4.1.1 原电池的工作原理 课件 -2026-2027学年高二上学期化学人教版选择性必修1

高中化学 人教版选择性必修1 第四章 化学反应与电能 第1节　原电池 第1课时 原电池的工作原理 学习目标 1、认识化学能转化为电能的实际意义及应用，发展“变化观念与平衡思想”学科核心素养。 2、了解原电池的工作原理及电极反应式书写，发展“证据推理与模型认知”学科核心素养。 3、了解原电池原理的应用，发展“科学态度与社会责任”学科核心素养 新课导入 生活中离不开电 生活中的电池 知识回顾 ☁ 学案31：对点练2 ☁ 下列装置中，能组成原电池的是 原电池的构成条件 4 一、概念 二、构成要素 ①自发的氧化还原反应（原电池的总反应） ②电子导体——活泼性不同的两电极（一般相对较活泼的金属作 ） ③离子导体——电解质溶液（或熔融电解质） ④形成闭合回路 氧化还原为中心， 两极一液成回路 知识回顾 把       转化为     的装置 化学能 电能 负极 原电池的构成条件 ☁ 学案31：对点练1 ☁ 理论上不能设计为原电池的化学反应是（ ） A．HNO3(aq)＋NaOH(aq) = NaNO3(aq)＋H2O(aq)  ΔH<0 B．CH4(g)＋2O2(g) ==== CO2(g)＋2H2O(l)  ΔH<0 C．2H2(g)＋O2(g) ==== 2H2O(l)  ΔH<0 D．2FeCl3(aq)＋Fe(s) = 3FeCl2(aq)  ΔH<0 点燃 点燃 A 课 堂 练 习 7 ☁ 学案31：对点练 ☁ 下列烧杯中盛放的都是稀硫酸，在铜电极上能产生气泡的是(　　) A 课 堂 练 习 阳离子 正极 阴离子 负极 稀硫酸 锌片 铜片 Zn－2e－=Zn2+ 氧化反应 负极 发生溶解 2H++2e－=H2↑ 还原反应 正极 产生气泡 外电路 内电路 负极 沿导线 正极 正极 沿导线 负极 电子流向： 电流方向： 原电池总反应：_____________________ 电子不下水，离子不上岸 Zn+2H+=Zn2++H2↑ “阳移正阴移负” “正正负负” 双液原电池 原电池的工作原理 原电池的本质： 将一个可以自发进行的氧化还原反应分开在两个区域进行，将两个区域用导线连接起来，电子则定向的由发生氧化反应的负极流向发生还原反应的正极，从而实现化学能向电能的转化。 原电池输出电能的能力，取决于组成原电池的反应物的氧化还原能力 双液原电池 原电池的工作原理 如图所示，在盛有稀硫酸的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y，外电路中电子流向如图所示。关于该装置的下列说法正确的是(　　) A、外电路的电流方向：X→外电路→Y B、若两电极分别为Fe和碳棒，则X为碳棒，Y为Fe C、X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应 D、若两电极都是金属，则它们的活动性顺序为X > Y D 课 堂 练 习 原电池正、负极的判断方法有哪些？ 负极 判断依据 正极 活泼或发生反应的金属 电极材料 不活泼金属或导电非金属 电子流出 电子流向 氧化反应 电极反应 电子流入 还原反应 阴离子移向 离子移向 阳离子移向 电流流入 电流移向 电流流出 父 养 挣 还 双液原电池 原电池的工作原理 ☁ 学案31：基础练1 ☁ 在如图所示的柠檬水果电池中，外电路上的电子从电极Y流向电极X。若X为铅电极，则Y可能是(　　) A．锌 B．银 C．石墨 D．铜 A ☁ 学案31：基础练2 ☁ 在 Mg-Al-NaOH 溶液构成的原电池中，负极是(　　) A. Mg B. Al C. 水 D. 无法确定 B 课 堂 练 习 ☁ 学案31：基础练6 ☁ 如图所示装置，电流表发生偏转，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为稀硫酸 B．A是Cu，B是Zn，C为稀硫酸 C．A是Fe，B是Ag，C为AgNO3溶液 D．