4.1 原电池(word教参)-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修第一册（人教版2019）

第一节　原电池 目标导航 [知识导图] [课程标准] 1.认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。能分析、解释原电池的工作原理，能设计简单的原电池。 2.能列举常见化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。 3.认识新型化学电池的作用，增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求。积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染。 （见学生用书P102） 1　原电池的工作原理 1.原电池的概念 利用　􀀁氧化还原　反应原理将　􀀂化学　能转化为　􀀃电　能的装置。 2.原电池的形成条件 条 件— 3.单液原电池的缺点 如锌片、铜片与稀硫酸以导线连接构成的原电池，因原电池中氧化反应与还原反应并没有完全隔开，电流会逐渐　􀀈衰减　。 4.双液原电池的工作原理（以锌铜原电池为例） 装置 现象 　􀀉逐渐溶解　 有　⑮红色　物质析出 电极名称 　⑩负　极 　⑯正　极 得失电子 　⑪失　电子 　⑰得　电子 电子流向 　⑫流出　 　⑱流入　 反应类型 　⑬氧化　反应 　⑲还原　反应 电极反应式 　⑭Zn－2e－Zn2＋　 　⑳Cu2＋＋2e－Cu　 总反应式 　㉑Zn＋Cu2＋Zn2＋＋Cu　 5.盐桥及其作用 （1）成分：含KCl饱和溶液的琼胶。 （2）离子移动方向：Cl－移向　㉒负　极区，K＋移向　㉓正　极区。 （3）作用：使两个半电池形成　㉔闭合回路（通路）　，使氧化还原反应持续进行，原电池得以不断地产生电流。 2　化学电源 1.化学电源的分类与优劣 （1）化学电源的分类 化学电源包括　㉕一次电池　、　㉖二次电池　和　㉗燃料电池　等。　㉘原电池　是各种化学电源的雏形。 （2）电池的优点 ①方便携带、易于维护。 ②能量转化率　㉙较高　，供能　㉚稳定　可靠。 ③可以制成各种形状、大小和容量不同的电池及电池组等。 （3）判断电池优劣的主要标准 ①比能量：单位质量或单位体积所能输出　㉛电能　的多少。 ②比功率：单位质量或单位体积所能输出　㉜功率　的大小。 ③电池可储存时间的长短。 2.一次电池 （1）概念：　㉝放电后不可再充电　的电池。一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫作　㉞干电池　。 （2）碱性锌锰电池 构造示 意图 负极反应 　㉟Zn＋2OH－－2e－Zn（OH）2　 正极反应 2MnO2＋2H2O＋2e－2MnO（OH）＋2OH－ 电解质 　㊱KOH　 总反应 　㊲Zn＋2MnO2＋2H2O2MnO（OH）＋Zn（OH）2　 （3）特点：碱性锌锰电池比普通锌锰电池的性能好，它的比能量和可储存时间均有所提高。 3.二次电池 Ⅰ.铅酸蓄电池 （1）概念：放电后可以　㊳再充电而反复使用　的电池，又称　㊴可充电电池　或　㊵蓄电池　。 （2）铅酸蓄电池（常见的二次电池） 构造示意图 放电 反应 负极 　㊶Pb＋S－2e－PbSO4　 正极 　㊷PbO2＋S＋4H＋＋2e－PbSO4＋2H2O　 充电反应 铅酸蓄电池的充电过程与其放电过程　㊸相反　 电解质溶液 稀硫酸 充、放电反应 Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O （3）优缺点 ①优点：电压　㊹稳定　、使用方便、　㊺安全　可靠和价格　㊻低廉　。 ②缺点：比能量　㊼低　、　㊽笨重　，废旧电池中常含有重金属、酸和碱等物质，如果随意丢弃，会对　㊾生态环境　和　㊿人体健康　造成危害。 Ⅱ.