1、第二单元化学能与电能的转化基础课时4原电池的工作原理学 习 任 务1通过以锌铜原电池为例，从宏观和微观的角度，分析理解原电池的工作原理，能正确判断原电池的正极和负极，会书写其电极反应式，培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。2通过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，并能理解带有盐桥原电池的实用性，培养变化观念与平衡思想的化学核心素养。一、原电池的工作原理1回顾必修教材中原电池的构造与工作原理铜锌原电池如图所示，请回答下列问题：(1)有关的实验现象锌片逐渐溶解，铜片逐渐加厚变亮，硫酸铜溶液颜色变浅；电流计的指针发生偏转，装置中的能量变化是化学能转化为
2、电能。(2)电极名称和电极反应锌电极为负极，发生氧化反应，电极反应式是Zn2e=Zn2；铜电极为正极，发生还原反应，电极反应式是Cu22e=Cu；电池总反应的离子方程式是ZnCu2=Zn2Cu。(3)电子流动方向和电流方向外电路：电子由锌电极经过导线流向铜电极，电流由铜电极经导线流向锌电极；内电路：阳离子移向铜电极(正极)，阴离子移向锌电极(负极)。(4)原电池构成的条件：具有活动性不同的两个电极，二者直接或间接地连在一起，插入电解质溶液或熔融电解质中，且能自发地发生氧化还原反应。2实验探究：锌和硫酸铜溶液反应中能量转化操作向一支小烧杯中加入1.0 molL1CuSO4 溶液约30 mL，再加
3、入适量锌粉，用温度计测量溶液的温度现象Zn逐渐溶解，有红色物质生成，溶液温度升高，颜色变浅能量转化化学能转化为热能原因解释Zn把电子直接传递给Cu2，离子方程式：ZnCu2=Zn2Cu3实验探究：锌铜原电池的工作原理(含盐桥)装置示意图现象锌片逐渐溶解，铜片上有红色物质生成，电流表指针发生偏转能量转换化学能转化为电能微观探析在硫酸锌溶液中，负极一端的Zn失去电子形成Zn2进入溶液在硫酸铜溶液中，正极一端的Cu2获得电子变成Cu沉积在铜片上电子或离子移动方向电子：负极流向正极盐桥：Cl移向ZnSO4溶液，K移向CuSO4溶液工作原理，电极反应式负极：Zn2e=Zn2(氧化反应)正极：Cu22e=
4、Cu(还原反应)总反应：ZnCu2=Zn2Cu【特别提醒】(1)盐桥(以铜锌原电池为例)的理解成分：含有KCl饱和溶液的琼脂。离子移动方向：Cl移向ZnSO4溶液(负极区)，K移向CuSO4溶液(正极区)。作用：a使两个半电池形成通路，并保持两溶液的电中性。b避免电极与电解质溶液反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。(2)原电池输出电能的能力，取决于组成原电池的反应物的氧化还原能力。(正确的打“”，错误的打“”)(1)原电池中电流的方向是负极导线正极()(2)原电池中负极发生的反应是还原反应()(3)铜锌原电池中电子由锌电极经过溶液流向铜电极()(4)在原电池中阳离子移向正极，阴离子移向负
5、极()(5)原电池的正极一定是化学性质不活泼的金属()二、实验探究原电池的设计请根据离子反应FeCu2=Fe2Cu设计一个原电池1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和正极的电极反应式。负极：Fe2e=Fe2；正极：Cu22e=Cu。2确定电极材料如发生氧化反应的物质为金属单质，可用该金属直接作负极；如为气体(如H2)或溶液中的还原性离子，可用惰性电极(如Pt、碳棒)作负极。发生还原反应的电极材料一般不如负极材料活泼。本例中可用铁作负极，用铜作正极。3确定电解质溶液(1)负极区用FeCl2溶液作电解液；(2)正极区用CuCl2溶液作电解液；(3)如果原电池中没有盐
6、桥，可用CuCl2溶液作电解液。4构成闭合回路：将电极用导线连接，使之构成闭合回路。5确定装置图无盐桥有盐桥原电池的工作原理、正负极的判断及电极反应式的书写AB(注：盐桥中装有KCl饱和溶液的琼脂)如图是某原电池装置示意图，结合本图讨论原电池的工作原理、正负极的判断及电极反应式的书写。问题1盐桥的作用是什么？盐桥中阴阳离子的运动方向是怎样的？提示作用：使两个半电池形成通路，并保持两溶液的电中性。避免电极与电解质溶液反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。离子移动方向：Cl移向CuCl2溶液，K移向FeCl3溶液。问题2在该原电池中，电子是怎样移动的？电子能否通过电解质溶液？如果不能，电流是如
7、何形成的？提示由于金属Cu比金属Pt活泼，Cu失去电子，电子通过导线流向铂片。电子不能通过电解质溶液。在A中，盐桥中的K移向FeCl3溶液，在B中，盐桥中的Cl移向CuCl2溶液，导线中电子的定向移动形成电流，溶液中阴、阳离子的定向移动形成电流。问题3在该原电池中，得失电子的物质是什么？各发生什么反应类型？Pt和Cu各为什么电极？提示Cu失电子发生氧化反应、FeCl3溶液中Fe3得电子发生还原反应；Pt为正极，Cu为负极。问题4写出Pt和Cu的电极反应式及该原电池的总反应。提示Pt：Fe3e=Fe2Cu：Cu2e=Cu2总反应为2Fe3Cu=Cu22Fe2。1原电池工作原理示意图轻巧记忆(锌铜
