2024-2025學(xué)年新教材高中化學(xué)第1章化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化第2節(jié)第1課時(shí)原電池的工作原理學(xué)案魯科版選擇性必修1

PAGEPAGE10第1課時(shí)原電池的工作原理發(fā)展目標(biāo)體系構(gòu)建1.能通過(guò)雙液電池的試驗(yàn)探究活動(dòng)，了解原電池的工作原理，能寫出電極反應(yīng)式和電池反應(yīng)式。2.能利用身邊的材料設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔的原電池。提升“科學(xué)探究和創(chuàng)新意識(shí)”的學(xué)科素養(yǎng)。1．銅鋅原電池試驗(yàn)探究(1)試驗(yàn)裝置(2)試驗(yàn)現(xiàn)象檢流計(jì)指針電極表面改變狀況(a)發(fā)生偏轉(zhuǎn)鋅片質(zhì)量削減，銅片質(zhì)量增加(b)發(fā)生偏轉(zhuǎn)鋅片質(zhì)量削減，銅片質(zhì)量增加(3)電極材料及電極反應(yīng)負(fù)極正極電極材料鋅片銅片電極反應(yīng)Zn－2e－=Zn2＋Cu2＋＋2e－=Cu反應(yīng)類型氧化反應(yīng)還原反應(yīng)電池反應(yīng)Zn＋Cu2＋=Cu＋Zn2＋電子流向由鋅極通過(guò)導(dǎo)線流向銅極離子移向陽(yáng)離子移向正極，陰離子移向負(fù)極鹽橋作用構(gòu)成閉合回路，使離子通過(guò)，傳導(dǎo)電流微點(diǎn)撥：外電路中由電子的定向移動(dòng)產(chǎn)生電流，而電解質(zhì)溶液內(nèi)部只有離子的定向移動(dòng)，沒(méi)有電子的移動(dòng)。2．原電池的工作原理(1)原電池①定義：能把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。②電極名稱及電極反應(yīng)。負(fù)極：電子流出的一極，發(fā)生氧化反應(yīng)；正極：電子流入的一極，發(fā)生還原反應(yīng)。③原電池的構(gòu)成條件。a．兩個(gè)活潑性不同的電極(兩種金屬或一種金屬和一種能導(dǎo)電的非金屬)。b．將電極插入電解質(zhì)溶液。c．構(gòu)成閉合回路。d．能自發(fā)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。(2)工作原理外電路中電子由負(fù)極流向正極；內(nèi)電路(電解質(zhì)溶液)中陰離子移向負(fù)極，陽(yáng)離子移向正極；電子發(fā)生定向移動(dòng)從而形成電流，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。1．推斷對(duì)錯(cuò)(對(duì)的在括號(hào)內(nèi)打“√”，錯(cuò)的在括號(hào)內(nèi)打“×”。)(1)全部的氧化還原反應(yīng)都可以設(shè)計(jì)成原電池。()(2)原電池中，負(fù)極材料肯定比正極材料活潑。()(3)原電池工作時(shí)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)。()(4)原電池中，電流由負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線流向正極。()(5)銅鋅原電池中，溶液中的陽(yáng)離子移向鋅極。()提示：(1)×自發(fā)的氧化還原反應(yīng)才能設(shè)計(jì)成原電池。(2)×原電池的負(fù)極材料不肯定比正極材料活潑，如Mg－Al－NaOH(aq)原電池中，Al作負(fù)極。(3)√(4)×原電池中，電流由正極經(jīng)導(dǎo)線流向負(fù)極。(5)×銅鋅原電池中，Cu2＋移向銅極。2．下列說(shuō)法正確的是()A．構(gòu)成原電池正極和負(fù)極的材料必需是金屬B．在原電池中，電子流出的一極是負(fù)極，該電極被還原C．試驗(yàn)室欲快速制取氫氣，可利用粗鋅與稀硫酸反應(yīng)D．