鲁科版 (2019)选择性必修1第2节 化学反应的限度第1课时学案

第2节　化学能转化为电能——电池

第1课时　原电池的工作原理

1．铜锌原电池实验探究

(1)实验装置

(2)实验现象

(3)电极材料及电极反应

微点拨：外电路中由电子的定向移动产生电流，而电解质溶液内部只有离子的定向移动，没有电子的移动。

2．原电池的工作原理

(1)原电池

①定义：能把化学能转化为电能的装置。

②电极名称及电极反应。

负极：电子流出的一极，发生氧化反应；

正极：电子流入的一极，发生还原反应。

③原电池的构成条件。

a．两个活泼性不同的电极(两种金属或一种金属和一种能导电的非金属)。

b．将电极插入电解质溶液。

c．构成闭合回路。

d．能自发发生的氧化还原反应。

(2)工作原理

外电路中电子由负极流向正极；内电路(电解质溶液)中阴离子移向负极，阳离子移向正极；电子发生定向移动从而形成电流，实现了化学能向电能的转化。

1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)

(1)所有的氧化还原反应都可以设计成原电池。(　　)

(2)原电池中，负极材料一定比正极材料活泼。(　　)

(3)原电池工作时，负极发生氧化反应。(　　)

(4)原电池中，电流由负极经导线流向正极。(　　)

(5)铜锌原电池中，溶液中的阳离子移向锌极。(　　)

提示：(1)×　自发的氧化还原反应才能设计成原电池。

(2)×　原电池的负极材料不一定比正极材料活泼，如Mg－Al－NaOH(aq)原电池中，Al作负极。

(3)√

(4)×　原电池中，电流由正极经导线流向负极。

(5)×　铜锌原电池中，Cu2＋移向铜极。

2．下列说法正确的是(　　)

A．构成原电池正极和负极的材料必须是金属

B．在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被还原

C．实验室欲快速制取氢气，可利用粗锌与稀硫酸反应

D．原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能

C　[构成原电池的电极材料可以是导电的非金属，如碳棒，所以A错。在原电池中电子流出的一极失电子被氧化，所以B错。粗锌中含有杂质Cu可形成铜锌原电池，所以C对。能量转化率不可能达100%，所以D错。]

3．下列反应不可用于设计原电池的是(　　)

A．CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O

B．2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O

C．Zn＋2HCl===ZnCl2＋H2↑

D．4Al＋3O2＋6H2O===4Al(OH)3

A　[自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池，A为复分解反应。]

原电池的工作原理与电极判断

(素养养成——证据推理与模型认知)

甲　　　　　　　乙

1．打开甲、乙两装置中的K1与K2，检流计及锌片有何现象？

提示：检流计指针均不发生偏转，甲装置中锌片溶解且有气泡产生，乙装置中锌片上无明显变化。

2．闭合K1、K2，甲、乙装置中的检流计、铜片及锌片有何现象？

提示：检流计指针发生偏转，铜片上均有气泡生成，锌片均溶解。

3．乙中盐桥的作用是什么？

提示：离子在盐桥中能够定向移动，通过盐桥将两个隔离的电解质溶液连接起来，可使电流传导。

4．甲、乙两原电池中哪个工作效率高？

提示：乙电池工作效率高，甲电池中锌片和硫酸电解质溶液直接接触，少量锌会与硫酸直接反应，降低工作效率。

1．原电池的工作原理(以铜锌原电池为例)

2．原电池正负极的判断

3．原电池电极反应式书写的一般步骤

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【例题】　(双选)某兴趣小组同学利用氧化还原反应：2KMnO4＋10FeSO4＋8H2SO4===2MnSO4＋5Fe2(SO4)3＋K2SO4＋8H2O，设计如图原电池，盐桥中装有饱和K2SO4溶液。下列说法正确的是(　　)

A．b电极上发生还原反应

B．外电路电子的流向是从a到b

C．电池工作时，盐桥中SO移向乙烧杯

D．a电极上发生的反应为MnO＋8H＋＋5e－===Mn2＋＋4H2O

CD　[依据总反应：Fe2＋―→Fe3＋，b电极上发生氧化反应，A错误；b电极上发生氧化反应，失去电子，电子流向为b―→a，B错误。]

原电池电极反应式在书写时应注意的问题

(1)电极反应常用“===”而不用“”连接。

(2)电极反应中若有气体生成，需加“↑”，弱电解质或难溶物均以化学式表示，其余以离子符号表示。

(3)必须遵循质量守恒、电荷守恒及正、负两极得失电子数相等的规律。

(4)原电池正、负两极的电极反应在得失电子数相等的情况下加和即得总反应(合二为一)；反之，总反应减去其中的一极反应可得另一极反应(一分为二)。

1．某小组为研究电化学原理，设计如图装置。下列叙述不正确的是(　　)

