浅议原电池知识点突破策略

论文题目：《浅议原电池知识点突破策略》作者单位：雅安市雅安中学姓名：李永电话：[phone]浅议原电池知识点突破策略摘要：原电池是氧化还原反应原理的具体应用，探究电极反应发生的原因，是理解及应用原电池的前提和关键。因此，在分析、研究原电池的问题时，要紧紧抓住氧化还原反应这一主线索。同时，应根据原电池原理将原电池知识特点学习透彻，否则容易以后电解池的知识混淆。关键词：原电池；氧化还原反应；电极反应；负极判断正文：在“原电池”与“电解池”的教学中，经常会发现一些学生不会区别与判断原电池与电解池，这与学生缺乏感性知识，以及知识上归纳总结不系统化有很大的关系。尽管这两部分内容教材中都安排了演示实验，但这两个演示实验的能见度比较低，因此印象不深，记忆不牢。部分学生不能把相关知识加以对比、区别，这就造成在以后的练习题中无法区别原电池和电解池，而导致解题失败。解决这个问题比较好的方法是帮助学生分析、归纳建立电化学模型，抓住电化学特点解题。一、抓理论与条件，建立原电池的化学模型要建立原电池模型就必须先弄清楚什么是原电池，我们把化学能转化为电能的装置称为原电池。通俗点说原电池是通过化学反应提供电能的装置。从原电池的定义就不难看出其化学实质------将化学能转化为电能。那么构成原电池需要什么条件呢？原电池怎样将化学能转化为电能呢？只有将这些问题讲清楚，学生才会自主的建立原电池模型，也会为以后学习电解池排出干扰，这对电化学的学习非常重要。我们一起来分析下面的装置。如图1：以Cu—Zn(稀H2SO4)原电池为例进行分析：在如图所示的装置中所包含的物质为：Cu,Zn,稀H2SO4。按照已有化学知识可知反应为：Zn+2H+===Zn2++H2在该反应中单质Zn失e–变为Zn2+，发生了氧化反应，H+得e–变为H2，发生了还原反应。我们知道电子的定向移动会产生电流，在原电池的形成条件中我们就要人为的提供必要的装置使氧化还原反应中电子得失变的有规律，使它们定向移动。因此构成原电池必须先具备：自发的，持续的氧化还原反应。氧化还原反应就是有电子得失；自发的也就是反应能主动进行，主动提供电子；持续的也就是反应提供的电子在短时间内不会间断，也就有了稳定的电子移动，容易形成电流。自发的，持续的氧化还原反应的物质基础是：电极的材料，适当的电解质溶液。电极材料浸入电解质溶液，且他们之间发生了氧还反应。现在电子开始得失，要使它们定向移动形成电流，就必须提供导线形成一个闭合回路，这样电子的不间断定向移动就形成了电流。所以构成原电池的条件：1、有自发的，持续的氧化还原反应；2、电极材料，通常要求活性有差异，必须导电；3、电极材料浸入电解质溶液；4、形成闭合回路。其中条件1又是原电池的理论基础，必须给予充分的重视。我们对原电池模型的理解是建立在氧化还原反应的理论基础上的，在学习原电池知识时一定抓住氧化还原这条主线索。在学生了解掌握了原电池的反应原理，构成条件之后，就要从已知的熟悉的氧化还原反应知识出发来寻找原电池的解题突破，这就是下一个知识模块.二、以氧化还原为线，找准负极好突破在图1所示的装置中单质Zn失e–变为Zn2+：Zn—2e–＝Zn2+发生了氧化反应，e–从Zn电极流出，沿导线流入了Cu电极；与此同时，单质Zn周围就有了大量的Zn2+，从而溶液中的SO42-就会被吸引靠近；且单质Zn变成了Zn2+被腐蚀，质量减少。在另一个电极Cu上积累了大量的e–，溶液中的正电基团向Cu电极靠拢，并且在其上得到电子发生了：2H++2e–＝H2,所以Cu电极上会有大量气泡，给同学们造成了Cu与稀H2SO4反应的假象。必须强调的是e–的定向移动只发生在两点极和导线上，在电解质溶液中并没有e–的定向移动，溶液中定向移动的是带电荷的离子。把整个原电池一起分析知道：e–由Zn电极流出经外电路进入Cu电极，e–的流向与电源流向相反，即电流由Cu电极流出经外电路进入Zn电极，对照电流方向与电源正负极关系，得到结论：Cu电极是电源的正极，Zn电极是电源的负极。两极的反应特点：Zn失e–，化合价升高，被氧化发生氧化反应；Cu电极并没有实际参加反应，只是起了载体的作用，在其上实际参与反应的物质为溶液中的2H+，2H+得e–，化合价降低，被还原，发生还原反应。所以：原电池中失电子（电子流出）的一级为负极，发生氧化反应的一级为负极。将两极对比Zn较Cu活泼，更易参与反应，所以有一个经验规律来帮助我们判断负极，即：“活、负、氧”，这三个字的意思：在原电池装置中两极材料较活泼的易发生氧化反应，充当原电池的负极。且从反应的本质来看先有e–得失，才有电流形成，再是正负极的命名。所以“活、负、氧”，三字中“氧”是关键，以“氧”定“负”。根据Cu—Zn(稀H2SO4)原电池的反应以及装置将原电池的负极特点总结如下：1、失e–，为负极；2、发生氧化反应（被氧化）为负极；3、e–流出或电流流入为负极；4、电解质溶液中：阴离子移向，靠拢的为负极；5、一般来说：较活泼的做负极，被腐蚀的做负极。但这只是用于大多数的经验规律，并不适用于所有。例如：由Mg----Al(NaOH溶液)组成的原电池，在这组原电池中，自发的、持续的氧化还原反应发生在Al和NaOH溶液之间，其中Al失e–，被氧化，变为AlO2—，充当负极。Mg并没有参与反应，只起了载体导电的作用，在原电池中充当了正极。所以我们强调以“氧”定“负”，且电极材料不一定要参加原电池反应。