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2019-2020年高中化学第四章电化学基础第一节原电池教学案新人教版选修4[课标要求]1.了解原电池的工作原理2.能正确书写原电池电极反应式和电池反应方程式3.能设计简单的原电池1.原电池构成“三条件”1正、负两个电极2电解质溶液3形成闭合回路2.原电池正、负极判断“四方法”1负极
①活泼性较强的金属;
②电子流出的一极;
③发生氧化反应的一极;
④阴离子移向的一极2正极
①活泼性较弱的金属或导电的非金属碳棒;
②电子流入的一极;
③发生还原反应的一极;
④阳离子移向的一极1.原电池1概念将化学能转化为电能的装置2实质利用能自发进行的氧化还原反应将化学能转化为电能3构成条件
①两个活泼性不同的电极;
②电解质溶液;
③形成闭合回路;
④自发进行的氧化还原反应2.原电池的工作原理以锌铜原电池为例装置示意图现象锌片逐渐溶解,铜片上有红色物质生成,电流计指针发生偏转电极Zn电极Cu电极电极名称负极正极得失电子失电子得电子电子流向流出流入反应类型氧化反应还原反应电极反应式Zn-2e-===Zn2+Cu2++2e-===Cu总反应式Zn+Cu2+===Zn2++Cu锌铜原电池装置如下[问题思考]1.锌铜原电池中正、负极材料是什么?写出正、负极反应式提示Zn作负极,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+;Cu作正极,电极反应式为Cu2++2e-===Cu2.原电池装置中,盐桥中离子移动的方向是什么?提示盐桥中的Cl-移向负极ZnSO4溶液,K+移向正极CuSO4溶液3.原电池装置中,盐桥的作用是什么?提示
①形成闭合回路;
②保持溶液中电荷守恒,使电池反应能持续发生1.原电池工作原理1原理图示2电极名称与反应类型正极→还原反应;负极→氧化反应3电子流向负极→正极4电流方向正极→负极5离子流向阳离子→正极;阴离子→负极2.带盐桥原电池装置中两个“半电池”以锌铜原电池为例,如图1ZnZnSO4半电池在ZnSO4溶液中,锌片逐渐溶解,即Zn被氧化,锌原子失去电子,形成Zn2+进入溶液,即Zn-2e-===Zn2+;从锌片上释放出的电子,经过导线流向铜片2CuCuSO4半电池CuSO4溶液中的Cu2+从铜片上得到电子,还原为铜单质并沉积在铜片上,即Cu2++2e-===Cu3盐桥的作用电池工作时,盐桥中的Cl-会移向ZnSO4溶液,K+移向CuSO4溶液,使两溶液均保持电中性当取出盐桥后,形成断路,反应停止1.下列装置中,能构成原电池的是 解析选D 酒精为非电解质,A错误;选项B中未使用盐桥,没有形成闭合回路;C项中两个电极材料相同,不能形成原电池依据原电池的构成条件可知D正确2.关于如图所示的原电池,下列说法正确的是 A.电子从锌电极通过电流表流向铜电极B.盐桥中的阴离子向CuSO4溶液中迁移C.锌电极发生还原反应,铜电极发生氧化反应D.铜电极上发生的电极反应是2H++e-===H2↑解析选A 该原电池中,Zn为负极,Cu为正极,负极发生氧化反应,正极发生还原反应,电子由Zn电极流向Cu电极,A项正确,C、D两项错误;因电子由Zn电极流向Cu电极,则铜电极反应是Cu2++2e-===Cu,所以盐桥中的阳离子向CuSO4溶液中迁移,阴离子向ZnSO4溶液中迁移,B项错误1.加快化学反应速率构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快如实验室制H2时,粗锌比纯锌与稀硫酸反应快,或向溶液中滴入几滴CuSO4溶液,反应加快2.比较金属的活动性强弱对于酸性电解质,一般是作负极的金属活动性强,作正极的金属活动性较弱3.设计原电池1理论上,自发的氧化还原反应,可以设计成原电池2外电路3内电路将两电极浸入电解质溶液中,阴、阳离子作定向移动1.