1.2 第1课时 原电池的工作原理 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修1

1.2 第1课时　原电池的工作原理
【学习目标】
1.通过实验探究理解原电池的工作原理,学会判断原电池的正、负极,建立宏观辨识与微观探析意识。
2.进一步理解化学能与电能的相互转化,认识从简单原电池发展到带有盐桥原电池的过程变化,建立变化观念与平衡思想意识。
3.通过交流讨论掌握原电池总反应式和电极反应式的书写方法,培养推理和分析问题的能力,提升证据推理与模型认知的学科素养。
4.通过设计原电池的实验探究,体验科学探究过程,培养科学探究精神。
【自主预习】
一、原电池
1.原电池的构成条件
(1)定义:能把　　　　转化为　　　　的装置。
(2)构成条件:
2.原电池原理(以锌铜作电极、硫酸铜溶液作离子导体为例)
电极名称 负极 正极
电极材料 　　　 　　　
电极反应 　　　　　　　 　　　　　　　
电极质量变化 　　　 　　　
反应类型 　　　　反应 　　　　反应
电子流向 由　　　　极沿导线流向　　　　极
电流方向 从　　　　极沿导线流向　　　　极
离子移向 阳离子移向　　　　极,阴离子移向　　　　极
二、原电池的应用
1.加快氧化还原反应的速率
构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快,例如,在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液,CuSO4与锌发生置换反应生成Cu,从而形成Cu-Zn微小　　　　　,加快产生H2的速率。
2.比较金属活动性强弱
例如,有两种金属a和b,用导线连接后插入稀硫酸中,观察到a极溶解,b极上有气泡产生。由此可判断出a是负极,b是正极,且金属活动性:a　　　　b。
3.设计原电池
理论上,自发的　　　　　反应,都可以设计成原电池。
①外电路
负极——化合价　　　　的物质
正极——活泼性弱的物质,一般选碳棒
②内电路:有元素化合价降低的物质作电解质溶液(离子导体)。
【参考答案】一、1.(1)化学能　电能　(2)活泼性不同　电解质
2.锌片　铜片　Zn-2e-Zn2+　Cu2++2e-Cu　减小　增大　氧化　还原　负　正　正　负　正　负
二、1.原电池　2.>　3.氧化还原　升高
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)理论上,自发的氧化还原反应都可设计成原电池。 (　　)
(2)在原电池中,发生氧化反应的一极是负极。 (　　)
(3)在锌铜原电池中,因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路,所以有电流产生。 (　　)
(4)在原电池中,正极本身一定不参与电极反应,负极本身一定要发生氧化反应。 (　　)
(5)原电池的电极材料一定是金属单质。 (　　)
(6)原电池工作时,溶液中的阳离子向负极移动,盐桥中的阳离子向正极移动。 (　　)
【答案】(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)×
2.在原电池中,较活泼的金属是不是一定作负极
【答案】不一定作负极,要看谁能与电解质溶液反应。如Mg-Al-H2SO4溶液形成的原电池中,Mg作负极;Mg-Al-NaOH溶液形成的原电池中,Al作负极;常温下,Fe-Cu-浓HNO3形成的原电池中,Fe被钝化,Cu作负极。
3.生石灰和水反应放热,所以有同学认为可以利用这个反应设计成原电池,你认为正确吗
【答案】不正确。此反应不是氧化还原反应。
【合作探究】
任务1：原电池的工作原理
