Fe2+,Fe3+浓度减小,溶液的红色变浅,正确;C项,Pt电极上发生的反应为Fe3++e-===Fe2+,没有气泡出现,错误;D项,根据题目所给信
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