有a、b、c、d四个金属电极,有关的实验装置及部分实验现象如下实验装置部分实验现象a极质量减小;b极质量增加b极有气体产生;c极无变化d极溶解;c极有气体产生电流从a极流向d极由此可判断这四种金属的活动性顺序是 A.abcd B.bcdaC.dabcD.abdc解析选C 由第一个装置a极溶解,可知a极是负极,金属活动性ab,对于第二个装置,依据还原性规律知,金属活动性bc,第三个装置的金属活动性dc,由第四个装置电流从a→d,则电子从d→a,故金属活动性da2.设计原电池Zn+2Fe3+===Zn2++2Fe2+,在方框中画出能形成稳定电流的半电池形式的装置图标出电极材料、电解质溶液负极________,电极反应_____________________________________________;正极________,电极反应_____________________________________________解析分析元素化合价的变化可知,Zn为负极,比Zn活泼性差的金属或非金属石墨等作正极,选择与电极材料有相同离子的溶液作电解质溶液答案见下图Zn Zn-2e-===Zn2+Pt 2Fe3++2e-===2Fe2+[三级训练·节节过关] 1.原电池是将化学能直接转化为电能的装置,原电池反应的本质是 A.化合价的升降 B.离子定向移动C.氧化还原反应D.电能的储存解析选C 原电池是利用自发的氧化还原反应来实现能量转化的,即通过两极上的氧化反应和还原反应,把化学能转化为电能2.结合下图判断,下列叙述不正确的是 A.Ⅰ、Ⅱ的反应原理均是Zn+Cu2+===Zn2++CuB.Ⅰ、Ⅱ中均有电子转移,均是把化学能转化为电能C.随着反应的进行,Ⅰ、Ⅱ中CuSO4溶液颜色均渐渐变浅D.取a中溶液,加足量BaNO32溶液,过滤后向滤液中加AgNO3溶液,有沉淀产生解析选B Ⅰ中发生的是化学反应,没有电能产生,Ⅱ中发生的是电化学反应,化学能转化为电能,但二者的反应原理都是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,A项正确,B项错误;随着反应的进行,Ⅰ、Ⅱ中Cu2+逐渐减小,溶液颜色均渐渐变浅,C项正确;在原电池工作过程中,盐桥中的Cl-移向负极,即a中溶液含有Cl-,故取a中溶液,加足量BaNO32溶液,过滤后向滤液中加AgNO3溶液,有AgCl沉淀产生,D项正确
3.用铜片、银片、CuNO32溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥装有琼脂KNO3的U形管构成一个原电池如图以下有关该原电池的叙述正确的是
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.
①②B.
③④C.
②④D.
②③解析选C 由于活动性CuAg,则Cu作负极,电解质溶液为CuNO32溶液;Ag作正极,电解质溶液为AgNO3溶液,盐桥形成闭合回路
①在外电路中,电流由银电极流向铜电极,错误;
②正极为溶液中Ag+得到电子被还原为Ag,电极反应式为Ag++e-===Ag,正确;
③实验过程中取出盐桥,因为不能形成闭合回路,所以原电池不能继续工作,错误;
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,正确4.为了避免锌片与Cu2+直接接触发生反应而影响原电池的放电效率,有人设计了如下装置,按要求完成以下填空1此装置工作时,可以观察到的现象是_____________________________________________________________________________________________________________,电池总反应式为__________________________________z_______________________2以上电池中,锌和锌盐溶液组成________,铜和铜盐溶液组成________,中间通过盐桥连接起来3电池工作时,硫酸锌溶液中SO向________移动,硫酸铜溶液中SO向________移动4此盐桥内为饱和KCl溶液,盐桥是通过________移动来导电的在工作时,K+移向________解析该装置为锌铜原电池,总反应式为Zn+Cu2+===Cu+Zn2+,电池工作时,观察到
