4.1 原电池 学案 -2024-2025学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

第一节 原电池 【学习目标】 1．理解原电池原理，能判断电极名称、电子流向、电流流向；正确书写电极反应方程式。 2．了解常见化学电源的工作原理，了解新型化学电源。 3．了解化学腐蚀及电化学腐蚀与一般腐蚀的区别，了解金属防护方法。 【学习重点、难点】正确书写电极反应方程式。 知识点一：原电池的工作原理 1．概念：将 的装置。 2．原电池工作原理：（以铜锌原电池为例） 电极名称 负极 正极 电极材料 锌片 铜片 电极反应 反应类型 电子流向 盐桥中离子移向 盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极 电池总反应 【导思1】原电池的构成条件？ ( Zn H 2 SO 4 Zn Zn C 2 H 5 OH Cu Zn H 2 SO 4 Cu Zn HCl Cu Fe HCl A B C D E )【导练1】下列装置能构成原电池的是（ ） 【导练2】有关电化学知识的描述正确的是(　　) A．CaO＋H2O=Ca(OH)2，可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池，把其中的化学能转化为电能 B．某原电池反应为Cu＋2AgNO3=Cu(NO3)2＋2Ag，装置中的盐桥中可以是装有含琼胶的 KCl饱和溶液 C．原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成 D．理论上说，任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池 【特别注意】⑴电解质溶液中阴、阳离子的定向移动，与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整的闭合回路。⑵无论在原电池还是在电解池中，电子均不能通过电解质溶液。⑶原电池的负极失去电子的总数等于正极得到电子的总数。 【导思2】原电池正负极的判断 【导练3】分析下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↑ 【导思3】设计原电池的解题思路？电极反应式的书写步骤？ 【导练4】将下列反应设计成原电池：Fe与FeCl3反应： 负极（材料 ） （ 反应） 正极（材料 ） （ 反应） 总反应： 知识点二：几种常见的化学电源 【导读】电池优劣的判断标准：①比能量［符号(A·h/kg)，(A·h/L)］：指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少；②比功率[符号是W/kg，W/L)]： 指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小；③电池的储存时间的长短。 【导读】一次电池：一次电池又称不可充电电池——如：锌－锰干电池。 普通锌锰电池：用锌制筒形外壳作负极，位于中央的顶盖有铜帽的石墨作正极，在石墨周围填充MnO2和碳粉，ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作为电解质溶液。 负极： 正极：2MnO2 ＋2NH4+ ＋2e－ ＝Mn2O3＋2NH3↑＋H2O 总反应：Zn+2MnO2＋2NH4+ ＝Zn2+ ＋Mn2O3 ＋2NH3 ↑＋H2O 碱性锌锰干电池：负极（锌筒）：Zn-2e- + 2OH - =Zn(OH)2 正极（石墨）：2MnO2+ 2e - +2H2O=2MnOOH +2OH – 总反应：Zn+ 2MnO2+2H2O =2MnOOH+ Zn(OH)2 【导读】二次电池：二次电池又称充电电池——铅蓄电池(Pb－PbO2－H2SO4)：（放电时作原电池） 负极： 正极： 总反应： 【导读】燃料电池：氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为活性电极，有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等。电解质可为酸或碱溶液。 【导练5】氢氧燃料电池： 电解质为硫酸时，试写出电极反应及总反应方程式？ 电解质为KOH时，试写出电极反应及总反应方程式？ 【导练6】分析写出甲烷燃料电池在不同环境下的电极反应式： 用KOH作电解质溶液： 负极： pH值变 正极： pH值变 总反应式：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O 用硫酸作电解质溶液： 负极： pH值变 正极： pH值变 固体电解质(高温下能传导O2－)： 负极： 正极： 熔融碳酸盐(如：熔融K2CO3)环境下： 负极： 正极： 知识点三：金属的电化学腐蚀 【导读】金属腐蚀：是指金属或合金与周围的气体或液体物质发生氧化还原反应而引起损耗的过程。金属腐蚀一般分为 和 两大类。 吸氧腐蚀和析氢腐蚀（其中吸氧腐蚀是普遍存在的形式） 吸氧腐蚀 析氢腐蚀 发生 条件 钢铁表面吸附的水膜中溶有O2并呈极弱酸性、中性。