高中化學(xué) 第4章 電化學(xué)基礎(chǔ) 第1節(jié) 原電池課件 新人教版選修4.ppt

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成才之路 化學(xué),路漫漫其修遠(yuǎn)兮 吾將上下而求索,人教版 選修④,電化學(xué)基礎(chǔ),第四章,第一節(jié) 原電池,第四章,某化學(xué)興趣小組為了體驗(yàn)水果電池電流的存在進(jìn)行了下列實(shí)驗(yàn)。用橘子一個(gè)，鋁片和鋅片各一片，電燈泡一個(gè)，按圖連接好。在實(shí)驗(yàn)前，先用砂紙擦去金屬表面的氧化膜，實(shí)驗(yàn)時(shí)保持兩金屬插在橘子上不能直接接觸。,,你知道在上述水果電池中，電流的強(qiáng)弱與兩極的距離有什么關(guān)系嗎？影響電流的因素還可能有哪些呢？ 電能是現(xiàn)代社會(huì)中應(yīng)用最廣泛，使用最方便、污染最小的一種二次能源，又稱電力。例如，日常生活中使用的手提電腦、手機(jī)、相機(jī)、攝像機(jī)……這一切都依賴于電池的應(yīng)用。那么，電池是怎樣把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪兀课覀冞@節(jié)課先一起復(fù)習(xí)一下有關(guān)原電池的相關(guān)內(nèi)容。,●新知導(dǎo)學(xué),氧化還原,化學(xué),電,負(fù),Zn－2e－===Zn2＋,氧化,正,Cu2＋＋2e－===Cu,還原,Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋,負(fù)極,正極,電解質(zhì),閉合,氧化還原,活潑性較強(qiáng),活潑性較弱,電解質(zhì)溶液,陰、陽(yáng)離子的定向,移動(dòng),導(dǎo)線,1．為什么實(shí)驗(yàn)室用鋅與稀H2SO4反應(yīng)制H2，在其他條件相同的條件下，用粗鋅產(chǎn)生H2的速率會(huì)更快？ 提示：形成鋅|稀H2SO4|雜質(zhì)金屬的原電池，所以反應(yīng)速率會(huì)更快。,●自主探究,2．鎂、鋁和NaOH溶液組成原電池，作負(fù)極的應(yīng)該是哪種金屬？為什么？ 提示：原電池的負(fù)極總是失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，其正極總是得電子發(fā)生還原反應(yīng)。哪個(gè)電極與電解質(zhì)溶液更易反應(yīng)而失電子，就是原電池的負(fù)極，不一定是較活潑的金屬作負(fù)極，而要看是否發(fā)生氧化反應(yīng)。鎂、鋁和NaOH溶液組成的原電池中，鋁能與NaOH溶液反應(yīng)，而鎂盡管較為活潑但它不與NaOH溶液反應(yīng)，所以鋁為原電池的負(fù)極。,3．鹽橋在原電池中有何作用？ 提示：(1)作用：使兩個(gè)半電池中的溶液連成一個(gè)通路。 (2)優(yōu)點(diǎn)：使原電池中氧化劑和還原劑近乎完全隔離，并在不同區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)了電子的定向移動(dòng)，使原電池能持續(xù)、穩(wěn)定地產(chǎn)生電流。,4．鹽橋是裝有飽和KCl瓊脂溶膠的 U 形管，溶液不致流出來(lái)，但離子則可以在其中自由移動(dòng)。試推斷，鹽橋中是通過(guò)什么微粒的定向移動(dòng)使整個(gè)裝置構(gòu)成回路的？ 提示：是溶在瓊脂溶膠中的電解質(zhì)電離出的陰陽(yáng)離子，在電場(chǎng)中做定向移動(dòng)的結(jié)果，在此要特別注意的是鹽橋中的電解質(zhì)不會(huì)(或很少)進(jìn)入相連的兩池中。,1．原電池的相關(guān)概念 (1)原電池的定義：將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置叫做原電池。 (2)原電池的電極。 