在电极分析过程中着重了对负极的变化分析，掌握了负极变化，也就进入了原电池解题的大门，后续的解题都可以由负极出发完成。要分析好负极就要从负极本质失e–，被氧化发生氧化反应切入，死抓反应特点：失e–！被氧化！找准了负极，也就找到了解题的突破口，再结合氧化还原的反应规律：电荷得失相等，反应质量守恒，就可以进一步扩大战果，彻底征服原电池，这就是我要说的第三点。三、以负极为突破，结合典型事例好解题涉及原电池知识的练习题，主要集中了以下几个常考点：1、原电池原理的应用；2、原电池负极的判断，电解质溶液中离子的运动方向；3、电极方程式的书写，这也是学生最易出现错误的难点；4、与原电池有关的计算。5、原电池与电解池串联的相关知识考查。（在电解池部分讨论）对于第1、2两个考查点要求同学们准确理解：①原电池的本质（自发的，持续的氧化还原反应）；②负极的判断方法。把握了这两点，有关考点1、2也就很容易解决了。对于考点3：电极方程式的书写，我准备用三个例子结合氧化还原的反应规律来说明。例1：在Mg----Al(NaOH溶液)组成的原电池中，我们刚刚用氧化还原法确定了：单质Al为原电池的负极，Mg为原电池的正极，原电池放电是由于Al和NaOH溶液之间发生了自发的，持续的氧化还原反应。这个反应的方程式为：2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2（6e–）。负极发生氧化反应，失e–：2Al—6e–2AlO2—这是Al守恒所得到的，但是现在电荷不守恒，同时方程右边增加了O元素，所以下面我们从电荷关系入手。该方程左边为：—6e–，不好观察，我们把方程做一个数学处理：移项。得：2Al2AlO2—+6e–现在，方程右边有负电总数：8，只需要在同侧加正电荷8或者异侧加负电8，就可以使电荷守恒。现有电解质环境中有大量的负电集团：OH—。所以有：2Al+8OH—2AlO2—+6e–现在电荷守恒了，只差元素物料守恒了。考虑方程左边出现了8OH—，则方程右边也应该出现8O，8H，现在2AlO2—中有4O，还差8H，4O，恰好可以是4H2O。现在有方程：2Al+8OH—2AlO2—+6e–+4H2O,检查得知方程电荷，物料都守恒，且符合化学原理。现在可以把箭头改成等号，把6e–重新移到左边。也就是说负极反应书写好了。写好了负极，正极反应可以有总反应减去负极反应得到。总：2Al+2OH—+2H2O=2AlO2—+3H2—负：2Al+8OH——6e–=2AlO2—+4H2O=6H2O+6e–=6OH—+3H2例2、燃料电池是一类常考电池，也是学生丢分较多的易错电池，下面我们来分析：甲醇燃料电池（酸性电解质）。首先：燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。因为我们知道，一般的燃料电池大多是可燃性物质与氧气及电解质溶液共同组成的原电池，虽然可燃性物质与氧气在不同的电极反应，但其总反应方程式应该是可燃物在氧气中燃烧。当然由于涉及电解质溶液，所以燃烧产物可能还要与电解质溶液反应，再写出燃烧产物与电解质溶液反应的方程式，从而得到总反应方程式。甲醇燃料电池就是将甲醇燃烧释放的化学能转化为电能。所以总反应就是甲醇的燃烧反应：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O。关键是负极的电极反应式书写，现在用先前我们的方法分析这个氧化还原反应，得知：负极通入的是甲醇，发生了氧化反应。正极通入的是氧气，发生了还原反应。反应转移电子数为：12。负极：2CH3OH-12e–+2H2O=12H++2CO2正极：3O2+12e–+12H+=6H2O当甲醇燃料电池的电解质环境换为碱性时就有：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O但是CO2是酸性氧化物在碱性环境下不能存在，马上要反应生成CO32-，所以总反应可以改写为：2CH3OH+3O2+4OH–=2CO32-+6H2O。同样分析这个氧化还原反应就可以得到正极和负极反应了。正极：3O2+12e–+6H20=12OH–负极：2CH3OH+12e–+16OH–=2CO32-+12H2O例3：由甲醇、氧气和强碱溶液(作电解质)组成的新型充蓄电电池，2CH3OH＋3O2＋4OH－2CO32-＋6H2O，我们依然抓住原电池的特点：化学能转化为电能，也就是供电装置，然后再应用原电池的知识解答。在解答考虑正反应放电是提供电能，所以将反应化简，不再受充电影响。可以结合前边的例题解析。在电极方程式的书写过程中考虑到以下几点，会对书写电极方程很有帮助：1、抓住总的反应方程式；2、判断原电池的正负极；3、要注意电解质溶液的酸碱性；4、还要注意电子转移的数目。关于原电池相关的计算，其实就是解析氧化还原反应，要抓住氧化还原反应的特点，灵活应用电荷守恒，质量守恒。就能很好的解决。总的来说有关原电池的知识就是对氧化还原反应的加深与应用，在解有关原电池的知识时，要克服畏惧心理。抓准负极变化，从负极进行突破，灵活应用两大守恒，多练多写，做到熟能生巧。参考文献：梁峻峰【《原电池原理及其应用（第1课时）教学设计》《化学教学》2008年第6期】范自军【《由3个原电池课例浅析新课程背景下的化学课堂教学的高效性》，《化学教育》2007年第4期】