高中化學4.1原電池知識導學素材新人教版.docx

第一節(jié) 原電池案例探究 你知道干電池提供的電能是由什么能轉化而來的嗎？ 干電池是由一金屬鋅外殼和內部的化學物質NH4Cl、MnO2和少量漿糊組成的，中間有一根碳棒。鋅為電池負極，碳棒作電池正極。當把鋅外殼和碳棒用導體連接起來，構成了閉合回路，發(fā)生化學反應：負極：Zn-2e-=Zn2+，正極：2+2MnO2+2e-=2NH3+Mn2O3+H2O。電池反應為：2+2MnO2+Zn=2NH3+Zn2+Mn2O3+H2O。這樣，貯存在金屬鋅和NH4Cl中的化學能就轉化成電能釋放出來。從正、負極的變化，Zn、Mn兩種元素都存在化合價的變化，可看作發(fā)生了氧化還原反應。推而廣之，對所有的電池來說，其實都是氧化還原反應的分解與組合，因此掌握氧化還原反應的原理是掌握原電池反應的前提。 問題與討論： 1.為什么氧化還原反應是構成原電池的反應基礎？試分析之。 2.你知道干電池中的漿糊的作用嗎？試分析干電池中離子的移動方向。化學電源在我們日常生活中不可或缺，了解原電池的原理，對于化學電源的使用、維護和廢品處理都有現(xiàn)實的指導意義。自學導引1.電化學是_的科學。從_與_的關系來區(qū)分，電化學反應過程（及其裝置）可以分為兩類：_和_。答案:研究化學能與電能相互轉換的裝置 過程 效率產生電流的反應 借助電流而發(fā)生的反應2.原電池的工作原理（以鋅銅原電池為例，教材圖41）:Zn為_極,Cu為_;負極上發(fā)生_反應,電極反應式為_，正極上發(fā)生_反應,電極反應式為_;電子流出的極是_極，電子流入的極是_極；電流方向_。鹽橋中的鹽溶液是_溶液，其作用為_。鹽橋中的_會移向ZnSO4溶液，_移向CuSO4溶液，使ZnSO4溶液和CuSO4溶液均保持電中性。該原電池工作一段時間后，兩電極的質量將會_。答案:負 正 氧化 Zn-2e-=Zn2+ 還原 2H+2e-=H2 負 正 銅鋅 電解質KCl使兩個燒杯中的溶液連成一個通路 Cl- K+ 鋅極減少，銅極增加3.原電池是把_能轉化為_能的裝置。原電池原理是把_，還原劑在_極上失去電子發(fā)生_反應，電子通過導線流向極，氧化劑在_極上得到電子發(fā)生_反應。構成原電池滿足的四個條件：_；_；_；_。答案:（1）化學 電 氧化還原反應設計在正負兩極發(fā)生 負 氧化 正 正 還原（2）有活潑性不同的兩電極電解質溶液構成閉合回路能夠自發(fā)進行的氧化還原反應疑難剖析一、原電池原理 原電池裝置的構成條件：有活潑性不同的電極；電解質溶液；形成閉合回路。只有這三個條件同時具備才有可能產生原電池電流。【例1】 下圖中的裝置能組成原電池產生電流的是（ ）解析：A中兩個電極相同，D中電極與電解質溶液之間不發(fā)生反應，不能構成原電池。B符合原電池的三個條件，且Zn能與H2SO4溶液反應，兩電極發(fā)生的反應分別是：Zn-2e-=Zn2+，2H+2e-=H2。C中酒精不是電解質，故不是原電池。答案：B【例2】根據右圖所示的裝置回答下列問題：（1）鐵片與銅片不用導線連接，有何現(xiàn)象發(fā)生？寫出反應的化學方程式。（2）用導線把金屬片連接起來，現(xiàn)象有什么不同？用最恰當的化學方程式表示發(fā)生的反應。解析：第（1）種情況，銅片不起作用，鐵與H+反應，但速率較小，鐵片越純，表面越光滑，反應速率越小。第（2）種情況，用導線連接后構成了原電池，正極產生氫氣，所以氣泡從銅片表面逸出。原電池的形成使電子得以順利轉移，H+在Cu表面得到電子比在鐵表面容易得多，所以反應速率增大，氫氣逸出速率增大，鐵的溶解速率也增大。答案：（1）鐵片與銅片不用導線連接，則鐵片表面有氣泡產生，但速率較慢。Fe+H2SO4=FeSO4+H2（2）氣泡不從鐵片表面而是從銅片表面逸出；產生氫氣的速率明顯加大。