情境导入　冰心的《小桔灯》里有一句话:“天黑了,路滑,这盏小桔灯照你上山吧!”文章里的小桔灯是用蜡烛放在桔皮里做成的。你知道吗 利用化学知识可以用桔子来制作真正的“小桔灯”。原理很简单:把一个桔子的桔瓣并联,将镀锌铁钉、铜线插到桔子瓣上,并与放在中心的Led灯珠相连接,就制成了一个真正的“小桔灯”。
问题生成
1.“小桔灯”中,桔瓣里的桔子汁的作用是什么
【答案】桔子汁作用是作电解质溶液(离子导体)。
2.镀锌铁钉、铜线在“小桔灯”工作中起到什么作用
【答案】镀锌铁钉作负极,铜线作正极。
3.请分析小桔灯中能量转化形式。
【答案】化学能转化为电能。
4.如果将镀锌铁钉、铜线分开插入两瓣桔子中,Led灯珠能否被点亮 为什么
【答案】不能被点亮,因为没有形成闭合回路。
5.若将问题4中两瓣桔子紧贴在一起,Led灯珠能否被点亮 请归纳原电池的构成条件。
【答案】能被点亮,因为两瓣桔子中间的膜能让离子通过,离子定向移动构成了闭合回路。原电池构成的条件:①有活泼性不同的两个电极;②有电解质溶液;③形成闭合回路;④能自发进行的氧化还原反应。
【实验探究】
1.实验操作
将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液用一个盐桥连接起来,然后将锌片和铜片用导线连接,并在中间串联一个电流表,观察现象。
电池名称 单液电池 双液电池(盐桥电池)
实验装置
实验现象 电流表 指针　　　
电极变化 锌片逐渐溶解,铜片质量　　　
电流变化 一段时间后,电流逐渐衰减 产生的电流持续、稳定
微观探析 锌片失去电子形成　　　进入溶液,质量减轻; 电子通过导线传递到铜片上形成电流,电流表指针偏转; 溶液中的　　　　在铜片获得电子变成　　　沉积在铜片上,铜片质量增加
符号表征 电极反应 Zn片:　　　　　　　　(氧化反应) Cu片:　　　　　　　　(还原反应)
电池反应 Zn+Cu2+Zn2++Cu
能量转换 　　　　能转化为　　　　能
　　【答案】偏转　增加　Zn2+　Cu2+　Cu　Zn-2e-Zn2+　Cu2++2e-Cu　化学　电
2.原理分析
(1)若将CuSO4溶液换成稀硫酸,能产生电流吗
【答案】能。
(2)可以将锌铜原电池中的Cu电极换成石墨吗 为什么
【答案】可以;因为Cu在该原电池中起到传递电子的作用,其本身并未参与电极反应,所以可以把Cu电极换成能导电的石墨。
(3)原电池输出电能的能力,主要取决于什么
【答案】组成原电池的反应物的氧化还原能力。
(4)什么是盐桥 取出盐桥,电流表的指针有何变化 盐桥有什么作用
【答案】盐桥是装有含KCl(或NH4NO3)饱和溶液的琼脂,琼脂不移动,离子可在其中自由移动。取出盐桥,电流表指针回到零点。盐桥的作用:①构成闭合回路;②避免电极与电解质溶液直接反应,有利于最大限度地将化学能转化为电能;③盐桥中的阴、阳离子定向迁移,使电解质溶液保持电中性,反应持续进行,能长时间稳定放电。
(5)在原电池中,盐桥中的阴、阳离子是如何移动的 为什么
【答案】以锌铜原电池为例,负极Zn失电子生成Zn2+进入左池,因此左池中离子所带的正电荷增多,我们知道电解质溶液是保持电中性的,因此盐桥中的阴离子向负极移动,同样的道理,盐桥中的阳离子向正极移动。
【核心归纳】
1.原电池的构成条件
反应 能发生自发进行的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)
电极 一般是活泼性不同的两个电极(金属或石墨)
形成闭 合回路 形成需三个条件:①电解质溶液或熔融电解质;②两电极直接或间接接触;③两电极插入电解质溶液中
记忆口诀:两极一液成回路,氧化还原是中心。
2.原电池正负极的判断方法
3.原电池电极反应、电池反应的书写
【典型例题】
【例1】如图所示的8个装置中,能构成原电池的是(　　)。
①　②　③　④
⑤　⑥
⑦　⑧
A.①②③⑤⑧　　　　　　 B.③④⑥⑦
C.④⑥⑦ D.③⑤⑦
【答案】D
