資源簡介 第一節 原電池第1課時 原電池的工作原理[課程標準] 1.認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要應用。2.能分析、解釋原電池的工作原理,能設計簡單的原電池。任務一 原電池的工作原理教材中的實驗現象和必修二所學實驗現象如下表:電池名稱 單液電池 雙液電池(鹽橋電池)實驗裝置實驗現象 電流表 指針偏轉電極變化 鋅片逐漸溶解,銅片質量增加電流變化 一段時間后,電流逐漸衰減 產生的電流持續、穩定回答下列問題:1.鋅銅原電池工作時,電子在導線中的運動方向是怎樣的?陰離子和陽離子在電解質溶液中的運動方向是怎樣的?提示:電子由鋅片移向銅片,陰離子在電解質溶液中由銅片移向鋅片,而陽離子正好相反。2.鋅銅原電池可以看做兩個半電池組成,試分別寫出兩個電極上的反應及總反應的離子方程式。提示:Zn片:Zn-2e-===Zn2+(氧化反應)Cu片:Cu2++2e-===Cu(還原反應)總反應:Zn+Cu2+===Zn2++Cu。3.什么是鹽橋?鹽橋有什么作用?提示:裝有含KCl飽和溶液的瓊脂,離子可在其中自由移動。①構成閉合回路,形成原電池;②避免電極與電解質溶液直接反應,有利于最大限度地將化學能轉化為電能;③鹽橋中的陰、陽離子定向遷移,使電解質溶液保持電中性,反應持續進行,能長時間穩定放電。4.單液電池、雙液電池(鹽橋電池)兩原電池中哪個工作效率高?提示:雙液電池(鹽橋電池)工作效率高,單液電池中鋅片和硫酸電解質溶液直接接觸,少量鋅會與硫酸直接反應,降低工作效率。1.原電池的構成條件(1)定義:能把化學能轉化為電能的裝置。(2)構成條件2.原電池工作原理示意圖1.判斷正誤,錯誤的說明其原因。(1)原電池中,負極金屬材料失電子,發生氧化反應。答案:正確。(2)雙液原電池中,鹽橋中陽離子向負極移動,陰離子向正極移動。答案:錯誤,雙液原電池中,鹽橋中陽離子向正極移動,陰離子向負極移動。(3)鋅銅原電池中,電子由鋅電極經導線流向銅電極,再經電解質溶液流回鋅電極。答案:錯誤,電子是不能在電解質溶液里傳導的。(4)原電池工作時,電流方向由電源的負極流向正極。答案:錯誤,原電池工作時,電流方向由電源的正極流向負極。2.如圖是某同學設計的一個簡易的原電池裝置,回答下列問題。若a為鎂、b為CuCl2,則正極材料為________,負極上的電極反應式為________________________________________________________________________________________。若a為鎂、b為NaOH,則Mg極上發生______反應(填“氧化”或“還原”),負極上的電極反應式為__________________________________________________________________________________________________________________________________________。若a為銅、b為濃硝酸,則電流的方向為__________________,正極上的電極反應式為____________________________________________________________________________。(4)上述事實表明,確定原電池中電極的類型時,不僅要考慮電極材料本身的性質,還要考慮_________________________________________________________________________。答案:(1)Al Mg-2e-===Mg2+ (2)還原 Al-3e-+4OH-===[Al(OH)4]- (3)鋁→銅 2H++NO+e-===H2O+NO2↑ (4)電解質溶液的性質解析:(1)鎂、鋁均能與CuCl2溶液反應,但鎂比鋁活潑,故鎂失去電子做負極。(2)鋁能與NaOH溶液反應而鎂不能,鋁做負極失去電子變成[Al(OH)4]-,電極反應式為Al-3e-+4OH-===[Al(OH)4]-。