8、原电池工作原理)：2原电池正负极的判断3原电池的电极材料“两注意”(1)注意电解质溶液对电极类型的影响一般较活泼金属作负极，较不活泼的金属或导电的非金属作正极，但若是较不活泼的金属发生的氧化还原反应设计的原电池，则是较不活泼的金属作负极。例如：镁铝电极在稀硫酸中构成原电池，镁为负极，铝为正极；但若以氢氧化钠为电解质溶液，则铝为负极，镁为正极。(2)注意电极材料是否参与反应负极材料不一定参与反应，如燃料电池；负极和正极材料都参与反应，如铅蓄电池。4一般电极反应式的书写方法(1)定电极，标得失。按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应，判断出电极反应产物，找出得失电子的数量。(2)看环境，配守恒。电
9、极产物在电解质溶液中应能稳定存在，如碱性介质中生成的H应让其结合OH生成水。电极反应式要依据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等加以配平。(3)两式加，验总式。两电极反应式相加，与总反应方程式对照验证。5已知总反应式，书写电极反应式(1)分析化合价，确定正极、负极的反应物与反应产物。(2)在电极反应式的左边写出得失电子数，使得失电子守恒。(3)根据质量守恒配平电极反应式。(4)复杂电极反应式总反应式简单的电极反应式。1分析如图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是()A中Mg作为负极，中Fe作为负极B中Mg作为正极，电极反应式为6H2O6e=6OH3H2C中Fe作为负极，电极反应式为Fe2e=F
10、e2D中Cu作为正极，电极反应式为2H2e=H2BMg比Al活泼，在中Mg作负极，但在NaOH溶液中，Mg不反应，而Al可以反应，故中Al是负极。在浓硝酸中铁会钝化，故Cu为负极，Fe为正极。在中由于不断向Cu极附近通入空气，而O2比溶液中的H得电子能力强，故Fe失去电子，在Cu极O2得到电子发生还原反应，电极反应式为O22H2O4e=4OH。2某合作学习小组的同学利用下列氧化还原反应设计原电池：2KMnO410FeSO48H2SO4=2MnSO45Fe2(SO4)3K2SO48H2O，盐桥中装有饱和K2SO4溶液。下列叙述中正确的是()甲乙A甲烧杯中溶液的pH逐渐减小B乙烧杯中发生还原反应C
11、外电路的电流方向是从a到bD电池工作时，盐桥中的SO移向甲烧杯C甲烧杯中发生的电极反应为MnO8H5e=Mn24H2O，氢离子浓度减小，导致溶液的pH增大，A项错误；a电极发生还原反应，Mn元素的化合价降低，电极反应式为MnO8H5e=Mn24H2O，b电极亚铁离子失去电子发生氧化反应，Fe2e=Fe3，B项错误；由上述分析可知，a为正极，b为负极，则电流方向为从a到b，C项正确；阴离子向负极移动，则盐桥中的SO移向乙烧杯，D项错误。原电池原理的应用如图所示，铜片、锌片和石墨棒用导线连接后插入番茄里，电流表中有电流通过，可以构成原电池，那么怎样设计原电池呢？怎样加快氧化还原反应的速率呢？怎样比
12、较金属活动性的强弱呢？问题1锌与H2SO4反应制H2时向溶液中加少量CuSO4溶液后为什么反应速率加快？提示锌置换出铜构成原电池。问题2设计实验比较Mg和Cu的活泼性。提示将镁片和铜片用导线连接，插入稀硫酸中，观察到镁片溶解，铜片上有气泡产生，由原电池原理可知，金属活泼性：MgCu。稀硫酸可用稀盐酸、CuSO4溶液等代替。问题3NaOHHCl=NaClH2O、CO2C2CO这两个反应能设计成原电池吗，为什么？提示不能，前者因为它不是氧化还原反应。后者虽然是氧化还原反应，但不是释放能量的氧化还原反应。问题4根据反应：2FeCl3Cu=2FeCl2CuCl2设计原电池，确定正负极和电解质溶液，写出
13、正负极的电极反应式。提示负极：Cu正极：石墨(或Pt)；电解质溶液：CuCl2溶液、FeCl3溶液。负极：Cu2e=Cu2、正极：2Fe32e=2Fe2。1加快氧化还原反应的速率例如：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比较金属活动性的强弱例如：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。根据电极现象判断出a是负极，b是正极，由原电池原理可知，金属活动性ab。3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