負(fù)極：發(fā)生氧化反應(yīng)，電子流出(流向正極)的一極。 正極：發(fā)生還原反應(yīng)，電子流入(來(lái)自負(fù)極)的一極。,原電池的構(gòu)造及工作原理,●教材點(diǎn)撥,(3)原電池中電荷的移動(dòng)。 在氧化還原反應(yīng)的過(guò)程中，在外電路(電解質(zhì)溶液以外)，電子由負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線(包括電流計(jì)和其他用電器)流向正極，使負(fù)極呈正電性趨勢(shì)，正極呈負(fù)電性趨勢(shì)。由電性作用原理可知，在內(nèi)電路(電解質(zhì)溶液中)，陽(yáng)離子(帶正電荷)向正極移動(dòng)，陰離子(帶負(fù)電荷)向負(fù)極移動(dòng)。這樣就形成了電荷連續(xù)定向移動(dòng)，電性趨向平衡的閉合電路。,若化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中有電子轉(zhuǎn)移，我們就可以把這個(gè)過(guò)程中的電子轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)成定向移動(dòng)，即形成電流。所以只有氧化還原反應(yīng)中的能量變化才能被轉(zhuǎn)化成電能；非氧化還原反應(yīng)中的能量變化不能設(shè)計(jì)成電池的形式被人類利用，但可以以光能、熱能等其他形式的能量被人類應(yīng)用。,2．構(gòu)成原電池的條件 (1)有兩種活動(dòng)性不同的金屬(或一種非金屬導(dǎo)體)作電極。 (2)電極材料均插入電解質(zhì)溶液中。 (3)兩極相連形成閉合回路。 (4)能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應(yīng)。,提示：①原電池中，負(fù)極的金屬性比正極的金屬性強(qiáng)。 ②形成閉合回路的方式有多種，可以是導(dǎo)線連接兩個(gè)電極，也可以是兩電極直接接觸。如圖所示：,,3．原電池的判定 先分析有無(wú)外接電源，有外接電源的為電解池，無(wú)外接電源的可能為原電池；然后依據(jù)原電池的形成條件分析判斷，主要是“四看”：一看電極——兩極為導(dǎo)體且存在活潑性差異(燃料電池的電極一般為惰性電極)。二看溶液——兩極插入電解質(zhì)溶液中。三看回路——形成閉合回路或兩極直接接觸。四看本質(zhì)——有無(wú)自發(fā)的氧化還原反應(yīng)發(fā)生。 提示：多池相連，但無(wú)外接電源時(shí)，兩極活潑性差異最大的一池為原電池，其他各池可看做電解池。,下列裝置可以構(gòu)成原電池的是( ),●典例透析,,,【解析】 原電池構(gòu)成的三個(gè)條件是：活潑性不同的兩個(gè)電極，A錯(cuò)誤；電解質(zhì)溶液，B錯(cuò)誤；構(gòu)成閉合回路，D錯(cuò)誤；C滿足這三個(gè)條件。 【答案】 C,1．(2015經(jīng)典習(xí)題選萃)在下列的8個(gè)裝置中，屬于原電池的是哪幾個(gè)？( ),●變式訓(xùn)練,,解析：構(gòu)成原電池要有四個(gè)基本條件：A．電解質(zhì)溶液；B．兩個(gè)電極，其中一個(gè)相對(duì)較活潑，另一個(gè)相對(duì)較不活潑，兩個(gè)電極直接或間接地連接在一起，并插入電解質(zhì)溶液中；C．能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應(yīng)；D．形成閉合電路。本題⑤中不是電解質(zhì)溶液；①②③不具備活潑性不同的電極；⑧中不能形成閉合電路。 答案：④⑥⑦,原電池有兩個(gè)電極，一個(gè)是正極，一個(gè)是負(fù)極，判斷正極和負(fù)極的方法是： 1．由組成原電池兩極的電極材料判斷。一般是活潑的金屬為負(fù)極，活潑性較弱的金屬或能導(dǎo)電的非金屬為正極。 2.根據(jù)電流方向或電子流動(dòng)方向判斷。電流是由正極流向負(fù)極；電子流動(dòng)方向是由負(fù)極流向正極。