(3)常溫下鋁在濃硝酸中發生鈍化,故銅失去電子做負極,正極上是NO得到電子生成NO2。任務二 原電池原理的應用1.將金屬a、b用導線相連插入稀硫酸中,發現b上產生氣泡,則a與b相比較,誰更活潑?提示:a比b活潑。2.實驗室用稀硫酸與鋅粒反應制取H2時常加入少量銅片,其目的是什么?提示:形成鋅銅原電池,加快制取氫氣的反應速率。3.已知2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+,如何設計成原電池裝置?提示:根據氧化還原反應分析,Cu被氧化,為原電池的負極,則正極可為惰性電極或不如Cu活潑的金屬,電解質溶液一定含Fe3+。1.加快某些氧化還原反應的速率構成原電池的反應速率比直接接觸的反應速率快。例如:實驗室制取氫氣時,粗鋅比純鋅與稀硫酸反應速率快或向溶液中滴入幾滴硫酸銅溶液,產生氫氣的速率加快。2.比較金屬活動性強弱3.設計原電池原電池裝置的設計思路是“兩極一液一連線”。以Fe+CuSO4===FeSO4+Cu反應為例,原電池裝置設計思路如下:第一步:將電池總反應拆成兩個半反應,分別作原電池的負極和正極的反應。電極反應式分別為負極:Fe-2e-===Fe2+,正極:Cu2++2e-===Cu。第二步:確定負極材料、正極材料和電解質溶液。負極材料:失電子的物質(還原劑)作負極材料,即Fe。正極材料:比負極材料金屬活動性弱的金屬或非金屬導體作正極材料,如Cu、Ag或C等。電解質溶液:含有氧化劑的物質作電解質,即CuSO4溶液,如果兩個半反應分別在兩個容器中進行(中間連接鹽橋),則兩個容器中的電解質溶液應含有與電極材料相同的金屬陽離子。第三步:畫出裝置圖,并注明電極材料和電解質溶液,如圖。1.判斷正誤,錯誤的說明其原因。(1)只有放熱的氧化還原反應才能設計成原電池。答案:錯誤,只要是氧化還原反應都可以。(2)將Mg和Al用導線連接放入NaOH溶液中,Al不斷溶解,說明活潑性:Mg<Al。答案:錯誤,這個實驗是利用的鋁的特殊性質,實際上活潑性:Mg>Al。(3)足量的Zn與稀H2SO4反應時,滴入CuSO4溶液可以加快反應速率,因為c(SO)增大。答案:錯誤,速率加快的原因是鋅把CuSO4溶液中的Cu2+置換為Cu,從而構成了原電池,加快了反應速率。(4)增大電解質溶液的濃度,能加快原電池的反應速率。答案:錯誤,要看電解質溶液是否參加反應。2.依據氧化還原反應:2Ag+(aq)+Cu(s)===Cu2+(aq)+2Ag(s)設計的原電池如圖所示(鹽橋為盛有KNO3飽和溶液的瓊脂的U形管)。請回答下列問題:(1)電極X的材料是________;電解質Y是________(填化學式)。(2)銀電極為電池的________極,其電極反應式為___________________________________________________________________________________________________________。(3)鹽橋中的________移向________溶液。答案:(1)Cu AgNO3 (2)正 Ag++e-===Ag(3)NO Cu(NO3)2解析:根據反應原理:2Ag+(aq)+Cu(s)===Cu2+(aq)+2Ag(s)可知,X應為銅電極,而Y應為硝酸銀溶液。由于反應中銅元素的化合價升高,而銀元素的化合價降低,則銀電極為正極,銅電極為負極。1.100mL6mol/LH2SO4跟過量的鋅粉反應,在一定溫度下,為了減緩反應速率,但又不影響生成氫氣的總量。可向反應物中加入適量的( )A.碳酸鈉(固體) B.水C.硫酸銅溶液 D.硝酸鉀(固體)答案:B解析:碳酸鈉(固體)與硫酸反應生成二氧化碳和水,消耗氫離子,放出的氫氣量減小,故A不選;硫酸中加水,氫離子物質的量不變,放出氫氣的量不變,氫離子濃度降低,放出氫氣的速率減慢,故B選;加入硫酸銅溶液,鋅置換出銅,構成原電池,鋅與硫酸反應速率加快,故C不選;硝酸鉀提供了NO,在酸性條件下有強氧化性,和鋅反應不產生氫氣,故D不選。2.2.下列關于如圖裝置(該鹽橋為含KNO3的瓊脂)的說法正確的是( )A.