1、第二单元 化学能与电能的转化第1课时 原电池的工作原理新课程标准 学业质量目标 1.认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用，能量的变化遵循能量守恒定律。2了解原电池的工作原理。3能分析、解释原电池的工作原 理，能设计简单的原电池。4掌握原电池反应方程式和电极反应式的书写。1.电池中产生电流的宏观现象，可以通过微观探析来辨识。(宏观辨识与微观探析)2联系化学反应中能量转化，预测在一定条件下某种物质可能发生的化学变化。(科学态度与社会责任)3认识科学探究是进行科学解释和发现、创造应用的科学实践活动。(科学探究与创新意识)必备知识自主学习一、原电池的工作原理 1原电池的构成 2原电池的工作原
2、理 装置示意图现象锌片_,铜片上有红色固体析出,电流表指针发生_电极Zn电极Cu电极电极名称_极_极得失电子_电子_电子失去电子 偏转 负 正 失去 得到 电子流向_电流表_盐桥中离 子迁移_移向ZnSO4溶液_移向CuSO4溶液反应类型_反应_反应电极反应_总反应式Zn+Cu2+=Zn2+CuZn Cu Cl-K+氧化 还原 Zn-2e-=Zn2+Cu2+2e-=Cu (情境思考)下列哪些装置可以构成原电池？提示：均可以构成原电池，中无水乙醇不导电，中两个电极材料相同，不存在电势差。二、原电池工作原理的应用 1设计原电池(1)外电路 (2)内电路：将两电极浸入电解质溶液中，阴、阳离子做_移动
3、，_离子 移向正极，_离子移向负极。定向 阳 阴 2比较金属性强弱有 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 极质量增加b 极有气体产生，c 极无变化d 极溶解，c极有气体产生电流从 a 极流向 d 极由装置一可知金属性a_b；由装置二可知金属性b_c；由装置三可知金属性c_d；由装置四可知金属性a_d；综上所述，可知这四种金属的活动性顺序由大 到小是_。dabc (1)在锌与稀硫酸反应时，滴入 CuSO4 溶液为何能加快反应速率？提示：锌置换出铜，构成许多微小的原电池，通过电化学反应产生 H2，因而能加快生成 H2 的速率。(
4、2)(情境思考)下列装置图中能实现 Fe2H=Fe2H2的有_。提示：中铁作负极，可以实现；中镁作负极，不可实现；中铁被钝化，不可实现；中铁作负极，可以实现；中铜作负极，铁被钝化，不可实现；中不能构成原电池，但铁和硫酸接触，可以实现上述反应。故可以实现的有。关键能力合作学习知识点一 原电池的工作原理1单液铜锌原电池负极：Zn2e=Zn2正极：2H2e=H2电池总反应：Zn2H=Zn2H22锌与 CuSO4 溶液反应中的能量转化 实验 1 实验 2 实验 设计 将锌粉加入 CuSO4溶液中,测量溶液温度的变化 实验 现象 CuSO4溶液颜色逐渐变浅,有红色固体析出,温度计显示温度升高 铜片上析出
5、红色金属,锌片逐渐溶解,电流表的指针发生偏转 实验 1 实验 2 实验 结论 化学能可以转化为热能 化学能可以转化为电能,形成原电池 工作 原理 锌与 CuSO4溶液发生反应:Zn+CuSO4ZnSO4+Cu 负极:Zn-2e-Zn2+正极:Cu2+2e-Cu 总反应:Zn+Cu2+Zn2+Cu 原电池工作原理分析：锌原子失去电子发生氧化反应，电子通过导线流向铜片，Zn2进入溶液；溶液中的 Cu2在铜片上获得电子发生还原反应，生成的铜沉积在铜片上；盐桥中 K移向 CuSO4 溶液，Cl移向 ZnSO4 溶液，使两电解质溶液保持电中性，使两极的氧化还原反应持续进行，发生有序的电子转移，产生电流。
