精修版高中化學 第一章 第3節(jié) 第1課時 原電池的工作原理 化學電源導學案 魯科版選修4

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1、 精品資料 第3節(jié)　化學能轉化為電能——電池 第1課時 原電池的工作原理 化學電源 ★【課前學案導學】 ■精準定位—教學目標展示（教案） —學習目標導航（學案） 1.了解原電池的工作原理，能寫出電極反應和電池反應方程式。 2.掌握構成原電池的條件。 3.了解常見化學電源的種類、工作原理和用途。 ?！鲎灾魇崂怼A知識導航（教案、學案共有） 一、原電池 1.原電池是_________________________________的裝置。 2.原電池的構成條件： （1）兩個活潑性不同的電極;

2、 （2）___________________； （3）___________________; (4)_____________________。 3.電極 負極：電子_______的一極，發(fā)生____反應的一極，電流_______的一極； 正極：電子_______的一極，發(fā)生______反應的一極，電流_______的一極 4.原電池的工作原理（以銅鋅原電池為例，電解質是稀硫酸） 負極：材料Zn，發(fā)生氧化反應，電極反應為：______ 正極：材料Cu，發(fā)生還原反應，電極反應為：_________ 電池的總反應為：_________ 二、化學電源 1．作為化學電源的電

3、池有______電池、_____________電池、_______電池。其中可能造成環(huán)境污染的是______電池；可反復充放電的是________電池。 2．氫氧燃料電池 (1)電解質是H2SO4溶液 負極：____________________ 正極：____________________ (2)電解質是KOH溶液 負極： __________________； 正極： _____________________ (3)電池的總反應：___________________ 自主梳理參考答案 一、1、化學能 電能 2、（2）兩電極必須浸在電解質溶液中；（3）形成

4、閉合回路； （4）能自發(fā)地進行氧化還原反應。 3、流出 氧化 流入 流入 還原 流出 4、Zn—2e—Zn 2H++2e—H2 Zn+2H+=Zn2++H2 二、1、一次、二次、燃料 一次 二次 2、(1)負極：2H2 —4e- + 4OH-=== 4H2O 正極：O2+ 4H++4e- === 2H2O (2)負極： 2H2 – 4e- + 4OH- === 4H2O；正極： O2 + 2H2O + 4e- === 4OH- (3) 2H2+ O2=== 2H2O 一次電池；可反復充放電的是二次電池。

5、 ★【課堂探究導學】 ■合作探究-名師保駕護航 探究一：原電池正負極的判斷 ①根據(jù)構成原電池的電池材料判斷：活潑金屬做負極； ②根據(jù)電子流向或電流方向確定：電子流出的一極或電流流入的一極為負極 ③根據(jù)氧化還原反應確立：發(fā)生氧化反應（還原劑）的一般為負極。 『特別提醒』原電池的電極類型不僅跟電極材料有關，還與電解質溶液的性質有關。如鎂—鋁電極在稀硫酸中構成原電池，鎂為負極，鋁為正極；而鎂—鋁電極在氫氧化鈉溶液中構成原電池，鋁為負極，鎂為正極。 探究二：原電池的設計 從理論上講，任何一個自發(fā)進行的氧化還原反應，都可以設計成原電池。 基本依據(jù)：構成原電

6、池的基本條件，也是進行原電池設計的基本依據(jù)：（1）活潑程度不同的電極；（2）電解質溶液；（3）閉合回路。 探究三：電解質溶液及電極材料的選擇 （1）電解質溶液的選擇 電解質是使負極放電的物質。因此電解質溶液一般要能夠與負極腐蝕反應，或者電解質溶液中溶解的其他物質與負極腐蝕反應。但是如果兩個半反應分別在兩個容器中進行，（中間連接鹽橋），則左右兩個容器中的電解質溶液選擇與電極材料相同的陽離子的鹽溶液。如在銅—鋅—硫酸鹽構成的原電池中，負極金屬鋅浸泡在含有Zn2+的電解質溶液中，而正極金屬銅浸泡在含有Cu2+的電解質溶液中。 （2）電極材料的選擇 在原電池中，選擇還原性強的金屬做負極，易導

7、電且比負極活動性弱的物質作正極，并且原電池的電極必須能導電。電池中的負極必須能夠與電解質溶液反應，容易失去電子，因此負極一般是活潑的金屬材料。正極和負極之間產生的電勢差是電子（陰、陽離子）移動的動力。 『特別提醒』設計燃料電池，其電極和電解質溶液的選擇和一般電池不同： （1）燃料電池的電極反應物為外界不斷通入的燃料和氧化劑，電極本身不參與反應，故其電極可使用相同的惰性電極； （2）燃料電池的電解液未必能與電極反應物直接反應，但一般為酸或堿，如氫氧燃料電池。 ■典例剖析-名師釋疑助航 【例1】由銅、鋅和稀硫酸組成的原電池工作時，電解質溶液的pH怎樣變化（ ） A.不變 B.

