化学反应原理专题1第二单元第1课时

第1课时原电池[目标导航]1.以铜锌原电池为例，理解原电池的工作原理。2.学会判断原电池的正、负极。3.掌握原电池反应方程式和电极反应式的书写。一、原电池的工作原理1．理清氧化还原反应的两条线索(1)还原剂―→失电子―→元素化合价升高―→被氧化―→发生氧化反应。(2)氧化剂―→得电子―→元素化合价降低―→被还原―→发生还原反应。2．原电池是将化学能转化为电能的装置，原电池内发生的反应属于氧化还原反应。(1)分析下图所示原电池装置并填空。原电池总反应式：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。(2)电子流动方向和电流方向①外电路：电子由Zn电极经过导线流向铜电极，电流由铜电极流向Zn电极。②内电路：阳离子移向正极，阴离子移向负极。3．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，插入电解质溶液中，且能自发地发生氧化还原反应。下列图示装置能形成原电池的是④⑥⑦。议一议1.(1)写出右图装置中电极反应式和总反应式。答案负极：Zn－2e－===Zn2＋正极：Cu2＋＋2e－===Cu总反应式：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu(2)随着时间的延续，电流计的指针偏转角度逐渐减小，最终没有电流通过，为什么？答案由于锌片与CuSO4溶液直接接触，在反应一段时间后，难以避免溶液中有Cu2＋在锌片表面直接被还原，一旦有少量铜在锌片表面析出，即在负极(锌)表面也构成了原电池，进一步加速铜在负极表面析出，致使向外输出的电流减弱。当锌片表面完全被铜覆盖后，反应终止，也就无电流产生。2．如图装置，可使原电池不断地产生电流，试分析其原理。答案①当有盐桥存在时，在ZnSO4溶液中，锌片逐渐溶解，即Zn被氧化，锌原子失去电子，形成Zn2＋进入溶液；从锌片上释放出的电子，经过导线流向铜片；CuSO4溶液中的Cu2＋从铜片上得到电子，被还原成为金属铜并沉积在铜片上；随着反应的进行，左边烧杯的溶液中c(Zn2＋)增大，右边烧杯的溶液中c(Cu2＋)减小。同时，盐桥中的Cl－会移向ZnSO4溶液，K＋会移向CuSO4溶液，使ZnSO4溶液和CuSO4溶液均保持电中性，氧化还原反应得以继续进行，从而使原电池不断地产生电流。②取出盐桥后，由于Zn原子失去电子成为Zn2＋进入溶液，使ZnSO4溶液因Zn2＋增加而带正电；同时Cu2＋获得电子成为金属铜沉淀在铜片上，使CuSO4溶液因SO2－4相对增加而带负电。这两种因素均会阻止电子从锌片流向铜片，造成电流中断，构不成原电池。3．在上题图中，盐桥的作用是什么？答案(1)盐桥中通常装有含有KCl饱和溶液的琼脂，能使两个烧杯中的溶液连成一个通路。离子在盐桥中能定向移动，通过盐桥将两个隔离的电解质溶液连接起来，可使电流持续传导。(2)使用盐桥是将两个半电池完全隔开，使副反应减至最低程度，可以获得单纯的电极反应，便于分析放电过程，有利于最大限度地将化学能转化为电能。4．原电池是怎样形成闭合回路的？(提示：利用图示回答)答案提醒电子在导线中流动而不能在溶液中通过，自由离子在溶液中迁移而不能在导线中通过。原电池中通过离子的迁移和电子的流动而形成闭合回路，从而将化学能转化为电能。5．自发的氧化还原反应都可以设计成原电池，其关键是选择合适的电解质溶液和两个电极，怎样选择电解质溶液和电极？答案(1)电解质溶液：一般能与负极反应，或者溶解在溶液中的物质(如O2)与负极反应。(2)电极材料：一般较活泼的金属作负极，较不活泼的金属或非金属导体作正极。6．怎样判断原电池的正负极？根据要求填写下列表格。判断依据负极正极电极材料活动性较强的金属活动性较弱的金属或能导电的非金属电子流动方向电子流出极电子流入极电解质溶液中离子定向流动方向阴离子移向的电极阳离子移向的电极电流方向电流流入极电流流出极与电解质溶液能否发生反应能自发发生氧化还原反应的金属不能自发发生氧化还原反应的金属(非金属)反应现象电极溶解电极增重或有气泡产生二、原电池原理的应用练一练1．有A、B、C、D四块金属片，进行如下实验：①A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，A极为负极；②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，电流由D→导线→C；③A、C相连后，同时浸入稀H2SO4中，C极产生大量气泡；④B、D相连后，同时浸入稀H2SO4中，D极发生氧化反应。据此，判断四种金属的活动性顺序是()A．A＞B＞C＞DB．A＞C＞D＞BC．C＞A＞B＞DD．B＞D＞C＞A答案B解析金属与稀H2SO4组成原电池，活泼金属为负极，失去电子发生氧化反应，较不活泼的金属为正极，H＋在正极表面得到电子生成H2；电子流动方向由负极→正极，电流方向则由正极→负极。在题述原电池中，A、B作电极的原电池中，A为负极，金属的活动性顺序为A＞B；C、D作电极的原电池中，C为负极，金属的活动性顺序为C＞D；A、C作电极的原电池中，A为负极，金属的活动性顺序为A＞C；B、D作电极的原电池中，D为负极，金属的活动性顺序为D＞B。综上可知，金属的活动性顺序为A＞C＞D＞B。2．利用原电池原理，可以加快化学反应的进行，原因是氧化反应和还原反应分别在两极进行，溶液中的粒子运动时相互间的干扰小，使化学反应加快。如实验室中用Zn与稀H2SO4反应制取H2时，通常滴入几滴CuSO4溶液。这样做的原因是Zn与置换出的Cu、稀H2SO4构成了原电池，加快了反应的进行。议一议1．在原电池中，负极的金属性一定比正极的金属性强吗？试举例说明。答案不一定。在判断原电池正、负极时，不要只考虑金属活动性的相对强弱，还要考虑电解质溶液。故应由电池反应来确定电极名称，发生氧化反应的金属作负极。如下图甲池中Mg作负极：Mg－2e－===Mg2＋，Al作正极：2H＋＋2e－===H2↑；乙池中由于镁不与强碱反应而Al和NaOH溶液能反应，所以Al作负极：Al－3e－＋4OH－===AlO－2＋2H2O，Mg作正极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。2．为什么实验室用粗锌比用纯锌与稀硫酸反应速率快？