原電池可以把物質(zhì)內(nèi)部的能量全部轉(zhuǎn)化為電能C[構(gòu)成原電池的電極材料可以是導(dǎo)電的非金屬，如碳棒，所以A錯(cuò)。在原電池中電子流出的一極失電子被氧化，所以B錯(cuò)。粗鋅中含有雜質(zhì)Cu可形成銅鋅原電池，所以C對(duì)。能量轉(zhuǎn)化率不行能達(dá)100%，所以D錯(cuò)。]3．下列反應(yīng)不行用于設(shè)計(jì)原電池的是()A．CaCO3＋2HCl=CaCl2＋CO2↑＋H2OB．2CH3OH＋3O2=2CO2＋4H2OC．Zn＋2HCl=ZnCl2＋H2↑D．4Al＋3O2＋6H2O=4Al(OH)3A[自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)才能設(shè)計(jì)成原電池，A為復(fù)分解反應(yīng)。]原電池的工作原理與電極推斷(素養(yǎng)養(yǎng)成——證據(jù)推理與模型認(rèn)知)甲乙1．打開(kāi)甲、乙兩裝置中的K1與K2，檢流計(jì)及鋅片有何現(xiàn)象？提示：檢流計(jì)指針均不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，甲裝置中鋅片溶解且有氣泡產(chǎn)生，乙裝置中鋅片上無(wú)明顯改變。2．閉合K1、K2，甲、乙裝置中的檢流計(jì)、銅片及鋅片有何現(xiàn)象？提示：檢流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，銅片上均有氣泡生成，鋅片均溶解。3．乙中鹽橋的作用是什么？提示：離子在鹽橋中能夠定向移動(dòng)，通過(guò)鹽橋?qū)蓚€(gè)隔離的電解質(zhì)溶液連接起來(lái)，可使電流傳導(dǎo)。4．甲、乙兩原電池中哪個(gè)工作效率高？提示：乙電池工作效率高，甲電池中鋅片和硫酸電解質(zhì)溶液干脆接觸，少量鋅會(huì)與硫酸干脆反應(yīng)，降低工作效率。1．原電池的工作原理(以銅鋅原電池為例)2．原電池正負(fù)極的推斷3．原電池電極反應(yīng)式書寫的一般步驟eq\x(\a\al(列物質(zhì),標(biāo)得失))—eq\a\al(依據(jù)負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，判,斷出電極反應(yīng)物及產(chǎn)物，找出得失電子的數(shù)量。)eq\x(\a\al(看環(huán)境,配守恒))—eq\a\al(電極產(chǎn)物在電解質(zhì)溶液的環(huán)境中，應(yīng)能穩(wěn)定存在，,如堿性介質(zhì)中生成的H＋，應(yīng)讓其結(jié)合OH－生成水。,電極反應(yīng)式要遵守電荷守恒、質(zhì)量守恒、電子得,失守恒等，并加以配平。)eq\x(\a\al(兩式加,驗(yàn)總式))—eq\a\al(兩電極反應(yīng)式相加，與總反應(yīng)的離子方程式比照,驗(yàn)證。)【例題】(雙選)某愛(ài)好小組同學(xué)利用氧化還原反應(yīng)：2KMnO4＋10FeSO4＋8H2SO4=2MnSO4＋5Fe2(SO4)3＋K2SO4＋8H2O，設(shè)計(jì)如圖原電池，鹽橋中裝有飽和K2SO4溶液。下列說(shuō)法正確的是()A．b電極上發(fā)生還原反應(yīng)B．外電路電子的流向是從a到bC．電池工作時(shí)，鹽橋中SOeq\o\al(2－,4)移向乙燒杯D．a(chǎn)電極上發(fā)生的反應(yīng)為MnOeq\o\al(－,4)＋8H＋＋5e－=Mn2＋＋4H2OCD[依據(jù)總反應(yīng)：Fe2＋→Fe3＋，b電極上發(fā)生氧化反應(yīng)，A錯(cuò)誤；b電極上發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子，電子流向?yàn)閎→a，B錯(cuò)誤。]原電池電極反應(yīng)式在書寫時(shí)應(yīng)留意的問(wèn)題(1)電極反應(yīng)常用“=”而不用“”連接。