新編高中化學(xué) 第一章 第3節(jié) 第1課時(shí) 原電池的工作原理 化學(xué)電源導(dǎo)學(xué)案 魯科版選修4

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1、新編化學(xué)精品資料 第3節(jié)　化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能——電池 第1課時(shí) 原電池的工作原理 化學(xué)電源 ★【課前學(xué)案導(dǎo)學(xué)】 ■精準(zhǔn)定位—教學(xué)目標(biāo)展示（教案） —學(xué)習(xí)目標(biāo)導(dǎo)航（學(xué)案） 1.了解原電池的工作原理，能寫出電極反應(yīng)和電池反應(yīng)方程式。 2.掌握構(gòu)成原電池的條件。 3.了解常見化學(xué)電源的種類、工作原理和用途。 ?！鲎灾魇崂怼A(chǔ)知識導(dǎo)航（教案、學(xué)案共有） 一、原電池 1.原電池是_________________________________的裝置。 2.原電池的構(gòu)成條件： （1）兩個(gè)活潑性不同的電極; （2）___________________

2、； （3）___________________; (4)_____________________。 3.電極 負(fù)極：電子_______的一極，發(fā)生____反應(yīng)的一極，電流_______的一極； 正極：電子_______的一極，發(fā)生______反應(yīng)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(zhì)是稀硫酸） 負(fù)極：材料Zn，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為：______ 正極：材料Cu，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)為：_________ 電池的總反應(yīng)為：_________ 二、化學(xué)電源 1．作為化學(xué)電源的電池有______電池、_____________

3、電池、_______電池。其中可能造成環(huán)境污染的是______電池；可反復(fù)充放電的是________電池。 2．氫氧燃料電池 (1)電解質(zhì)是H2SO4溶液 負(fù)極：____________________ 正極：____________________ (2)電解質(zhì)是KOH溶液 負(fù)極： __________________； 正極： _____________________ (3)電池的總反應(yīng)：___________________ 自主梳理參考答案 一、1、化學(xué)能 電能 2、（2）兩電極必須浸在電解質(zhì)溶液中；（3）形成閉合回路； （4）能自發(fā)地進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。

4、 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(fù)極：2H2 —4e- + 4OH-=== 4H2O 正極：O2+ 4H++4e- === 2H2O (2)負(fù)極： 2H2 – 4e- + 4OH- === 4H2O；正極： O2 + 2H2O + 4e- === 4OH- (3) 2H2+ O2=== 2H2O 一次電池；可反復(fù)充放電的是二次電池。 ★【課堂探究導(dǎo)學(xué)】

5、 ■合作探究-名師保駕護(hù)航 探究一：原電池正負(fù)極的判斷 ①根據(jù)構(gòu)成原電池的電池材料判斷：活潑金屬做負(fù)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(fù)極 ③根據(jù)氧化還原反應(yīng)確立：發(fā)生氧化反應(yīng)（還原劑）的一般為負(fù)極。 『特別提醒』原電池的電極類型不僅跟電極材料有關(guān)，還與電解質(zhì)溶液的性質(zhì)有關(guān)。如鎂—鋁電極在稀硫酸中構(gòu)成原電池，鎂為負(fù)極，鋁為正極；而鎂—鋁電極在氫氧化鈉溶液中構(gòu)成原電池，鋁為負(fù)極，鎂為正極。 探究二：原電池的設(shè)計(jì) 從理論上講，任何一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，都可以設(shè)計(jì)成原電池。 基本依據(jù)：構(gòu)成原電池的基本條件，也是進(jìn)行原電池設(shè)計(jì)的基本依據(jù)：（1

6、）活潑程度不同的電極；（2）電解質(zhì)溶液；（3）閉合回路。 探究三：電解質(zhì)溶液及電極材料的選擇 （1）電解質(zhì)溶液的選擇 電解質(zhì)是使負(fù)極放電的物質(zhì)。因此電解質(zhì)溶液一般要能夠與負(fù)極腐蝕反應(yīng)，或者電解質(zhì)溶液中溶解的其他物質(zhì)與負(fù)極腐蝕反應(yīng)。但是如果兩個(gè)半反應(yīng)分別在兩個(gè)容器中進(jìn)行，（中間連接鹽橋），則左右兩個(gè)容器中的電解質(zhì)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(gòu)成的原電池中，負(fù)極金屬鋅浸泡在含有Zn2+的電解質(zhì)溶液中，而正極金屬銅浸泡在含有Cu2+的電解質(zhì)溶液中。 （2）電極材料的選擇 在原電池中，選擇還原性強(qiáng)的金屬做負(fù)極，易導(dǎo)電且比負(fù)極活動性弱的物質(zhì)作正極，并且原電池的電極

