學(xué)年蘇教版選修4專題第單元化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化（張）

第1課時(shí)原電池的工作原理專題1第二單元化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)HEXINSUYANGFAZHANMUBIAO1.宏觀辨識與微觀探析：以銅鋅原電池為例，從宏觀和微觀的角度分析理解原電池的工作原理，能正確判斷原電池的正極和負(fù)極，會書寫其電極反應(yīng)式。2.變化觀念與平衡思想：進(jìn)一步理解化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化，認(rèn)識從簡單原電池發(fā)展到帶有鹽橋原電池的過程變化，并能理解帶有鹽橋原電池的實(shí)用性。新知導(dǎo)學(xué)啟迪思維探究規(guī)律達(dá)標(biāo)檢測檢測評價(jià)達(dá)標(biāo)過關(guān)內(nèi)容索引NEIRONGSUOYIN01新知導(dǎo)學(xué)1.原電池的構(gòu)造與工作原理一、原電池的工作原理銅鋅原電池如圖所示，請回答下列問題：(1)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象①鋅片逐漸

，銅片逐漸

，硫酸銅溶液顏色

；②電流計(jì)的指針

，裝置中的能量變化是_____

。溶解加厚變亮變淺發(fā)生偏轉(zhuǎn)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能(2)電極名稱和電極反應(yīng)①鋅電極為

極，發(fā)生

反應(yīng)，電極反應(yīng)式是Zn－2e－===Zn2＋；②銅電極為

極，發(fā)生

反應(yīng)，電極反應(yīng)式是Cu2＋＋2e－===Cu；③電池總反應(yīng)的離子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu。(3)電子流動方向和電流方向①外電路：電子由

電極經(jīng)過導(dǎo)線流向

電極，電流由

電極經(jīng)導(dǎo)線流向___電極；②內(nèi)電路：陽離子移向

，陰離子移向

。負(fù)氧化正還原鋅銅銅鋅銅電極(正極)鋅電極(負(fù)極)(4)原電池構(gòu)成的條件：具有

不同的兩個(gè)電極，二者直接或間接地連在一起，插入

中，且能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應(yīng)。下列圖示裝置能形成原電池的是

?；顒有噪娊赓|(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)AD歸納總結(jié)(1)原電池原理是將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分開進(jìn)行，還原劑在負(fù)極上失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電子通過導(dǎo)線流向正極，氧化劑在正極上得到電子發(fā)生還原反應(yīng)。(2)原電池工作原理示意圖例1由原電池相關(guān)知識判斷正誤(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)原電池中電子流出的一極是正極，發(fā)生氧化反應(yīng)(

)(2)原電池中電流的方向是負(fù)極→導(dǎo)線→正極()(3)原電池中負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)是還原反應(yīng)(

)(4)銅鋅原電池中電子由鋅電極經(jīng)過溶液流向銅電極()(5)在原電池中陽離子移向正極，陰離子移向負(fù)極()(6)銅、鋅與硫酸組成的原電池中，鋅為負(fù)極，質(zhì)量減少，銅為正極，質(zhì)量不變()××××√√思維啟迪——原電池正極和負(fù)極的判斷判斷依據(jù)正極負(fù)極電極材料不活潑金屬或非金屬活潑金屬電子流向電子流入電子流出電極反應(yīng)還原反應(yīng)氧化反應(yīng)電極常見現(xiàn)象電極增重或產(chǎn)生氣體電極減輕離子移向陽離子移向陰離子移向相關(guān)鏈接(1)在原電池中，發(fā)生氧化反應(yīng)的一極為負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)的一極為正極。如果給出電池總反應(yīng)，可以直接根據(jù)元素化合價(jià)的升降來判斷。(2)在判斷原電池正、負(fù)極時(shí)，不要只考慮金屬活潑性的相對強(qiáng)弱，還要考慮其能否與電解質(zhì)溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng)。①鎂、鋁和稀鹽酸構(gòu)成的原電池中，鎂作負(fù)極，鋁作正極；若把稀鹽酸換為氫氧化鈉溶液，則鋁作負(fù)極，鎂作正極。②鋁、銅和氫氧化鈉溶液構(gòu)成的原電池中，鋁作負(fù)極；若把氫氧化鈉溶液換為濃硝酸，則銅作負(fù)極。2.鹽橋原電池(或雙液原電池)按下圖所示裝置完成實(shí)驗(yàn)，并回答下列問題：(1)實(shí)驗(yàn)過程中，能觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：①鋅片逐漸