A．a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出

B．a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu

C．a和b用导线连接后，溶液中的Cu2＋向铜电极移动

D．a和b用导线连接后，Fe片上发生还原反应

D　[a和b不连接时，Fe与硫酸铜溶液发生置换反应，和b用导线连接时，形成原电池，Fe作负极，Cu作正极，以此解答该题。a和b不连接时，铁和铜离子发生置换反应，所以铁片上有铜析出，A正确；a和b连接时，该装置构成原电池，铜作正极，发生还原反应，铜离子得电子生成铜，电极反应式为Cu2＋＋

2e－===Cu，B正确；a和b用导线连接时，形成原电池，原电池溶液中阳离子移向正极，即溶液中的Cu2＋向铜电极移动，C正确；a和b连接时，该装置构成原电池，铁作负极，发生氧化反应，D错误。]

2．如图所示装置，检流计G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(　　)

A．a是Zn，b是Cu，c是稀硫酸

B．a是Cu，b是Zn，c是稀硫酸

C．a是Fe，b是Ag，c为AgNO3溶液

D．a是Ag，b是Fe，c为AgNO3溶液

D　[由题意，a极变粗，b极变细可知，b为负极，a为正极，溶液中阳离子在a极上得电子析出，应为金属盐溶液，a、b两金属活泼性b>a，所以A、B、C错，D正确。]

3．下列说法正确的是(　　)

A．原电池中，负极上发生的反应是还原反应

B．原电池中，电流的方向是负极—导线—正极

C．双液原电池中的盐桥是为了联通电路，所以也可以用金属导线代替

D．在原电池中，阳离子移向正极，阴离子移向负极

D　[A项，负极上发生氧化反应；B项，电流的方向应是正极—导线—负极；C项，盐桥不能用导线代替。]

原电池工作原理的应用

(素养养成——科学探究与创新意识)

1．将金属a、b用导线相连插入稀硫酸中，发现b上产生气泡，则a与b相比较，谁更活泼？

提示：a比b活泼。

2．实验室用稀硫酸与锌粒反应制取H2时常加入少量铜片，其目的是什么？

提示：加快制取氢气的反应速率。

3．已知2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋，如何设计成原电池装置？

提示：根据氧化还原反应分析，Cu被氧化，为原电池的负极，则正极可为惰性电极或不如Cu活泼的金属，电解质溶液一定含Fe3＋。

1．比较金属活动性强弱

2．加快化学反应速率

构成原电池负极的反应速率比直接接触的反应速率快。如实验室制H2时，粗锌比纯锌与稀硫酸反应快，或向溶液中滴入几滴CuSO4溶液，锌(负极)反应加快。

3．设计原电池

(1)理论上，自发的氧化还原反应，可以设计成原电池。

(2)外电路

负极—还原性较强的物质被氧化

　↓e－

正极—氧化性较强的物质被还原

(3)内电路：将两电极浸入电解质溶液中，阴、阳离子作定向移动。

1．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：

由此可判断这四种金属的活动性顺序是(　　)

A．a＞b＞c＞d B．b＞c＞d＞a

C．d＞a＞b＞c D．a＞b＞d＞c

C　[由第一个装置a极质量减小，可知a极是负极，金属活动性a＞b，对于第二个装置，依据还原性规律知，金属活动性b＞c，第三个装置的金属活动性d＞c，由第四个装置电流从a→d，则电子从d→a，故金属活动性d＞a。]

2．100 mL 2 mol·L－1盐酸和过量的锌片反应，为加快反应速率，又不影响生成氢气的量，可采用的方法是(　　)

A．加入适量的6 mol·L－1的盐酸

B．加入数滴氯化铜溶液

C．加入适量蒸馏水

D．加入适量的氯化钠溶液

B　[加入适量的6 mol·L－1的盐酸会增加生成氢气的量，A不符合题意；加入数滴氯化铜溶液，锌置换出铜以后，会构成原电池，加快反应速率，B符合题意；加入适量蒸馏水或加入NaCl溶液，都会减小氢离子浓度，从而减慢了反应速率，C、D不符合题意。]

3．设计原电池Zn＋2Fe3＋===Zn2＋＋2Fe2＋，在方框中画出能形成稳定电流的半电池形式的装置图(标出电极材料、电解质溶液)

负极：________，电极反应：_____________________________________；

正极：________，电极反应：_____________________________________。

[解析]　分析元素化合价的变化可知，Zn为负极，比Zn活泼性差的金属或非金属(石墨等)作正极，负极选择与电极材料有相同离子的溶液作电解质溶液，正极选择含有Fe3＋的溶液作电解质溶液。