銀電極是負極B.銅電極上發生的反應為Cu-2e-===Cu2+C.外電路中的電子是從銀電極流向銅電極D.鹽橋中K+移向CuSO4溶液答案:B解析:該裝置為有鹽橋的原電池,在原電池中較活潑的金屬是負極,失去電子,發生氧化反應,銅比銀活潑,銅是負極,銀是正極,據此分析解答。銅電極是負極,故A錯誤;銅電極是負極,發生的反應為Cu-2e-===Cu2+,故B正確;銅是負極,銀是正極,外電路中的電子是從銅電極流向銀電極,故C錯誤;原電池中,陰離子移向負極,則鹽橋中的陰離子會進入硫酸銅溶液,故D錯誤。3.M、N、P、E四種金屬,已知:①M+N2+===N+M2+;②M、P用導線連接放入稀硫酸溶液中,M表面有大量氣泡逸出;③N、E用導線連接放入E的硫酸鹽溶液中,電極反應為E2++2e-===E,N-2e-===N2+。則這四種金屬的還原性由強到弱的順序是( )A.P>M>N>E B.E>N>M>PC.P>N>M>E D.E>P>M>N答案:A解析:①M+N2+===N+M2+,M是還原劑、N是還原產物,所以M的還原性大于N;②M、P用導線連接放入稀硫酸中,M表面有大量氣泡逸出,說明M是正極,則還原性P大于M;③N、E用導線連接放入E的硫酸鹽溶液中,電極反應為E2++2e-===E,N-2e-===N2+,說明N是負極,N的還原性大于E,則這四種金屬的還原性由強到弱的順序是P>M>N>E;答案選A。4.回答下列問題。請你將反應Cu+2FeCl3===CuCl2+2FeCl2設計成原電池,并回答下列問題:(1)該電池的正極材料可以是________,也可選用________等代替。(2)畫出你所設計的雙液原電池的裝置圖,并標注出電極材料和電解質溶液。(3)寫出電極反應式:負極______________________________________________________,正極________________________________________________________________________。(4)該電池負極材料質量減少3.2g,則電路中通過的電子的數目為________。答案:(1)Ag 石墨(C)或Pt (2) (3)Cu-2e-===Cu2+ Fe3++e-===Fe2+ (4)0.1NA或6.02×1022解析:(1)由Cu+2FeCl3===CuCl2+2FeCl2可知,Cu失電子發生氧化反應作負極、不如Cu活潑的金屬或導電的非金屬作正極,FeCl3溶液為電解質溶液,則該電池的正極材料可以是Ag,也可選用石墨(C)或Pt。(2)由Cu+2FeCl3===CuCl2+2FeCl2可知,Cu作負極,C棒作正極,電解質溶液為FeCl3溶液和CuSO4溶液,用鹽橋相連接成閉合回路,雙液原電池的裝置圖為。(3)由可知,該原電池中,負極的電極反應式為Cu-2e-===Cu2+,正極的電極反應式為Fe3++e-===Fe2+。(4)該電池負極材料質量減少3.2g,則反應的Cu的物質的量為n(Cu)==0.05mol,由負極的電極反應式為Cu-2e-===Cu2+可知,電路中通過的電子的數目為0.05×2×NA=0.1NA或0.05×2×6.02×1023=6.02×1022。課時測評22 原電池的工作原理(本欄目內容,在學生用書中以獨立形式分冊裝訂!)題點一 原電池的構成及工作原理1.下列裝置或過程能實現化學能轉化為電能的是( )A B C D風力發電 水果電池 燃料燃燒 手機充電答案:B解析:風力發電,是將風能轉化為電能,故A錯誤;水果電池,是將化學能轉化為電能的原電池,故B正確;燃料燃燒,是將化學能轉化為熱能,故C錯誤;手機充電,是將電能轉化為化學能,故D錯誤。2.僅用提供的下列各組物質能組成原電池的( )選項 A B C D電極材料 Al、Ag C、C Cu、Cu Cu、Fe電解質溶液 稀H2SO4 稀H2SO4 稀HNO3 酒精答案:A解析:鋁為電池的負極,失電子產生硫酸鋁,銀為正極,能形成原電池,A符合題意;兩個C電極均不與稀H2SO4發生氧化還原反應,不能形成原電池,B不符合題意;兩個Cu電極均會與稀HNO3發生氧化還原反應,電子不發生定向移動,不能形成原電池,C不符合題意;酒精不是電解質,不能形成原電池,D不符合題意。