,原電池正負(fù)極的判斷方法,●教材點(diǎn)撥,3.根據(jù)原電池里電解質(zhì)溶液中離子的定向移動(dòng)方向判斷。在原電池的電解質(zhì)溶液中，陽(yáng)離子移向的極是正極，陰離子移向的極是負(fù)極。 4.根據(jù)原電池兩極發(fā)生的變化來(lái)判斷，原電池的負(fù)極總是失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，其正極總是得電子發(fā)生還原反應(yīng)。 5.依據(jù)現(xiàn)象判斷。溶解的一極為負(fù)極，質(zhì)量增加或者有氣體放出的一極為正極。 提示：根據(jù)電極材料的活潑性來(lái)判斷正負(fù)極，要注意電解質(zhì)溶液對(duì)原電池正負(fù)極的影響。例如，①M(fèi)g、Al、NaOH溶液構(gòu)成的原電池，Al為負(fù)極；②Fe(或Al)、Cu、濃HNO3構(gòu)成的原電池，Cu為負(fù)極。,(2015湖南寧鄉(xiāng)中學(xué)月考)關(guān)于如圖所示的原電池，下列說(shuō)法正確的是( ),●典例透析,,【答案】 A 【點(diǎn)評(píng)】 (1)理解原電池的工作原理。 (2)區(qū)別電子流動(dòng)方向和電流方向。,2．有如圖所示的兩個(gè)原電池裝置，下列說(shuō)法不正確的是( ),●變式訓(xùn)練,,A．A池中負(fù)極的電極反應(yīng)為Mg－2e－===Mg2＋ B．Mg在A池中為負(fù)極，在B池中為正極 C．B池中電子的流向：Mg→Al D．原電池工作一段時(shí)間后，A池溶液的pH會(huì)增大 解析：判斷原電池正負(fù)極，除考慮活潑性還要注意電解質(zhì)溶液對(duì)正負(fù)極的影響。對(duì)于稀硫酸來(lái)說(shuō)，鎂是比鋁更活潑的金屬；但對(duì)于氫氧化鈉溶液來(lái)說(shuō)，鋁是比鎂更活潑的金屬，所以A池中鎂是負(fù)極，B池中鋁是負(fù)極，B對(duì)；,A池中電極反應(yīng)為Mg－2e－===Mg2＋，A對(duì)；B池中電子流向?yàn)锳l―→Mg，C項(xiàng)錯(cuò)。A池中正極2H＋＋2e－===H2↑，隨著反應(yīng)進(jìn)行，c(H＋)減小，pH增大，D對(duì)。 答案：C,1．設(shè)計(jì)原電池 (1)設(shè)計(jì)依據(jù) 形成原電池的基本條件，即是設(shè)計(jì)原電池的基本依據(jù)。 (2)設(shè)計(jì)思路 ①根據(jù)氧化還原反應(yīng)方程式寫(xiě)出電極反應(yīng)式； ②確定兩電極材料； ③確定電解質(zhì)溶液； ④構(gòu)成閉合回路。,原電池原理的應(yīng)用,●教材點(diǎn)撥,例如：以2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2為依據(jù)，設(shè)計(jì)一個(gè)原電池。 a．將氧化還原反應(yīng)拆成氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)兩個(gè)半反應(yīng)，分別作原電池的負(fù)極和正極電極反應(yīng)式。 負(fù)極：Cu－2e－===Cu2＋ 正極：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋,b．確定電極材料 若發(fā)生氧化反應(yīng)的物質(zhì)為金屬單質(zhì)，可用該金屬直接作負(fù)極；若為氣體(如H2)或溶液中的還原性離子，可用惰性電極(如Pt、碳棒)作負(fù)極。 發(fā)生還原反應(yīng)的電極材料必須比發(fā)生氧化反應(yīng)的電極材料活潑性差。 本例中可用銅棒作負(fù)極，用鉑絲或碳棒作正極。 c．確定電解質(zhì)溶液 一般選用反應(yīng)物中的電解質(zhì)溶液即可。如本例中可用FeCl3溶液作電解質(zhì)溶液。 d．構(gòu)成閉合回路。