专题1 第2单元 第1课时 原电池的工作原理（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修1（苏教版2019）

第二单元　化学能与电能的转化 第1课时　原电池的工作原理 课程标准 核心素养目标 1.认识化学能转化为电能的实际意义及其重要应用。 2．了解原电池的工作原理。 3．能分析、解释原电池的工作原理，能设计简单的原电池。 1.宏观辨识与微观探析：能根据原电池的构成条件辨识原电池装置，能分析原电池中能量转化及与物质性质的关系。 2．证据推理与模型认知：能通过原电池认知模型理解原电池的工作原理，通过在复杂化学问题中应用模型解决问题加深对模型的认识。 [对应学生用书P14] 1．常见原电池——铜锌原电池 (1)锌棒插入硫酸铜溶液中发生反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，能量转化方式是化学能转化为热能。 (2)把锌棒和铜棒共同插入硫酸铜溶液中，如下图甲所示，能量转化方式是化学能转化为热能；若如图乙所示，电流表A的指针不偏转；若如图丙所示，电流表的指针偏转，能量转化方式是化学能转化为电能。 [微点拨]　(1)盐桥的组成：盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼脂，琼脂不流出，离子可在其中自由移动。(2)盐桥的作用：①平衡电解质溶液中的电荷，起导电作用，形成闭合回路；②避免电极与电解质溶液直接接触，减少电流的衰减。 2．原电池的构成条件 3．实验探究：铜锌原电池的工作原理(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，被氧化成Zn2＋进入ZnSO4溶液； 在硫酸铜溶液中，正极一端的Cu2＋获得电子，被还原成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：Zn－2e－===Zn2＋(氧化反应) 正极：Cu2＋＋2e－===Cu(还原反应) 总反应：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu [对应学生用书P15] 探究一 原电池工作原理 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。 (注：盐桥中装有KCl饱和溶液的琼脂) [问题设计] (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：①使两个半电池形成通路，并保持两溶液的电中性。②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。 (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。 (3)在该原电池中，得失电子的物质是什么？各发生什么类型的反应？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。 (4)写出Pt和Cu的电极反应式及该原电池的总反应。 提示：Pt：Fe3＋＋e－===Fe2＋；Cu：Cu－2e－===Cu2＋； 总反应为2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋。 (5)原电池中两个电极的作用是什么？ 提示：电极的作用是导电，有的电极可能参与反应。 1．原电池工作原理示意图 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。 【例1】 某同学设计了如下装置，在获得盐酸的同时对外提供电能。 下列说法正确的是(　　) A．该装置中的离子导体可以是稀氢氧化钠溶液 B．负极反应式是H2－2e－===2H＋ C．H2 与 Cl2反应的化学能全部转化为电能 D．H2与Cl2反应生成离子化合物HCl，电离出离子而导电 B　解析：制取盐酸，不能用碱液作为电解质溶液，A错误；化学能不能全部转化为电能，C错误；HCl是共价化合物，D错误。 1．甲酸是基本有机化工原料之一。某科研团队利用光催化剂制甲酸的装置如图所示。已知： 2CO2＋2H2O===2HCOOH＋O2　ΔH>0。下列说法错误的是(　　) A.电极电势：电极N高于电极M B．该装置把光能和化学能直接转化为电能 C．正极电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===HCOOH D．整套装置质量增加5.6 g时，可制得9.2 g HCOOH(不考虑气体溶解) B　解析：由图知 M是负极，N是正极，正极电势高于负极；正极电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===HCOOH；根据总反应： ， 整套装置质量增加5.6 g时，可制得9.2 g HCOOH；光能先转化为化学能，化学能转化为电能，B错误。 探究二 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？怎样比较金属活动性的强弱呢？ [问题设计] (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：锌置换出铜构成铜锌原电池。 (2)设计实验比较Mg和Cu的活动性。 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，金属活动性大小：Mg>Cu。稀硫酸可用稀盐酸、CuSO4溶液等代替。 (3)NaOH＋HCl===NaCl＋H2O、CO2＋C2CO这两个反应能设计成原电池吗，为什么？ 提示：不能，前者不是氧化还原反应。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。 (4)根据反应：2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2设计原电池，确定正负极和电解质溶液，写出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：Cu－2e－===Cu2＋、正极：2Fe3＋＋2e－===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，金属活动性大小：a＞b。 