6、3原电池的工作原理(1)单液铜锌原电池在工作过程中，锌直接和 CuSO4 溶液接触，会有化学反应发生，使部分化学能转化为热能，导致电池供电能力弱。(2)双液铜锌原电池中，锌插入 ZnSO4 溶液、铜插入 CuSO4 溶液，避免了锌和 CuSO4直接接触，提高了原电池的供电能力。4原电池中正负极判断5单液电池和双液电池的比较实例 装置图 对比 能量转化 将化学能转换为电能 构成前提 能自发进行的氧化还原反应(Zn+Cu2+Zn2+Cu)构成条件 活动性不同的两个电极(如 Zn、Cu);电解质溶液(CuSO4、ZnSO4溶液等);用导线将两电极连接(或直接接触)与电解液形成闭合回路。电极反应 正极
7、:Cu2+2e-Cu;负极:Zn-2e-Zn2+相同 点 总反应 方程式 Zn+Cu2+Zn2+Cu 装置构造 氧化反应和还原反应在同一区域进行 正、负极之间通过盐桥联系在一起,氧化反应和还原反应在不同区域进行。闭合回路的形成 外电路:电子由 Zn 板经导线流向 Cu 板。内电路:溶液中的自由移动离子的定向移动 外电路:电子由 Zn 板经导线流向 Cu 板 内电路:除两边溶液中离子的定向移动外,盐桥起到沟通两半电池的作用 实验现象的差异 电流逐渐减弱,电流计读数偏小;电流不稳定。电流表读数较大;电流持续稳定。不同 点 重要应用 制作干电池、铅蓄电池、新型高能电池;用粗锌代替纯锌制氢气,反应速率
8、快;Fe、Zn 相连接,处于电解质溶液中,Fe 被保护 可设计和生产种类繁多的化学电池,且提高电池效率 (1)将两块锌片分别通过导线与电流表连接，然后浸入盛有硫酸铜溶液的烧杯中。装置中锌片表面如何变化？电流表是否偏转？(宏观辨识与微观探析)提示：锌片表面有红色物质析出。电流表指针不偏转，说明没电流产生。(2)(情境思考)某化学兴趣小组探究原电池的正负极与材料活泼性关系，该组甲同学用镁片、铝片和稀硫酸设计成原电池，发现镁片溶解，铝片上有气泡冒出。乙同学用镁片、铝片和氢氧化钠溶液设计成原电池时发现镁片上有气泡冒出，铝片溶解。你能帮他们解释此现象吗？(科学探究与创新意识)提示：镁片、铝片和稀硫酸设计
9、成原电池时，镁片比铝片活泼，所以作负极。而镁片、铝片和氢氧化钠溶液设计成原电池时，铝片可以与氢氧化钠反应而镁片不可以，所以铝片作负极。(3)在Cu-Zn-H2SO4原电池中，若电路中转移2 mol电子，则消耗锌的质量是多少？(宏观辨识与微观探析)提示：负极电极反应式：Zn2e=Zn2，所以每转移 2 mol 电子，消耗锌1 mol，即消耗锌 65 g。【典例】如图是某同学设计的原电池装置，下列叙述中正确的是()A.电极上发生还原反应，作原电池的负极B电极的电极反应式为 Cu22e=CuC该原电池的总反应为 2Fe3Cu=Cu22Fe2D盐桥中装有含氯化钾的琼脂，其作用是传递电子【解题指南】解答
10、本题要注意以下两个方面：(1)明确原电池的工作原理是解答的关键，注意原电池中正负极的判断、电子和离子的移动方向；(2)掌握电极反应式的书写，注意从氧化还原反应的角度去把握，另外还需要注意溶液的酸碱性、交换膜的性质等。【解析】选 C。铜的金属性强于 Pt，因此电极是正极，发生还原反应，A 错误；电极是负极，铜失去电子，电极反应式为 Cu2e=Cu2，B 错误；正极铁离子得到电子，因此该原电池的总反应为 2Fe3Cu=Cu22Fe2，C 正确；盐桥中装有含氯化钾的琼脂，其作用是传递阴阳离子，使溶液保持电中性，D 错误。【规律方法】(1)原电池的工作原理：电子流向：负极外电路正极离子流向：阳离子移向
11、正极，阴离子移向负极反应类型负极：失去电子，发生氧化反应正极：得到电子，发生还原反应(2)电极反应式书写的一般步骤：【母题追问】(1)双液电池中盐桥起到什么作用？提示：盐桥中的阴阳离子向两极移动，使两电解质溶液均保持电中性，氧化还原反应得以继续进行。(2)解答本题时如何判断电池的正负极？提示：首先根据装置图写出电池的总反应 2Fe3Cu=Cu22Fe2，然后根据氧化还原反应类型找出铜失去电子发生氧化反应作负极，Pt 作正极。下列关于原电池的叙述正确的是()A.在外电路中，电流由铜电极流向银电极B正极反应为 Cu22e=CuC实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作D将铜片直接浸入硝酸银溶液中发生的