A是Ag，B是Fe，C为AgNO3溶液 课 堂 练 习 D 预测现象 实际现象 负极 正极 电解质 电流表 锌片逐渐溶解变薄 Cu片上有红色物质析出 溶液蓝色逐渐变浅 电流表指针发生偏转 锌片上也有红色物质析出 Cu片上有红色物质析出 溶液蓝色逐渐变浅 电流表指针偏转，但电流在衰减 分析原因 Zn片 Cu片 Zn与Cu2+ 直接接触，发生置换反应。 单液原电池中，Zn与Cu2+直接接触，同时同地发生电子转移，大部分化学能转变为热能；Cu附着，阻止Zn2+进入溶液，导致电子不能完全输送到铜片上，使电流减小。 转移的电子没完全经过导线 电流衰减的原因 铜锌单液原电池的再探究 单液电池中，Zn与Cu2+直接接触，同时同地发生电子转移，大部分化学能转变为热能；Cu附着，阻止Zn2+进入溶液，导致电子不能完全输送到铜片上，使电流减小。 单液原电池的缺点： ① 锌与CuSO4溶液直接接触，可发生置换反应，导致 部分化学能转为热能。 ② 工作时，锌片上也有Cu析出，原电池的电动势很快降低，电压不稳定； 电子不能完全经过导线输送到铜片上，电流衰减明显。 解决问题的关键： 还原剂Zn与氧化剂CuSO4不直接接触 铜锌单液原电池的再探究 如何改进实验装置，获得持续稳定的电流呢？ A ① 还原剂Zn与氧化剂CuSO4不直接接触 Cu Zn CuSO4溶液 A ZnSO4溶液 CuSO4溶液 Zn Cu 【思考】负极区域应该用什么电解质溶液呢？ 与电极材料和盐桥中的电解质均不反应 没有电流 两个溶液间缺少离子导体 无法形成闭合回路 ② 加一个合适的“桥梁”沟通两种电解质溶液 A ZnSO4溶液 CuSO4溶液 Zn Cu 有电流 盐桥 双液原电池 含负极对应金属离子的盐溶液 铜锌单液原电池的改进 电解质溶液和电极材料的选择：烧杯中的电解质溶液应与电极材料具有相同的阳离子。盐桥与电解质溶液接触，因此盐桥中电解质与烧杯中的电解质不能相互反应；同时，要选取阴阳离子移动速度接近的电解质。 如图4-1所示，将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液用一个盐桥连接起来，然后将锌片和铜片用导线连接，并在中间串联一个电流表，观察现象。取出盐桥，观察电流表的指针有何变化。 【实验4-1】 插入盐桥时电流表指针发生偏转，且电流稳定。 取出盐桥，电流表指针回零。 实验现象 实验探究 双液原电池 为什么改进后的装置能够持续、稳定的产生电流？盐桥在此的作用是什么？ 盐桥：装有含KCl饱和溶液的琼脂的U型管， K+和Cl-可在其中自由移动，离子只出不进。 盐桥的作用： ① 连接两个半电池，形成闭合回路； ② 提供离子，平衡电荷，使溶液呈电中性； ③避免电极与电解质溶液直接反应，减少电流衰减，提高原电池的工作效率。 离子移动方向： 正正，负负 拓展：琼脂起到固定作用，防止KCl溶液直接流出来。 K+向正极移动，Cl-向负极移动 实验探究 双液原电池 琼脂：固定作用，防止KCl溶液直接流出。. 分开氧化还原反应，避免电极与电解质溶液直接发生反应，相比单液原电池更有利于将化学能转化为电能。 1、注明原电池的组成。 2、标明氧化反应和还原反应发生区域。 3、标明电子的运动方向和阴阳离子的迁移方向。 绘制要求： 请结合图4-1绘制原电池工作原理的示意图，并于同学交流。 思考与讨论 教材P97 双液原电池 e- Zn2+ Zn Cu2＋ Cu 盐桥 ZnSO4溶液 CuSO4溶液 氧化反应 Zn - 2e- = Zn2+ 还原反应 Cu2+ + 2e- = Cu 总反应：Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+ 盐桥： K+向正极移动 Cl- 向负极移动 Zn 负极 Cu 电子导体 离子导体 正极 K＋ Cl- 双液原电池 ☁ 学案32：基础练5 ☁ 结合下图判断，下列叙述不正确的是(　　) A. Ⅰ、Ⅱ的反应原理均是Zn＋Cu2＋ = Zn2＋＋Cu B. Ⅰ、Ⅱ中均有电子转移，均是把化学能转化为电能 C. 随着反应的进行，Ⅰ、Ⅱ中CuSO4溶液颜色均逐渐变浅 D. 取a中溶液，加足量Ba(NO3)2溶液， 过滤后向滤液中加AgNO3溶液，有沉淀产生 课 堂 练 习 B 双液原电池：电流较小、稳定 单液原电池：电流较大、衰减快 双液电池 单液电池 【思考】双液原电池电流小的原因？ 