反应中O2得电子被还原 钢铁表面吸附的水膜中溶有CO2等呈现较强酸性。反应时有H2析出。 电极 反应 负极： 正极： 总反应 3．金属的防护 ⑴ 牺牲阳极的阴极保护法—原电池原理 。如在船只的螺旋桨附近的船体上，镶嵌活泼金属锌块。 ⑵ 外加电流的阴极保护法——电解池原理。 如大型水坝的船闸的保护就是让铁闸门和电源负极相连。 ⑶ 其他方法：改变金属内部结构，如把金属制成防腐蚀的合金；加防护层如涂油脂、油漆、搪瓷、塑料、电镀等。（白铁皮是 ；马口铁是 ） 知识点四：原电池的应用 1．比较金属的活动性大小。一般来说，原电池的负极金属比正极金属活动性强。 2．原电池反应速率大于化学反应速率。 3．判断金属腐蚀的快慢： ⑴ 电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防腐措施的腐蚀 ⑵ 原电池中的负极金属比正极金属腐蚀的快 ⑶ 同种金属，在强电解质溶液中比在弱电解质溶液中腐蚀的快 【导练7】下图中a为生铁，A、B两个烧杯中为海水，C、D烧杯中为1mol·L－1的稀硫酸。 ( a A Zn Fe B Fe Cu C Fe Cu D ) 比较A、B、C、D中铁被腐蚀的速率，由快到慢的顺序是 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： ⑴电极X的材料是________；电解质溶液Y是___________； ⑵银电极为电池的________极，发生的电极反应为____________ X电极上发生的电极反应为____________________________； ⑶外电路中的电子是从_______电极流向________电极。 【导练4】碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌—锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电流总反应式为：Zns＋2MnO2s＋H2Ol＝ZnOH2s＋Mn2O3s。 下列说法错误的是（ ） A．电池工作时，锌失去电子 B．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极 C．电池正极的电极反应式为：2MnO2s＋H2Ol＋2e＝Mn2O3s＋2OHaq D．外电路中每通过0.2 mol电子，锌的质量理论上减小6.5 g 【导练5】一种新燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇（Y2O3）的氧化锆（ZrO2）晶体，在熔融状态下能传导O2－。下列对该燃料说法正确的是（ ） A．在熔融电解质中，O2－由负极移向正极 B．电池的总反应是：2C4H10 + 13O2 ＝ 8CO2 + 10H2O C．通入空气的一极是正极，电极反应为：O2 + 4e－＝2O2－ D．通入丁烷的一极是正极，电极反应为：C4H10 + 26e－+ 13O2－＝4CO2 + 5H2O 作业 1．银质器皿日久表面会逐渐变黑，这是生成了Ag2S的缘故。根据电化学原理可进行如下处理：在铝质容器中加入食盐溶液，再将变黑的银器浸入该溶液中，一段时间后发现黑色会褪去。下列说法正确的是（ ） A．处理过程中银器一直保持恒重 B．银器为正极，Ag2S被还原生成单质银 C．该过程中总反应为2Al + 3Ag2S = 6Ag + A12S3 D．黑色褪去的原因是黑色Ag2S转化为白色AgCl 2．Mg-H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。该电池以海水为电解质溶液，示意图如下。该电池工作时，下列说法正确的是（ ） A．Mg电极是该电池的正极 B．H2O2在石墨电极上发生氧化反应 C．石墨电极附近溶液的pH增大 D．溶液中Cl－向正极移动 3．一种燃料电池中发生的化学反应为：在酸性溶液中甲醇与氧气作用生成水和二氧化碳。该电池负极发生的反应是（ ） A．CH3OH(g)+O2(g)=H2O(1)+CO2(g)+2H+(aq)+2e－ B．O2(g)+4H＋(aq)+4e－＝2H2O(1) C．CH3OH(g)+H2O(1)＝CO2(g)+6H＋(aq)+6e－ D．O2(g)+2H2O(1)+4e－＝4OH－ 4．①②③④ 四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池 ，①②相连时，外电路电流从②流向① ；①③相连时，③为正极，②④相连时，②有气泡逸出 ；③④ 相连时，③的质量减少 ，据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是（ ） A．①③②④ B．①③④② C．③④②① D．③①②④ 5．原电池电极的“正”与“负”不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关．下列说法中正确的是（ ） A．由Fe、Cu和FeCl3溶液组成的原电池中，负极反应式为：Cu－2e－＝Cu2＋ B．