12、化学反应与该原电池反应相同【解析】选 D。由示意图可知，Cu 为原电池的负极，电极反应式为 Cu2e=Cu2，Ag 为正极，电极反应式为 2Ag2e=2Ag。电子是由负极流向正极，电流的移动方向和电子的移动方向相反，电流由正极流向负极，则电流由银电极流向铜电极，故 A 错误；Ag 为正极，电极反应式为 2Ag2e=2Ag，故 B 错误；盐桥起到了传导离子、形成闭合回路的作用，若实验过程中取出盐桥，原电池不能形成闭合回路，不能继续工作，故 C 错误；将铜片直接浸入硝酸银溶液和原电池反应均为铜与银离子发生置换反应生成银，发生的化学反应相同，故 D 正确。知识点二 原电池工作原理的应用1加快氧化还原
13、反应的速率原理原电池中氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中离子运动时相互的干扰减小，使反应速率增大 实例实验室用 Zn 和稀 H2SO4 反应制取 H2 时，滴入几滴 CuSO4 溶液，形成原电池，加快产生 H2 的速率 2.比较金属活动性强弱原理一般原电池中，活泼金属作负极，发生氧化反应；不活泼金属作正极，发生还原反应 实例有两种金属 X 和 Y，用导线连接后插入稀硫酸中，观察到 X 极溶解，Y 极上有气泡产生，由原电池原理可知，金属活动性 XY 3.用于金属防护原理使被保护的金属作原电池的正极而得到保护 实例要保护一个铁制的输水管道，用导线将其与一块锌块相连，使锌作负极，铁管被保护
14、4.设计原电池设计思路实例 以自发进行的氧化还原反应为基础2FeCl3Cu=2FeCl2CuCl2 把氧化还原反应分解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)：Cu2e=Cu2还原反应(正极)：2Fe32e=2Fe2设计思路实例 以两极反应为原理，确定电极材料及电解质溶液负极铜和 CuCl2 溶液正极碳(或铂)和 FeCl3 溶液画出示意图 在利用原电池原理设计原电池时，要注意以下问题：(1)原电池的总反应必须为自发的氧化还原反应。(2)设计双液电池时，电极不能插入能与电极直接反应的电解质溶液中。(1)(思维升华)利用原电池的正负极判断金属的活动性，一定活泼金属作负极吗
15、？提示：如图中 Mg-Al-NaOH 溶液构成的原电池中 Al 作负极；因而利用原电池的正负极判断金属活泼性时，还要结合电解质溶液。(2)下列装置可实现 ZnCu2=Zn2Cu 反应原理的有_。提示：中电池反应为 Zn2H=Zn2H2；中为 MgCu2=Mg2Cu；中为 Zn2Fe3=Zn22Fe2；中锌置换铜，可以实现上述反应原理。【典例】依据氧化还原反应：2AgCu=Cu22Ag 设计的原电池如图所示：下列说法正确的是()A负极材料不一定是 CuB银电极可以换成 FeC银电极反应：Age=AgD溶液中 NO3 移向 Ag 极附近【解题指南】解答本题时，首先要根据电池总反应，判断铜作负极，则
16、选用的另一电极材料的活泼性应小于铜；其次要选择合适的电解质溶液，应选用可溶性的银盐溶液。【解析】选 C。根据电池反应，可知铜失去电子作负极，故负极材料必须是 Cu，A 项错误；银电极不能换成比铜活泼的金属 Fe，否则 Fe 失去电子作负极，B 项错误；银电极析出 Ag，C 项正确；在电池工作过程中阴离子 NO3 移向铜负极附近，D 项错误。【母题追问】(1)负极材料选用铜，正极可选用哪种材料？提示：正极可选用非金属碳，或者选用活泼性比铜差的金属，而不能选用比铜活泼的金属。(2)根据上述电池总反应，电解质溶液可选用什么溶液？提示：电解质必须选用含有 Ag的溶液，如 AgNO3 溶液等。(1)请你
