高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1第2节 化学能转化为电能——电池第1课时导学案及答案

第2节　化学能转化为电能——电池

第1课时　原电池

学习目标

1.通过原电池工作原理的探究,认识到化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。

2.通过原电池构成条件的学习,了解原电池的工作原理。

学习任务1　探究原电池的工作原理

1.原电池的概念:把化学能转化为电能的装置。

2.电极反应与电池反应

(1)电极反应:在电极上进行的半反应叫电极反应。负极发生的是氧化反应;正极发生的是还原反应。

(2)电池反应:电池的两个电极反应组成电池的总反应叫电池反应,也就是正极反应与负极反应相加(得失电子数必须相同)即得电池反应。

3.原电池的构成条件

(1)化学反应:一般为自发的氧化还原反应。

(3)

微点拨:电解质必须处于电离状态,否则不导电,不能形成闭合回路。

4.根据电极判断电子、电流、离子移动方向

水果电池是利用水果中的化学物质和金属片发生反应产生电能的一种电池。它的制作方法也是很简单的,把两种不同的金属插在水果里面就可以了,两种金属的活泼性相差最好比较大,比如铜和锌。制作步骤:取四个小苹果,分别插入镀锌螺丝钉和粗铜丝,然后串联连接成电路。

探究　电极反应的书写

问题1:苹果酸记为H2X,水果电池中Zn、Cu哪种物质可以与苹果酸反应?写出反应的离子方程式(苹果酸是弱酸,不能拆写成离子形式)。

提示:Zn;Zn+H2XZn2++X2-+H2↑。

问题2:根据上述离子方程式,用单线桥标出电子转移的方向和数目。

提示:Zn2++X2-+H2↑。

问题3:根据单线桥看出Zn失电子(电子流出),电子沿导线流到Cu电极上。据此写出Zn电极、Cu电极上发生的电极反应。

提示:Zn-2e-Zn2+(氧化反应);2H++2e-H2↑(还原反应)。

电极反应也叫“半反应”,是为了分析问题的方便,用得、失电子表示电极表面上的变化。电极反应式中失电子用减号,得电子用加号。形成原电池之前,氧化反应、还原反应两个半反应均在Zn电极表面进行,反应阻力较大,速度较慢;形成原电池以后,氧化反应在Zn电极表面进行,还原反应在Cu电极表面进行,反应阻力较小,速度较快。

题点一　原电池的结构及工作原理

1.(2021·河北邯郸期中)根据原电池原理,下列反应不能设计成原电池的是(　C　)

A.2CH3OH+3O22CO2+4H2O

B.Fe+CuSO4 FeSO4+Cu

C.HCl+NaOHH2O+NaCl

D.2H2S+SO23S↓+2H2O

解析:该反应为燃料的燃烧反应,属于氧化还原反应,可设计成燃料电池,故A不符合题意;反应中Fe、Cu元素的化合价变化,为氧化还原反应,可设计成原电池,故B不符合题意;反应中没有元素的化合价变化,不属于氧化还原反应,不能设计成原电池,故C符合题意;反应中S元素的化合价变化,为氧化还原反应,可设计成原电池,故D不符合题意。

2.(2021·宁夏银川月考)由U形管、质量为m g的铁棒、质量为m g的碳棒和1 L 0.2 mol·L-1CuCl2溶液组成的装置如图所示,下列说法正确的是(　C　)

A.闭合K,电子通过电解质溶液移到碳棒上

B.闭合K,铁棒上有紫红色固体析出

C.闭合K,当电路中有0.3NA个电子通过时,理论上碳棒与铁棒的质量差为18 g

D.闭合K,铁棒表面发生的电极反应为Cu2++2e-Cu

解析:闭合K,电子由铁棒通过导线移到碳棒上,故A错误;闭合K,碳棒为正极,溶液中铜离子在正极得到电子发生还原反应生成铜,碳棒上有紫红色固体析出,故B错误;闭合K,当电路中有0.3NA个电子通过时,负极上减少的质量为=8.4 g,正极上增加的质量为=9.6 g,则理论上碳棒与铁棒的质量差为8.4 g+9.6 g=18 g,故C正确;闭合K,铁棒作原电池的负极,铁失去电子发生氧化反应生成亚铁离子,电极反应为Fe-2e-Fe2+,故D错误。