①电流计指针发生偏转,
②锌片不断溶解,
③铜片上有红色物质析出,其中Zn与ZnSO4溶液组成锌半电池,Cu与CuSO4溶液组成铜半电池电池工作时,ZnSO4溶液中SO向负极锌电极移动,CuSO4溶液中SO向盐桥移动,而盐桥中的K+向正极区CuSO4溶液移动,Cl-向负极区ZnSO4溶液移动,这样靠离子的移动形成闭合回路答案1电流计指针发生偏转,锌片逐渐溶解,铜片上有红色物质析出 Zn+Cu2+===Zn2++Cu2锌半电池 铜半电池 3锌电极 盐桥4离子 正极区CuSO4溶液1.下列反应不可用于设计原电池的是 A.NaOH+HCl===NaCl+H2OB.2CH3OH+3O2===2CO2+4H2OC.Zn+2HCl===ZnCl2+H2↑D.4Al+3O2+6H2O===4AlOH3解析选A 只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池NaOH与HCl的反应为非氧化还原反应2.下列关于原电池的叙述正确的是 A.构成原电池的正极和负极必须是两种不同的金属B.原电池是将化学能转变为电能的装置C.原电池中电子流出的一极是负极,该极被还原D.原电池工作时,电流的方向是从负极到正极解析选B A项,构成原电池的正极和负极可能是两种不同的金属,也可能是导电的非金属如石墨棒和金属,错误;B项,原电池是将化学能转变为电能的装置,正确;C项,在原电池中,负极上失去电子发生氧化反应,正极上得到电子发生还原反应,电子从负极沿导线流向正极,错误;D项,原电池放电时,电子从负极沿导线流向正极,电流的方向是从正极到负极,错误3.实验室用铁片、铜片和AgNO3溶液组成原电池,则正极的电极反应式为 A.Fe-3e-===Fe3+ B.Fe-2e-===Fe2+C.2H2O+O2+4e-===4OH-D.Ag++e-===Ag解析选D 在此原电池中,铁片、铜片分别为负极和正极,总反应为Fe+2AgNO3===2Ag+FeNO32,正极的电极反应为Ag++e-===Ag,D项正确
4.如图是一个盐桥中充满饱和KCl溶液的锌铜原电池装置,下列分析正确的是 A.Cu片上发生氧化反应B.电子由Cu片经外电路流向Zn片C.盐桥中的Cl-移向ZnSO4溶液D.一段时间后烧杯中cZn2+、cCu2+均减小解析选C Cu片为正极,正极发生还原反应,A项错误;电子从Zn片负极经外电路流向Cu片正极,B项错误;盐桥中的阴离子移向负极,即Cl-移向ZnSO4溶液,C项正确;负极反应为Zn-2e-===Zn2+,左烧杯中cZn2+增大,D项错误
5.如图所示的原电池装置,X、Y为两电极,电解质溶液为稀硫酸,外电路中的电子流向如图所示,对此装置的下列说法正确的是 A.外电路的电流方向为X→外电路→YB.若两电极分别为Zn和碳棒,则X为碳棒,Y为ZnC.若两电极都是金属,则它们的活动性为XYD.X极上发生的是还原反应,Y极上发生的是氧化反应解析选C 由图可知,电子的流动方向是X→外电路→Y,则电流的方向就为Y→外电路→X;X为原电池的负极,Y为正极,X的活动性比Y的强;X极应发生氧化反应,Y极应发生还原反应所以,A、B、D错误,C正确
6.如图所示,电流计的指针发生偏转,正极变粗,负极变细,符合这种情况的是 A.正极Cu,负极Zn,S为稀H2SO4B.正极Zn,负极Cu,S为CuSO4溶液C.正极Ag,负极Zn,S为AgNO3溶液D.正极Fe,负极Cu,S为AgNO3溶液解析选C 原电池中,负极失去电子发生氧化反应,根据题意负极变细,即金属单质失去电子,负极应是活泼金属,B和D错误;又因为正极变粗,即该电池的总反应应是置换金属的置换反应,A错误7.有A、B、C、D四种金属,当A、B组成原电池时,电子流动方向A→B;当A、D组成原电池时,A为正极;B与E构成原电池时,电极反应式为E2++2e-===E,B-2e-===B2+则A、B、D、E金属性由强到弱的顺序为 A.ABED B.ABDEC.DEABD.DABE解析选D 原电池电子由负极流向正极,负极活泼,故活动性AB;当A、D组成原电池时,A为正极,金属活动性为DA;B与E构成原电池时,B失去电子,即B作负极,金属活动性为BE,故A、B、D、E金属性由强到弱的顺序为DABE8.