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高中化学必修二原电池教案

化学电源

  高中化学必修二原电池教案_理化生_高中教育_教育专区。第一课时 化学组 一、原电池原理 1.原电池的概念:利用自发的氧化还原反应,使氧化 反应和还原反应在不同的两极上发生,从而在连接两 极上产生电流的装置。是把化学能转化成电能的装置。 原电池的电路工

  第一课时 化学组 一、原电池原理 1.原电池的概念:利用自发的氧化还原反应,使氧化 反应和还原反应在不同的两极上发生,从而在连接两 极上产生电流的装置。是把化学能转化成电能的装置。 原电池的电路工作原理:(外电路)负极失去电子,电子 经导线流向正极。(内电路)溶液中阴阳离子发生移动。 2.原电池的电极和电极反应 正极:符号“+”,得到电子,发生还原反应。 负极:符号“-”,失去电子,发生氧化反应。 3.两种铜锌原电池比较 普通铜锌原电池 用盐桥的铜锌原电池 电极表 面变化 温度变化 能量变化 电极 锌 名称 铜 铜锌原电池 铜锌原电池 装置示意图(1) 装置示意图(2) 锌片质量减少,同时铜片 锌片质量减少,铜片上 上有红色物质析出,铜片 有红色物质析出,铜片 质量增加 质量增加 溶液温度升高 溶液温度不变 化学能转化为电能和热能 化学能转化为电能 负极 负极 正极 正极 普通铜锌原电池 用盐桥的铜锌原 电池 电极 反应 及反 应类 型 正极 负极 还原反应: Cu2++2e-===Cu 氧化反应: Zn-2e-===Zn2+ 还原反应: Cu2++2e-===Cu 氧化反应: Zn-2e-===Zn2+ 总反应式 离子移 动方向 Zn+Cu2+===Zn2++Cu Zn+Cu2+=== Zn2++Cu Cu2+、Zn2+向正极移动, SO42-不移动 盐桥中的K+向正 极移动,Cl-向负 极移动 说明: (1)关于原电池中离子的移动 原电池中由于并未形成电场,离子移动主要由于 三个原因:一是由于反应消耗。如装置(1)中铜离子在 正极反应而在正极附近浓度减小,铜离子会由浓度较 高的地方向正极移动。二是由于反应生成。按照熵增 的原理,粒子在分散系中总是尽可能均匀分散。新生 成的离子总是自发向低浓度的地方扩散。三是由于溶 液保持电中性的原因,盐桥中的离子会定向移动。 溶液中移动的离子所带电荷总数等于导线上移动的电 子的电荷数。 (2)盐桥:盐桥中通常装有含琼脂的氯化钾饱和溶液。 使用盐桥的优点:一是可以提高电池工作效率。二是 用于不需要电极参加反应的原电池。在实际电池中, 大多采用离子交换膜。 (3)铜锌原电池装置示意图(1)中溶液温度升高的原因: 形成原电池的同时,还存在锌片与硫酸铜的直接 反应,锌失去电子直接给了铜离子,锌离子进入溶液, 而铜离子直接得到了电子(相当于短路),所以反应时 放出热量而温度升高。 【基础题一】关于铅蓄电池的说法正确的是(B ) A.在放电时,正极发生的反应是Pb(s)+SO42(aq)===PbSO4(s)+2e- B.在放电时,该电池的负极材料是铅板 C.在充电时,电池中硫酸的浓度不断变小 D.在充电时,阳极发生的反应是PbSO4(s)+2e- ===Pb(s)+SO42-(aq) 【解析】铅蓄电池的充放电反应为:Pb+PbO2+ 2H2SO4 2PbSO4+2H2O,放电时,Pb单质化 合价升高,失去电子,作负极,反应为:Pb-2e-+ SO42-===PbSO4,所以B选项正确,A选项错误,因 为正极上反应为:PbO2+2e-+4H++SO42===PbSO4+2H2O;C、D考查电解池知识:充电时, H2SO4的浓度不断增大,阳极上发生的是氧化反应, 是失去电子而不是得到电子。 二、原电池形成的一般条件 1.电极:能够导电的材料 一般情况:活泼性不同的两个金属电极,活泼性强的电极 参与氧化还原反应。 充电电池:两个电极都参与氧化还原反应。 燃料电池:两个电极都不参与氧化还原反应。 2.电解质溶液:连通两个电极,一般参与氧化还原反应。 3.形成闭合回路 电子流动方向(外电路):负极→正极。 阴阳离子流动方向(电解质溶液中):阴离子向负极移动; 阳离子向正极移动。 