高中化學(xué) 專題一 第二單元 第一節(jié) 原電池的工作原理 蘇教版選修4

專題專題1 1 化學(xué)反應(yīng)與能量變化化學(xué)反應(yīng)與能量變化第第二二單元單元 化學(xué)化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化能與電能的轉(zhuǎn)化設(shè)疑設(shè)疑請根據(jù)你的經(jīng)驗猜想請根據(jù)你的經(jīng)驗猜想Zn與與CuSO4溶液的溶液的反應(yīng)是吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng)反應(yīng)是吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng)？并設(shè)計實驗方并設(shè)計實驗方案加以證明。案加以證明?；顒优c探究一活動與探究一 向盛有向盛有30ml 1.0mol/LCuSO4溶液的小燒杯中溶液的小燒杯中,加入適量鋅粉，用溫度計測量溶液的溫度，觀加入適量鋅粉，用溫度計測量溶液的溫度，觀察溫度計的變化。察溫度計的變化。Zn+ Cu2+ Zn2+ + Cu創(chuàng)設(shè)情景 除了可以將該反應(yīng)放出的能量轉(zhuǎn)除了可以將該反應(yīng)放出的能量轉(zhuǎn)化為化為熱能熱能之外，還能通過該反應(yīng)之外，還能通過該反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為什么能量？將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為什么能量？一、原電池一、原電池1、原電池：、原電池：2、原電池工作原理：、原電池工作原理：氧化氧化還原反應(yīng)還原反應(yīng)把把化學(xué)能化學(xué)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為電能電能的裝置。的裝置。知識回顧知識回顧判斷下列裝置能否構(gòu)成原電池，思考原電池的構(gòu)成條件。判斷下列裝置能否構(gòu)成原電池，思考原電池的構(gòu)成條件。練習(xí)練習(xí)CuC形成原電池的形成原電池的一般一般條件條件（0 0）前提）前提條件：有條件：有自發(fā)的氧化還原反應(yīng)自發(fā)的氧化還原反應(yīng) （1 1）有兩種）有兩種活潑性不同活潑性不同的導(dǎo)電材料的導(dǎo)電材料作電極作電極 ( (不同的金屬或金屬與非金屬導(dǎo)體）不同的金屬或金屬與非金屬導(dǎo)體）（2 2）兩個電極必須插入）兩個電極必須插入電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液中中（3 3）兩極相連形成）兩極相連形成閉合回路閉合回路 （用導(dǎo)線連接或電（用導(dǎo)線連接或電極直接接觸）極直接接觸）二、二、原電池的正負極的判斷方法原電池的正負極的判斷方法 微觀判斷微觀判斷（根據(jù)電子流動（根據(jù)電子流動方向方向）電子流電子流出出的極的極電子流電子流入入的極的極負極負極正極正極 較較活潑活潑的電極材料的電極材料較較不活潑不活潑的電極材料的電極材料 質(zhì)量增加質(zhì)量增加的電極的電極工作后工作后 質(zhì)量減少質(zhì)量減少的電極的電極負極負極正極正極正極正極負極負極工作后，有工作后，有氣泡冒出氣泡冒出的電極為正極的電極為正極發(fā)生發(fā)生氧化氧化反應(yīng)的極反應(yīng)的極發(fā)生發(fā)生還原還原反應(yīng)的極反應(yīng)的極宏觀判斷宏觀判斷：根據(jù)電極材料根據(jù)電極材料根據(jù)原電池電極根據(jù)原電池電極 發(fā)生的反應(yīng)發(fā)生的反應(yīng)根據(jù)電極增重還是減重根據(jù)電極增重還是減重根據(jù)電極有氣泡冒出：根據(jù)電極有氣泡冒出：負極負極正極正極三、三、原電池電極反應(yīng)式的書寫原電池電極反應(yīng)式的書寫1 