[答案]　见下图

Zn　Zn－2e－===Zn2＋

Pt　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

设计原电池的方法思路

(1)根据原电池总反应式确定正、负极反应式。

(2)根据正、负极反应式选择电极材料和电解质溶液。

(3)要形成闭合回路(可画出装置图)。

相同电极材料、不同电解质溶液电池反应的比较：

甲　　　　　　乙

1．甲、乙两原电池中Al电极都是正极吗？各有什么现象呢？

提示：(1)甲池中Al作正极，Al表面产生气泡。

(2)乙池中Al作负极，Al逐渐溶解。

2．请你写出甲、乙两池内发生的电池反应式及Al电极的反应式。

提示：(1)甲池反应式：Mg＋2H＋===Mg2＋＋H2↑；

Al电极：2H＋＋2e－===H2↑。

(2)乙池反应式：2Al＋2OH－＋6H2O===3H2↑＋2[Al(OH)4]－；

Al电极：Al－3e－＋4OH－===[Al(OH)4]－。

3．判断原电池正、负极的最根本依据是什么？

提示：原电池原理从本质讲是氧化还原反应，故判断正、负极根本依据：发生氧化反应(失去电子)的一极是负极；发生还原反应(得到电子)的一极是正极。

通过分析本情境素材中两原电池的构成条件，正、负极等实验探究活动，培养了学生勤于实践、敢于质疑，勇于创新的精神，提升了学生“科学探究与创新意识”的学科素养。

1．下列叙述正确的是(　　)

①原电池是把化学能转化成电能的一种装置

②原电池的正极发生氧化反应，负极发生还原反应

③不能自发进行的氧化还原反应，通过原电池的装置均可实现

④碳棒不能用来作原电池的正极

⑤反应Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋，能以原电池的形式来实现

A．①⑤ B．①④⑤

C．②③④ D．②⑤

A　[①原电池是把化学能转化成电能的装置，故正确；②根据原电池的工作原理，负极上失去电子，化合价升高，发生氧化反应，正极上得电子，化合价降低，发生还原反应，故错误；③原电池构成条件之一是自发发生氧化还原反应，故错误；④碳棒能导电，可以作正极，故错误；⑤可以让铜作负极，正极是石墨，电解质溶液为硝酸银溶液，组成原电池，故正确。]

2．(素养题)“暖宝宝”采用的是铁的“氧化放热”原理，使其发生原电池反应，铁粉在原电池中充当(　　)

A．正极   B．负极

C．阳极 D．阴极

B　[铁粉与活性炭作为原电池的电极，食盐水作为电解质溶液，加快铁粉的氧化，即铁粉失电子作负极。]

3．如图所示的原电池装置，X、Y为两电极，电解质溶液为稀硫酸，外电路中的电子流向如图所示，对此装置的下列说法正确的是(　　)

A．外电路的电流方向为X→外电路→Y

B．若两电极分别为Zn和碳棒，则X为碳棒，Y为Zn

C．若两电极都是金属，则它们的活动性为X>Y

D．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应

C　[由图可知，电子的流动方向是X→外电路→Y，则电流的方向就为Y→外电路→X；X为原电池的负极，Y为正极，X的活动性比Y的强；X极应发生氧化反应，Y极应发生还原反应。所以A、B、D错误，C正确。]

4．(双选)如图所示装置中，观察到检流计指针偏转，M棒变粗，N棒变细，由此判断下表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是    (　　)

AC　[本题通过电极变化来确定电极，N棒变细，即N极上发生氧化反应，应为负极，N棒金属较活泼，M棒变粗说明M极上有固体析出。]

5．将Fe片和石墨用导线连接，一组插入稀H2SO4溶液中，一组插入FeCl3溶液中，分别形成原电池。

(1)在这两个原电池中，正极分别为________(填序号)。

A．石墨、石墨   B．石墨、Fe片

C．Fe片、Fe片 D．Fe片、石墨

(2)插入稀H2SO4溶液中形成的原电池的正极反应式为

_____________________________________________(用离子方程式表示)。

(3)插入FeCl3溶液中形成的原电池的电池总反应式为

_____________________________________________(用离子方程式表示)。

[解析]　当电解质溶液为稀H2SO4溶液时，原电池的总反应为Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑，则负极为Fe片，正极为石墨，正极反应式为2H＋＋

2e－===H2↑；当电解质溶液为FeCl3溶液时，原电池的总反应为Fe＋2FeCl3===3FeCl2，对应的离子方程式为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，负极为Fe片，正极为石墨。

[答案]　(1)A　(2)2H＋＋2e－===H2↑　

(3)2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