题点二　原电池的电极判断

3.(2021·黑龙江齐齐哈尔月考)X、Y两根金属棒插入Z溶液中构成如图所示装置,实验中电流表指针发生偏转,同时X棒变粗,Y棒变细,则X、Y、Z溶液可能是下列中的(　B　)

解析:锌、铜在稀硫酸中构成原电池,X棒为活泼金属锌,作原电池的负极,失去电子发生氧化反应生成锌离子,X棒变细,Y棒为不活泼金属铜,作原电池的正极,氢离子在正极得到电子发生还原反应生成氢气,Y棒没有变化,故A不符合题意;锌、银在硝酸银溶液中构成原电池,X棒为不活泼金属银,作原电池的正极,银离子在正极得到电子发生还原反应生成银,X棒变粗,Y棒为活泼金属锌,作原电池的负极,失去电子发生氧化反应生成锌离子,Y棒变细,故B符合题意;铜、银在硝酸银溶液中构成原电池,铜的金属性强于银的,X棒为金属铜,作原电池的负极,失去电子发生氧化反应生成铜离子,X棒变细,故C不符合题意;锌、铜在稀硫酸中构成原电池,X棒为不活泼金属铜,作原电池的正极,氢离子在正极得到电子发生还原反应生成氢气,X棒没有变化,故D不符合题意。

4.(2021·福建永安月考)镁燃料电池以镁合金作为电池的一极,向另一极加入H2O2,离子导体是酸化的NaCl溶液,放电时的总反应为Mg+2H++H2O2Mg2++2H2O,下列关于该电池的说法正确的是(　C　)

A.放电时H+在正极得电子

B.正极的电极反应为H2O2+2e-2OH-

C.镁合金为该电池负极,发生氧化反应

D.放电时正极附近溶液的酸性增强

解析:由总反应可知,放电时,H2O2在正极得电子生成H2O,电极反应为H2O2+2e-+2H+2H2O,A、B项错误;由总反应可知,镁合金中的Mg失电子,为该电池负极,发生氧化反应,C项正确;放电时正极消耗H+,正极附近溶液的酸性降低,D项错误。

原电池正、负极判断可以根据“双线桥”法。画出双线桥,根据得、失电子判断正、负极,并书写电极反应。例如2,显然Fe失电子作负极,电极反应为Fe-2e-Fe2+,正极应该是活动性弱于Fe的金属或石墨,其电极反应为2Fe3++2e-2Fe2+。

学习任务2　带盐桥的原电池工作原理

1.盐桥:盐桥中通常装有琼脂凝胶,内含氯化钾或硝酸铵。

2.盐桥的作用:盐桥中的离子能够定向移动。通过盐桥可将两个相互隔离的电解质溶液连接起来,传导电流。

有人用土豆或香蕉制作盐桥,探究双液原电池工作原理,取得了很好的效果。制作过程如下:把土豆或香蕉煮熟,取100 g左右捣碎,加入20～30 g KCl,再加2 mL水搅拌均匀后装入U形管,U形管两端用棉花塞住。用不同材料制作的盐桥进行双液原电池实验。实验结果发现土豆盐桥电流表指针偏转最大,香蕉盐桥电流表指针偏转次之,琼脂盐桥电流表指针偏转最小。

探究1　盐桥的作用

问题1:如图这种单液原电池外电路断开后,还能否继续反应?

提示:能。

问题2:如图这种带盐桥的双液原电池,断开外电路后能否继续反应?为什么?

提示:不能。Zn在左侧烧杯中,CuSO4溶液在右侧烧杯中,外电路断开,盐桥隔离了两者,所以不能继续反应。

探究2　盐桥中为什么用KCl或NH4NO3

不同离子在溶液中移动速率不同。下表列出了不同离子的电迁移率。从表中看出K+、Cl-电迁移率基本相同。

离子无限稀释时的电迁移率(25 ℃)

问题3:盐桥中能否用水?

提示:不能。水导电能力极弱(或电阻极大),相当于“断路”,无法构成闭合回路。

问题4:能否用其他电解质制作盐桥?能否用金属或石墨代替盐桥?