，銅片逐漸

；②電流計(jì)指針

；③硫酸銅溶液的顏色

。(2)離子移動方向①硫酸鋅溶液中：

向鹽橋移動；②硫酸銅溶液中：

向銅極移動；③鹽橋中：K＋移向

區(qū)(CuSO4溶液)，Cl－移向

區(qū)(ZnSO4溶液)。溶解加厚變亮發(fā)生偏轉(zhuǎn)變淺Zn2＋Cu2＋正極負(fù)極(3)若取出裝置中的鹽橋，電流計(jì)的指針是否還會發(fā)生偏轉(zhuǎn)？

，原因是

。不偏轉(zhuǎn)取出鹽橋，該裝置不能構(gòu)成閉合回路，不能形成原電池歸納總結(jié)原電池中鹽橋的作用(1)構(gòu)成閉合回路，形成原電池。(2)避免電極與電解質(zhì)溶液直接反應(yīng)，有利于最大程度地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。(3)鹽橋中的陰、陽離子定向遷移，使電解質(zhì)溶液保持電中性，反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，能長時(shí)間穩(wěn)定放電。(1)簡單銅鋅原電池與鹽橋原電池的比較相關(guān)鏈接實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)步驟將銅片和鋅片用導(dǎo)線連接，并在中間串聯(lián)一個(gè)電流計(jì)；平行插入盛有1mol·L－1CuSO4溶液的燒杯中，觀察現(xiàn)象①用一個(gè)充滿電解質(zhì)溶液的鹽橋，將置有鋅片的ZnSO4溶液和置有銅片的CuSO4溶液連接起來，然后將鋅片和銅片用導(dǎo)線連接，并在中間串聯(lián)一個(gè)電流計(jì)，觀察現(xiàn)象；②取出鹽橋，觀察現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)①電流計(jì)的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)；②取出鹽橋，電流計(jì)的指針回到原點(diǎn)電極變化鋅片逐漸溶解，銅片上有紅色固體析出①左邊燒杯中的鋅片逐漸溶解，右邊燒杯中的銅片上有紅色固體析出；②取出鹽橋，銅片上不再有固體析出，鋅片也不再溶解電極反應(yīng)銅片：Cu2＋＋2e－===Cu(還原反應(yīng))鋅片：Zn－2e－===Zn2＋(氧化反應(yīng))電池總反應(yīng)：Cu2＋＋Zn===Cu＋Zn2＋(2)原電池原理中的注意事項(xiàng)①只有放熱的氧化還原反應(yīng)才能設(shè)計(jì)成原電池，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。②電解質(zhì)溶液中陰、陽離子的定向移動與導(dǎo)線中電子的定向移動共同組成了一個(gè)完整的閉合回路。③原電池中電子不能通過電解質(zhì)溶液，溶液中的離子不能通過鹽橋。④原電池的負(fù)極失去電子的總數(shù)等于正極得到電子的總數(shù)。例2關(guān)于下圖所示的原電池，下列說法正確的是A.電子從鋅電極通過電流計(jì)流向銅電極B.鹽橋中的陰離子向硫酸銅溶液中遷移C.銅電極發(fā)生還原反應(yīng)，其電極反應(yīng)是2H＋＋2e－===H2↑D.取出鹽橋后，電流計(jì)指針仍會偏轉(zhuǎn)，銅電極在反應(yīng)前后質(zhì)量不變√解析鋅片作負(fù)極，銅片作正極，電子從負(fù)極流向正極，A選項(xiàng)正確；鹽橋中的陰離子向負(fù)極移動，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，銅電極發(fā)生的反應(yīng)為Cu2＋＋2e－===Cu，C選項(xiàng)錯(cuò)誤；取出鹽橋后不能形成原電池，電流計(jì)指針不偏轉(zhuǎn)，銅電極在反應(yīng)后質(zhì)量增加，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。例3根據(jù)原電池的工作原理，寫出下列電池的電極反應(yīng)式。(1)將鐵片、銅片用導(dǎo)線連接后，置于稀硫酸中，形成原電池：①正極反應(yīng)式是