8、先變小后變大 C.逐漸變大 D.逐漸變小 『答案』D 『解析』根據(jù)原電池工作的總反應：Zn + 2H+ == Zn2+ + H2↑,只要原電池不斷工作，該反應就不斷發(fā)生，溶液中的C(H+)逐漸減小，溶液中的pH將不斷增大。因此答『答案』D 【變式訓練1】．“阿波羅號飛船”所用的氫氧燃料電池的電極應為：負極：2H2＋4OH－－4e－＝4H2O? 正極 O2＋2H2O＋4e－＝4OH－ 該電池工作時,下列敘述正確的是??????? （??? ） A．氫氣發(fā)生還原反應???????????????? B．每轉移4摩電子,電池內增加4摩水 C．負極附近溶液的PH值降低???

9、?????? D．正極附近C(H+)增大 【例2】在原電池和電解質的電極上所發(fā)生的反應，同屬氧化反應或同屬還原反應的是（ ） A. 原電池的正極和電解池的陽極所發(fā)生的反應 B. 原電池的正極和電解池的陰極所發(fā)生的反應 C. 原電池的負極和電解池的陽極所發(fā)生的反應 D. 原電池的負極和電解池的陰極所發(fā)生的反應 『答案』B、C 『解析』據(jù)原電池、電解池的基本知識，原電池的正極發(fā)生還原反應，負極發(fā)生氧化反應；電解池的陽極發(fā)生氧化反應，陰極發(fā)生還原反應。 G a b 稀H2SO4 【變式訓練2】在如圖所示的裝置中，a的金屬性比氫要強，b為碳棒，關于此裝置的各種敘述不正

10、確的是（ ） A.碳棒上有氣體放出，pH變大 B .a是正極，b是負極 C.導線中有電子流動，電子從a極到b極 D.a極上發(fā)生了氧化反應 【例3】航天技術中使用的氫—氧燃料電池具有高能、輕便和不污染環(huán)境等優(yōu)點。氫—氧燃料電池酸式和堿式兩種，它們放電時的電池總反應方程式都可表示為2H2 + O2 == 2H2O,酸式氫—氧燃料電池的電解質是酸，其負極反應可表示為：2H2 –4e-- == 4H+,則其正極反應表示為_____________________；堿式氫—氧燃料電池的電解質是堿，其正極反應表示為O2 +2H2O+4e-- == 4OH--,則其負極反應可表

11、示為_______________________。 『答案』O2 + 4H+ + 4e-- == 2H2O 2H2 + 4OH-- - 4e-- == 4H2O 『解析』原電池正極發(fā)生還原反應：O2 +2H2O+4e-- == 4OH--，在酸性溶液中，4OH-- + 4H+ =4H2O,故正極反應式為:O2 + 4H+ + 4e-- == 2H2O;原電池負極發(fā)生還原反應：2H2 –4e-- == 4H+,在堿性溶液中，4OH-- + 4H+ =4H2O,所以負極反應式為：2H2 + 4OH-- - 4e-- == 4H2O. 【變式訓練3】 一種燃料電池中發(fā)生的化學反應為：在酸性

12、溶液中甲醇與氧作用生成水和二氧化碳.該電池負極發(fā)生的反應是 (　　) A.CH3OH(g)＋O2(g)－2e－===H2O(l)＋CO2(g)＋2H＋(aq) B.O2(g)＋4H＋(aq)＋4e－===2H2O(l) C.CH3OH(g)＋H2O(l)－6e－===CO2(g)＋6H＋(aq) D.O2(g)＋2H2O(l)＋4e－===4OH－ 變式訓練解析及答案 【變式訓練1】 答案：C 解析：氫氣發(fā)生氧化反應?，每轉移4摩電子,電池內增加

13、2摩水?，?正極附近C(H+)減小。 【變式訓練2】 答案：B 解析：顯然，電極a、b與電解質溶液稀H2SO4組成原電池。因活潑性a〉b（碳棒），所以a為電池的負極，b為正極。電極反應式： a（負極）：a → an+ +ne- (氧化反應) b(正極)：nH+ + ne-- → n/2H2↑（還原反應）， 由于正極H+放電消耗,溶液中C(H+)減小, pH變大,在外電路中,電子由a流出經(jīng)電流計流向b極。 【變式訓練3】 答案：C 解析：該原電池的負極反應物為甲醇，負極反應式中不能出現(xiàn)氧化劑，而A、B、D項中電極反應物中均出現(xiàn)氧化劑氧氣，所以A、B、D不正確。 ■備選

