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文本内容:
原电池【学习目标】
1、进一步了解原电池的工作原理;
2、能够写出原电池的电极反应式和原电池的总反应方程式【要点梳理】要点
一、原电池
1、概念将化学能转化为电能的装置叫原电池【高清课堂原电池#原电池的组成条件】
2、原电池的构成条件
①两个活泼性不同的电极材料可以是金属或导电的非金属,分别发生氧化和还原反应负极活泼性强,失去电子发生氧化反应正极活泼性弱,溶液中阳离子得到电子发生还原反应
②电解质溶液,电解质中阴离子向负极方向移动,阳离子向正极方向移动,阴阳离子定向移动形成内电路
③导线将两电极连接,形成闭合回路
④有能自发进行的氧化还原反应要点诠释a.原电池中,电极材料可能与电解质反应,也可能与电解质不反应如图b.形成闭合回路的方式有多种,可以是用导线连接两个电极,也可以是两电极直接接触如图要点
二、原电池工作原理的实验探究【高清课堂原电池#原电池的工作原理】
1、实验设计
①按照图示装置进行实验请观察两个金属片插入溶液后电流表指针位置的变化、金属电极表面的变化以及溶液温度的变化,分析是否有电流产生
②按照下图组装实验装置,注意最后将盐桥插入两种电解质溶液中请观察反应过程中电流表指针位置的变化,判断是否有电流产生,并观察电极表面以及溶液温度的变化情况要点诠释盐桥的作用及优点a.组成将热的饱和KCl或NH4NO3琼胶溶液倒入U形管中不能产生裂隙,即可得到盐桥将冷却后的U形管浸泡在KCl饱和溶液或NH4NO3饱和溶液中备用b.作用使两个半电池中的溶液连成一个通路c.优点使原电池中的氧化剂和还原剂近乎完全隔离,并在不同区域之间实现了电子的定向移动,使原电池能持续、稳定地产生电流
2、实验记录电流产生情况电极表面变化情况温度变化情况能量变化情况Ⅰ有电流产生锌片质量减小,同时铜片上有红色物质析出,铜片质量增加溶液温度升高化学能转化为电能、热能Ⅱ有电流产生锌片质量减小,铜片上有红色物质析出,铜片质量增加溶液温度不变化学能转化为电能
3、实验分析
①对于图甲装置Zn片Zn-2e-=Zn2+Cu片Cu2++2e-=Cu同时在Zn片上,Zn可直接与CuSO4溶液反应,生成Cu与ZnSO4,因此该装置中既有化学能转化为电能,同时也有化学能转化为热能
②对于图乙所示原电池锌片负极,Zn-2e-=Zn2+氧化反应铜片正极,Cu2++2e-=Cu还原反应总化学方程式Zn+Cu2+=Cu+Zn2+
4、实验原理分析如图所示要点
三、原电池中电荷移动方向在原电池构成的闭合电路中,有电荷的流动;从电路的构成方面来说,有外电路上电荷的流动和内电路上电荷的流动;从电荷的类型方面来说,有电子的流动和阴、阳离子的流动,其中的具体情况见图要点
四、原电池的电极判断要点诠释活泼金属在原电池中不一定作负极如Mg—Al—NaOH溶液原电池,活泼性Mg>Al,但此原电池中Al作负极,Mg作正极负极反应Al+4OH--3e-=AlO2-+2H2O,正极反应2H++2e-=H2↑,总反应2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑判断一个原电池中的正负极,最根本的方法是失e-的一极是负极;得e-的一极为正极要点
五、原电池电极反应式的书写
1、题目给定图示装置
2、题目给定总反应式
①分析化合价,确定电极反应物与产物,按照负极发生氧化反应,正极发生还原反应的原理,写出正负电极的反应物与产物
②在电极反应式的左边写出得失电子数,并使左右两边电荷守恒
③根据质量守恒定律配平电极反应式
3、几个注意点
①负极材料若不与电解质溶液发生反应,则负极失电子,空气中的O2得电子发生还原反应
②电极反应式的书写必须遵守离子方程式的书写要求,如难溶物、难电离物、气体、单质、氧化物等均应写成化学式形式
③注意电解质溶液的成分对正负极反应产物的影响如负极反应生成的阳离子若与电解质溶液的阴离子反应,则电解质溶液的阴离子应写入电极反应式,例如Fe与Cu在NaOH溶液中形成原电池,负极反应为Fe+2OH--2e-=FeOH2要点
六、原电池原理在化学中的应用