14、极)：Cu2e=Cu2还原反应(正极)：2Fe32e=2Fe2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1a、b两个烧杯中均盛有100 mL等浓度的稀H2SO4，将足量的两份锌粉分别加入两个烧杯中，同时向a中加入少量CuSO4溶液，下列产生氢气的体积(V)与时间(t)的关系正确的是()ABCDBH2SO4的物质的量相等、Zn粉过量，H2的量由H2SO4的物质的量决定。a中部分Zn与CuSO4发生反应置换出Cu并形成“Zn|H2SO4|Cu”原电池，反应速率加快，但产生H2的体积相等。2有A、B、C、D四块金属片，进行如下实验，据此判
15、断四种金属的活动性顺序是()A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，A极为负极；C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D导线C；A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡；B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应。AACDBBABCDCCABD DBDCAA活泼性较强的金属作原电池的负极，A、B用导线相连后，同时插入稀H2SO4中，A极为负极，则活动性：AB；C、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，电子由负极导线正极，电流方向与电子方向相反，电流由正极D导线负极C，则活动性：CD；A、C相连后，同时浸入稀硫酸中，C极产生大量气泡，说明C为
16、原电池的正极，较不活泼，则活动性：AC；B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应，说明D为原电池的负极，则活动性：DB；所以有：ACDB，故A项正确。1下列关于原电池的叙述正确的是()Cu(NO3)2溶液AgNO3溶液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化学反应与该原电池化学反应相同D该原电池中铜片作负极，银片作正极，电极反应为Cu2e=Cu2(负极)，2Ag2e=2Ag(正极)，盐桥起到了传递离子、形成闭合回路的作用，电子是由负极流向正极，电流的方向和电子的流向相反。D选项正
17、确。2原电池的电极反应式不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。下列说法错误的是()A由Fe、Cu、FeCl3溶液组成的原电池，负极反应式为Cu2e=Cu2B由金属Al、Cu和稀硫酸组成的原电池，负极反应式为Al3e=Al3C由Al、Mg、NaOH溶液组成的原电池，负极反应式为Al4OH3e=AlO2H2OD由金属Al、Cu和浓硝酸组成的原电池，负极反应式为Cu2e=Cu2A铁比铜活泼，铁作负极，负极反应式为Fe2e=Fe2，故A错误；铝比铜活泼，铝作负极，负极反应式为Al3e=Al3，故B正确；虽然镁比铝活泼，但镁不与氢氧化钠溶液反应，因此铝作负极，负极反应式为Al4OH3e=AlO2
18、H2O，故C正确；Al与浓硝酸发生钝化反应，则铜作负极，负极反应式为Cu2e=Cu2，故D正确。3控制合适的条件，将反应2Fe32I2Fe2I2设计成如图所示的原电池。下列判断不正确的是()甲乙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电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态D电流表读数为零后，向甲中加入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得到电子变为Fe2，被还原，I失去电子变为I2，被氧化，A、B项正确；电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态，C项正确；向甲中加入FeCl2固体，对于2Fe32I2Fe2I2，平衡
19、向逆反应方向移动，此时Fe2被氧化，I2被还原，故甲中石墨电极为负极，乙中石墨电极为正极，D项错误。4如图所示装置，电流表A发生偏转，同时A极逐渐变粗、B极逐渐变细，C为电解质溶液，则A、B、C应是下列各组中的()AA是Zn，B是Cu，C为稀硫酸BA是Cu，B是Zn，C为稀硫酸CA是Fe，B是Ag，C为AgNO3溶液DA是Ag，B是Fe，C为AgNO3溶液D根据题意可知，在该原电池中，A极逐渐变粗，B极逐渐变细，所以B作负极，A作正极，B的活泼性大于A的活泼性，所以排除A、C选项；A极逐渐变粗，说明有金属析出，B选项中正极H放电析出氢气，D选项中正极析出金属Ag，D项正确。5根据化学反应设计原电池(选用相同的盐桥)时，下列各项中合理的是()选项ABCD正极(金属/电解质溶液)Zn/ZnSO4溶液Fe/FeCl2溶液Zn/H2SO4(稀)Fe/ZnSO4溶液负极(金属/电解质溶液)Fe/H2SO4(稀)Zn/ZnSO4溶液Fe/FeCl2溶液Zn/FeCl2溶液BZn比Fe活泼，则Zn作负极，Fe作正极，A、C项不合理；双液原电池中电极材料不能与电解质溶液反应，D项不合理。