锂离子电池 （1）组成 负极：　嵌锂石墨　，正极：LiCoO2（钴酸锂），电解质溶液：　LiPF6（六氟磷酸锂）　。 （2）工作原理 ①放电过程 负极反应：　LixCy－xe－xLi＋＋Cy　； 正极反应：　Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－LiCoO2　； 总反应：　LixCy＋Li1－xCoO2LiCoO2＋Cy　。 放电时，锂离子由石墨中　脱嵌　移向　正　极，　嵌入　钴酸锂晶体中。 ②充电过程 充电时，锂离子从　钴酸锂晶体　中脱嵌，由　正　极回到　负　极，嵌入　石墨　中。 （3）优点 质量　小　、体积　小　、储存和输出能量　大　等。 4.燃料电池 （1）燃料电池：一种连续地将　燃料　和　氧化剂　的化学能直接转化为电能的化学电源。 （2）氢氧燃料电池 工作原理 示意图 电解质 溶液 稀H2SO4 负极反应 　2H2－4e－4H＋　 正极反应 　O2＋4H＋＋4e－2H2O　 总反应 2H2＋O22H2O （3）燃料电池的优点 将化学能转化为电能的转化率超过　80％　，远高于转化率仅30％多的火力发电，大大提高了能源的利用率。能够做到产生污染物少排放甚至零排放。 判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 （1）所有化学反应的化学能均能直接转变成电能。（　×　） （2）原电池工作时，电路中通过的电量等于阴、阳两极通过的电量之和。（　×　） （3）带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流稳定。（　√　） （4）原电池工作时，溶液中的阳离子向负极移动，盐桥中的阳离子向正极移动。（　×　） （5）碱性锌锰电池工作时电子由MnO2经外电路流向Zn极。（　×　） （6）铅酸蓄电池放电时，正极与负极质量均增加。（　√　） （7）手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池。（　×　） （8）氢氧燃料电池（酸性电解质）中O2通入正极，电极反应为O2＋4H＋＋4e－2H2O。（　√　） 　 名师提醒 （1）原电池以自发进行的“放热”氧化还原反应为基础，将体系“多余能量”以电能形式释放出来，因能量转化率不能达到100％，部分能量以热能形式释放。 （2）原电池的“电子守恒”，即负极失去电子数＝正极得到电子数＝转移电子数。 （3）带有盐桥的双液电池，将正极反应物和负极反应物隔离开，使能量释放更高效且电流平稳。 （4）铅酸蓄电池放电时，正、负极的产物都是PbSO4，电极质量均增大。 （5）燃料电池是将化学能直接转化为电能的装置；火力发电先将化学能转化为热能，再转化为机械能，进而转化为电能。 （见学生用书P104） 1　原电池的构成条件及其工作原理 1.在原电池中，负极材料的活泼性一定比正极材料强吗？ 不一定，例如Mg、Al放到NaOH溶液中，Al作负极，Mg作正极，但Mg的活泼性比Al强。 2.盐桥在原电池中有何作用？若撤去盐桥，电流计的指针如何变化？ 盐桥的作用：利用溶液中的离子移动，使两个半电池中的溶液形成闭合回路。若撤去盐桥，电流计指针不发生偏转。 1.原电池工作原理 2.含盐桥原电池的特点 （1）特点 两个烧杯中的电解质溶液靠盐桥连接，且电极材料与相应容器中电解质溶液的阳离子相同。 （2）盐桥的作用 平衡电荷、构成闭合回路，若撤去盐桥或将盐桥换成导线，则不能构成闭合回路，形不成原电池。 （3）优点 含盐桥的原电池与不含盐桥的原电池相比，效率高且电流平稳，放电时间长。 3.原电池正、负极的判断 【例题1】控制合适的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池。下列判断不正确的是（　　） 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.