1、设计原电池从理论上讲,任何一个自发的氧化还原反应,都可以设计成原电池关键电解质溶液一般能与负极反应或者溶解在溶液中的物质如O2与负极反应电极材料一般较活泼的金属作负极,较不活泼的金属或非金属作正极设计思路设计思路实例以自发的氧化还原反应为基础2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2把氧化还原反应分为氧化反应和还原反应两个半反应,从而确定电极反应氧化反应负极Cu-2e-=Cu2+;还原反应正极2Fe3++2e-=2Fe2+以两极反应原理为依据,确定电极材料及电解质溶液负极材料Cu;正极材料石墨或铂或比Cu不活泼的其他金属;电解质溶液FeCl3溶液画出示意图【高清课堂原电池#原电池的应用】
2、原电池工作原理的其他应用
①制造种类电池
②金属的腐蚀与防护
③判断金属的活泼性
④加快反应的速率构成原电池时反应速率比直接接触的反应速率快如实验室制取H2时,用粗锌与稀H2SO4反应比用纯锌时的速率快【典型例题】类型一原电池原理及简单应用例1下图中能组成原电池产生电流的是【答案】B【解析】A、D两项中电极与电解质溶液之间不发生反应,不能构成原电池B项符合构成原电池的条件,且Zn能与H2SO4溶液反应,两电极发生的反应分别是Zn-2e-=Zn2+,2H++2e-=H2↑C项中酒精不是电解质,且与Cu不能反应例2有关原电池的下列说法中正确的是A.在外电路中电子由正极流向负极B.在原电池中,只有金属锌作负极C.原电池工作时,阳离子向正极方向移动D.原电池工作时,阳离子向负极方向移动【答案】C【解析】在原电池中,电子从负极流向正极,A错误;原电池中是活泼金属作负极,而不一定是锌;随着反应的进行,阳离子在正极被还原,所以电解质溶液中的阳离子向正极移动,而阴离子向负极移动举一反三【高清课堂原电池#例3】【变式1】下列变化中属于原电池反应的是A.在空气中金属铝表面迅速氧化成保护层B.镀锌铁表面有划损时,仍然能阻止铁被氧化C.红热的铁丝与冷水接触,表面形成蓝黑色的保护层D.锌与稀硫酸反应时,加入少量的CuSO4溶液可使反应加快【答案】BD例3将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间,以下叙述正确的是A.两烧杯中铜片表面均无气泡产生B.甲中铜片是正极,乙中铜片是负极C.两烧杯中溶液的pH均增大D.产生气泡的速率甲比乙慢【答案】C【解析】图甲是一个原电池装置,负极Zn Zn-2e-=Zn2+,正极Cu2H++2e-=H2↑,形成的原电池能加快产生氢气的速率;图乙中,Zn直接与稀硫酸反应生成H2Zn+2H+=Zn2++H2↑,甲、乙两烧杯中H2SO4均被消耗,溶液的pH均增大例4如图所示的原电池装置中,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,则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棒和碳棒,则X为碳棒,Y为Zn棒C.若两电极都是金属,则它们的活动性为X>YD.X极上发生的是还原反应,Y极上发生的是氧化反应【答案】C【解析】由图可知电子的流动方向是X→外电路→Y,则电流的方向为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正确举一反三【变式1】X、Y、Z、W四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中,组成原电池X、Y相连时,X为负极;Z、W相连时,电流方向是W→Z;X、Z相连时,Z极上产生大量气泡;W、Y相连时,W极发生氧化反应据此判断四种金属的活泼性顺序是A.X>Z>W>YB.Z>X>Y>WC.W>X>Y>ZD.Y>W>Z>X【答案】A【解析】在原电池中,活泼金属作为电池的负极,失去电子,发生氧化反应;不活泼的金属作为电池的正极,得到电子,发生还原反应电子由负极经导线流向正极,与电流的方向相反物理学中规定正电荷移动的方向为电流的方向因此,X、Y相连时,X为负极,则活泼性X>Y;Z、W相连时,电流方向是W→Z,则活泼性Z>W;X、Z相连时,Z极上产生大量气泡,则活泼性X>Z;W、Y相连时,W极发生氧化反应