答案因为粗锌中锌、杂质和稀H2SO4构成了原电池，减小了粒子运动时的相互干扰。一、原电池电极反应式的书写例1(1)将铁片、铜片用导线连接后，置于稀硫酸中，形成原电池，其正极反应式：________________________________________________________________________；负极反应式：___________________________________________________；总反应方程式：____________________________________________________________。(2)有一钮扣电池，其电极分别为Zn和Ag2O，以KOH溶液为电解质溶液，电池的总反应为Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2。①Zn发生________反应，是________极，电极反应式是________________________________________________________________________。②Ag2O发生________反应，是________极，电极反应式是____________________。答案(1)2H＋＋2e－===H2↑Fe－2e－===Fe2＋Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑(2)①氧化负Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2②还原正Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－归纳总结原电池电极反应式的书写方法(1)一般电极反应式的书写方法第一步：第二步：第三步：(2)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。变式训练1如图所示，X为单质硅，Y为金属铁，a为NaOH溶液，组装成一个原电池。回答下列问题。(1)正极________(填名称，下同)发生________反应，电极反应式__________________________________________________________。(2)负极________，发生________反应，电极反应式____________________________________________________________________________________________________。(3)电池总反应方程式____________________________________________。答案(1)铁还原4H2O＋4e－===4OH－＋2H2↑(2)硅氧化Si＋6OH－－4e－===SiO2－3＋3H2O(3)Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑二、原电池的设计例2依据氧化还原反应：2Ag＋(aq)＋Cu(s)===Cu2＋(aq)＋2Ag(s)设计的原电池如图所示。请回答下列问题：(1)电极X的材料是__________；电解质溶液Y是____________。(2)银电极为电池的________极，发生的电极反应式为____________________________；X电极上发生的电极反应式为________________________________________________________________________。(3)外电路中的电子是从________极流向________极。解析原电池中负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应，盐桥起到形成闭合回路、平衡电荷的作用。由总反应方程式可知电极X的材料是Cu，发生氧化反应，电解质溶液Y是可溶性银盐溶液，常用AgNO3溶液。电极反应式如下，负极：Cu－2e－===Cu2＋，正极：2Ag＋＋2e－===2Ag，电子由负极(Cu)流出，经外电路流向正极(Ag)。答案(1)CuAgNO3溶液(2)正2Ag＋＋2e－===2AgCu－2e－===Cu2＋(3)负(Cu)正(Ag)归纳总结原电池装置的设计方法思路以Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu反应为例，原电池装置设计方法思路如下第一步：将电池总反应拆成两个半反应负极：Fe－2e－===Fe2＋，正极：Cu2＋＋2e－===Cu第二步：确定负极材料、正极材料和电解质溶液负极材料：失电子的物质(还原剂)作负极材料即Fe。正极材料：用比负极材料金属活泼性差的金属或非金属导体作正极材料即Cu或Ag或C。电解质溶液：含有反应中作氧化剂的物质作电解质，即CuSO4溶液，如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则两个容器中的电解质溶液应含有与电极材料相同的金属的阳离子。第三步：画出装置图，注明电极材料和电解质溶液，如下图变式训练2由锌片、铜片和200mL稀H2SO4组成的原电池如下图所示。(1)原电池的负极反应式为__________________________________________________，正极反应式为__________________________________________________。(2)电流的方向是____________________________________________________________。(3)一段时间后，当在铜片上放出1.68L(标准状况)气体时，H2SO4恰好消耗一半。则产生这些气体的同时，共消耗________g锌，有______________个电子通过了导线，原硫酸的物质的量浓度是__________________(设溶液体积不变)。答案(1)Zn－2e－===Zn2＋2H＋＋2e－===H2↑(2)由Cu极流向Zn极(3)4.8759.03×10220.75mol·L－1解析产生0.075molH2，通过0.075×2＝0.15(mol)电子，消耗0.075molZn和0.075molH2SO4。所以m(Z