17、将反应 Cu2FeCl3=CuCl22FeCl2 设计成原电池并回答下列问题：写出电极反应式：正极_；负极_。画出你所设计的原电池简易装置图。(2)该电池向外提供 0.2 mol 电子，负极材料的质量变化为_。(3)利用反应 2CuO22H2SO4=2CuSO42H2O 可制备 CuSO4，若将该反应设计为原电池，其正极的反应式为_。【解析】(1)根据电池总反应式 Cu2FeCl3=CuCl22FeCl2 可知，Cu 失电子作负极，电极反应为 Cu2e=Cu2；正极是三价铁离子得电子生成亚铁离子，电极反应为 2Fe32e=2Fe2；根据原电池的总反应，可以选择 FeCl3 作电解质溶液，选用
18、Cu 和 C 棒作电极，示意图为；(2)根据负极反应 Cu2e=Cu2可知消耗 1 mol 铜，转移 2 mol 电子，故转移0.2 mol 电子，消耗的铜为 0.1 mol，质量为 0.1 mol64 gmol16.4 g；(3)原电池正极发生的是化合价降低得电子的反应，根据方程式可知是 O2 得电子，另外，由于电解质溶液显酸性，所以正极的电极反应为 O24e4H=2H2O。答案：(1)2Fe32e=2Fe2 Cu 2e=Cu2(2)减少 6.4 g(3)O24e4H=2H2O三言两语话重点电池分清正负极，牢记构成四要素；内外电路区分清，外电路中流电子，内电路中离子行，离子永远不上岸，电子始
19、终不下水。电池原理应用广，加快速率能帮忙，金属防腐也在行，比较金属活泼性，还有设计原电池。两极一液一连线，活泼金属最优先，负失氧正得还，离子电极“同性恋”。课堂检测素养达标1“储存”在物质内部的化学能可通过原电池转化为电能，如图所示是某同学设计的几种装置，其中能构成原电池的是()A.B C D【解析】选 A。未构成闭合回路，不能构成原电池，错误；两个电极相同，不能构成原电池，错误；存在两个不同的电极、存在电解质溶液、形成了闭合回路，能够发生氧化还原反应 Zn2H=H2Zn2，能够构成原电池，正确；不能发生自发的氧化还原反应，不能构成原电池，错误；存在两个不同的电极、存在电解质溶液、形成了闭合回
20、路，能够发生氧化还原反应 Fe2H=H2Fe2，能够构成原电池，正确；甘油为非电解质，不能构成原电池，错误；存在两个不同的电极、存在电解质溶液、形成了闭合回路，能够发生氧化还原反应 2Fe3Cu=2Fe2Cu2，能够构成原电池，正确；能够构成原电池的有，故选 A。2.如图是铜锌原电池，下列说法正确的是()A电流从锌片流出经电流表到铜片B锌电极发生还原反应C铜片上发生氧化反应D电解质溶液中的阴离子向负极移动【解析】选 D。该原电池中，Zn 易失电子作负极、Cu 作正极，正极电极反应式为 Cu22e=Cu，负极电极反应式为 Zn2e=Zn2，电子从负极沿导线流向正极，电解质溶液中阳离子向正极移动、
21、阴离子向负极移动。电流从正极铜片流出经电流表到负极锌片，选项 A 错误；锌电极作负极失去电子，发生氧化反应，选项 B 错误；铜片上发生得电子的还原反应，选项 C 错误；电解质溶液中的阴离子向负极移动，选项 D 正确；答案选 D。3纽扣电池的两极材料分别为锌和氧化银，电解质溶液为 KOH 溶液。工作时两个电极反应分别为 Zn2OH2e=Zn(OH)2、Ag2OH2O2e=2Ag2OH，下列说法中，正确的是()A锌是负极，氧化银是正极B锌发生还原反应，氧化银发生氧化反应C溶液中 OH向正极移动，K、H向负极移动D在电池放电过程中，电解质溶液的酸碱性基本保持不变【解析】选 A。原电池中，由化合价的变
22、化可知，Zn 化合价升高，被氧化，锌作负极，Ag 化合价降低，被还原，氧化银作正极，A 项正确；原电池中，锌作负极发生氧化反应，氧化银作正极发生还原反应，B 项错误；原电池工作时，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，所以溶液中 OH向负极移动，K、H向正极移动，C 项错误；将电极方程式相加可知总反应为 Ag2OH2OZn=Zn(OH)22Ag，反应消耗水，溶液 OH浓度增大，则碱性增强，D 项错误；答案选 A。4.某化学兴趣小组利用反应 Zn2FeCl3=ZnCl22FeCl2，设计了如图所示的原电池装置，下列说法正确的是()AZn 为负极，发生还原反应Bb 电极反应式为 2Fe32e=2Fe