1、確定原電池正負極，以及兩極上發(fā)生反應(yīng)的、確定原電池正負極，以及兩極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)，物質(zhì)，負極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)負極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)2 2、重視介質(zhì)是否參加反應(yīng)，注意兩極得失電子、重視介質(zhì)是否參加反應(yīng)，注意兩極得失電子總數(shù)相等總數(shù)相等3 3、將兩極電極反應(yīng)式相加即得原電池的總反應(yīng)、將兩極電極反應(yīng)式相加即得原電池的總反應(yīng)式式活動與探究二活動與探究二 如教材如教材P13圖圖1-8所示，向盛有所示，向盛有30ml1.0mol/LCuSO4溶液和溶液和 30ml1.0mol/L的的ZnSO4溶液分別插入銅片和溶液分別插入銅片和鋅片，連接導(dǎo)線和電流計，觀察現(xiàn)象。將鹽橋插入鋅片，連接導(dǎo)線和電流計，觀察現(xiàn)象。將鹽橋插入兩只燒杯內(nèi)的電解質(zhì)溶液，觀察現(xiàn)象。兩只燒杯內(nèi)的電解質(zhì)溶液，觀察現(xiàn)象。總：總：Zn+ Cu2+ Zn2+ + Cu電路電路：外電路外電路內(nèi)電路內(nèi)電路電子電子流向：由流向：由失失電子的一極向電子的一極向得得電子的一極電子的一極 （即負極（即負極正極）正極）電流電流方向：與方向：與電子電子流向流向相反相反陰離子陰離子流向與流向與電子電子流向流向一致一致陽離子陽離子流向與流向與電流電流一致一致2.電極：電極：負極負極：電子電子流出流出的一極的一極正極正極：電子電子流入流入的一極的一極3.電極反應(yīng)式：電極反應(yīng)式：負極負極（氧化氧化反應(yīng)）反應(yīng)）： Zn2e-Zn2+正極正極（還原還原反應(yīng)）反應(yīng)）： 4.總反應(yīng)式總反應(yīng)式（氧化還原氧化還原反應(yīng)）反應(yīng)）：Zn+ Cu2+ Zn2+ + Cu 鹽橋：鹽橋：在在U型管型管中裝滿用中裝滿用飽和飽和KCl溶液溶液的的瓊脂。瓊脂。思考：思考：1、鹽橋的作用是什么？、鹽橋的作用是什么？（1）使整個裝置構(gòu)成通路，代替兩溶液直接接觸。）使整個裝置構(gòu)成通路，代替兩溶液直接接觸。 （2）平衡電荷）平衡電荷 （保證其連接的兩個半電池中的電解質(zhì)溶液呈電中性）保證其連接的兩個半電池中的電解質(zhì)溶液呈電中性）2、 此電池的優(yōu)點？此電池的優(yōu)點？能產(chǎn)生持續(xù)能產(chǎn)生持續(xù)、穩(wěn)定的電流穩(wěn)定的電流，提高原電池電流效率。，提高原電池電流效率。(-)：Zn 2e- = Zn2+ (+)：2H+ +2e- = H2 電池反應(yīng)：電池反應(yīng)：Zn + 2H+ = Zn2+ + H2ZnCuH2SO4ZnSO4鹽橋鹽橋+3、把右圖設(shè)計成有鹽橋的原電池裝置，并寫出、把右圖設(shè)計成有鹽橋的原電池裝置，并寫出電極反應(yīng)式及電池反應(yīng)方程式電極反應(yīng)式及電池反應(yīng)方程式ZnCu H2SO4四、原電池的設(shè)計四、原電池的設(shè)計例：例：利用利用Fe + Cu2+=Fe2+ +Cu設(shè)計一個設(shè)計一個原電池，畫出示意圖，寫出電極反應(yīng)。原電池，畫出示意圖，寫出電極反應(yīng)。負極：負極：Fe 2e- =Fe2+ 正極：正極：Cu2+ +2e- =Cu CuFeCuSO4FeSO4FeCuCuSO4設(shè)計原電池的思路設(shè)計原電池的思路：半電池半電池：畫出裝置示意圖畫出裝置示意圖電極材料電極材料電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液根據(jù)根據(jù)電極反應(yīng)電極反應(yīng)確定確定還原劑還原劑（電極材料電極材料）和氧化產(chǎn)物和氧化產(chǎn)物（電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液）為負極的半電池為負極的半電池氧化劑氧化劑（電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液）和還原產(chǎn)物和還原產(chǎn)物（電極材料電極材料）為正極的半電池為正極的半電池外電路外電路用導(dǎo)線連通，可以接用電器用導(dǎo)線連通，可以接用電器內(nèi)電路內(nèi)電路 