高中化学鲁科版选修4 化学反应原理第3节 化学反应的速率第1课时教学设计

第3节　化学能转化为电能——电池

第1课时　原电池的工作原理

目标与素养：1.了解原电池的工作原理。(证据推理与模型认知)2.能写出电极反应式和电池反应方程式。(变化观念)3.学会设计简单原电池装置。(科学探究)

1．铜锌原电池实验探究

(1)实验装置

(2)实验现象

(3)电极材料及电极反应

微点拨：外电路中由电子的定向移动产生电流，而电解质溶液内部只有离子的定向移动，没有电子的移动。

2．原电池的工作原理

(1)原电池

①定义：能把化学能转化为电能的装置。

②电极名称及电极反应。

负极：电子流出的一极，发生氧化反应；

正极：电子流入的一极，发生还原反应。

③原电池的构成条件。

a．两个活泼性不同的电极(两种金属或一种金属和一种能导电的非金属)。

b．将电极插入电解质溶液。

c．构成闭合回路。

d．能自发发生的氧化还原反应。

(2)工作原理

外电路中电子由负极流向正极；内电路(电解质溶液)中阴离子移向负极，阳离子移向正极；电子发生定向移动从而形成电流，实现了化学能向电能的转化。

1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)

(1)所有的氧化还原反应都可以设计成原电池。 (　　)

(2)原电池中，负极材料一定比正极材料活泼。 (　　)

(3)原电池工作时，负极发生氧化反应。 (　　)

(4)原电池中，电流由负极经导线流向正极。 (　　)

(5)铜锌原电池中，溶液中的阳离子移向锌极。 (　　)

[提示]　(1)×　自发的氧化还原反应才能设计成原电池。

(2)×　原电池的负极材料不一定比正极材料活泼，如Mg－Al－NaOH(aq)原电池中，Al作负极。

(3)√

(4)×　原电池中，电流由正极经导线流向负极。

(5)×　铜锌原电池中，Cu2＋移向铜极。

2．如图所示的装置能够组成原电池的是(　　)

[答案]　B

3．某同学按如图所示的装置做实验，并把实验情况记录于下面，其中叙述合理的是(　　)

①锌为正极，铜为负极　②电解质溶液中H＋浓度不变　③检流计的指针发生偏转　④铜极上有气泡产生　⑤锌极上有大量气泡产生

⑥溶液中的阳离子向正极移动

A．①②③　　　 B．③④⑤

C．③④⑥ D．②③④

[答案]　C

1.原电池的工作原理(以铜锌原电池为例)

2．原电池正负极的判断

【例1】　铜锌原电池工作时，下列叙述不正确的是(　　)

A．负极电极反应为Zn－2e－===Zn2＋

B．电池总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

C．在外电路中，电子从Zn极沿导线流向Cu极

D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液

D　[原电池工作时，阳离子移向正极、阴离子移向负极。]

(1)将盐桥改为铜导线连接两种溶液，检流计指针还能偏转吗？

(2)根据以上现象分析，盐桥起了什么作用？

[答案]　(1)不能偏转。

(2)盐桥起到了使整个装置构成闭合回路的作用，同时能阻止反应物的直接接触，以提高供电效率。

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→Y

B．若两电极分别为Zn和碳棒，则X为碳棒，Y为Zn

C．若两电极都是金属，则它们的活动性为X>Y

D．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

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

负极—还原性较强的物质被氧化

↓e－

正极—氧化性较强的物质被还原

(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。

【例2】　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＋

设计原电池的方法思路

(1)根据原电池总反应式确定正、负极反应式；

(2)根据正、负极反应式选择电极材料和电解质溶液；

(3)要形成闭合回路(可画出装置图)。

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：

由此可判断这四种金属的活动性顺序是(　　)

A．a＞b＞c＞d　　　 B．b＞c＞d＞a

C．d＞a＞b＞c D．a＞b＞d＞c

C　[由第一个装置a极溶解，可知a极是负极，金属活动性a＞b，对于第二个装置，依据还原性规律知，金属活动性b＞c，第三个装置的金属活动性d＞c，由第四个装置电流从a→d，则电子从d→a，故金属活动性d＞a。]

1．下列反应，不可以设计成原电池的是(　　)

A．2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2

B．NaOH＋HCl===NaCl＋H2O

C．2Fe＋3Br2===2FeBr3

D．2KMnO4＋5SO2＋2H2O===K2SO4＋2MnSO4＋2H2SO4

B　[NaOH＋HCl===NaCl＋H2O不属于氧化还原反应，故不能设计成原电池。]

2．如图所示是一位同学测试水果电池的装置示意图，下列有关说法错误的是(　　)

A．若金属片A是正极，则该金属片上会产生H2

B．水果电池的化学能转化为电能

C．此水果发电的原理是电磁感应

D．金属片A、B可以一个是铜片，另一个是铁片

C　[桔子中含有大量的酸性液体，起到电解质溶液的作用，A、B电极可为两个活泼性不同的金属，用导线相连，形成了原电池，负极上的反应为活泼金属失电子的反应，正极上的反应为桔子中的H＋得电子产生氢气的反应。]

3．据图分析，下列有关该原电池的叙述正确的是(　　)

A．工作时，盐桥中的K＋会移向CuSO4溶液

B．取出盐桥后，检流计指针依然发生偏转

C．铜电极上有气泡逸出

D．反应前后铜电极的质量不变

A　[在该原电池中，Zn作负极，Cu作正极，阳离子移向正极，A项正确；取出盐桥后，不能构成原电池，故检流计指针不发生偏转，B项错误；Cu电极为正极，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，无气泡逸出，且铜电极的质量增加，C、D项错误。]

4．有M、N、P、E四种金属，已知：①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P用导线连接后放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡产生；③N、E用导线连接后放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E2＋＋2e－===E，N－2e－===N2＋。则四种金属的还原性由强到弱的顺序是(　　)

A．P＞M＞N＞E　　 B．E＞N＞M＞P

C．P＞N＞M＞E D．E＞P＞M＞N

A　[由①知，还原性：M＞N；由②知，M为原电池正极，故还原性：P＞M；由③知，N为原电池负极，故还原性：N＞E。综上所述，还原性：P＞M＞N＞E。]

5．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，有人设计了如图所示的装置，

按要求完成以下填空：

(1)此装置在工作时，可以观察到的现象是________________，电池的总反应式为___________________________________。

(2)原电池工作时，CuSO4溶液中SO向________移动。

(3)盐桥是通过________的定向移动实现导电的，若此盐桥内为KCl饱和溶液，则该电池在工作时，K＋移向________(填“正”或“负”)极。

[解析]　(1)该装置为铜锌原电池，总反应式为Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋，该电池工作时，观察到检流计指针发生偏转，锌片不断溶解，铜片上有红色物质析出。(2)该电池工作时，CuSO4溶液中SO向盐桥移动。(3)在原电池中，盐桥是通过离子定向移动实现导电的，若盐桥内为KCl饱和溶液，K＋向正极移动。

[答案]　(1)检流计的指针发生偏转，锌片逐渐溶解，铜片上有红色物质析出　Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu　(2)盐桥　(3)离子　正