电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态 D.电流计读数为零后，向甲中加入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极 思维导引：将已知反应拆分为“氧化反应”“还原反应”两个“半反应”，然后结合装置图分析闭合回路的形成。 答案　D　 解析　由题图并结合原电池原理分析可知，甲中Fe3＋得到电子变为Fe2＋，被还原，乙中I－失去电子变为I2，被氧化，A、B项正确；电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态，C项正确；向甲中加入FeCl2固体，对于反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2，平衡向逆反应方向移动，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。 【变式1】关于如图所示的原电池甲和乙，下列说法正确的是（　　） A.甲、乙中铜片上均发生还原反应 B.两池中铁片均发生反应：Fe－2e－Fe2＋ C.装置甲中电子由Cu→灯泡→Fe D.两池所得Fe、Cu金属活泼性相反 答案　C　 解析　甲池中在室温下Fe在浓硝酸中会钝化，Cu与硝酸会发生剧烈反应，所以Cu作负极，失去电子发生氧化反应；在乙池中由于Fe比Cu活泼，Fe与稀硫酸发生反应，所以铁作负极，失去电子发生氧化反应，Cu做正极，正极上发生H＋得到电子的还原反应，A项错误；甲池中铜作负极，电极反应为Cu－2e－Cu2＋，乙池中Fe为负极，发生电极反应：Fe－2e－Fe2＋，B项错误；甲池中铜作负极、铁作正极，电子由负极（Cu）经过用电器（灯泡）到达正极（Fe），C项正确；在原电池中一般活泼金属作负极，不活泼的作正极，但根据电极反应判断金属活泼性时，还要结合电解质溶液的酸碱性及电解质浓度对电极判断的影响，D项错误。 2　原电池原理的应用 3.根据电极材料Fe、Cu、石墨，电解质溶液包括CuCl2溶液、FeCl3溶液、NaOH溶液，选择合适的材料和溶液，运用原电池原理设计实验装置，验证Cu2＋、Fe3＋的氧化性的强弱。 （1）如何证明氧化性Fe3＋＞Cu2＋？ （2）请画出相关的原电池装置图（含盐桥）。 （1）利用反应2Fe3＋＋Cu2Fe2＋＋Cu2＋，氧化性：氧化剂（Fe3＋）＞氧化产物（Cu2＋）。 （2） 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.比较金属活动性强弱 【例题2】有A、B、D、E四种金属，当A、B、稀硫酸组成原电池时，电子流动方向为A➝B；当A、D、稀硫酸组成原电池时，A为正极；当B、E组成原电池时，电极反应式为E2＋＋2e－E，B－2e－B2＋，则A、B、D、E金属性由强到弱的顺序为（　　） A. A＞B＞E＞D B. A＞B＞D＞E C. D＞E＞A＞B D. D＞A＞B＞E 思维导引：结合题给条件，判断组成原电池的正、负极，一般作负极的金属比作正极的活泼。 答案　D　 解析　根据“当A、B、稀硫酸组成原电池时，电子流动方向为A➝B”可知金属性A＞B；根据“当A、D、稀硫酸组成原电池时，A为正极”可知金属性D＞A；根据“当B、E组成原电池时，电极反应式为E2＋＋2e－E，B－2e－B2＋”可知金属性B＞E，综上可知，金属性由强到弱的顺序为D＞A＞B＞E，故选D项。 　 归纳总结 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。 一般来说，原电池中较活泼金属作负极，较不活泼的金属或导电的非金属作正极，也可能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；但若以氢氧化钠溶液为电解质溶液，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。 