23、2C电子流动方向是 a 电极FeCl3 溶液b 电极D电池的正极材料可以选用石墨、铂电极，也可以用铜电极【解析】选 D。根据氯离子移动方向，可知 b 是负极，a 是正极。Zn 为负极，失电子发生氧化反应，故 A 错误；b 电极反应式为 Zn2e=Zn2，故 B 错误；电子流动方向是 b 电极电流表a 电极，故 C 错误；正极材料的活泼性比负极材料弱，故 D 正确。5实验发现在氯化铁酸性溶液中加少量锌粒后，Fe3立即被还原成 Fe2。某夏令营兴趣小组根据该实验事实设计了如图所示原电池装置。下列有关说法正确的是()A.盐桥中的阴离子往左边烧杯移动B左烧杯中溶液的红色逐渐褪去C该电池铂电极上立即有气
24、泡出现D该电池总反应为 3Zn2Fe3=2Fe3Zn2【解析】选 B。根据上述分析可知：Zn 为负极，失去电子，Zn2进入溶液，根据同种电荷互相排斥，异种电荷相互吸引的原则，盐桥中的阴离子会往正电荷较多的右边烧杯移动，A 错误；左边烧杯中溶液的 Fe3在 Pt 电极上得到电子生成Fe2，由于消耗 Fe3，所以左边烧杯中溶液的红色逐渐褪去，B 正确；铂电极上Fe3被还原为 Fe2，没有气体生成，所以没有气泡产生，C 错误；该电池总反应为 Zn2Fe3=2Fe2Zn2，没有 Fe 单质生成，D 错误；故答案为 B。6有 A、B、C、D 四种金属。将 A 与 B 用导线连接起来，浸入电解质溶液中，B
25、 不易腐蚀。将 A、D 分别投入等浓度盐酸中，D 比 A 反应剧烈。将铜浸入 B 的盐溶液里，无明显变化。如果把铜浸入 C 的盐溶液里，有金属 C 析出。据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是()ADCAB BDABCCDBAC DBADC【解析】选 B。将 A 与 B 用导线连接起来，浸入电解质溶液中，该装置构成了原电池，原电池中较活泼的金属作负极，负极上金属失电子生成金属阳离子进入溶液而被腐蚀，较不活泼的金属作正极而不易腐蚀，B 不易腐蚀，所以金属活动性 AB；金属和酸反应，较活泼的金属与酸反应较剧烈，将 A、D 分别投入等浓度盐酸中，D 比 A 反应剧烈，所以金属活动性 DA；金属之间的置
26、换反应中，较活泼金属能置换出较不活泼的金属，将铜浸入 B 的盐溶液里，无明显变化，所以金属活动性：BCu；金属之间的置换反应中，较活泼金属能置换出较不活泼的金属，如果把铜浸入 C 的盐溶液里，有金属 C 析出，说明金属活动性：CuC。所以它们的活动性由强到弱的顺序是 DABC，故合理选项是 B。素养新思维7分别按图所示甲、乙装置进行实验，图中两个烧杯中的溶液为相同浓度的稀硫酸，甲中 A 为电流表。(1)下列叙述正确的是_。A两烧杯中铜片表面均无气泡产生B甲中铜片作正极，乙中铜片作负极C两烧杯中溶液中的 H浓度均减小D产生气泡的速率甲中的比乙中的慢(2)甲装置中，某同学发现不仅铜片上有气泡产生，
27、锌片上也产生了气体，原因可能是_。(3)甲装置中，若把稀硫酸换成 CuSO4 溶液，试写出铜电极的电极反应_。【解析】(1)铜为金属活动性顺序表 H 元素之后的金属，不能与稀硫酸反应，甲烧杯中铜片表面有气泡产生，故 A 错误；乙没有形成闭合回路，不能形成原电池，故 B 错误；两烧杯中硫酸都参加反应，氢离子浓度减小，故 C 正确；甲能形成原电池反应，较一般化学反应速率更大，所以产生气泡的速率甲中比乙中快，故 D错误；故选 C。(2)在甲实验中，某同学发现不仅铜片上有气泡产生，锌片上也产生了气体，是由于锌片不纯，在锌片上形成原电池；(3)在甲实验中，如果把硫酸换成硫酸铜溶液，Cu2在正极上得电子被还原产生 Cu，电极反应式为 Cu22e=Cu。答案：(1)C(2)锌片不纯，锌与杂质构成原电池(3)Cu22e=Cu