,提示： 設(shè)計(jì)原電池時(shí)，若氧化還原方程式中無(wú)明確的電解質(zhì)溶液，可用水作電解質(zhì)，但為了增強(qiáng)其導(dǎo)電性，通常加入強(qiáng)堿或一般的強(qiáng)酸。如燃料電池，水中一般要加入KOH或H2SO4。,2．加快氧化還原反應(yīng)速率 (1)實(shí)驗(yàn)室制取氫氣時(shí)用粗鋅比用純鋅產(chǎn)生氫氣的速率快，原因是粗鋅中的雜質(zhì)和鋅形成原電池，使產(chǎn)生氫氣的速率加快。 (2)在稀硫酸中加入少量硫酸銅溶液，鋅與硫酸銅發(fā)生置換反應(yīng)，在鋅的表面生成的銅與鋅構(gòu)成原電池，產(chǎn)生氫氣的速率加快。,3．比較金屬的活動(dòng)性強(qiáng)弱 例如：有兩種金屬a和b，用導(dǎo)線連接后插入到稀硫酸中，觀察到a極溶解，b極上有氣泡產(chǎn)生。根據(jù)電極反應(yīng)現(xiàn)象判斷出a是負(fù)極，b是正極，由原電池原理可知，金屬活動(dòng)性ab。 4.用于金屬的防護(hù) 如要保護(hù)一個(gè)鐵閘。可用導(dǎo)線將其與一鋅塊相連，使鋅作原電池的負(fù)極，鐵閘作正極。 5．尋求和制造干電池和蓄電池等化學(xué)能源,(2015試題調(diào)研)根據(jù)下式所表示的氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)原電池： Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag (1)裝置可采用燒杯和鹽橋，畫(huà)出此原電池的裝置圖，注明原電池的正極、負(fù)極和外電路中電子的流向。 (2)寫(xiě)出兩個(gè)電極上的電極反應(yīng)。,●典例透析,【解析】 首先將已知的反應(yīng)拆成兩個(gè)半反應(yīng)：Cu－2e－===Cu2＋，2Ag＋＋2e－===2Ag，然后結(jié)合原電池的電極反應(yīng)特點(diǎn)分析可知，該電池的負(fù)極材料為Cu，正極材料為Ag。原電池由兩個(gè)半電池組成，銅和銅鹽溶液組成銅半電池，銀和銀鹽溶液組成銀半電池，中間通過(guò)鹽橋連接起來(lái)。,【答案】 (1)如下圖 (2)負(fù)極：Cu－2e－===Cu2＋，正極：2Ag＋＋2e－===2Ag 【點(diǎn)評(píng)】 先確定兩極，分析原電池的電極反應(yīng)，然后根據(jù)電極反應(yīng)確定電解質(zhì)溶液。,,3．根據(jù)下圖，可判斷出下列離子方程式中錯(cuò)誤的是( ),●變式訓(xùn)練,,A．2Ag(s)＋Cd2＋(aq)===2Ag＋(aq)＋Cd(s) B．Co2＋(aq)＋Cd(s)===Co(s)＋Cd2＋(aq) C．2Ag＋(aq)＋Cd(s)===2Ag(s)＋Cd2＋(aq) D．2Ag＋(aq)＋Co(s)===2Ag(s)＋Co2＋(aq) 解析：由第一個(gè)裝置圖中正負(fù)極的標(biāo)注可知，Cd失去電子作負(fù)極，則金屬性CdCo；由第二個(gè)裝置圖正負(fù)極的標(biāo)注可知，Co失去電子被氧化作負(fù)極，則金屬性CoAg，綜上分析可知三者金屬性的強(qiáng)弱順序?yàn)镃dCoAg。根據(jù)活潑性強(qiáng)的金屬能將活潑性弱的金屬?gòu)钠潲}溶液中置換出來(lái)的規(guī)律判斷A項(xiàng)錯(cuò)誤。 答案：A,1．用鋅片、銅片和硝酸銀組成的原電池，正極上發(fā)生的電極反應(yīng)是( ) A．2H＋＋2e－===H2↑ B．Zn－2e－===Zn2＋ C．2H2O＋O2＋4e－===4OH－ D．Ag＋＋e－===Ag 解析：鋅比銅活潑，鋅作負(fù)極，銅作正極，正極反應(yīng)是Ag＋＋e－===Ag。 答案：D,2．有關(guān)原電池的下列說(shuō)法中正確的是( ) A．在外電路中電子由正極流向負(fù)極 B．在原電池中負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng) C．