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 2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2 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：铜和CuCl2溶液 正极：碳(或铂)和FeCl3溶液 画出示意图 【例2】 铝作为一种应用广泛的金属，在电化学领域也发挥着重要作用。回答下列问题： (1)某同学根据氧化还原反应2Al＋3Cu2＋===2Al3＋＋3Cu设计如图1所示的原电池。 ①Z的化学式为 ，电极Y的材料为 。 ②X电极的电极反应式为 。 (2)新型电池中的铝电池类型较多。 ①Al­空气燃料电池可用作电动汽车的电源，该电池多以NaOH溶液为电解液。电池工作过程中电解液的pH (填“增大”“减小”或“不变”)。 ②Al­AgO电池可用作水下动力电源，其原理如图2所示。该电池反应为2Al＋3AgO＋2NaOH===2NaAlO2＋3Ag＋H2O，则负极的电极反应式为 ；当电极上析出1.08 g Ag时，电路中转移的电子为 mol。 答案：(1)①CuSO4(其他合理答案也可)　Al　 ②Cu2＋＋2e－===Cu　(2)①减小　②Al＋4OH－－3e－===AlO＋2H2O　0.02 解析：(1)①根据已知离子方程式可知，Al作负极，Z为含Cu2＋的可溶性盐。②X电极作正极，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。(2)①Al­空气燃料电池的总反应式为4Al＋3O2＋4OH－===4AlO＋2H2O，故溶液碱性减弱，pH减小。②该电池的负极反应式为Al＋4OH－－3e－===AlO＋2H2O；正极反应式为AgO＋2e－＋H2O===Ag＋2OH－，当电极上析出1.08 g(0.01 mol)Ag时，电路中转移的电子为0.02 mol。 2．(2023·福州高二联考)设计两种类型的原电池，探究其能量转化效率。 限选材料：ZnSO4(aq)、FeSO4(aq)、CuSO4(aq)、铜片、铁片、锌片和导线。 (1)完成原电池甲的装置示意图，并作相应标注。 要求：在同一烧杯中，电极与溶液含相同的金属元素。 (2)铜片为电极之一，CuSO4(aq)为电解质溶液，只在一个烧杯中组装原电池乙，工作一段时间后，可观察到负极的现象是 。 (3)甲、乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是 ，其原因是 。 答案：(1)(下列三幅图中，作出任意一幅即可) (2)电极逐渐溶解 (3)甲　原电池乙的负极可与CuSO4溶液直接发生反应，导致部分化学能转化为热能；原电池甲的负极不与所接触的电解质溶液发生化学反应，化学能在转化为电能时损耗较小 [对应学生用书P17] 1．分析如图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是(　　) A．①②中Mg作负极，③④中Fe作负极 B．②中Mg作正极，电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑ C．③中Fe作负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋ D.④中Cu作正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑ B　解析：②中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能和NaOH溶液反应，失去电子，故Al作负极，③中Fe在浓硝酸中易钝化，Cu和浓硝酸反应失去电子，故Cu作负极，A、C错误；②中电池总反应式为2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑，负极电极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO＋4H2O，二者相减得到正极电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑，B正确；④中Cu作正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D错误。 2．如图所示，下列说法正确的是(　　) A.装置 Ⅰ 和装置 Ⅱ 中负极反应式均是Fe－2e－===Fe2＋ B．装置 Ⅰ 和装置 Ⅱ 中正极反应式均是O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C．装置 Ⅰ 和装置 Ⅱ 的盐桥中的阳离子均向右侧烧杯移动 D．放电过程中，装置 Ⅰ 左侧烧杯和装置 Ⅱ 右侧烧杯中溶液的pH均增大 D　解析：装置 Ⅰ 中的Zn为负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，A错误；装置 Ⅱ 的正极为Cu，如果HCl足量，则正极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，B错误；原电池中阳离子向正极移动，故装置 Ⅰ 的盐桥中阳离子移向左侧烧杯，装置 Ⅱ 的盐桥中阳离子移向右侧烧杯，C错误；放电过程中装置 Ⅰ 左侧烧杯的电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，pH增大，装置 Ⅱ 右侧烧杯中H＋反应生成H2，pH增大，D正确。 3．由A、B、C、D四种金属按下表中装置图进行实验。 装置 现象 二价金属A不断溶解 C的质量增加 A上有气体产生 根据实验现象回答下列问题： (1)装置甲中负极的电极反应式是 。 (2)装置乙中正极的电极反应式是 。 (3)装置丙中溶液的pH (填“变大”“变小”或“不变”)。 (4)四种金属活动性由强到弱的顺序是 。 答案：(1)A－2e－===A2＋ (2)Cu2＋＋2e－===Cu (3)变大 (4)D＞A＞B＞C 解析：甲、乙、丙均为原电池装置，依据原电池原理，甲中A不断溶解，则A为负极、B为正极，金属活动性：A＞B；乙中C极增重，即析出Cu，则B为负极，金属活动性：B＞C；丙中A上有气体(即有H2)产生，则A为正极，金属活动性：D＞A，随着H＋的消耗，pH变大。 学科网（北京）股份有限公司 $$