由Al、Cu和稀硫酸组成的原电池中，负极反应式为：Cu－2e－＝Cu2＋ C．由Al、Mg和NaOH溶液组成的原电池中，负极反应式为：Al＋4OH－－3e－＝AlO＋2H2O D．由Al、Cu和浓HNO3溶液组成的原电池中，负极反应式为：Al－3e－＝Al3＋ 6． 2013年3月我国科学家报道了如图所示 的水溶液锂离子电池体系。下列叙述错误的是(　　) A．a为电池的正极 B．电池充电反应为LiMn2O4===Li1－xMn2O4＋xLi C．放电时，a极锂的化合价发生变化 D．放电时，溶液中Li＋从b向a迁移 7．一种新型熔融盐燃料电池具有高发电效率而倍受重视。现有Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物 作电解质，一极通CO气体，另一极通O2和CO2的混合气体，制作650℃时工作的燃料电池, 其电池总反应是2CO+O2 ＝2CO2。则下列说法中正确的是（ ） A．通CO的一极是电池的正极 B．负极电极反应是：O2 + 2CO2 + 4e—= 2CO32— C．熔融盐中CO32—的物质的量在工作时保持不变 D．正极发生氧化反应 8．一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为CH3CH2OH－4e－+H2O＝CH3COOH+4H＋。下列有关说法正确的是（ ） A．检测时，电解质溶液中的H＋向负极移动 B．正极上发生的反应是：O2+4e－+2H2O=4OH－ C．若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48L氧气 D．电池反应的化学方程式为：CH3CH2OH+O2=CH3COOH+H2O 9．一种新型环保电池是采用低毒的铝合金(丢弃的易拉罐)，家庭常用的漂白水，食盐，氢氧化钠(化学药品店常见试剂)等原料制作的。电池的总反应方程式为2Al＋3ClO－＋2OH－===3Cl－＋2AlO＋H2O。下列说法不正确的是(　　) A．该电池的优点是电极材料和电解质用完后可以更换 B．该电池发生氧化反应的是金属铝 C．电极的正极反应式为3ClO－＋3H2O＋6e－===3Cl－＋6OH－ D．当有0.1 mol Al完全溶解时，流经电解液的电子个数为1.806×1023 10．某小组为研究电化学原理，设计如图2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．无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液从蓝色逐渐变成浅绿色 D．a和b分别连接直流电源正、负极，电压足够大时，Cu2＋向铜电极移动 11．Mg-AgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，电池反应方程式为： 2AgCl+ Mg = Mg2++ 2Ag +2Cl－。有关该电池的说法正确的是(　　) A．Mg为电池的正极 B．负极反应为AgCl+ e－=Ag+Cl－ C．不能被KCl 溶液激活 D．可用于海上应急照明供电 12.一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在熔融状态下能传导O2－。下列对该燃料电池说法不正确的是(　　) A．在熔融电解质中，O2－移向负极 B．电池的总反应是：2C4H10＋13O2＝8CO2＋10H2O C．通入空气的一极是正极，电极反应为：O2＋4e－＝2O2－ D．通入丁烷的一极是正极，电极反应为：C4H10＋26e－＋13O2－＝4CO2↑＋5H2O 13．（“ZEBRA”蓄电池的结构如图所示，电极材料多孔Ni/NiCl2和金属钠之间由钠离子导体制作的陶瓷管相隔。下列关于该电池的叙述错误的是(　　) A．电池反应中有NaCl生成 B．电池的总反应是金属钠还原三价铝离子 C．正极反应为：NiCl2+2e－=Ni+2Cl－ D．钠离子通过钠离子导体在两电极间移动 14．铅蓄电池的工作原理为：Pb＋PbO2＋2H2SO4＝2PbSO4＋2H2O， 研读下图，下列判断不正确的是(　　) A．K闭合时，d电极反应式：PbSO4＋2H2O－2e－＝PbO2＋4H＋＋SO B．当电路中转移0.2 mol电子时，Ⅰ中消耗的H2SO4为0.2 mol C．K闭合时，Ⅱ中SO向c电极迁移 D．K闭合一段时间后，Ⅱ可单独作为原电池，d电极为正极 15．某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构如图，电池总反应可表示为：2H2＋O2 ＝ 2H2O，下列有关说法正确的是(　　) A．电子通过外电路从b极流向a极 B．b极上的电极反应式为：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－ C．每转移0.1 mol电子，消耗1.12 L的H2 D．H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极 16． 金属铜不溶于稀硫酸，可溶于铁盐溶液生成铜盐与亚铁盐．