3.如圖所示,杠桿AB兩端分別掛有體積相同、質量相等的空心銅球和空心鐵球,調節杠桿并使其在水中保持平衡,然后小心地向燒杯中央滴入M的濃溶液,一段時間后,下列有關杠桿的偏向判斷正確的是(實驗過程中,不考慮兩球的浮力變化)( )A.當M為CuSO4、杠桿為導體時,A端低,B端高B.當M為AgNO3、杠桿為導體時,A端高,B端低C.當M為鹽酸、杠桿為導體時,A端高,B端低D.當M為CuSO4、杠桿為絕緣體時,A端低、B端高答案:A解析:杠桿為導體時,該裝置形成原電池,Fe為負極、Cu為正極,A、B、C三個選項中Fe均會溶解,質量減輕,所以B端高;杠桿為絕緣體時,不形成原電池,D選項中只在鐵球上發生反應:Fe+Cu2+===Fe2++Cu,鐵球質量增加,B端低。4.火星大氣中含有大量CO2,一種有CO2參加反應的新型全固態電池有望為火星探測器供電。該電池以金屬鈉為負極,碳納米管為正極,放電時有關說法正確的是( )A.負極上發生還原反應B.CO2在正極上得電子C.陽離子由正極移向負極D.將電能轉化為化學能答案:B解析:根據題干信息可知,放電時總反應為4Na+3CO2===2Na2CO3+C。放電時負極上的Na失去電子發生氧化反應生成Na+,故A錯誤;放電時正極上的CO2得到電子生成C,故B正確;放電時陽離子移向正極,故C錯誤;放電時該裝置為原電池,將化學能轉化為電能,故D錯誤。題點二 原電池電極的判斷和電極反應式的書寫5.如圖所示的原電池工作時,右池中Y2O轉化為Y3+,下列敘述正確的是( )A.左池中陰離子數目增加B.每消耗1molY2O,轉移3mol電子C.正極的電極反應為2Y3++7H2O-6e-===Y2O+14H+D.左池中石墨電極上發生的電極反應為X4++2e-===X2+答案:A解析:已知右池中Y2O轉化為Y3+,則右池發生還原反應,右池中的石墨作正極,左池中的石墨作負極,發生氧化反應。左池中石墨電極上發生的電極反應為X2+-2e-===X4+,正電荷數增加,要保持溶液呈電中性,鹽橋中的陰離子移向左池,則左池中陰離子數目增加,A項正確、D項錯誤;正極的電極反應為Y2O+14H++6e-===2Y3++7H2O,每消耗1molY2O,轉移6mol電子,B、C項錯誤。6.原電池的電極反應式不僅與電極材料的性質有關,也與電解質溶液有關。下列說法錯誤的是( )A.由Fe、Cu、FeCl3溶液組成的原電池,負極反應式為Cu-2e-===Cu2+B.由金屬Al、Cu和稀硫酸組成的原電池,負極反應式為Al-3e-===Al3+C.由Al、Mg、NaOH溶液組成的原電池,負極反應式為Al+4OH--3e-===[Al(OH)4]-D.由金屬Al、Cu和濃硝酸組成的原電池,負極反應式為Cu-2e-===Cu2+答案:A解析:鐵比銅活潑,則鐵作負極,負極反應式為Fe-2e-===Fe2+,故A錯誤;鋁比銅活潑,鋁作負極,負極反應式為Al-3e-===Al3+,故B正確;雖然鎂比鋁活潑,但鎂不與氫氧化鈉溶液反應,因此鋁作負極,負極反應式為Al+4OH--3e-===[Al(OH)4]-,故C正確;Al遇濃硝酸鈍化,則銅作負極,負極反應式為Cu-2e-===Cu2+,故D正確。題點三 原電池工作原理的應用7.用過量鐵片與稀鹽酸反應,為減慢其反應速率而生成氫氣量不變,下列措施中可行的有幾項( )①以鐵屑代替鐵片 ②用過量銅片代替鐵片 ③在稀鹽酸中加入少量CuSO4溶液 ④在稀鹽酸中加入CH3COONa固體 ⑤在稀鹽酸中加入等體積等物質的量濃度的NaCl溶液 ⑥在稀鹽酸中加入硝酸鉀溶液 ⑦在稀鹽酸中加入Na2CO3固體A.1 B.2C.3 D.4答案:B解析:用鐵屑代替鐵片,增大反應物之間的接觸面積,化學反應速率加快,產生氫氣量不變,①不可行;銅和鹽酸不反應,②不可行;鐵與硫酸銅反應生成銅,鐵片過量,可形成微小的鐵銅原電池,加快產生氫氣速率,且產生氫氣量不變,③不可行;醋酸鈉與鹽酸反應生成氯化鈉和醋酸,醋酸是弱酸,使得反應速率減慢,產生氫氣量不變,④可行;在稀鹽酸中加入等體積等物質的量濃度的NaCl溶液會使鹽酸濃度變小,使得反應速率減慢,產生氫氣量不變,⑤可行;在稀鹽酸中加入硝酸鉀溶液引入硝酸根離子,等價于鐵和硝酸反應,不能生成氫氣,⑥不可行;碳酸鈉消耗鹽酸,使得產生氫氣量減少,⑦不可行;綜上分析,不可行的為①②③⑥⑦,可行的為④⑤;答案選B。