；②負(fù)極反應(yīng)式是

；③原電池總反應(yīng)的離子方程式是

。2H＋＋2e－===H2↑Fe－2e－===Fe2＋Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑(2)有人用原電池原理除去銀器皿表面的黑色硫化銀，其處理方法：將一定濃度的食鹽溶液放入一鋁制容器中，再將變黑的銀器浸入溶液中，放置一段時(shí)間后，有臭雞蛋氣味的氣體放出，銀表面的黑色會褪去而銀不會損失。在此形成的原電池中：①負(fù)極反應(yīng)式是

；②正極反應(yīng)式是

；③總反應(yīng)方程式是

。2Al－6e－===2Al3＋3Ag2S＋6e－===6Ag＋3S2－3Ag2S＋2Al＋6H2O===6Ag＋2Al(OH)3＋3H2S↑解析要善于抓住題示信息?！昂谏嗜ザy不會損失”，必然發(fā)生變化：Ag2S―→Ag，顯然這是原電池的正極反應(yīng)：3Ag2S＋6e－===6Ag＋3S2－，負(fù)極反應(yīng)應(yīng)為活潑金屬發(fā)生氧化反應(yīng)：2Al－6e－===2Al3＋，正極生成的S2－和負(fù)極生成的Al3＋在溶液中都能水解且相互促進(jìn)：2Al3＋＋3S2－＋6H2O===2Al(OH)3＋3H2S↑，有臭雞蛋氣味的硫化氫氣體產(chǎn)生。原電池的總反應(yīng)為上述三個(gè)反應(yīng)式的加合：3Ag2S＋2Al＋6H2O===6Ag＋2Al(OH)3＋3H2S↑。方法點(diǎn)撥——一般電極反應(yīng)式的書寫方法(1)判斷原電池的正、負(fù)極，即找出氧化劑和還原劑。(2)結(jié)合介質(zhì)的酸堿性確定還原產(chǎn)物和氧化產(chǎn)物。(3)寫出電極反應(yīng)式，將兩式相加得總反應(yīng)式。例4根據(jù)下列原電池的總反應(yīng)式，寫出其電極反應(yīng)式。(1)利用反應(yīng)2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O可制備硫酸銅，若將該反應(yīng)設(shè)計(jì)為原電池，其負(fù)極反應(yīng)式是

，正極反應(yīng)式是_______

。2Cu－4e－===2Cu2＋O2＋4e－＋4H＋===2H2O解析將總方程式拆成氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)兩個(gè)半反應(yīng)，還原劑在負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)：2Cu－4e－===2Cu2＋；氧化劑在正極上發(fā)生還原反應(yīng)：O2＋4e－＋4H＋===2H2O。(2)某原電池總反應(yīng)為

＋3H2===Fe2O3＋4OH－＋H2O，在該原電池中：負(fù)極反應(yīng)式是

；正極反應(yīng)式是

。3H2－6e－＋6OH－===6H2O＋5H2O＋6e－===Fe2O3＋10OH－解析將總方程式拆成氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)兩個(gè)半反應(yīng)，還原劑在負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)：3H2－6e－＋6OH－===6H2O；氧化劑在正極上發(fā)生還原反應(yīng)：

＋5H2O＋6e－===Fe2O3＋10OH－。方法點(diǎn)撥——已知總反應(yīng)式，書寫電極反應(yīng)式的方法(1)分析原電池總反應(yīng)式中各元素的化合價(jià)變化情況，找出氧化劑及其對應(yīng)的還原產(chǎn)物，氧化劑發(fā)生的反應(yīng)即為正極反應(yīng)；找出還原劑及其對應(yīng)的氧化產(chǎn)物，還原劑發(fā)生的反應(yīng)即為負(fù)極反應(yīng)。(2)當(dāng)氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物由多種元素組成時(shí)，還應(yīng)注意電解質(zhì)參與的反應(yīng)。(3)若有一電極反應(yīng)式較難書寫，可先寫較易寫出的電極反應(yīng)式，然后利用總反應(yīng)式減去該電極反應(yīng)式即可得到另一電極反應(yīng)式。1.比較金屬活動性強(qiáng)弱二、原電池原理的應(yīng)用對于酸性電解質(zhì)，一般是負(fù)極金屬的活動性