是將電極浸入電解質(zhì)溶液中，并通過鹽橋溝通內(nèi)電路是將電極浸入電解質(zhì)溶液中，并通過鹽橋溝通內(nèi)電路（或其它不活潑材料）（或其它不活潑材料）根據(jù)根據(jù)負極負極氧化、氧化、正極正極還原還原寫出寫出電極反應(yīng)式電極反應(yīng)式前提：是前提：是氧化還原反應(yīng)氧化還原反應(yīng) 練習(xí)：練習(xí)： 利用利用2Fe3+Cu=2Fe2+Cu2+設(shè)計一設(shè)計一個原電池，畫出示意圖，寫出電極反應(yīng)。個原電池，畫出示意圖，寫出電極反應(yīng)。正極：正極：2Fe32e- =2Fe2+ 負極：負極：Cu-2e- =Cu2+CuCCuSO4FeCl3CCu FeCl3小小 結(jié)結(jié) 原電池工作原理原電池工作原理 根據(jù)氧化還原反應(yīng)設(shè)計原電池根據(jù)氧化還原反應(yīng)設(shè)計原電池 電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液陽離子氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)負極負極 正極正極還原反應(yīng)還原反應(yīng)電子沿導(dǎo)線傳遞，產(chǎn)生電流陰離子-1.1.如圖裝置，電流表如圖裝置，電流表G G發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時A A極逐漸極逐漸變粗，變粗，B B極逐漸變細，極逐漸變細，C C為電解質(zhì)溶液，則為電解質(zhì)溶液，則A A、B B、C C應(yīng)是下列各組中的哪一組（應(yīng)是下列各組中的哪一組（ ） A A、A A是鋅，是鋅，B B是銅，是銅，C C為稀為稀H H2 2SOSO4 4 B B、A A是銅，是銅，B B是鋅，是鋅，C C為稀硫酸為稀硫酸 C C、A A是鐵，是鐵，B B是銀，是銀，C C為為AgNOAgNO3 3溶液溶液 D D、A A是是AgAg，B B是鐵，是鐵，C C為為AgNOAgNO3 3溶液溶液 G CABD D問題解決問題解決負極：負極：2 Al+ 8OH6e- =2Al O2 +4H2O 正極：正極：6H+ + 6 e- =3 H2總：總：2Al+ 2OH +2H2O =2Al O2 + 3H2 稀 硫 酸負極：負極： Mg 2e- = Mg2+ 正極：正極： 2H+ + 2e- = H2總：總：Mg +2H+ = Mg 2+ + H2 不同的介質(zhì)不同的介質(zhì) 不同的電極反應(yīng)不同的電極反應(yīng) 負極：負極： Fe 2e- = Fe2+正極：正極： 2H+ + 2e- = H2總：總：Fe + 2H+ = Fe2+ + H2 稀稀 硫硫 酸酸FeCu稀 硫 酸FeCuNaCl溶液溶液負極：負極： 2Fe 4e- = 2Fe2+正極：正極： 2H2O + O2 + 4e- = 4OH-總：總：2Fe + 2H2O + O2 = 2Fe(OH)2 不同的介質(zhì)不同的介質(zhì) 不同的電極反應(yīng)不同的電極反應(yīng)負極：負極： Cu 2e- = Cu 2+ 正極：正極： 4H+ +2NO3 + 2 e- = 2NO2 + 2H2O總：總：Cu + 4H+ +2NO3= 2NO2 + Cu 2+ + 2H2O稀H2SO4負極：負極：2 Al 6e- =2Al 3+ 正極：正極： 6H+ + 6e- =3 H2總：總：2Al + 6H+ = 2Al 3+ + 3H2 練習(xí)：練習(xí)：1、下列關(guān)于下圖所示原電池的說法正確的是下列關(guān)于下圖所示原電池的說法正確的是A 鋁片為正極鋁片為正極B 正極上有正極上有H2產(chǎn)生產(chǎn)生C Al是電池的負極，開始工作時溶液中會立即有白色是電池的負極，開始工作時溶液中會立即有白色沉淀析出沉淀析出D 當(dāng)轉(zhuǎn)移當(dāng)轉(zhuǎn)移0.04 mol e- 時，產(chǎn)生時，產(chǎn)生 0.01 mol O2 CuB練習(xí)練習(xí)2. X、Y、Z、W四種金屬片進入稀鹽酸中四種金屬片進入稀鹽酸中,用用導(dǎo)線連接導(dǎo)線連接,可以組成原電池可以組成原電池,實驗結(jié)果如下圖所示實驗結(jié)果如下圖所示:則四種金屬的活潑性由強到弱的順序為則四種金屬的活潑性由強到弱的順序為_ZYXW5.