(2)電極反應(yīng)中若有氣體生成，需加“↑”，弱電解質(zhì)或難溶物均以化學(xué)式表示，其余以離子符號(hào)表示。(3)必需遵循質(zhì)量守恒、電荷守恒及正、負(fù)兩極得失電子數(shù)相等的規(guī)律。(4)原電池正、負(fù)兩極的電極反應(yīng)在得失電子數(shù)相等的狀況下加和即得總反應(yīng)(合二為一)；反之，總反應(yīng)減去其中的一極反應(yīng)可得另一極反應(yīng)(一分為二)。1．某小組為探討電化學(xué)原理，設(shè)計(jì)如圖裝置。下列敘述不正確的是()A．a(chǎn)和b不連接時(shí)，鐵片上會(huì)有金屬銅析出B．a(chǎn)和b用導(dǎo)線連接時(shí)，銅片上發(fā)生的反應(yīng)為Cu2＋＋2e－=CuC．a(chǎn)和b用導(dǎo)線連接后，溶液中的Cu2＋向銅電極移動(dòng)D．a(chǎn)和b用導(dǎo)線連接后，F(xiàn)e片上發(fā)生還原反應(yīng)D[a和b不連接時(shí)，F(xiàn)e與硫酸銅溶液發(fā)生置換反應(yīng)，和b用導(dǎo)線連接時(shí)，形成原電池，F(xiàn)e作負(fù)極，Cu作正極，以此解答該題。a和b不連接時(shí)，鐵和銅離子發(fā)生置換反應(yīng)，所以鐵片上有銅析出，A正確；a和b連接時(shí)，該裝置構(gòu)成原電池，銅作正極，發(fā)生還原反應(yīng)，銅離子得電子生成銅，電極反應(yīng)式為Cu2＋＋2e－=Cu，B正確；a和b用導(dǎo)線連接時(shí)，形成原電池，原電池溶液中陽(yáng)離子移向正極，即溶液中的Cu2＋向銅電極移動(dòng)，C正確；a和b連接時(shí)，該裝置構(gòu)成原電池，鐵作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，D錯(cuò)誤。]2．如圖所示裝置，檢流計(jì)G發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)a極漸漸變粗，b極漸漸變細(xì)，c為電解質(zhì)溶液，則a、b、c應(yīng)是下列各組中的()A．a(chǎn)是Zn，b是Cu，c是稀硫酸B．a(chǎn)是Cu，b是Zn，c是稀硫酸C．a(chǎn)是Fe，b是Ag，c為AgNO3溶液D．a(chǎn)是Ag，b是Fe，c為AgNO3溶液D[由題意，a極變粗，b極變細(xì)可知，b為負(fù)極，a為正極，溶液中陽(yáng)離子在a極上得電子析出，應(yīng)為金屬鹽溶液，a、b兩金屬活潑性b>a，所以A、B、C錯(cuò)，D正確。]3．下列說(shuō)法正確的是()A．原電池中，負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)是還原反應(yīng)B．原電池中，電流的方向是負(fù)極—導(dǎo)線—正極C．雙液原電池中的鹽橋是為了聯(lián)通電路，所以也可以用金屬導(dǎo)線代替D．在原電池中，陽(yáng)離子移向正極，陰離子移向負(fù)極D[A項(xiàng)，負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)；B項(xiàng)，電流的方向應(yīng)是正極—導(dǎo)線—負(fù)極；C項(xiàng)，鹽橋不能用導(dǎo)線代替。]原電池工作原理的應(yīng)用(素養(yǎng)養(yǎng)成——科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí))1．將金屬a、b用導(dǎo)線相連插入稀硫酸中，發(fā)覺(jué)b上產(chǎn)生氣泡，則a與b相比較，誰(shuí)更活潑？提示：a比b活潑。2．試驗(yàn)室用稀硫酸與鋅粒反應(yīng)制取H2時(shí)常加入少量銅片，其目的是什么？提示：加快制取氫氣的反應(yīng)速率。3．已知2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋，如何設(shè)計(jì)成原電池裝置？