，正極金屬的活動性

。例如：a和b兩種金屬，用導(dǎo)線連接后插入稀硫酸中，觀察到a極溶解，b極上有氣泡產(chǎn)生，則a為

極，b為

極，金屬活動性a

b。2.加快氧化還原反應(yīng)的速率構(gòu)成原電池的反應(yīng)速率比直接接觸的反應(yīng)速率

。例如：實(shí)驗(yàn)室制取氫氣時(shí)，粗鋅比純鋅與稀硫酸反應(yīng)速率

；或向溶液中滴入幾滴硫酸銅溶液，產(chǎn)生氫氣的速率

。較強(qiáng)較弱負(fù)正>快快加快3.設(shè)計(jì)化學(xué)電池(1)理論上，任何自發(fā)的

反應(yīng)都可以設(shè)計(jì)成原電池。(2)外電路：

性較強(qiáng)的物質(zhì)在負(fù)極上失去電子，

性較強(qiáng)的物質(zhì)在正極上得到電子。(3)內(nèi)電路：將兩電極浸入電解質(zhì)溶液中，陰、陽離子作

移動。氧化還原還原氧化定向請回答下列問題：(1)電極X的材料是

，電解質(zhì)溶液Y是

。(2)銀電極的電極反應(yīng)式是

；X電極的電極反應(yīng)式是

。(3)外電路中的電子是從

極流向

極。例5依據(jù)氧化還原反應(yīng)：Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag設(shè)計(jì)的原電池如圖所示。銅硝酸銀溶液2Ag＋＋2e－===2AgCu－2e－===Cu2＋負(fù)(或銅)正(或銀)解析原電池中負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上發(fā)生還原反應(yīng)，鹽橋起到形成閉合回路、平衡電荷的作用。由總反應(yīng)方程式可知電極X的材料是Cu，發(fā)生氧化反應(yīng)，電解質(zhì)溶液Y是可溶性銀鹽溶液，常用AgNO3溶液。電極反應(yīng)式如下，負(fù)極：Cu－2e－===Cu2＋，正極：2Ag＋＋2e－===2Ag，電子由負(fù)極(Cu)流出，經(jīng)外電路流向正極(Ag)。(4)該原電池的正極是

，還可以選用

等材料。(5)如果將裝置圖中的兩個(gè)燒杯換成一個(gè)燒杯，是否還需要硫酸銅溶液？

。銀鉑、石墨不需要原電池的設(shè)計(jì)方法——“兩極一液一連線”(1)根據(jù)電池總反應(yīng)式寫出正極和負(fù)極的電極反應(yīng)式。(2)電極材料的選擇：電池的電極必須導(dǎo)電。一般電池中的負(fù)極必須能夠與電解質(zhì)溶液反應(yīng)，容易失去電子，因此負(fù)極一般是活潑的金屬材料，所以正極和負(fù)極不能用同一種材料，兩個(gè)電極可以是活潑性不同的兩種金屬或一種金屬和一種非金屬。(3)電解質(zhì)溶液的選擇：電解質(zhì)溶液是為正極提供放電的物質(zhì)，一般能夠與負(fù)極發(fā)生氧化還原反應(yīng)。(4)形成閉合回路。方法點(diǎn)撥根據(jù)原電池原理設(shè)計(jì)原電池(1)原電池的設(shè)計(jì)原理①用還原性較強(qiáng)的物質(zhì)作負(fù)極，向外電路提供電子。②用氧化性較強(qiáng)的物質(zhì)作正極，從外電路中得到電子。③原電池內(nèi)部,兩極浸在電解質(zhì)溶液中，通過陰、陽離子的定向移動形成內(nèi)電路。(2)原電池的設(shè)計(jì)思路首先以自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)原電池，把氧化還原反應(yīng)分解為氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)兩個(gè)半反應(yīng)，從而確定電極反應(yīng)；其次，以兩電極反應(yīng)原理為依據(jù)，確定電極材料和電解質(zhì)溶液；最后，用導(dǎo)線連接構(gòu)成閉合回路。相關(guān)鏈接(3)確定電極材料如發(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。兩電極材料的選擇包括以下幾種情況：①活動性不同的兩種金屬。如鋅銅原電池中，鋅作負(fù)極，銅作正極。②金屬和非金屬。如鋅錳干電池中，鋅作負(fù)極，石墨作正極。③金屬和化合物。如鉛蓄電池中，鉛板作負(fù)極，二氧化鉛作正極。④均為惰性電極。如氫氧燃料電池中，正負(fù)極均為Pt電極。注意兩個(gè)電極必須均能導(dǎo)電。(4)確定電解質(zhì)溶液一般來說，電解質(zhì)溶液中的陽離子要在正極發(fā)生還原反應(yīng)，而電解質(zhì)溶液中的陰離子一般不參與反應(yīng)，可根據(jù)實(shí)際情況確定電解質(zhì)溶液。若設(shè)計(jì)的原電池中含有鹽橋，需保證每個(gè)半電池中電極與電解質(zhì)溶液均不能發(fā)生反應(yīng)。說明設(shè)計(jì)原電池時(shí)，若氧化還原反應(yīng)中無明顯的電解質(zhì)溶液，可用水，但為了增強(qiáng)其導(dǎo)電能力，往往向其中加入少量強(qiáng)堿或強(qiáng)酸。解析原電池中，活潑金屬作負(fù)極，失去電子。a、b相連時(shí)a為負(fù)極，a＞b；c、d相連時(shí)，c為負(fù)極，c＞d；a、c相連時(shí)，c為正極，a＞c；b、d相連時(shí)，b為正極，d＞b。由此可得金屬活動性：a＞c＞d＞b。例6