,则活泼性W>Y综上所述,可以得出金属的活泼性顺序是X>Z>W>Y类型二原电池的设计【高清课堂原电池#例1】例5利用反应Zn+2Fe3+=Zn2++2Fe2+设计一个原电池,在下边方框内画出实验装置图,并指出正极为________,电极反应式为________;负极为________,电极反应式为________【答案】Pt2Fe3++2e-=2Fe2+ZnZn-2e-=Zn2+实验装置图如下或【解析】根据已知的氧化还原反应设计原电池的思路是,首先将已知的反应拆成两个半反应即氧化反应和还原反应Zn-2e-=Zn2+,2Fe3++2e-=2Fe2+;然后再结合原电池的电极反应特点分析可知,该电池的负极应用Zn作材料,正极要保证Fe3+得到负极失去的电子,可选用Pt或碳棒等,电解质溶液只能选用含Fe3+的电解质溶液,如FeCl3溶液等举一反三【变式1】如图所示装置中,电流表A发生偏转,a极逐渐变粗,同时b极逐渐变细,c为电解质溶液,则a、b、c应是下列各组中的A.a是Zn、b是Cu、c为稀H2SO4B.a是Cu、b是Zn、c为稀H2SO4c.a是Fe、b是Ag、c为AgNO3溶液D.a是Ag、b是Fe、c为AgNO3溶液【答案】D【解析】原电池工作时,a极逐渐变粗,同时b极逐渐变细,说明b极失去电子是负极,a极上金属离子得电子是正极,电解质溶液中含有相同的金属离子类型三电极反应式、电池反应式的书写例6依据氧化还原反应2Ag+aq+Cus=Cu2+aq+2Ags设计的原电池如图所示请回答下列问题1电极X的材料是________;电解质溶液Y是________;2银电极为电池的________极,发生的电极反应为________;X电极上发生的电极反应为________;3外电路中的电子是从________电极流向________电极【答案】1CuAgNO3溶液2正Ag++e-=AgCu-2e-=Cu2+3XAg【解析】由氧化还原反应2Ag+aq+Cus=Cu2+aq+2Ags可知,可以选用Cus—Ags—AgNO3aq构成简易的原电池,因此上图中电极X的材料是Cu,电解质溶液Y是AgNO3溶液,正极为Ag,正极上发生的反应为Ag++e-=Ag,负极为Cu,负极上发生的反应为Cu-2e-=Cu2+,在外电路电子由负极流向正极,即从X电极流向Ag电极举一反三【变式1】有人研究反应AsO43-+2I-+2H+=AsO33-+I2+H2O时,认为该反应是可逆反应,为了验证该想法,他根据平衡移动原理设计出如图所示的实验装置装置中盐桥的作用是使整个装置形成一个闭合回路1请你参与探究用实验证明他的观点
①假设该反应是可逆反应,反应的离子方程式为____________
②该实验中C1和C2两电极可以是同种材料吗?________查阅有关资料得知Fe的还原性比I-和AsO33-都强,在Zn、Al、Pt、C棒几种材料中,可用于该实验的电极材料是________
③实验开始时,按图组装好实验装置,向A烧杯中加入适量2mol/LKI溶液,向B烧杯中加入适量1mol/LNa3AsO4溶液,再向B烧杯中逐滴加入浓盐酸,发生的现象是电流表________;A中________此过程中,C1棒发生的反应为________2若要证明反应可逆向进行,在40%NaOH溶液、4%NaOH溶液、碘水、Na3AsO3溶液几种试剂中,必须向B烧杯中滴加________溶液
①证明该反应是可逆反应的事实是________
②2操作过程中,C2棒发生的反应为________【答案】1
①AsO43-+2I-+2H+AsO33-+I2+H2O
②可以Pt或C棒
③指针发生偏转溶液由无色变为黄褐色2I--2e-=I2240%NaOH溶液
①两次操作,指针偏转方向相反
②AsO33-+H2O-2e-=AsO43-+2H+【解析】正逆反应均构成原电池,由可逆反应知,
①加入浓盐酸时,cH+增大,平衡正向进行向右移动,I-变成I2,C1电极反应为2I--2e-=I2,电子从C1流向C2,AsO43-得电子作正极2加碱时反应逆向进行,AsO33-失去电子变成AsO43-,C2电极反应为AsO33-+H2O-2e-=AsO43-+2H+,I2得电子作正极酸性和碱性时的电流方向相反。