提示：依據(jù)氧化還原反應(yīng)分析，Cu被氧化，為原電池的負(fù)極，則正極可為惰性電極或不如Cu活潑的金屬，電解質(zhì)溶液肯定含F(xiàn)e3＋。1．比較金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱2．加快化學(xué)反應(yīng)速率構(gòu)成原電池負(fù)極的反應(yīng)速率比干脆接觸的反應(yīng)速率快。照試驗(yàn)室制H2時(shí)，粗鋅比純鋅與稀硫酸反應(yīng)快，或向溶液中滴入幾滴CuSO4溶液，鋅(負(fù)極)反應(yīng)加快。3．設(shè)計(jì)原電池(1)理論上，自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，可以設(shè)計(jì)成原電池。(2)外電路負(fù)極—還原性較強(qiáng)的物質(zhì)被氧化↓e－正極—氧化性較強(qiáng)的物質(zhì)被還原(3)內(nèi)電路：將兩電極浸入電解質(zhì)溶液中，陰、陽(yáng)離子作定向移動(dòng)。1．有a、b、c、d四個(gè)金屬電極，有關(guān)的試驗(yàn)裝置及部分試驗(yàn)現(xiàn)象如下：試驗(yàn)裝置部分試驗(yàn)現(xiàn)象a極質(zhì)量減??；b極質(zhì)量增加b極有氣體產(chǎn)生；c極無(wú)改變d極溶解；c極有氣體產(chǎn)生電流從a極流向d極由此可推斷這四種金屬的活動(dòng)性依次是()A．a(chǎn)＞b＞c＞d B．b＞c＞d＞aC．d＞a＞b＞c D．a(chǎn)＞b＞d＞cC[由第一個(gè)裝置a極質(zhì)量減小，可知a極是負(fù)極，金屬活動(dòng)性a＞b，對(duì)于其次個(gè)裝置，依據(jù)還原性規(guī)律知，金屬活動(dòng)性b＞c，第三個(gè)裝置的金屬活動(dòng)性d＞c，由第四個(gè)裝置電流從a→d，則電子從d→a，故金屬活動(dòng)性d＞a。]2．100mL2mol·L－1鹽酸和過(guò)量的鋅片反應(yīng)，為加快反應(yīng)速率，又不影響生成氫氣的量，可采納的方法是()A．加入適量的6mol·L－1的鹽酸B．加入數(shù)滴氯化銅溶液C．加入適量蒸餾水D．加入適量的氯化鈉溶液B[加入適量的6mol·L－1的鹽酸會(huì)增加生成氫氣的量，A不符合題意；加入數(shù)滴氯化銅溶液，鋅置換出銅以后，會(huì)構(gòu)成原電池，加快反應(yīng)速率，B符合題意；加入適量蒸餾水或加入NaCl溶液，都會(huì)減小氫離子濃度，從而減慢了反應(yīng)速率，C、D不符合題意。]3．設(shè)計(jì)原電池Zn＋2Fe3＋=Zn2＋＋2Fe2＋，在方框中畫出能形成穩(wěn)定電流的半電池形式的裝置圖(標(biāo)出電極材料、電解質(zhì)溶液)負(fù)極：________，電極反應(yīng)：_____________________________________；正極：________，電極反應(yīng)：_____________________________________。[解析]分析元素化合價(jià)的改變可知，Zn為負(fù)極，比Zn活潑性差的金屬或非金屬(石墨等)作正極，負(fù)極選擇與電極材料有相同離子的溶液作電解質(zhì)溶液，正極選擇含有Fe3＋的溶液作電解質(zhì)溶液。[答案]見(jiàn)下圖ZnZn－2e－=Zn2＋Pt2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋設(shè)計(jì)原電池的方法思路(1)依據(jù)原電池總反應(yīng)式確定正、負(fù)極反應(yīng)式。(2)依據(jù)正、負(fù)極反應(yīng)式選擇電極材料和電解質(zhì)溶液。(3)要形成閉合回路(可畫出裝置圖)。相同電極材料、不同電解質(zhì)溶液電池反應(yīng)的比較：甲乙1．甲、乙兩原電池中Al電極都是正極嗎？各有什么現(xiàn)象呢？提示：(1)甲池中Al作正極，Al表面產(chǎn)生氣泡。(2)乙池中Al作負(fù)極，Al漸漸溶解。2．