4.氧化还原反应:原电池中必须有能够自发进行的氧化还 原反应。 【基础题二】在下图所示的装置中,能够发生原电 池反应的是( C ) A.④⑤⑥ C.②④⑤ B.①②③ D.②③④⑤ 【解析】①两个电极相同,所以不能发生原电池 反应;③中液体为非电解质乙醇,所以不能发生 原电池反应;⑥不能形成闭合电路,所以不能发 生原电池反应。 【思考题】碱性电池具有容量大、放电电流大的特 点,因而得到广泛应用。锌-锰碱性电池以氢氧化 钾溶液为电解液,电池总反应式为Zn(s)+2MnO2(s) +H2O(l)===Zn(OH)2(s)+Mn2O3(s),下列说法错误 的是( C ) A.电池工作时,锌失去电子 B.电池正极的电极反应式为:2MnO2(s)+H2O(l)+ 2e-===Mn2O3(s)+2OH-(aq) C.电池工作时,电子由正极通过外电路流向负极 D.外电路中每通过0.2 mol电子,锌的质量理论上减 小6.5 g 【解析】该电池的电解液为KOH溶液,结合总反应 式可写出负极反应式:Zn(s)+2OH-(aq)-2e- ===Zn(OH)2(s),用总反应式减去负极反应式,可得 到正极反应式:2MnO2(s)+H2O(l)+2e- ===Mn2O3(s)+2OH-(aq)。Zn为负极,失去电子, 电子由负极通过外电路流向正极。1 mol Zn失去2 mol电子,外电路中每通过0.2 mol电子,Zn的质量理 论上减小6.5 g。故答案为C项。 三、原电池的pH变化和有关计算 1.在原电池工作时,由于负极金属失去电子进入电 解质溶液,正极附近的阳离子得到电子从溶液中析出, 可能会引起溶液pH的变化。 (1)当负极产生的金属离子结合溶液中的OH-时,电 极附近的溶液pH降低。当正极O2得电子结合溶液中 的水时,生成OH-使溶液中的pH增大。 (2)电池工作时整个溶液pH的变化必须从总反应式来 分析。当电解质溶液中酸被消耗时,溶液pH增大,当 电解质溶液中碱被消耗时,溶液pH减小。 2.原电池的有关计算 电子守恒法是依据氧化剂与还原剂得失电子数目 相等这一原则进行计算的。电子守恒法是氧化还原计 算的最基本的方法。计算时可由电极反应式中的氧化 剂(或还原剂)与得到的电子(或失去的电子)之间的关 系进行计算。 【基础题三】(湖南长沙周南中学2010届高三第四次月 考)(1)将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池,两电极 间连接一个电流计。 锌片上发生的电极反应: Zn-2e-===Zn2+ ; 银片上发生的电极反应: 2H++2e-===H2↑ 。 (2)若该电池中两电极的总质量为60 g,工作一段时间 后,取出锌片和银片洗净干燥后称重,总质量为47 g, 试计算:①产生氢气的体积(标准状况);②通过导线的 电量。(已知NA=6.02×1023 /mol,电子电荷为1.60×10 -19 C) 【解析】(1)根据金属活泼性分析得出锌片为负极,银 片为正极,相应电极反应为Zn-2e-===Zn2+; 2H++2e-===H2↑。 (2)①锌片与银片减轻,是因与酸反应: Zn+2H+===Zn2++H2↑~转移2e- = 得V(H2)=4.48 L;Q=3.85×104 C。 重要考点1 原电池正负电极的判断 原电池电极名称的判断方法 (1)看谁能与电解质溶液反应(包括溶解在电解质溶液 中的氧气)。谁反应谁作负极。 如Zn、Cu、稀硫酸构成的电池中锌为负极,此时遵 循的原则是较活泼的金属作负极。 Mg、Al、氢氧化钠溶液构成的电池中铝为负极;Cu、 Al、浓硝酸构成的电池中铜为负极。 (2)根据化合价的变化判断或根据反应判断。 元素化合价升高的为负极,元素化合价降低的为正极; 失电子的反应→氧化反应→负极; 得电子的反应→还原反应→正极。 (3)根据电子或电流方向。 电子流出的为负极,电流流出的为正极。 【考点释例1】原电池的电极名称不仅与电极材料的 性质有关,也与电解质溶液有关。下列说法中不正确 的是( C ) A.由Al、Cu、稀H2SO4组成原电池,其负极反应式 为Al-3e-===Al3+ B.