【解析】①没有形成闭合回路,不能构成原电池;②两个电极材料相同,都为Zn,不能构成原电池;③能构成原电池,Fe为负极,C为正极;④酒精属于非电解质,不能构成原电池;⑤能构成原电池,Zn为负极,Pb为正极;⑥Zn插入CuSO4溶液中,Zn与CuSO4直接接触发生化学反应,不能构成原电池;⑦能构成原电池,Fe为负极,Cu为正极;⑧没有形成闭合回路,不能构成原电池;故③⑤⑦属于原电池。
【例2】下图是以Cu和Zn为电极的两种原电池,设NA为阿伏加德罗常数的值,下列相关叙述错误的是(　　)。
A.(a)和(b)相比,(a)的能量利用率更高,电流更稳定
B.(a)和(b)均为Zn作负极,Cu作正极
C.(a)中Cu2+移向Cu电极,S移向Zn电极
D.(b)中Zn片质量减少6.5 g时,理论上电路中转移0.2NA个电子
【答案】A
【解析】(b)为双液原电池,避免了Zn与CuSO4溶液接触,(a)为单液原电池,负极Zn与CuSO4溶液接触,部分Cu2+会直接与Zn在负极反应,进而形成微小的原电池,能量利用率低且电流不稳定,A项错误;活泼金属作负极,所以两种原电池都是Zn作负极,Cu作正极,B项正确;阳离子移向正极,阴离子移向负极,C项正确;(b)中Zn片质量减少6.5 g时,理论上电路中转移0.2 mol电子,数目为0.2NA,D项正确。
思维建模：原电池的工作原理
任务2：原电池原理的应用
【实验探究】
(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极质量增大 b极有气泡产生,c极无明显变化 c极有气泡产生,d极溶解 电流从a极流向d极
由此判断这四种金属的活动性顺序。
【答案】d>a>b>c。
(2)锌片与稀H2SO4反应时,加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率加快,试分析其原因。
【答案】Zn与CuSO4反应生成的Cu覆盖在锌片表面,Zn、Cu、稀H2SO4构成原电池,加快反应速率。
(3)将氧化还原反应Fe+Cu2+Fe2++Cu设计成原电池,画出原电池装置图,并标出电极材料及电解质溶液(要求:画出两个原电池装置,一个不带盐桥,另一个带有盐桥)。
【答案】
【核心归纳】
设计原电池的一般步骤
理论上能自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池。
(1)拆反应
将氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个半反应,分别作原电池的负极反应和正极反应。
(2)确定电极材料
若发生氧化反应的物质为金属单质,则可直接用该金属作负极;若为气体(如H2)或溶液中的还原性离子,则可用惰性电极(如Pt、碳棒)作负极。一般情况下,发生还原反应的电极材料的活泼性弱于负极材料。
(3)确定离子导体
一般选用反应物中的电解质溶液即可。
(4)构成闭合回路
【典型例题】
【例3】某原电池总反应为Cu+2Fe3+Cu2++2Fe2+,下列能实现该反应的原电池是(　　)。
A B C D
电极材料 Cu、C Cu、Ag Cu、Zn Fe、Zn
离子导体(电解质溶液) Fe(NO3)3 FeSO4 FeCl3 CuSO4
　　【答案】A
【解析】根据原电池的总反应可知,Cu的化合价升高,Cu作负极,电解质溶液应含有Fe3+,另一个电极应是活动性比Cu弱的导电物质。B项,电解质溶液中不含Fe3+;C项,Zn比Cu活泼,Zn作负极;D项,发生的电池反应是Zn+Cu2+Zn2++Cu。
【例4】利用原电池的工作原理可以除掉含氮废水(以N为例),反应原理为2N+ZnZn2++2NH3↑+H2↑,装置图如图所示。下列说法正确的是(　　)。
A.石墨为电池的负极
B.电池工作时,Zn逐渐被消耗
C.电子由石墨电极经外电路流向Zn电极
