化学选修4 化学反应原理第一节 原电池教案设计

第一节　原电池

目标与素养：1.以铜锌原电池为例，了解原电池的工作原理。(宏观辨识与变化观念)2.会正确判断原电池的正极和负极，能正确书写电极反应式和电池反应方程式。(科学探究与模型认知)3.了解原电池原理的应用。(科学精神与社会责任)

一、原电池工作原理

1．概念：将化学能转化为电能的装置，称为原电池，其反应实质是自发的氧化还原反应。

2．锌铜原电池工作原理

3.盐桥

(1)成分：含有琼胶的KCl饱和溶液。

(2)离子移动方向：Cl－移向负极区，K＋移向正极区。

微点拨：盐桥作用：①通过离子在盐桥中的定向移动，使两个隔离的电解质溶液连接起来，可使电流持续传导。

②将两个半电池完全隔开，使副反应减至最低程度，可以获得单纯的电极反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。提高原电池效率。

4．原电池的构成条件

二、原电池的设计

1．原电池的组成：原电池是由两个半电池组成，如锌铜原电池是锌半电池和铜半电池通过盐桥连接。

2．原电池设计关键

(1)外电路

负极(还原性较强的物质)正极(较稳定的金属或能导电的非金属)。

(2)内电路

将两极浸入电解质溶液中，使阴、阳离子做定向移动。阴离子移向负极，阳离子移向正极。

1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)任何自发的放热反应均可设计原电池反应。 (　　)

(2)原电池反应将氧化反应和还原反应分在不同区域同时进行。 (　　)

(3)盐桥中的阴离子移向正极区域，使正极区溶液呈电中性。 (　　)

(4)Fe—CuSO4(aq)—Cu形成的原电池的负极反应为Fe－3e－===Fe3＋。

  (　　)

[答案]　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×

2．对于原电池的电极名称，叙述错误的是(　　)

A．发生氧化反应的一极为负极

B．正极为电子流入的一极

C．比较不活泼的金属为负极

D．电流流出的一极为正极

[答案]　C

3．有下列装置

A　　　　　　　　B

C　　　　　　　　D

其中是原电池的是____________________，两极反应式：负极__________________，正极：__________________。

[答案]　D　Zn－2e－===Zn2＋　2H＋＋2e－===H2↑

模型认知：原电池正负极判定思路

1．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(SO)减小

C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加

D．阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡

C　[A.Cu作正极，电极上发生还原反应，错误；B.电池工作过程中，SO不参加电极反应，故甲池的c(SO)基本不变，错误；C.电池工作时，甲池反应为Zn－2e－===Zn2＋，乙池反应为Cu2＋＋2e－===Cu，甲池中Zn2＋会通过阳离子交换膜进入乙池，以维持溶液中电荷平衡，由电极反应式可知，乙池中每有64 g Cu析出，则进入乙池的Zn2＋为65 g，溶液总质量略有增加，正确；D.由题干信息可知，阴离子不能通过阳离子交换膜，错误。]

2.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

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。]

对于可逆反应，当改变条件，平衡移动的方向不同时，电极的正负互换，电流方向相反。当达到平衡时，I＝0。

1.加快氧化还原反应的速率

如：在锌与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液，能使产生H2的速率加快。

2．比较金属活动性强弱

注意：对于“Mg—NaOH(aq)—Al”原电池负极为Al，对于“Cu—浓HNO3—Al(Fe)”原电池负极为Cu。

3．设计原电池装置：两极材料、电解质溶液的选择、盐桥等。

模型认知：设计原电池的思路(以Cu与AgNO3反应为例)

(1)明确两极反应

(2)选择电极材料

(4)画装置图：注明电极材料和溶液成分

3．①②③④ 四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。①②相连时，外电路电流从②流向①；①③相连时，③为正极；②④相连时，②上有气泡逸出；③④相连时，③的质量减少。据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是(　　)

A．①③②④　　　 B．①③④②

C．③④②① D．③①②④

B　[利用原电池的形成和工作原理解决问题。在外电路中，电流从正极流向负极，则①作原电池的负极，②作正极，故活动性①>②；活动性相对较差的金属作原电池的正极，故金属的活动性①>③；有气泡产生的电极发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑，为原电池的正极，故活动性④>②；质量减少的电极发生氧化反应生成金属离子而溶解，为负极，故活动性③>④，由此可得金属活动性：①>③>④>②。]

4．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]　如图　

Zn　Zn－2e－===Zn2＋　Pt　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

1．下列装置不能构成原电池的是(　　)

A　　　　B　　　　C　　　　D

C　[酒精不是电解质溶液，不导电。]

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↑

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、D项错误。]

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

C　[甲装置是铜锌原电池，乙不能形成原电池装置。所以乙烧杯中铜表面无气泡生成，甲中铜表面有气泡生成，A错；乙中Cu片不可能是负极，B错；甲、乙两装置发生的反应均是Zn＋2H＋===H2↑＋Zn2＋，所以两烧杯中溶液的pH均增大，C对；因甲是原电池装置，所以甲烧杯中产生H2的速率快，D错。]

4．如图所示，甲和乙均是双液原电池装置。判断下列说法不正确的是(　　)

甲　　　乙

A．甲中电池总反应的离子方程式为Cd(s)＋Co2＋(aq)===Co(s)＋Cd2＋(aq)

B．反应2Ag(s)＋Cd2＋(aq)===Cd(s)＋2Ag＋(aq)能够发生

C．盐桥的作用是形成闭合回路，并使两边溶液保持电中性

D．乙电池中有1 mol电子通过外电路时，正极有108 g Ag析出

B　[根据甲、乙装置分析可知A项正确，且可推知Cd的活泼性强于Ag，故Ag不能置换出Cd，B项错误。]

5．已知某原电池的电极反应是Fe－2e－===Fe2＋，Cu2＋＋2e－===Cu，据此设计该原电池，并回答问题。

图1　　　　　　图2

(1)若原电池装置为图1，

①电极材料A是________，B是________(写名称)。

②A电极观察到的现象是_______________________________

_____________________________________________________。

(2)若原电池装置为图2，

①电极材料X可以是________(填字母，下同)。

a．铁 　 b．铜 　　　　　c．石墨

②电解质Y是________。

a．FeSO4　　 b．CuSO4　　　　　c．CuCl2

[答案]　(1)①铜(或其他合理答案)　铁　②有红色物质析出

(2)①bc　②bc