8.某水處理劑由納米鐵粉附著在多孔炭粉的表面復合而成,利用原電池原理處理弱酸性廢水中的NO時,其表面發生如圖所示反應。下列說法正確的是( )A.電池工作時,H+向負極移動B.正極附近溶液的酸性增強C.負極的電極反應式為Fe-3e-===Fe3+D.與單獨使用納米鐵粉相比,該水處理劑能加快NO的去除速率答案:D解析:納米鐵粉作負極,Fe-2e-===Fe2+,硝酸根離子在正極上得電子還原成銨根離子:NO+10H++8e-===NH+3H2O,正極附近酸性減弱,電池工作時,H+向正極移動,故A、B、C錯誤;利用原電池原理,加快反應速率,與單獨使用納米鐵粉相比,該水處理劑能加快NO的去除速率,故D正確;故選D。9.反應Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑,請回答下列問題。(1)若要使該反應的反應速率加快,下列措施可行的是________(填字母)。A.將鐵粉改為鐵片B.加入少量醋酸鈉固體C.滴加少量CuSO4D.將稀硫酸改為98%的濃硫酸(2)若將上述反應設計成原電池,石墨棒為原電池某一極材料,則石墨棒為________極(填“正”或“負”)。石墨棒上產生的現象為_______________________________________________________________________________________________________________________,該極上發生的電極反應為_____________________________________________________,原電池工作時溶液中的SO移向________極(填“正”或“負”),若反應產生3.36L氣體(已換算成標況下),則理論上消耗鐵的質量是________g。(3)實驗后同學們經過充分討論,認為符合某些要求的化學反應都可以設計成原電池。下列化學反應在理論上可以設計成原電池的是________(填字母)。A.AgNO3+HCl===AgCl↓+HNO3B.NaOH+HCl===NaCl+H2OC.C(s)+H2O(g)===CO(g)+H2(g)D.Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O在所選反應中選擇其中某個反應設計成原電池,該電池負極反應為________________________________________________________________________________________________。答案:(1)C (2)正 有氣泡產生 2H++2e-===H2↑ 負 8.4 (3)D Pb-2e-+SO===PbSO4解析:(1)將鐵粉改為鐵片則減小鐵與硫酸的接觸面積,故反應速率減慢,A不符合題意;加入少量醋酸鈉固體,則有反應CH3COO-+H+??CH3COOH,將導致溶液中H+濃度減小,故反應速率減慢,B不符合題意;滴加少量CuSO4,由于反應Fe+CuSO4===FeSO4+Cu,置換出的銅附在鐵上可形成微小的原電池,故反應速率加快,C符合題意;常溫下鐵在濃硫酸中鈍化,在鐵表面形成致密的氧化物保護膜,阻止反應繼續進行,故將稀硫酸改為98%的濃硫酸,將使反應速率減慢,D不符合題意;故答案為C;(2)若將上述反應設計成原電池,則鐵電極上發生的電極反應式為Fe-2e-===Fe2+,發生氧化反應,作負極,則石墨棒為原電池的正極,發生的電極反應式為2H++2e-===H2↑,石墨棒上產生的現象為有大量的無色氣泡產生,原電池工作時陽離子移向正極,陰離子移向負極,故溶液中的SO移向負極,根據總反應方程式可知,若反應產生3.36L氣體(已換算成標況下),則理論上消耗鐵的質量是×56g·mol-1=8.4g;(3)由于原電池中是電子的定向移動形成電流的,故理論上任何一個自發進行的氧化還原反應均可以設計成原電池,據此分析解題。