D.反应2N+ZnZn2++2NH3↑+H2↑在负极上发生
【答案】B
【解析】Zn为负极,石墨电极为正极,A项错误;电池工作时,Zn作为负极,失去电子被氧化,生成的Zn2+进入溶液,因此Zn逐渐被消耗,B项正确;电池工作时,电子由负极(Zn电极)经外电路流向正极(石墨电极),C项错误;负极的电极反应为Zn-2e-Zn2+,正极的电极反应为2N+2e-2NH3↑+H2↑,总反应方程式为Zn+2NZn2++2NH3↑+H2↑,D项错误。
【随堂检测】
课堂基础
1.一个原电池的总反应的离子方程式是Zn+Cu2+Zn2++Cu,该原电池的正确组成是(　　)。
A B C D
正极 Zn Cu Zn C
负极 Cu Zn Ag Zn
电解质溶液 CuCl2 H2SO4 CuSO4 CuCl2
　　【答案】D
【解析】Zn作负极失去电子,Cu2+得电子生成Cu,总反应的离子方程式为Zn+Cu2+Zn2++Cu,D项正确。
2.锌铜原电池装置如图所示,其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过。下列有关叙述正确的是(　　)。
A.铜电极上发生氧化反应
B.电池工作一段时间后,甲池的c(S)增大
C.电池工作一段时间后,乙池溶液的总质量减小
D.阳离子通过交换膜向正极移动,形成闭合回路
【答案】D
【解析】铜电极为正极,锌电极为负极,负极发生氧化反应,正极发生还原反应,A项错误;电解质溶液中的阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过,S不能通过阳离子交换膜,并且甲池中的硫酸根不参加反应,因此甲池的c(S)不变,B项错误;锌作负极,铜作正极,铜离子得电子生成铜,在铜电极上析出,锌离子通过阳离子交换膜进入乙池,乙池中每有64 g Cu析出,就有65 g Zn+通过阳离子交换膜进入乙池,故工作一段时间后,乙池溶液的质量有所增加,C项错误;原电池中,阳离子通过阳离子交换膜向正极移动,使溶液保持电中性,维持电荷平衡,D项正确。
3.依据氧化还原反应:2Ag+(aq)+Cu(s)2Ag(s)+Cu2+(aq)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)外电路中的电子从　　　　电极流向　　　　电极。
【答案】(1)Cu　AgNO3溶液
(2)正　2Ag++2e-2Ag(或Ag++e-Ag)　Cu-2e-Cu2+
(3)Cu(或负)　Ag(或正)
【解析】该原电池的总反应为2Ag+(aq)+Cu(s)2Ag(s)+Cu2+(aq),由此可知X极是铜,作负极,银作正极,Y应是AgNO3溶液。电子从原电池的负极经导线流向正极,即从铜电极流向银电极。
对接高考
4.(2022·全国甲卷,10)一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示[KOH溶液中,Zn2+以Zn(OH存在]。电池放电时,下列叙述错误的是(　　)。
A.Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移
B.Ⅰ区的S通过隔膜向Ⅱ区迁移
C.MnO2电极反应:MnO2+2e-+4H+Mn2++2H2O
D.电池总反应:Zn+4OH-+MnO2+4H+Zn(OH+Mn2++2H2O
【答案】A
【解析】Zn为负极,发生氧化反应,电极反应为Zn-2e-+4OH-Zn(OH,负极区K+剩余,通过隔膜迁移到Ⅱ区,A项错误;Ⅰ区的S向Ⅱ区移动,B项正确;MnO2电极的电极反应为MnO2+2e-+4H+Mn2++2H2O,C项正确;电池的总反应为Zn+4OH-+MnO2+4H+Zn(OH+Mn2++2H2O,D项正确。
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