由Mg、Al、NaOH溶液组成原电池,其负极反应 式为Al-3e-+4OH-===AlO2-+2H2O C.由Fe、Cu、FeCl3溶液组成原电池,其负极反应 式为Cu-2e-===Cu2+ D.由Al、Cu、浓硝酸组成原电池,其负极反应式为 Cu-2e-===Cu2+ 【解析】A中活泼性Al>Cu,故负极反应为Al-3e- ===Al3+;B中Mg、Al在NaOH溶液中Al活泼,故其 负极反应式为Al-3e-+4OH-===AlO2-+2H2O;C 中活泼性Fe>Cu,其负极反应式为Fe-2e-===Fe2+; D中由于Al在浓硝酸中钝化,故Cu相对活泼,故其负 极反应式为Cu-2e-===Cu2+。 【温馨提示】 1.原电池正、负极的判断基础是氧化还原反应,如果 给出一个方程式判断正、负极,可以直接根据化合价 的升降来判断。发生氧化反应的一极为负极,发生还 原反应的一极为正极。 2.活泼金属在原电池中不一定是负极。 1.某同学用光亮的镁片和铝片插入3 mol/L的NaOH 溶液中组成原电池,下列说法正确的是( A ) A.Mg作正极,Al作负极 B.Al作正极,Mg作负极 C.Mg被氧化,Al被还原 D.Al被氧化,Mg被还原 2.(湖南同升湖实验学校2010届高三第三次月考)有人 设计出利用CH4和O2的反应,用铂电极在KOH溶液中 构成原电池。电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧, 则下列说法正确的是( A ) ①每消耗1 mol CH4可以向外电路提供8 mol e- ②负极上CH4失去电子,电极反应式CH4+10OH-- 8e-===CO32-+7H2O ③负极上是O2获得电子,电极反应式为O2+2H2O+4e -===4OH- ④电池放电后,溶液pH不断升高 A.①② B.①③ C.①④ D.③④ 3.某原电池总反应的离子方程式为:2Fe3++ Fe===3Fe2+,不能实现该反应的原电池是(双选)(CD ) A.正极为Cu,负极为Fe,电解质为FeCl3溶液 B.正极为C,负极为Fe,电解质为Fe(NO3)3溶液 C.正极为Fe,负极为Zn,电解质为Fe2(SO4)3溶液 D.正极为Ag,负极为Fe,电解质为CuSO4溶液 重要考点2 原电池电极反应式的书写 1.根据原电池发生的氧化还原反应书写正负极反应 式及总反应式: 负极:氧化反应(失电子) 正极:还原反应(得电子) 总反应式=负极反应式+正极反应式 (对总反应式、负极反应式和正极反应式,只要知其 中任两个,就可以通过加或减求第三个) 2.注意正负极反应生成的离子与电解质溶液能否共 存,若不能共存,则参与反应的物质也要写入电极反 应式中。如O2-不能在溶液中稳定存在,先遇H+必 然生成H2O,遇H2O必然生成OH-。 3.注意质量守恒、电荷守恒、电子得失守恒,特别 是电子得失守恒,这样可以避免在由电极反应式写总 反应方程式,或由总反应方程式改写成电极反应式所 带来的失误,同时,也可避免在有关计算中产生误差。 【考点释例2】一种燃料电池中发生的化学反应为: 在酸性溶液中甲醇与氧气作用生成水和二氧化碳。 该电池负极发生的反应是( C ) A.CH3OH(l)+O2(g)===H2O(l)+CO2(g)+2H+(aq) +2e- B.O2(g)+4H+(aq)+4e-===2H2O(l) C.CH3OH(l)+H2O(l)===CO2(g)+6H+(aq)+6e- D.O2(g)+2H2O(l)+4e-===4OH- 【解析】甲醇与氧气反应的氧化还原反应方程式为: 2CH3OH+3O2―→2CO2+4H2O,化合价升高的元 素为甲醇中的C元素,所以在负极上甲醇失去电子 而放电,在该极上的电极反应式为:CH3OH(l)+ H2O(l)===CO2(g)+6H+(aq)+6e-。 【温馨提示】依据电子得失守恒,正负电极反应式 相加得到电池反应的总方程式,若能写出已知电池 反应的总方程式,可以减去较易写出的电极反应式, 从而得到较难写出的电极反应式。 1.