现将一定量的铜片加入到100 mL稀硫酸和硫酸铁的混合液中，铜片完全溶解(不考虑盐的水解及溶液体积的变化) ⑴写出铜溶解于上述混合液的离子方程式____________________________。 ⑵若铜完全溶解时，溶液中的Fe3＋、Cu2＋、H＋三种离子的物质的量浓度相等，且测得溶液的pH＝1，则溶解铜的质量是________g，溶液中的c(SO)＝________mol/L. ⑶若欲在如图所示的装置中发生(1)中的反应，请判断图中的正、负极，并选出适当的物质作电极，写出电极反应式，填在相应的表格中 ( 正、负极判断 电极材料 电极反应式 X 极 Y 极 ) 17． 锂锰电池的体积小、性能优良，是常用的一次电池。该电池反应原理如图所示，其中电解质LiClO4，溶于混合有机溶剂中，Li＋通过电解质迁移入MnO2晶格中，生成LiMnO2。 回答下列问题： ⑴外电路的电流方向是由________极流向________极。(填字母) ⑵电池正极反应式为__________________________。 ⑶是否可用水代替电池中的混合有机溶剂？________(填“是”或“否”)， 原因是________________________________________________。 ⑷MnO2可与KOH和KClO3在高温下反应，生成K2MnO4，反应的化学方程式为____________________________________。K2MnO4在酸性溶液中歧化，生成KMnO4和MnO2的物质的量之比为________。 18．某兴趣小组同学利用氧化还原反应：2KMnO4＋10FeSO4＋8H2SO4==2MnSO4＋5Fe2(SO4)3＋K2SO4＋8H2O设计如下原电池，其中甲、乙两烧杯中各物质的物质的量浓度均为1 mol·L－1，盐桥中装有饱和K2SO4溶液。回答下列问题： ⑴发生氧化反应的烧杯是________(填“甲”或“乙”)。 ⑵外电路的电流方向为：从________到________。 ⑶电池工作时，盐桥中的SO移向________烧杯。 ⑷甲烧杯中发生的电极反应为______________________________________________． 19．能源问题是当前人类社会面临的一项重大课题，H2、CO、CH3OH都是重要的能源物质，它们的燃烧热依次为285.8 kJ/mol、282.5 kJ/mol、726.7 kJ/mol。请回答： ⑴已知CO和H2在一定条件下可以合成甲醇。则H2与CO反应生成CH3OH的热化学方程式为： 。 ⑵如图为某种燃料电池的工作原理示意图，a、b均为惰性电极。 ①使用时，空气从 口通入(填“A”或“B”)； ②假设使用的“燃料”是甲醇，a极的电极反应式为： ③假设使用的“燃料”是水煤气(成分为CO、H2)，用这种电池电镀铜，待镀金属增重6.4 g，则至少消耗标准状况下水煤气的体积为 。 20．化学实验有助于理解化学知识，形成化学观念，提高探究与创新能力，提升科学素养。 ⑴在实验室中用浓盐酸与MnO2共热制取Cl2并进行相关实验。 ①下列收集Cl2的装置正确的是 。 ②将Cl2通入水中，所得溶液中具有氧化性的 含氯粒子是 。 ③设计实验比较Cl2和Br2的氧化性，操作与现象是： 取少量新制氯水和CCl4于试管中， 。 ⑵能量之间可以相互转化：电解食盐水制备Cl2是将电能转化为化学能，而 原电池可将化学能转化为电能。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（见图15），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 。 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 。 ⑶根据牺牲阳极的阴极保护法原理，为减缓电解质溶液中铁片的腐蚀，在⑵的材料中应选 作阳极。 答案： B、C、C、B、C、C、C、D、D、D、D、D、B、C、D、 16．(1)Cu＋2Fe3＋ ＝Cu2＋ ＋2Fe2＋ (2)0.64 0.5 ( 正、负极判断 电极 材料 电极反应式 X极 负极 铜 Cu－2e － ＝Cu 2＋ Y极 正极 碳 2Fe 3＋ ＋2e － ＝2Fe 2＋ )(3) 17．(1)b　a (2)MnO2＋e－＋Li＋===LiMnO2 (3)否　电极Li是活泼金属，能与水反应 (4)3MnO2＋KClO3＋6KOH3K2MnO4＋KCl＋3H2O　 2∶1 18. ⑴乙 ⑵a b ⑶乙 ⑷ MnO4-+5 e-+8H+ ==Mn2++4H2O 19．(1)CO(g)+2H2(g)=CH3OH(l) △H= -127.4 kJ/mol (2)①B；②CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O；③2.24 L 20． 答案：20.⑴C； HClO、ClO—和Cl2； 加入NaBr溶液，振荡静置，溶液分层， 上层无色，下层呈橙色 ⑵①(装置图如下)； ②逐渐溶解（或质量减小）； ③甲；甲使用了盐桥，避免负极金属直接与溶液中的Cu2+反应而造成能量损失 （3）Zn 1 学科网（北京）股份有限公司 $$