提示:能,只要电解质电离出的阴、阳离子电迁移率相近即可,比如KNO3。不能,因为它们不能提供阴、阳离子平衡双液原电池两侧溶液电荷。

问题5:分析盐桥中离子移动的方向。

提示:盐桥中离子移动方向与普通原电池中离子移动方向相同,即“正正负负(带正电离子移向正极,带负电离子移向负极)”。

盐桥的作用与使用注意事项

(1)盐桥可以隔离氧化剂、还原剂,防止电池不用时自放电,延长电池寿命。

(2)盐桥内含阴、阳离子,在电池使用过程中分别向两个极区移动,这样可以平衡正、负极区溶液的电性,提高电池电压。

(3)盐桥中电解质阴、阳离子尽可能以迁移速率相近为宜。

(4)盐桥所含电解质不能与正、负极区电解质反应。

1.(2021·浙江台州期中)如图是利用原电池原理提取碘的两个实验装置,下列说法中正确的是(　B　)

A.两个装置中,石墨Ⅰ和石墨Ⅱ均作负极

B.装置①中MnO2的电极反应为MnO2+4H++2e-Mn2++2H2O

C.碘元素在装置①中被还原,在装置②中被氧化

D.装置①、装置②中反应分别生成等量的I2时,导线上通过的电子数之比为5∶1

解析:装置①中碘离子失去电子,石墨Ⅰ为负极,装置②中碘酸钠得电子,石墨Ⅱ作正极,所以两个装置中石墨Ⅰ作负极而石墨Ⅱ作正极,故A错误;装置①中MnO2电极是正极,二氧化锰得到电子,电极反应为MnO2+4H++2e-Mn2++2H2O,故B正确;在装置①中碘离子失去电子,被氧化,在装置②中碘酸钠得电子被还原,故C错误;装置①中碘离子失去电子,1 mol碘化钠失去1 mol电子,装置②中碘酸钠得电子,1 mol碘酸钠得到5 mol电子,所以装置①、装置②中反应分别生成等量的I2时导线上通过的电子数之比为1∶5,故D错误。

2.(2021·黑龙江哈尔滨月考)用铜片、银片设计成如图所示的原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是(　D　)

A.电子通过盐桥从乙池移向甲池

B.铜片是负极,发生还原反应

C.开始时,银片上发生的反应是Ag-e-Ag+

D.将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池总反应相同

解析:根据题中装置,原电池的总反应为Cu+2Ag+Cu2++2Ag,即铜片为负极,银片为正极。根据原电池工作原理,电子由铜片经电流表流向银片,电子不能通过盐桥,故A错误;根据上述分析,铜片是负极,根据原电池工作原理,负极失去电子,发生氧化反应,故B错误;银片为正极,电极反应为Ag++e-Ag,故C错误;铜比银活泼,将铜片浸入AgNO3溶液中发生反应的化学方程式为Cu+2AgNO3Cu(NO3)2+2Ag,与该原电池总反应相同,故D正确。

要准确理解带盐桥的双液原电池的工作原理。双液原电池中虽然氧化剂与还原剂没有实质接触,但是氧化还原反应的本质是电子转移,通过外电路即可完成还原剂与氧化剂之间的电子转移。通过盐桥形成闭合回路,并为两侧电解质溶液提供阴、阳离子以“平衡电荷”,就可以使“电子转移”不断进行下去。

【知识整合】

【易错提醒】

1.原电池中活泼的金属不一定作负极。因为所谓金属活泼性一般是根据金属与酸或水反应产生H2的难易确定的。比如Al与Cu作电极,浓硝酸作电解质溶液,由于Al遇浓硝酸钝化,所以Cu发生反应作负极。再如Al与Mg作电极,NaOH作电解质,在与酸反应产生H2时,Mg活泼性大于Al,但是在NaOH溶液中,Al能发生反应而Mg不能,所以Al作负极。

2.误认为原电池中离子移动是“正负负正(即带正电离子移向负极,带负电离子移向正极)”。实际上原电池中离子移动方向是“正正负负”。原因是负极表面附近会有一层密集的正电荷,排斥阳离子(带正电),阻止阳离子向负极移动,所以阴离子(带负电)受吸引会移向负极。同理阳离子移向正极。

3.误认为电子能在溶液中传导。其实电子只能在金属或非金属导体中传导,不能在溶液中传导。原电池外电路是自由电子定向移动形成电流通路,内电路(电解质溶液内)是自由离子定向移动形成电流通路。