1、离子运动的距离长 2、离子运动的通道窄 3、离子容量小 改进? 缩短盐桥的长度， 增大盐桥的横截面积 能否用一张薄薄的隔膜代替盐桥呢？ 离子交换膜 （隔膜原电池） 双液原电池的改进： 双液原电池 隔膜原电池中离子是如何移动？离子浓度怎样变化？ 阴离子交换膜： 只允许阴离子通过 阳离子交换膜 只允许阳离子通过 质子交换膜 只允许H+ 通过 隔膜：将电池的正负极材料隔开，防止两极接触发生短路 （不同的膜形成不同的离子通道）。 双液原电池的改进： 双液原电池 电流强而且稳定 ☁ 学案32：基础练3 ☁ 锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是(　　) A．铜电极上发生氧化反应 B．原电池工作一段时间后，甲池的c(S)减小 C．原电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加 D．阴、阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡 课 堂 练 习 C 归纳小结 名称 单液原电池 双液原电池 隔膜原电池 优点 缺点 装置图 电流强 1.电流衰减明显，能量转化率低 2.氧化剂与还原剂直接接触，寿命短 1.内阻大，电流弱 2.盐桥需要定期更换 1.能量转化率高 2.避免氧化剂与还原剂 直接接触，寿命长 1.能量转化率高 2.避免氧化剂与还原剂 直接接触，寿命长 3.内阻小，电流强 已经能够实用化 CuSO4溶液 CuSO4溶液 CuSO4溶液 一、加快化学反应速率 ②举例： 在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液，能使产生H2的速率增大。 （CuSO4与锌发生置换反应生成Cu，从而形成Cu－Zn微小原电池） 一个自发进行的氧化还原反应，构成原电池时比直接接触的反应速率快。 ①原理： 在形成的原电池中，氧化反应和还原反应分别在两个电极上发生， 溶液中的离子运动时相互干扰减小，电解质溶液中离子的运动更快， 使化学反应速率加快。 双液原电池 原电池的工作原理 ☁ 学案31：基础练3 ☁ 将等质量的A、B两份锌粉装入试管中，分别加入过量的稀硫酸，同时向装A的试管中加入少量CuSO4溶液。如图表示产生氢气的体积V与时间t的关系，其中正确的是(　　) D 课 堂 练 习 二、比较金属的活动性强弱 一般：负极 > 正极 有气体生成、 电极质量不断增加或不变 电极质量减小 有例外： Al / NaOH / Mg （Al作负极） Cu / HNO3 (浓) / Fe （Cu作负极） 对于酸性电解质的原电池 原电池原理的应用 ☁ 学案31：基础练4 ☁ 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 D 课 堂 练 习 例：根据方程式 2FeCl3＋Cu = 2FeCl2＋CuCl2 设计一个原电池？(单液和双液) 0 +3 +2 +2 析价态，分正负 选择电极材料 选择电解质溶液 负极 正极 Cu FeCl3 电源负极(Cu) 电源正极(C/Pt) 正极：比负极金属活泼性 弱的金属或石墨 形成闭合回路 含氧化剂离子的溶液 FeCl3溶液 A FeCl3溶液 Cu C 盐桥 Cu C CuCl2溶液 FeCl3溶液 A Cu - 2e- ＝Cu2+ 2Fe3+ +2e- ＝2Fe2+ 负极电极式： 正极电极式： 三、设计原电池装置 双液原电池 原电池原理的应用 ☁ 学案31：基础练5 ☁ 根据反应：2Ag＋＋Cu = Cu2＋＋2Ag，设计如图所示原电池，下列说法错误的是(　　) A．X可以是银或石墨 B．Y是硫酸铜溶液 C．电子从铜电极经外电路流向X电极 D．X极上的电极反应式为Ag＋＋e－===Ag B 课 堂 练 习 ☁ 学案31：基础练7 ☁ 某化学兴趣小组利用反应Zn＋2FeCl3 = ZnCl2＋2FeCl2，设计了如图所示的原电池装置，下列说法正确的是(　　) A．Zn为负极，发生还原反应 B．b电极反应式为 2Fe3＋＋2e－ = 2Fe2＋ C．