請(qǐng)你寫出甲、乙兩池內(nèi)發(fā)生的電池反應(yīng)式及Al電極的反應(yīng)式。提示：(1)甲池反應(yīng)式：Mg＋2H＋=Mg2＋＋H2↑；Al電極：2H＋＋2e－=H2↑。(2)乙池反應(yīng)式：2Al＋2OH－＋6H2O=3H2↑＋2[Al(OH)4]－；Al電極：Al－3e－＋4OH－=[Al(OH)4]－。3．推斷原電池正、負(fù)極的最根本依據(jù)是什么？提示：原電池原理從本質(zhì)講是氧化還原反應(yīng)，故推斷正、負(fù)極根本依據(jù)：發(fā)生氧化反應(yīng)(失去電子)的一極是負(fù)極；發(fā)生還原反應(yīng)(得到電子)的一極是正極。通過(guò)分析本情境素材中兩原電池的構(gòu)成條件，正、負(fù)極等試驗(yàn)探究活動(dòng)，培育了學(xué)生勤于實(shí)踐、敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新的精神，提升了學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的學(xué)科素養(yǎng)。1．下列敘述正確的是()①原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置②原電池的正極發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)③不能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，通過(guò)原電池的裝置均可實(shí)現(xiàn)④碳棒不能用來(lái)作原電池的正極⑤反應(yīng)Cu＋2Ag＋=2Ag＋Cu2＋，能以原電池的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)A．①⑤ B．①④⑤C．②③④ D．②⑤A[①原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，故正確；②依據(jù)原電池的工作原理，負(fù)極上失去電子，化合價(jià)上升，發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上得電子，化合價(jià)降低，發(fā)生還原反應(yīng)，故錯(cuò)誤；③原電池構(gòu)成條件之一是自發(fā)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，故錯(cuò)誤；④碳棒能導(dǎo)電，可以作正極，故錯(cuò)誤；⑤可以讓銅作負(fù)極，正極是石墨，電解質(zhì)溶液為硝酸銀溶液，組成原電池，故正確。]2．(素養(yǎng)題)“暖寶寶”采納的是鐵的“氧化放熱”原理，使其發(fā)生原電池反應(yīng)，鐵粉在原電池中充當(dāng)()eq\x(\a\al(原材料名：鐵粉、,水、活性炭、蛭石、,食鹽))A．正極 B．負(fù)極C．陽(yáng)極 D．陰極B[鐵粉與活性炭作為原電池的電極，食鹽水作為電解質(zhì)溶液，加快鐵粉的氧化，即鐵粉失電子作負(fù)極。]3．如圖所示的原電池裝置，X、Y為兩電極，電解質(zhì)溶液為稀硫酸，外電路中的電子流向如圖所示，對(duì)此裝置的下列說(shuō)法正確的是()A．外電路的電流方向?yàn)閄→外電路→YB．若兩電極分別為Zn和碳棒，則X為碳棒，Y為ZnC．若兩電極都是金屬，則它們的活動(dòng)性為X>YD．X極上發(fā)生的是還原反應(yīng)，Y極上發(fā)生的是氧化反應(yīng)C[由圖可知，電子的流淌方向是X→外電路→Y，則電流的方向就為Y→外電路→X；X為原電池的負(fù)極，Y為正極，X的活動(dòng)性比Y的強(qiáng)；X極應(yīng)發(fā)生氧化反應(yīng)，Y極應(yīng)發(fā)生還原反應(yīng)。所以A、B、D錯(cuò)誤，C正確。]4．(雙選)如圖所示裝置中，視察到檢流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)，M棒變粗，N棒變細(xì)，由此推斷下