(2018·銅仁一中期中)把a(bǔ)、b、c、d四塊金屬片浸入稀硫酸中，用導(dǎo)線兩兩相連組成原電池。若a、b相連時(shí)，a為負(fù)極；c、d相連時(shí)，電流由d到c；a、c相連時(shí)，c極上產(chǎn)生大量氣泡。b、d相連時(shí)，b上有大量氣泡產(chǎn)生，則四種金屬的活動性由強(qiáng)到弱的順序?yàn)锳.a＞b＞c＞d B.a＞c＞d＞bC.c＞a＞b＞d D.b＞d＞c＞a√學(xué)習(xí)小結(jié)XUEXIXIAOJIE02達(dá)標(biāo)檢測123451.在如圖所示的水果(檸檬)電池中，外電路上的電流從X電極流向Y電極。若X為鐵，則Y可能是A.鋅 B.石墨

C.銀 D.銅√解析電流的方向與電子的移動方向相反，由已知條件知電子由Y電極流向X電極，因此Y電極的金屬活動性強(qiáng)于鐵，故Y電極只能為選項(xiàng)中的鋅。123452.(2018·福建四地六校高二月考)某原電池裝置如圖所示。下列有關(guān)敘述中正確的是A.電池工作中，鹽橋中的Cl－向負(fù)極移動B.負(fù)極反應(yīng)式：2H＋＋2e－===H2↑C.工作一段時(shí)間后，兩燒杯中溶液pH均不變D.Fe作正極，發(fā)生氧化反應(yīng)√12345解析根據(jù)原電池工作原理，陽離子向正極移動，陰離子向負(fù)極移動，鹽橋的作用是構(gòu)成閉合回路和平衡兩燒杯中的電荷，所以Cl－向負(fù)極移動，故A正確；鐵作負(fù)極：Fe－2e－===Fe2＋，正極反應(yīng)式為2H＋＋2e－===H2↑，故B錯(cuò)誤；左燒杯中pH基本不變，右燒杯中消耗H＋，c(H＋)減小，pH增大，故C錯(cuò)誤；總反應(yīng)方程式為Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，鐵作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，故D錯(cuò)誤。123453.下列有關(guān)圖甲和圖乙的敘述不正確的是A.均發(fā)生了化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程B.Zn和Cu既是電極材料又是反應(yīng)物C.工作過程中，電子均由Zn經(jīng)導(dǎo)線流向CuD.相同條件下，圖乙比圖甲的能量利用效率高√12345解析兩個(gè)裝置都為原電池裝置，均發(fā)生化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程，故A正確；根據(jù)原電池的工作原理，鋅比銅活潑，鋅作負(fù)極、銅作正極，銅本身不是反應(yīng)物，故B錯(cuò)誤；鋅作負(fù)極，電子從負(fù)極經(jīng)外電路流向正極，故C正確；圖乙裝置產(chǎn)生的電流在一段時(shí)間內(nèi)變化不大，但圖甲裝置產(chǎn)生的電流在較短時(shí)間內(nèi)就會衰減，故D正確。1234