電極反應式：負極：Fe-2e-=Fe2+正極：2H+2e-=H2友情提示:從這里可以得到啟發(fā)，若要加快鐵片和酸的反應速率，可用銅片與之接觸或加少量CuSO4溶液使鐵從局部置換出銅，形成原電池。同樣，在制備氫氣的實驗中，為加速鋅與酸反應制取氫氣的速率，可以在酸中加少量CuSO4溶液，以使鋅與CuSO4溶液局部置換出的Cu形成原電池，或用粗鋅與酸反應形成原電池加快反應速率。二、原電池的設計與應用 常設計為能力探究題或判斷題。設計原電池要滿足原電池的形成條件。常用于加快化學反應速率及金屬活動性判斷?！纠?】 選擇適宜的材料和試劑設計一個原電池，以便完成下列反應：2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2。畫出原電池的示意圖并寫出電極反應。解析：根據形成原電池的3個條件，可知必須選擇兩個電極的材料和電解質溶液。在反應2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2中，Cu是被氧化的，應該是原電池負極上發(fā)生的反應，Cu作負極材料最適宜，而正極只須選活潑性比Cu弱的金屬或非金屬電極即可，可選擇石墨電極。Fe3+在正極上被還原，所以選擇FeCl3溶液作電解液，如右圖所示。答案：原電池設計如右圖所示。負極：Cu-2e-=Cu2+正極：2Fe3+2e-=2Fe2+總反應:Cu+2Fe3+=Cu2+2Fe2+友情提示:原電池裝置是該裝置必須能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應。所以對裝置的正、負極材料選擇必須要注意該材料在裝置中作什么電極，這樣才能作出正確的選擇?！纠?】 X、Y、Z、W四塊金屬分別用導線兩兩相連浸入稀硫酸中組成原電池。X、Y相連時，X為負極；Z、W相連時，電流方向是WZ；X、Z相連時，Z極上產生大量氣泡；W、Y相連時，W極發(fā)生氧化反應。據此判斷四種金屬的活動順序是（ ）A.XZWY B.ZXYWC.WXYZ D.YWZX解析：在原電池中，活潑金屬作為電池的負極，失去電子發(fā)生氧化反應；不活潑的金屬作為電池的正極，得到電子發(fā)生還原反應。電子由負極經導線流向正極，與電流的方向相反（物理學中規(guī)定正電荷移動的方向為電流的方向）。因此，X、Y相連時，X為負極，則活潑性XY；Z、W相連時，電流方向是WZ，則活潑性ZW；X、Z相連時，Z極上產生大量氣泡，則活潑性XZ；W、Y相連時，W極發(fā)生氧化反應，則WY。綜上，可以得出金屬的活潑性順序是XZWY。答案：A友情提示:根據原電池的組成判斷金屬活潑性強弱是原電池原理的重要應用，一定要注意：在原電池中活潑金屬作負極，發(fā)生氧化反應，被腐蝕；不活潑金屬作正極，發(fā)生還原反應，常被保護起來；電子移動方向是由負極流向正極，與電流的方向相反。拓展遷移拓展點一：鹽橋 鹽橋 將飽和的KCl或NH4NO3(正、負離子遷移數幾乎相等)溶液裝在倒置的U形管中，跨接于兩電解質溶液之間，代替兩溶液的直接接觸，就構成了鹽橋。下面以銅鋅電池為例說明鹽橋的作用（見下圖）：鹽橋的作用 如圖所示，在鹽橋的飽和KCl溶液和電池的ZnSO4、CuSO4溶液間形成了兩個液體接界。KCl溶液濃度遠大于電池中ZnSO4、CuSO4溶液的濃度，擴散作用主要來自KCl溶液，即KCl分別往ZnSO4、CuSO4溶液中擴散。由于K+和Cl-的遷移數很相近，因此在界面上產生的液體接界電勢數值很小，而且符號又常常相反，相互抵消了一部分，兩個液體接界電勢的和小于ZnSO4、CuSO4溶液直接接觸時的接界電勢。使用鹽橋時，液體接界電勢可降到12 mV，在一般電動勢測量中，可忽略不計。若電