【变式2】一定量的锌粉和6 mol·L－1的过量盐酸反应，当向其中加入少量的下列物质时，既能够加快反应速率，又不影响产生H2的总量的是（　　） ①石墨粉　②CuO　③铜粉　④铁粉　⑤浓盐酸 A.①②⑤ B.①③⑤ C.③④⑤ D.只有①③ 答案　B　 解析　加入石墨粉，Zn、C、盐酸构成原电池，反应速率加快，且不影响产生H2的总量，①正确；加入CuO，CuO与盐酸反应生成氯化铜，氯化铜与锌反应生成铜，形成原电池，反应速率加快，但锌的量减少，产生H2的总量减少，②错误；加入铜粉，构成原电池，反应速率加快，且不影响产生H2的总量，③正确；加入铁粉，构成原电池，反应速率加快，但铁可以与盐酸反应生成氢气，产生H2的总量增多，④错误；加入浓盐酸，氢离子浓度增大，反应速率加快，且不影响产生H2的总量，⑤正确，故选B项。 3.设计原电池 （1）理论上，任何一个自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池。 （2）设计示例 设计思路 示例 以自发进行的氧化还原反应为基础 2FeCl3＋Cu2FeCl2＋CuCl2 把氧化还原反应分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）： Cu－2e－Cu2＋ 还原反应（正极）： 2Fe3＋＋2e－2Fe2＋ 以两极反应为原理，确定电极材料及电解质溶液 负极材料：Cu 正极材料：石墨或铂 电解质溶液：FeCl3溶液 画出示意图 【例题3】某实验小组同学为探究电化学原理，进行了如下一系列实验。 （1）该实验小组同学设计了如图所示的原电池装置，该原电池反应为　　　　（用离子方程式表示）。经测定发现，反应前两电极质量相等，一段时间后，两电极质量相差12 g，则导线中通过了　　　　 mol电子。 （2）若将CuCl2溶液换为NH4Cl溶液，则石墨电极上的电极反应式为　　　　，这是由于NH4Cl溶液显　　　　（填“酸性”“碱性”或“中性”），用离子方程式表示NH4Cl溶液显此性的原因：　　　　。取少量铁电极附近的溶液置于试管中，向其中滴加少量新制饱和氯水，则发生反应的离子方程式为　　　　。 思维导引：利用原电池原理，结合装置及其电解质溶液的性质，判断“自发”氧化还原反应，然后具体问题具体分析。 解析　（1）根据题图可知反应的离子方程式为Fe＋Cu2＋Fe2＋＋Cu。负极反应为Fe－2e－Fe2＋，正极反应为Cu2＋＋2e－Cu，故转移2 mol电子时，两极质量差为120 g，则两极质量差为12 g时，转移电子0.2 mol。（2）NH4Cl溶液由于N水解而显酸性：N＋H2ONH3·H2O＋H＋。故石墨电极放电的是H＋：2H＋＋2e－H2↑。负极区生成Fe2＋，Fe2＋易被氯水氧化。 答案：（1）Fe＋Cu2＋Fe2＋＋Cu　0.2 （2）2H＋＋2e－H2↑　酸性　N＋H2ONH3·H2O＋H＋　2Fe2＋＋Cl22Fe3＋＋2Cl－ 【变式3】已知电极材料有铁、铜、石墨、锌；电解质溶液有CuCl2溶液、Fe2（SO4）3溶液、稀硫酸。按要求回答下列问题： （1）若电极材料选铜和石墨，电解质溶液选Fe2（SO4）3溶液，外加导线，能否构成原电池？　　　　。若能，请写出电极反应式：负极为　　　　，正极为　　　　。（若不能，后两空不填） （2）设计一种以铁和稀硫酸反应为原理的原电池，要求画出装置图（需标明电极材料、电解质溶液及电池的正、负极）。 解析　（1）依题意Fe2（SO4）3能与Cu发生如下反应：）3＋Cu2FeSO4＋CuSO4。所以根据给出的条件可以设计成原电池，其中负极为Cu，电极反应式为Cu－2e－Cu2＋，正极为石墨，电极反应式为2Fe3＋＋2e－2Fe2＋。（2）因为总反应式为Fe＋H2SO4FeSO4＋H2↑，所以负极为Fe，正极可为铜或石墨，电解质溶液为稀硫酸，据此即可画出装置图。 答案：（1）能　Cu－2e－Cu2＋　2Fe3＋＋2e－2Fe2＋ （2） 3　化学电源电极方程式的书写 4.