关于下图所示装置盐桥含KCl的叙述,正确的是 A.铜离子在铜片表面被氧化B.铜作负极,铜片上有气泡产生C.电流从锌片经导线流向铜片D.右侧烧杯中,SO的物质的量几乎不变,K+的数目增多解析选D 铜离子在铜片表面被还原,A不正确;铜作正极,铜片上有铜析出,无气泡产生,B不正确;电子从锌片经导线流向铜片,而电流方向与电子的定向移动方向相反,C不正确;盐桥中阳离子移向正极,右侧烧杯中K+的数目增多,D正确9.由A、B、C、D四种金属按下表中装置图进行实验装置现象二价金属A不断溶解 C的质量增加A上有气体产生根据实验现象回答下列问题1装置甲中负极的电极反应式是_____________________________________________2装置乙中正极的电极反应式是___________________________________________3装置丙中溶液的pH________填“变大”“变小”或“不变”4四种金属活泼性由强到弱的顺序是____________解析甲、乙、丙均为原电池装置,依据原电池原理,甲中A不断溶解,则A为负极、B为正极,活泼性A>B;乙中C极增重,即析出Cu,则B为负极,活泼性B>C;丙中A上有气体即有H2产生,则A为正极,活泼性D>A,随着H+的消耗,pH变大答案1A-2e-===A2+ 2Cu2++2e-===Cu3变大 4D>A>B>C
10.原电池是化学对人类的一项重大贡献1某兴趣小组为研究原电池原理,设计如图所示装置
①a和b不连接时,烧杯中发生反应的离子方程式是__________________
②a和b用导线连接,Cu极为原电池______极填“正”或“负”,Zn极发生______填“氧化”或“还原”反应
③a和b用导线连接,Zn片上发生的电极反应________________________,Cu片上发生的电极反应__________________________2若a和b相连接,导线上转移
0.2mol电子时,理论上Zn片质量减轻____________g解析1
①a和b不连接时,该装置不构成原电池,锌和氢离子发生置换反应,离子方程式为Zn+2H+===Zn2++H2↑;
②a和b用导线连接,该装置构成原电池,铜作正极,正极上发生还原反应;锌作负极发生氧化反应;
③a和b用导线连接,该装置构成原电池,铜作正极,发生还原反应,电极反应式为2H++2e-===H2↑;锌作负极发生氧化反应,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+2锌片减少的质量=×65g·mol-1=
6.5g答案1
①Zn+2H+===Zn2++H2↑
②正 氧化
③Zn-2e-===Zn2+ 2H++2e-===H2↑
26.51.已知空气锌电池的电极反应为锌粒Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O,石墨O2+2H2O+4e-===4OH-根据判断,锌片 A.正极,并被还原B.正极,并被氧化C.负极,并被还原D.负极,并被氧化解析选D Zn失去电子作负极,负极被氧化2.一个原电池的总反应的离子方程式是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,该反应的原电池的组成正确的是 选项ABCD正极ZnAgCuCu负极CuCuZnZn电解质溶液CuCl2H2SO4CuSO4FeCl2解析选C 根据负极材料要求可知,A、B错误,D项的自发氧化还原反应为Zn+Fe2+===Zn2++Fe,不符合题目要求,也不正确3.右图是锌、铜和稀硫酸形成的原电池,某实验兴趣小组同学做完实验后,在读书卡片上记录如下卡片上的描述合理的是 A.
①②③B.
③④⑤C.
①⑤⑥D.