7、必須能導(dǎo)電。電池中的負(fù)極必須能夠與電解質(zhì)溶液反應(yīng)，容易失去電子，因此負(fù)極一般是活潑的金屬材料。正極和負(fù)極之間產(chǎn)生的電勢差是電子（陰、陽離子）移動的動力。 『特別提醒』設(shè)計(jì)燃料電池，其電極和電解質(zhì)溶液的選擇和一般電池不同： （1）燃料電池的電極反應(yīng)物為外界不斷通入的燃料和氧化劑，電極本身不參與反應(yīng)，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(yīng)物直接反應(yīng)，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(shí)，電解質(zhì)溶液的pH怎樣變化（ ） A.不變 B.先變小后變大 C.逐漸變大 D.

8、逐漸變小 『答案』D 『解析』根據(jù)原電池工作的總反應(yīng)：Zn + 2H+ == Zn2+ + H2↑,只要原電池不斷工作，該反應(yīng)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(xùn)練1】．“阿波羅號飛船”所用的氫氧燃料電池的電極應(yīng)為：負(fù)極：2H2＋4OH－－4e－＝4H2O? 正極 O2＋2H2O＋4e－＝4OH－ 該電池工作時(shí),下列敘述正確的是??????? （??? ） A．氫氣發(fā)生還原反應(yīng)???????????????? B．每轉(zhuǎn)移4摩電子,電池內(nèi)增加4摩水 C．負(fù)極附近溶液的PH值降低????????? D．正極附近C(H+)增大 【例

9、2】在原電池和電解質(zhì)的電極上所發(fā)生的反應(yīng)，同屬氧化反應(yīng)或同屬還原反應(yīng)的是（ ） A. 原電池的正極和電解池的陽極所發(fā)生的反應(yīng) B. 原電池的正極和電解池的陰極所發(fā)生的反應(yīng) C. 原電池的負(fù)極和電解池的陽極所發(fā)生的反應(yīng) D. 原電池的負(fù)極和電解池的陰極所發(fā)生的反應(yīng) 『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(yīng)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)；電解池的陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)。 G a b 稀H2SO4 【變式訓(xùn)練2】在如圖所示的裝置中，a的金屬性比氫要強(qiáng)，b為碳棒，關(guān)于此裝置的各種敘述不正確的是（ ） A.碳棒上有

10、氣體放出，pH變大 B .a是正極，b是負(fù)極 C.導(dǎo)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(yīng) 【例3】航天技術(shù)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(diǎn)。氫—氧燃料電池酸式和堿式兩種，它們放電時(shí)的電池總反應(yīng)方程式都可表示為2H2 + O2 == 2H2O,酸式氫—氧燃料電池的電解質(zhì)是酸，其負(fù)極反應(yīng)可表示為：2H2 –4e-- == 4H+,則其正極反應(yīng)表示為_____________________；堿式氫—氧燃料電池的電解質(zhì)是堿，其正極反應(yīng)表示為O2 +2H2O+4e-- == 4OH--,則其負(fù)極反應(yīng)可表示為______________________

11、_。 『答案』O2 + 4H+ + 4e-- == 2H2O 2H2 + 4OH-- - 4e-- == 4H2O 『解析』原電池正極發(fā)生還原反應(yīng)：O2 +2H2O+4e-- == 4OH--，在酸性溶液中，4OH-- + 4H+ =4H2O,故正極反應(yīng)式為:O2 + 4H+ + 4e-- == 2H2O;原電池負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)：2H2 –4e-- == 4H+,在堿性溶液中，4OH-- + 4H+ =4H2O,所以負(fù)極反應(yīng)式為：2H2 + 4OH-- - 4e-- == 4H2O. 【變式訓(xùn)練3】 一種燃料電池中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：在酸性溶液中甲醇與氧作用生成水和二氧化碳.該電池負(fù)極發(fā)