一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。 （1）电极A上的电极反应式为　　　　 　　　　。 （2）电极B上的电极反应式为　　　　 　　　　。 （3）电池总反应式为　　　　。 （1）CO＋H2＋2C－4e－H2O＋3CO2 （2）O2＋2CO2＋4e－2C （3）CO＋H2＋O2CO2＋H2O 1.根据装置书写电极反应式 （1）确定原电池的正、负极及放电的物质 首先根据题目给出的装置图的特点，结合原电池正、负极的判断方法，确定原电池的正、负极及放电的物质。 （2）书写电极反应式 ①负极反应 规律：活泼金属或H2（或其他还原剂）失去电子生成金属阳离子或H＋（或其他氧化产物）。若电解质溶液中的阴离子能与生成的金属阳离子或H＋发生反应，则该阴离子应写入负极反应式。如铅酸蓄电池，负极：Pb＋S－2e－PbSO4。 ②正极反应 规律：阳离子得到电子生成单质（或低价离子），或O2得电子。如果是O2得电子，则有以下两种写法： 电解质是碱性或中性：O2＋2H2O＋4e－4OH－ 电解质是酸性：O2＋4H＋＋4e－2H2O （3）写出电池总反应式 结合得失电子守恒，将正、负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。 2.根据原电池总反应式，写电极反应式 （1）逐步分析法 （2）简单电极反应突破法 根据总反应方程式和电解质性质，先写出较简单的电极反应，然后用总反应减去该电极反应得另一极的电极反应。 复杂电极反应＝总反应－较简单一极的电极反应 如CH4酸性燃料电池中： 总反应：CH4＋2O2CO2＋2H2O 正极反应：2O2＋8H＋＋8e－4H2O 负极反应：CH4＋2H2O－8e－CO2 ＋8H＋ 【例题4】以N2和H2为反应物，以溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制成能固氮的新型燃料电池，原理如图所示。下列说法不正确的是（　　） A. b电极为负极，发生氧化反应 B. a电极发生的反应为N2＋8H＋＋6e－2N C. A溶液中所含溶质为NH4Cl D.当反应消耗1 mol N2时，消耗H2的体积为67.2 L 思维导引：固氮燃料电池，结合N2和H2的反应可知转化为NH3，与稀盐酸溶液作用产生NH4Cl。 答案　D　 解析　N2＋3H22NH3，反应中氢元素的化合价升高，H2失去电子，因此b电极为负极，发生氧化反应，A项正确；a电极为正极，电解质溶液为溶有A的稀盐酸，因此电极反应式为N2＋8H＋＋6e－2N，B项正确；根据B项的分析可知，A溶液中所含溶质为NH4Cl，C项正确；没有说明温度和压强，无法计算气体体积，D项错误。 【变式4】有人设计出利用CH4和O2的反应，用铂电极在KOH溶液中构成原电池。电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧，则下列说法正确的是（　　） ①每消耗1 mol CH4可以向外提供8 mol e－ ②负极上CH4失去电子，电极反应式为CH4＋10OH－－8e－C＋7H2O ③负极上是O2获得电子，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－4OH－ ④电池放电后，溶液pH不断升高 A.①② B.①③ C.①④ D.③④ 答案　A　 解析　通入CH4的电极为负极，电极反应式为CH4＋10OH－－8e－C＋7H2O，每消耗1 mol CH4可以向外电路提供8 mol e－，①②正确；通入氧气的电极为正极，得到电子发生还原反应O2＋2H2O＋4e－4OH－，③错误；电池总反应为CH4＋2OH－＋2O2C＋3H2O，随着反应的进行，溶液中氢氧根离子不断减少，溶液pH不断减小，④错误。故选A项。 学科网（北京）股份有限公司 $$