②③④解析选B 构成原电池的正极是Cu,负极是Zn,故
①错误;电子从负极Zn流出,流向正极Cu,H+向正极移动,在Cu上得电子2H++2e-===H2↑,故
②错误,
③、
④正确;原电池负极上发生的反应是Zn-2e-===Zn2+,
⑥错误;电池总反应Zn+2H+===Zn2++H2↑,当有1mole-通过时,产生H2为
0.5mol,故
⑤正确4.某小组设计如图装置盐桥中盛有浸泡了KNO3溶液的琼脂研究电化学原理下列叙述正确的是 A.银片为负极,发生的反应为Ag++e-===AgB.进行实验时,琼脂中K+移向MgNO32溶液C.用稀硫酸代替AgNO3溶液,可形成原电池D.取出盐桥,电流表依然有偏转解析选C A项,Mg比Ag活泼,Mg片为负极,Ag片为正极,A项错误;进行实验时,琼脂中的阳离子移向正极,即K+移向AgNO3溶液,B项错误;C项,用稀硫酸代替AgNO3溶液,也可形成原电池,电池总反应为Mg+2H+===Mg2++H2↑,C项正确;D项,取出盐桥,电路断开,电流表不能偏转,D项错误
5.右图为一原电池的结构示意图,下列说法中,不正确的是 A.原电池工作时的总反应为Zn+Cu2+===Zn2++CuB.原电池工作时,Zn电极流出电子,发生氧化反应C.原电池工作时,铜电极上发生氧化反应,CuSO4溶液蓝色变深D.盐桥中阳离子流向CuSO4溶液中解析选C 该原电池中Zn为负极,负极上Zn失去电子,发生氧化反应,Zn-2e-===Zn2+,Cu为正极,正极上溶液中的Cu2+得到电子,发生还原反应,Cu2++2e-===Cu,总电池反应为Zn+Cu2+===Zn2++Cu,盐桥中阳离子移向正极,即移向CuSO4溶液,综上所述,C项错误,其他各项均正确
6.控制适合的条件,将反应2Fe3++2I-2Fe2++I2设计成如图所示的原电池下列判断不正确的是 A.反应开始时,乙中石墨电极上发生氧化反应B.反应开始时,甲中石墨电极上Fe3+被还原C.电流计读数为零时,反应达到化学平衡状态D.电流计读数为零后,在甲中溶入FeCl2固体,乙中的石墨电极为负极解析选D 由题图并结合原电池原理分析可知,Fe3+得电子变为Fe2+被还原,I-失去电子变为I2被氧化,所以A、B项正确;电流计读数为零时,反应达到化学平衡状态,C项正确;在甲中溶入FeCl2固体,对于2Fe3++2I-2Fe2++I2,平衡向逆反应方向移动,此时Fe2+被氧化,I2被还原,故甲中的石墨电极为负极,乙中的石墨电极为正极,D错误7.某原电池装置如图所示下列有关叙述中,正确的是 A.Fe作正极,发生氧化反应B.负极反应Al-3e-+3OH-===AlOH3↓C.工作一段时间后,盛有稀硫酸溶液的烧杯中pH不变D.盐桥中的Cl-向左边烧杯中移动,使该烧杯中溶液保持电中性解析选D A项,铝的金属性强于铁,则铝是负极,铁是正极,铁上发生还原反应,错误;B项,铝是负极,失去电子,电极反应式为Al-3e-+4OH-===AlO+2H2O,错误;C项,工作一段时间后,盛有稀硫酸溶液的烧杯中氢离子放电,浓度降低,则pH增大,错误;D项,铝是负极,则盐桥中的Cl-向左边烧杯中移动,使该烧杯中溶液保持电中性,D正确8.有关下图装置的说法中正确的是 A.氧化剂与还原剂必须直接接触,才能发生反应B.乙池中电极反应式为NO+4H++e-===NO2↑+2H2OC.当铜棒质量减少
6.4g时,甲池溶液质量增加
6.4gD.当铜棒质量减少
6.4g时,向乙池密封管中通入标准状况下
1.12LO2,将使气体全部溶于水解析选D A项,该原电池中氧化反应与还原反应是在两个不同的烧杯中完成的,因此氧化剂与还原剂没有直接接触,A项错误;B项,乙池是正极,溶液中的NO得到电子,电极反应式为NO+2H++e-===NO2↑+H2O,B项错误;C项,当铜棒质量减少