12、生的反應(yīng)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(xùn)練解析及答案 【變式訓(xùn)練1】 答案：C 解析：氫氣發(fā)生氧化反應(yīng)?，每轉(zhuǎn)移4摩電子,電池內(nèi)增加2摩水?，?正極附近C(H+)減小。 【變式訓(xùn)

13、練2】 答案：B 解析：顯然，電極a、b與電解質(zhì)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(fù)極，b為正極。電極反應(yīng)式： a（負(fù)極）：a → an+ +ne- (氧化反應(yīng)) b(正極)：nH+ + ne-- → n/2H2↑（還原反應(yīng)）， 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(jì)流向b極。 【變式訓(xùn)練3】 答案：C 解析：該原電池的負(fù)極反應(yīng)物為甲醇，負(fù)極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)氧化劑，而A、B、D項(xiàng)中電極反應(yīng)物中均出現(xiàn)氧化劑氧氣，所以A、B、D不正確。 ■備選例題 1. 某原電池總反應(yīng)離子方程式為2Fe3

14、++Fe=3Fe2+，能實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)的原電池是（ ） A．正極為Cu，負(fù)極為Fe，電解質(zhì)溶液為FeCl3溶液 B．正極為Cu，負(fù)極為Fe，電解質(zhì)溶液為Fe(NO3)2溶液 C．正極為Fe，負(fù)極為Cu，電解質(zhì)溶液為Fe(SO4)3溶液 D．正極為Ag，負(fù)極為Zn，電解質(zhì)溶液為CuSO4溶液 答案：A 解析：該題考查原電池原理的應(yīng)用，原電池的設(shè)計(jì)必須牢固掌握原電池原理。根據(jù)總反應(yīng)，F(xiàn)e被氧化，必須為負(fù)極，F(xiàn)e3+被還原，必須在正極上反應(yīng)，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(zhì)溶液應(yīng)當(dāng)含有大量的鐵離子，才能保證按題中總反應(yīng)發(fā)生，A選項(xiàng)符

15、合題意，B選項(xiàng)不符合原電池形成條件，C選項(xiàng)電極不合理，D選項(xiàng)CuSO4溶液違背總反應(yīng)。 2．以鐵片和銅片為兩極，以稀硫酸為電解質(zhì)溶液組成原電池，當(dāng)導(dǎo)線中通過 電子時(shí)，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(zhì)的質(zhì)量相等 C．鐵片溶解28 g，通過導(dǎo)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(zhì)溶液組成原電池，鐵片作負(fù)極，電極反應(yīng)為Fe-2e-=Fe2+，銅片作正極，電極反應(yīng)為2H++2e-=H2。根據(jù)得失電子守恒，A正確。 裝置 現(xiàn)象

16、 二價(jià)金屬A不斷溶解 C的質(zhì)量增加 A上有氣體產(chǎn)生 3．由A、B、C、D四種金屬按下表中裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象回答下列問題： (1)裝置甲中負(fù)極的電極反應(yīng)式是________________________________________________________________________。 (2)裝置乙中正極的電極反應(yīng)式是________________________________________________________________________。 (3)裝置丙中溶液的pH________(填“變大”、“變小”或“不變”)。 (4)四種金屬

17、活潑性由強(qiáng)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(fù)極、B為正極，活潑性A>B；乙中C極增重，即析出Cu，則B為負(fù)極，活潑性B>C；丙中A上有氣體即H2產(chǎn)生，則A為正極，活潑性D>A，隨著H＋的消耗，pH變大。 ■常用教學(xué)素材 世界第一艘燃料電池潛艇U-31 2003年4月7日，德國基爾港升起了一顆

18、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?yàn)樗J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(gè)新里程碑；到2004年春服役后，它就是“世界范圍內(nèi)最先進(jìn)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(xiǎn)性。而U31就沒有這種煩惱，因?yàn)樗谒戮湍茏孕谐潆?，取得了“不依賴空氣”的技術(shù)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(gè)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(shè)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(nèi)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，直接轉(zhuǎn)換成電能，輸出的直流電直接驅(qū)動電動機(jī)，電動機(jī)帶動槳軸，推進(jìn)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(qū)動，U31可在水下連續(xù)潛行3周。