AgNO3+HCl===AgCl↓+HNO3反應中各元素的化合價沒有發生變化,不是氧化還原反應,A不符合題意;NaOH+HCl===NaCl+H2O反應中各元素的化合價沒有發生變化,不是氧化還原反應,B不符合題意;C(s)+H2O(g)===CO(g)+H2(g)反應中雖然C和H元素的化合價發生了變化,但是該反應不能自發進行,故不能設計成原電池,C不符合題意;Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O反應中Pb的化合價發生改變,且能夠自發進行,可以設計成原電池,D符合題意;Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O反應中Pb轉化PbSO4,化合價升高,發生氧化反應,故該電池負極反應為Pb-2e-+SO===PbSO4。10.某探究活動小組想利用原電池反應檢測金屬的活動性順序,有甲、乙兩位同學均使用鎂片與鋁片作電極,但甲同學將電極放入6mol·L-1稀硫酸中,乙同學將電極放入6mol·L-1NaOH溶液中,如圖所示。(1)寫出甲池中發生的有關電極反應式:負極:________________________________________________________________________,正極:__________________________________________________________________________。(2)乙池中負極為________,正極發生________反應,總反應的離子方程式為_____________________________________________________________________________________________。(3)如果甲與乙兩位同學均認為“構成原電池的電極材料若是金屬,則構成負極材料的金屬應比構成正極材料的金屬活潑”,則甲會判斷出________(填元素符號,下同)活動性更強,而乙會判斷出______活動性更強。(4)由此實驗,可得到的結論是________(填字母)。A.利用原電池反應判斷金屬活動性順序時應注意選擇合適的電解質B.鎂的金屬性不一定比鋁的金屬性強C.該實驗說明金屬活動性順序表已過時,已沒有實用價值D.該實驗說明化學研究對象復雜,反應條件多變,應具體問題具體分析(5)上述實驗也反過來證明了“利用金屬活動性順序直接判斷原電池中正、負極”的做法________(填“可靠”或“不可靠”)。如不可靠,則請你提出另一個判斷原電池正、負極可行的實驗方案:____________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案:(1)Mg-2e-===Mg2+ 2H++2e-===H2↑(2)鋁片 還原 2Al+2OH-+6H2O===2[Al(OH)4]-+3H2↑ (3)Mg Al (4)AD(5)不可靠 在兩電極之間連上一個電流表測電流方向,判斷原電池的正負極解析:(1)甲池中電池的總反應方程式為Mg+H2SO4===MgSO4+H2↑,Mg作負極,電極反應式為Mg-2e-===Mg2+,Al作正極,電極反應式為2H++2e-===H2↑。(2)乙池中電池的總反應方程式為2Al+2NaOH+6H2O===2Na[Al(OH)4]+3H2↑,所以負極為Al,正極為Mg,正極上發生還原反應。(3)甲池中Mg為負極,Al為正極;乙池中Al為負極,Mg為正極。若根據負極材料金屬比正極活潑,則甲判斷出Mg的活動性強,乙判斷出Al的活動性強。21世紀教育網(www.21cnjy.com) 展開更多...... 收起↑ 資源預覽 縮略圖、資源來源于二一教育資源庫