6.4g即
0.1mol时,甲池溶液中Cu2+增加
0.1mol,但由于盐桥中Cl-向甲池中移动,所以溶液增加的质量大于
6.4g,C项错误;D项,当铜棒质量减少
6.4g即
0.1mol时,转移电子的物质的量是
0.2mol,所以根据电极反应式NO+2H++e-===NO2↑+H2O可知,生成NO2的物质的量是
0.2mol,则根据反应式4NO2+O2+2H2O===4HNO3可知需要氧气的物质的量是
0.05mol,其在标准状况下的体积是
1.12L,D项正确
9.根据氧化还原反应2Ag+aq+Cus===Cu2+aq+2Ags,设计的原电池如图所示,其中盐桥内装琼脂饱和KNO3溶液请回答下列问题1电极X的材料是_______;电解质溶液Y是________2银电极为电池的________极,写出两电极的电极反应式银电极____________________________________________________________;X电极_____________________________________________________________3外电路中的电子是从______电极流向______电极4盐桥中向CuSO4溶液中迁移的离子是____填字母A.K+B.NOC.Ag+D.SO5其中CuSO4溶液能否被H2SO4稀溶液代替______Ag电极能否被石墨代替________解析1由反应方程式可知,Cu为还原剂,作负极,即Cu为X极,Ag+aq为氧化剂,即Y应为AgNO3溶液2银电极为电池的正极,正极发生还原反应2Ag++2e-===2Ag,负极X电极发生氧化反应Cu-2e-===Cu2+3外电路中的电子从Cu电极负极流向Ag电极正极4左边烧杯中Cu-2e-===Cu2+,阳离子浓度增加,故盐桥中的阴离子NO移向CuSO4溶液中5CuSO4溶液主要是具有导电性的作用,可以被其他不与Cu反应的电解质溶液代替正极本身不参与反应,只要是活泼性比Cu差的金属或能导电的非金属均可以作电极,故Ag电极能被石墨代替答案1Cu AgNO3溶液2正 2Ag++2e-===2Ag Cu-2e-===Cu2+3Cu Ag 4B 5能 能10.将反应IO+5I-+6H+3I2+3H2O设计成如图所示的原电池1开始时向甲烧杯中加入少量浓硫酸,电流计指针向右偏转,此时甲池中发生的电极反应式为____________________,工作过程中关于电流计的读数,下列说法正确的是______填编号a.电流计读数逐渐减小B.电流计读数有可能变为0c.电流计读数一直不变D.电流计的读数逐渐增大2如果在加浓硫酸前,甲、乙烧杯中都加入淀粉溶液,则溶液变蓝的烧杯是________填“甲”“乙”或“甲、乙”3工作一段时间后,如果再向甲烧杯滴入浓NaOH溶液,此时乙池中发生的电极反应式为________________________,电流计指针向______填“左”或“右”偏转解析1根据题中信息,I-失电子被氧化,说明乙池中石墨作负极,其电极反应式为2I--2e-===I2,则甲池中石墨作正极,其电极反应式为2IO+12H++10e-===I2+6H2O,随反应的进行,碘离子和碘酸根离子的量减小,通过的电量减小,电流计读数不断减小,当反应达到平衡后,电流计的读数为0,故a、b说法正确2根据1的分析,两烧杯中都有I2的存在,加入淀粉后,都变蓝;3甲烧杯中滴入NaOH溶液,消耗H+,促使反应向逆反应方向进行,乙池中电极反应式I2+2e-===2I-,则甲池中电极反应式I2+12OH--10e-===2IO+6H2O,甲池失电子,电流计指针向左偏转答案12IO+10e-+12H+===I2+6H2O a、b 2甲、乙 3I2+2e-===2I- 左。