(湖南省双峰一中高三12月月考)高铁电池是一种新 型可充电电池,与普通高能电池相比,该电池长时间 保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为:3Zn+ 2K2FeO4+8H2O 3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH, 下列叙述不正确的是( C ) A.放电时负极反应为:Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2 B.充电时阳极反应为:Fe(OH)3-3e-+5OH-===FeO +4H2O C.放电时每转移3 mol电子,正极有1 mol K2FeO4被氧 化 D.放电时正极附近溶液的碱性增强 2.下图为铜锌原电池的装置请回答: (1)铜是 正 极,铜片上 有气泡 产生,电极 反应式为 Cu2++2e-===Cu 。 (2)锌为 负 极,电极反应式为 Zn-2e-===Zn2+ 。 (3)电池反应式为 Zn+Cu2+===Zn2++Cu 。 重要考点3 原电池原理的应用 1.原电池反应可加快化学反应速率 如实验室中用Zn和稀H2SO4制取H2时,常加入少 量CuSO4,CuSO4与Zn发生置换反应生成Cu,从而 构成Cu、Zn原电池加快H2的产生速率。 2.判断金属的活动性顺序 一般情况下负极金属的活动性强于正极。 例外:镁、铝与烧碱溶液构成原电池,因为是铝 失去电子,此时铝为负极; 铁、铜与浓硝酸构成原电池,因为铁被钝化,此 时铜失去电子,铜为负极。 3.设计原电池 设计原电池时,首先要根据所提供的氧化还原反 应的特点进行设计。原电池的设计还要紧扣原电池的 三个条件。具体方法是: (1)首先将已知氧化还原反应拆分为两个半反应; (2)根据原电池的电极反应特点,结合两个半反应找 出正负极材料(负极就是失电子的物质,正极用比负极 活泼性差的金属或石墨)及电解质溶液; (3)按要求画出原电池装置图。 【考点释例2】100 mL浓度为2 mol·L-1的盐酸跟过量 的锌片反应,为加快反应速率,又不影响生成氢气的 总量,可采用的方法是( B ) A.加入适量的6 mol·L-1的盐酸 B.加入数滴氯化铜溶液 C.加入适量蒸馏水 D.加入适量的氯化钠溶液 【解析】向溶液中再加入盐酸,H+的物质的量增加, 生成H2的总量也增加,A错。加入氯化铜后,锌置换 出的少量铜附在锌片上,形成了原电池反应,反应 速率加快,又锌是过量的,生成H2的总量决定于盐 酸的量,故B正确。向原溶液中加入水或氯化钠溶液 都引起溶液中H+浓度的下降,反应速率变慢,故C、 D都不正确。所以本题正确答案为B选项。 【温馨提示】万变不离其宗,只要我们抓住了 原电池的原理,从原理出发,各方面的应用都 可以迎刃而解。 1.茫茫黑夜中,航标灯为航海员指明了方向。航 标灯的电源必须长效、稳定。我国科技工作者研制 出以铝合金、Pt-Fe合金网为电极材料的海水电池。 在这种电池中( A ) ①铝合金是阳极 ②铝合金是负极 ③海水是电解液 ④铝合金电极发生还原反应 A.②③ B.②④ C.①③ D.①④ 2.(湖南周南中学2010届高三月考)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型管)构成一个原电池。以下有关 该原电池的叙述正确的是( C ) 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.①② B.②③ C.②④ D.③④ 【解析】Cu作负极,Ag作正极。负极:Cu-2e- ===Cu2+;正极:Ag++e-===Ag。在外电路中, 电子由Cu电极流向Ag电极,而电流方向与电子流 向相反,所以①错。没有盐桥,原电池不能继续 工作,③错。无论是否为原电池,反应实质相同, 均为氧化还原反应,④对。 3.下列事实能说明Al的金属活动性比Cu强的是( B ) A.常温下将铝和铜用导线连接组成原电池放入到氢 氧化钠溶液中 B.常温下将铝和铜用导线连接组成原电池放入到稀 盐酸溶液中 C.与氯气反应时,铝失去3个电子,而铜失去2个电 子 D.常温下,铝在浓硝酸中钝化而铜不发生钝化 再见

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