利用原電池原理設(shè)計新型化學(xué)電池；利用原電池原理設(shè)計新型化學(xué)電池；2.改變化學(xué)反應(yīng)速率，如實驗室用粗鋅與硫酸改變化學(xué)反應(yīng)速率，如實驗室用粗鋅與硫酸反應(yīng)制取氫氣；反應(yīng)制取氫氣；1.進行金屬活動性強弱比較；進行金屬活動性強弱比較；3.電化學(xué)保護法，即將金屬作為原電池的正極電化學(xué)保護法，即將金屬作為原電池的正極而受到保護。如在鐵器表面鍍鋅。而受到保護。如在鐵器表面鍍鋅。原電池原電池的主要應(yīng)用：的主要應(yīng)用：4.解釋某些化學(xué)現(xiàn)象解釋某些化學(xué)現(xiàn)象(1)比較金屬活動性強弱。比較金屬活動性強弱。例例1：下列敘述中，可以說明金屬甲比乙活潑性強的是下列敘述中，可以說明金屬甲比乙活潑性強的是C.將甲乙作電極組成原電池時甲是負極；將甲乙作電極組成原電池時甲是負極；A.甲和乙用導(dǎo)線連接插入稀鹽酸溶液中，乙溶解，甲甲和乙用導(dǎo)線連接插入稀鹽酸溶液中，乙溶解，甲 上有上有H2氣放出氣放出；B.在氧化在氧化還原反應(yīng)中，甲比乙失去的電子多還原反應(yīng)中，甲比乙失去的電子多；D.同價態(tài)的陽離子，甲比乙的氧化性強；同價態(tài)的陽離子，甲比乙的氧化性強；（C）原電池原理應(yīng)用：原電池原理應(yīng)用：(2)比較反應(yīng)速率比較反應(yīng)速率例例2 ： 下列制氫氣的反應(yīng)速率最快的是下列制氫氣的反應(yīng)速率最快的是粗鋅和粗鋅和 1mol/L 鹽酸；鹽酸；B.A. 純鋅和純鋅和1mol/L 硫酸；硫酸；純鋅和純鋅和18 mol/L 硫酸；硫酸；C.粗鋅和粗鋅和1mol/L 硫酸的反應(yīng)中加入幾滴硫酸的反應(yīng)中加入幾滴CuSO4溶液。溶液。D.（ D ）原電池原理應(yīng)用：原電池原理應(yīng)用：(3)比較金屬腐蝕的快慢比較金屬腐蝕的快慢例例3： 下列各情況，在其中下列各情況，在其中Fe片腐蝕由片腐蝕由快快到到慢慢的順序是的順序是(5)(2)(1)(3)(4)原電池原理應(yīng)用：原電池原理應(yīng)用：例例4：下列裝置中四塊相同的下列裝置中四塊相同的Zn片，放置一段時間后腐蝕速片，放置一段時間后腐蝕速率由率由慢慢到到快快的順序是的順序是(4)(2)(1)(3)(4)判斷溶液判斷溶液pH值變化值變化例例5：在在Cu-Zn原電池中，原電池中，200mLH2SO4 溶液的濃度為溶液的濃度為0.125mol/L , 若工作一段時間后，從裝置中共收若工作一段時間后，從裝置中共收集到集到 0.168L升氣體，則流過導(dǎo)線的電子為升氣體，則流過導(dǎo)線的電子為 mol,溶液的溶液的pH值變值變_(填填“變大變大”、“變變小小”、“不變不變”)？（溶液體積變化忽略不計）？（溶液體積變化忽略不計）變變大大0.015原電池原理應(yīng)用：原電池原理應(yīng)用：(5)原電池原理的綜合應(yīng)用原電池原理的綜合應(yīng)用例例6：市場上出售的：市場上出售的“熱敷袋熱敷袋”的主要成分為鐵屑、的主要成分為鐵屑、炭粉、木屑、少量氯化鈉和水等。炭粉、木屑、少量氯化鈉和水等。 “熱敷袋熱敷袋”啟啟用之前用塑料袋使其與空氣隔絕，啟用時，打開用之前用塑料袋使其與空氣隔絕，啟用時，打開塑料袋輕輕揉搓就會放出熱量。使用完后，會發(fā)塑料袋輕輕揉搓就會放出熱量。使用完后，會發(fā)現(xiàn)有大量鐵銹存在?，F(xiàn)有大量鐵銹存在。1)“熱敷袋熱敷袋”是利用是利用 放出熱量。放出熱量。2)炭粉的主要作用是炭粉的主要作用是 。3)加入氯化鈉的主要作用是加入氯化鈉的主要作用是 。4)木屑的作用是木屑的作用是 。