14、例題 1. 某原電池總反應離子方程式為2Fe3++Fe=3Fe2+，能實現(xiàn)該反應的原電池是（ ） A．正極為Cu，負極為Fe，電解質溶液為FeCl3溶液 B．正極為Cu，負極為Fe，電解質溶液為Fe(NO3)2溶液 C．正極為Fe，負極為Cu，電解質溶液為Fe(SO4)3溶液 D．正極為Ag，負極為Zn，電解質溶液為CuSO4溶液 答案：A 解析：該題考查原電池原理的應用，原電池的設計必須牢固掌握原電池原理。根據(jù)總反應，F(xiàn)e被氧化，必須為負極，F(xiàn)e3+被還原，必須在正極上反應，但Fe3+并不是電極材料，電極材料必須失電子能力弱于Fe、Cu、Ag、石墨皆可，電解質溶液應當含有

15、大量的鐵離子，才能保證按題中總反應發(fā)生，A選項符合題意，B選項不符合原電池形成條件，C選項電極不合理，D選項CuSO4溶液違背總反應。 2．以鐵片和銅片為兩極，以稀硫酸為電解質溶液組成原電池，當導線中通過 電子時，下列說法正確的是( ) A．鐵片溶解1 mol，銅片上析出1 mol B．兩極上溶解和析出的物質的質量相等 C．鐵片溶解28 g，通過導線的電子是2 mol D．鐵片溶解1 mol，銅消耗1 mol 答案：A 解析：鐵片和銅片為兩極，以稀硫酸為電解質溶液組成原電池，鐵片作負極，電極反應為Fe-2e-=Fe2+，銅片作正極，電極反應為2H++2e-=H2。根據(jù)得失

16、電子守恒，A正確。 裝置 現(xiàn)象 二價金屬A不斷溶解 C的質量增加 A上有氣體產生 3．由A、B、C、D四種金屬按下表中裝置進行實驗。 根據(jù)實驗現(xiàn)象回答下列問題： (1)裝置甲中負極的電極反應式是________________________________________________________________________。 (2)裝置乙中正極的電極反應式是________________________________________________________________________。 (3)裝置丙中溶液的pH________(填“

17、變大”、“變小”或“不變”)。 (4)四種金屬活潑性由強到弱的順序是________________________________________________________________________。 答案：(1)A－2e－―→A2＋　(2)Cu2＋＋2e－―→Cu　(3)變大　(4)D>A>B>C 解析：甲、乙、丙均為原電池裝置。依據(jù)原電池原理，甲中A不斷溶解，則A為負極、B為正極，活潑性A>B；乙中C極增重，即析出Cu，則B為負極，活潑性B>C；丙中A上有氣體即H2產生，則A為正極，活潑性D>A，隨著H＋的消耗，pH變大。 ■常用教學素材 世界第一艘燃料電池潛艇U-

18、31 2003年4月7日，德國基爾港升起了一顆世界級的明星。它是一艘奇特的潛艇，名字叫U31。國際主要媒體都往它這兒聚焦，慶賀世界第一艘燃料電池潛艇下水及首次試航。全德國的人都為U31自豪，因為它闖開了常規(guī)潛艇的一條發(fā)展新路，成為世界潛艇發(fā)展史上的一個新里程碑；到2004年春服役后，它就是“世界范圍內最先進的常規(guī)動力潛艇”。 傳統(tǒng)的柴-電動力潛艇在水下潛航2～3天，就會耗盡電池能量，必須浮上水面給蓄電池充電。顯然，這增加了潛艇暴露的危險性。而U31就沒有這種煩惱，因為它在水下就能自行充電，取得了“不依賴空氣”的技術突破。突破出在動力艙。它采用性能優(yōu)越的混合動力系統(tǒng)，即燃料電池動力系統(tǒng)和柴-電動力系統(tǒng)混合使用。但奇跡主要出在燃料電池動力系統(tǒng)。這個系統(tǒng)由9組聚四氟乙烯燃料電池、14噸液氧貯存柜和1.7噸氣態(tài)氫貯存柜等3部分組成。它的燃料電池尺寸小，無腐蝕，功率密度大，使用壽命長。熱交換器、排出泵、冷卻水泵、催化劑罐、燃料電池電子設備、斬波器和逆變器等是燃料電池的主要部分。它不用空氣，而是將氫燃料和氧化物放到特殊燃燒室內進行電化學反應，直接轉換成電能，輸出的直流電直接驅動電動機，電動機帶動槳軸，推進潛艇航行。每組燃料電池的輸出功率為34千瓦，9組總功率306千瓦。用燃料電池提供的動力驅動，U31可在水下連續(xù)潛行3周。