电子流动方向是 a 电极→FeCl3 溶液→b 电极 D．电池的正极材料可以选用石墨、铂电极，也可以用铜 课 堂 练 习 D 2、列物质，标得失 1、标价态，定正负 3、看环境，配守恒 4、两式加，验总式 负极：化合价升高 正极：化合价降低 负极：还原剂 - ne- = 氧化产物 正极：氧化剂＋ne- = 还原产物 正极式 + 负极式 = 反应总式 注意：弱电解质、气体、难溶物写化学式，其余用离子符号 ①补项原则：酸性（缺H补H+，缺O补H2O） 碱性（缺H补H2O，缺O补OH-） ②质量守恒 + 电荷守恒 + 得失电子守恒 方法技巧 原电池电极反应式的书写 Zn-Cu-CuSO4 Cu-C-FeCl3 总反应式: Zn+CuSO4＝ZnSO4+Cu 负极( Zn ): 正极( Cu ): 总反应式: Cu+2FeCl3＝2FeCl2+CuCl2 负极( Cu ): 正极( C ): Cu+2Fe3+＝2Fe2++Cu2+ Zn+Cu2+＝Zn2++Cu Zn－2e - = Zn2+ Cu2+ + 2e− = Cu Cu－2e - = Cu2+ 2Fe3+ +2e - = 2Fe2+ Zn Cu CuSO4(aq) Cu C FeCl3(aq) 课 堂 练 习 ①写出总反应的离子方程式 ②写出其中容易写出的一极的电极反应 ③利用总反应减去已写出的电极反应，即得到另一极的电极反应 Fe Cu 浓硝酸 Cu + 4H+ + 2NO3- = Cu2+ + 2NO2↑ + 2H2O 负极：Cu - 2e- = Cu2+ 正极：2NO3- + 4H+ + 2e- = 2NO2 ↑ + 2H2O 复杂电极反应式如何书写？ 原电池电极反应式的书写 小 试 身 手 Mg − 2e− = Mg2+ 2H+ + 2e− = H2↑ 负极: 正极: 总反应: Mg + 2H+= Mg2+ + H2↑ 2Al − 6e− + 8OH− = 2[Al(OH)4]− 6H2O + 6e− = 3H2↑ + 6OH− 2Al + 2OH− + 6H2O =2[Al(OH)4]− + 3H2↑ 稀硫酸 Mg Al A 氢氧化钠溶液 Mg Al A 原电池的构成条件及工作原理 隔膜原电池 双液原电池 原电池的应用 课堂小结 ☁ 学案32：基础练6 ☁ 实验发现，298 K时，在FeCl3酸性溶液中加入少量锌粒后，Fe3＋立即被还原成Fe2＋。某化学兴趣小组根据该实验事实设计了如图所示的原电池装置。下列有关说法中正确的是(　　) A.该原电池的正极反应：Zn－2e－ = Zn2＋ B.左边烧杯中溶液的红色逐渐褪去 C.该电池铂电极上有气泡生成 D.该电池总反应：3Zn＋2Fe3＋ = 2Fe＋3Zn2＋ 小 试 身 手 B ☁ 学案32：能力升1 ☁ 图甲和图乙均是双液原电池装置。下列说法不正确的是(　　) A．甲中电池总反应的离子方程式为Cd(s)＋Co2＋(aq) = Co(s)＋Cd2＋(aq) B．反应2Ag(s)＋Cd2＋(aq) = Cd(s)＋2Ag＋(aq)能够发生 C．盐桥的作用是形成闭合回路，并使两边溶液保持电中性 D．乙中有1 mol 电子通过外电路时，正极有108 g Ag析出 小 试 身 手 B (1)可以写成氧化反应：_________________；还原反应：__________________。 (2)电极X的材料是____，电解质溶液Y是_____________。 (3)银电极的电极反应式是____________________； X电极的电极反应式是___________________。 (4)外电路中的电子是从___________极流向___________极。 (5)该原电池的正极是____，还可以选用____________等材料。 小 试 身 手 ☁ 学案32：例 ☁ 依据氧化还原反应：Cu＋2Ag+＝Cu2+＋2Ag 设计的原电池如图所示。 铜 AgNO3溶液 2Ag+＋2e− ＝2Ag Cu − 2e− ＝Cu2+ 负(或铜) 正(或银) 银 铂、石墨 Cu − 2e− ＝Cu2+ 2Ag+＋2e− ＝2Ag Lavf58.28.100 $