鐵被氧化鐵被氧化 與鐵屑、氯化鈉溶液構(gòu)成與鐵屑、氯化鈉溶液構(gòu)成原電池，加速鐵屑的氧化原電池，加速鐵屑的氧化 氯化鈉溶于水、形成氯化鈉溶于水、形成電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液使用使用“熱敷袋熱敷袋”時受熱均勻時受熱均勻原電池原理應(yīng)用：原電池原理應(yīng)用：制作各種化學(xué)電池制作各種化學(xué)電池:(1)干電池干電池.演示演示:ZnC,NH4Cl溶液組成的原電池溶液組成的原電池.判斷正負極以及電極反應(yīng)式判斷正負極以及電極反應(yīng)式.干電池原理正極正極:2NH4+2e-=2NH3+H2,還原反應(yīng)還原反應(yīng).負極負極:Zn-2e-=Zn2+,氧化反應(yīng)氧化反應(yīng).其中產(chǎn)生的其中產(chǎn)生的NH3,H2都被吸收都被吸收:4NH3+ZnCl2=Zn(NH3)4Cl2,H2+2MnO2=Mn2O3+H2O現(xiàn)在更常用的是體積小現(xiàn)在更常用的是體積小,性能更好的堿性鋅錳電性能更好的堿性鋅錳電池池,其容量和放電時間都要比普通鋅錳電池增加其容量和放電時間都要比普通鋅錳電池增加幾倍呢幾倍呢.(2)鉛蓄電池鉛蓄電池:-汽車上常用汽車上常用.12 正極：PbO2 2 (2) 鉛畜電池 負極：Pb 電解質(zhì)溶液：稀H2 2SO4 4 練習(xí) 鉛蓄電池在放電時的電極反應(yīng)式和總的反應(yīng)式。負極負極( Pb ): Pb-2e-+SO42-=PbSO4正極正極(PbO2): PbO2+2e-+4H+SO42-=PbSO4+2H2O總反應(yīng)式總反應(yīng)式:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O (3) 鋰電池：質(zhì)量輕，電壓高，工作效率高，貯存壽命長。鋰電池：鋰電池以鋰作負極，非水有機溶劑如鋰電池：鋰電池以鋰作負極，非水有機溶劑如環(huán)脂、直鏈脂及酰胺等和無機溶劑作溶劑，以環(huán)脂、直鏈脂及酰胺等和無機溶劑作溶劑，以鋰鹽鋰鹽 LiClO4、LiAlCl4、LiAsF4等為電解質(zhì)。等為電解質(zhì)。由于鋰密度低，電極電位負值高、延展性好，由于鋰密度低，電極電位負值高、延展性好，使得鋰電池有比使得鋰電池有比容量大、電壓高、電阻低容量大、電壓高、電阻低的優(yōu)的優(yōu)點，同時電池材料中無一種可能對環(huán)境造成污點，同時電池材料中無一種可能對環(huán)境造成污染。被廣泛地應(yīng)用于心臟起搏器、電子表、計染。被廣泛地應(yīng)用于心臟起搏器、電子表、計算器。算器。如如:Li+MnO2=LiMnO2(4) 新型燃燒電池（閱讀P.105并思考：在新型燃燒電池工作時，有沒有發(fā)生燃燒現(xiàn)象？） 練習(xí)已知氫氧燃燒電池工作時，分別向兩個惰性電極上通入氫氣和氧氣，并以NaOH溶液為電解液，試寫出電極反應(yīng)式和總的反應(yīng)式。12 大有發(fā)展前景的燃料電池大有發(fā)展前景的燃料電池可用兩個多孔石墨電極（分別含有不同的催化劑）插入作為電解質(zhì)的30%的KOH水溶液中，氧氣和 氫氣分別不斷通入正極和負極并不斷被消耗。兩極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)負極負極:H2+2OH- -2e=2H2O,正極正極:(1/2)O2+H2O+2e=2OH-總反應(yīng)為:H2+(1/2)O2=H2O 經(jīng)采用適當(dāng)措施以適應(yīng)在失重情況下運轉(zhuǎn)的這種類型的燃料電池曾在1967年首次被用作阿波羅宇宙飛船的電源。 練習(xí) 甲烷燃燒電池的電極反應(yīng)式和總的反應(yīng)式負極負極:CH4 +10OH- -8e-=CO32-+7H2O正極正極:O2+2H2O+4e-=4OH-總反應(yīng)總反應(yīng):CH4+2O2+2OH- =CO32-+3H2O 思考 為什么廢舊電池必須回收，不能亂扔？ 防止重金屬離子污染環(huán)境如Hg2+,Cd2+ 回收利用有色金屬，節(jié)約資源 練習(xí)1 鋁-海水電池利用空氣作氧化劑，海水為電解液，常作于航海標(biāo)志燈。試寫出該電池的電極反應(yīng)式和總的反應(yīng)方程式。