陽(yáng)離子向正極方向移動(dòng) D．原電池中正極一定是不活潑金屬 解析：在外電路中，電子從負(fù)極流向正極；原電池中負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，陽(yáng)離子在正極被還原，所以電解質(zhì)溶液中的陽(yáng)離子向正極移動(dòng)；原電池中一般正極金屬比負(fù)極金屬活潑性差，但不一定是不活潑金屬，故選C。 答案：C,3．(2015四川廣安中學(xué)月考)如圖，在盛有稀硫酸的燒杯中放入用導(dǎo)線連接的電極X、Y，外電路中電子流向如圖所示，關(guān)于該裝置的下列說(shuō)法正確的是( ),,解析：由圖示電子流向知X為負(fù)極，Y為正極，則電流方向?yàn)閅→外電路→X，故A錯(cuò)；若兩電極分別為Fe和碳棒，則X為Fe，Y為碳棒，B錯(cuò)；負(fù)極上失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，C錯(cuò)；若兩電極均為金屬，活潑金屬作負(fù)極，故有活動(dòng)性XY。 答案：D,4．依據(jù)氧化還原反應(yīng)：2Ag＋(aq)＋Cu(s)===Cu2＋(aq)＋2Ag(s)設(shè)計(jì)原電池如圖所示，其中鹽橋?yàn)榄傊柡蚄NO3鹽橋。,,請(qǐng)回答下列問(wèn)題： (1)電極X的材料是__________；電解質(zhì)溶液Y是__________。 (2)銀電極為電池的__________極，寫(xiě)出兩電極的電極反應(yīng)式： 銀電極：____________________________________； X電極：____________________________________。,答案：(1)Cu AgNO3溶液 (2)正 2Ag＋＋2e－===2Ag Cu－2e－===Cu2＋ (3)Cu Ag (4)B,5．研究人員研制出一種鋰水電池，可作為魚(yú)雷和潛艇的儲(chǔ)備電源。該電池以金屬鋰和鋼板為電極材料，以LiOH為電解質(zhì)，使用時(shí)加入水即可放電?？偡磻?yīng)為：2Li＋H2O===2LiOH＋H2↑。 (1)該電池的負(fù)極是__________，負(fù)極反應(yīng)式是_____ ________。 (2)正極現(xiàn)象是____________________。 (3)放電時(shí)OH－向__________移動(dòng)(填“正極”或“負(fù)極”)。,解析：金屬鋰比鋼板活潑，作原電池的負(fù)極，電極反應(yīng)式為L(zhǎng)i－e－===Li＋，LiOH溶液中的陽(yáng)離子有Li＋和H＋，由于氧化性H＋Li＋，所以正極反應(yīng)是：2H＋＋2e－===H2↑，正極產(chǎn)生無(wú)色氣體；在原電池的放電過(guò)程中，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，所以O(shè)H－向負(fù)極移動(dòng)。 答案：(1)鋰 Li－e－===Li＋ (2)有無(wú)色氣體產(chǎn)生 (3)負(fù)極,1．下圖所示裝置能否實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化？,,上圖所示裝置也是一種銅鋅原電池。鋅片插入ZnSO4溶液中，銅片插入CuSO4溶液中，分別構(gòu)成兩個(gè)電極。鋅片和銅片用導(dǎo)線連接構(gòu)成外電路(電池的外部電路)；ZnSO4溶液和CuSO4溶液用鹽橋連接，構(gòu)成內(nèi)電路(電池的內(nèi)部電路)。當(dāng)鹽橋插入后，電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)，顯示有電流產(chǎn)生，反應(yīng)釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能。在這種原電池中，兩個(gè)電極反應(yīng)是在彼此隔離的條件下進(jìn)行的，鋅與Cu2＋不直接發(fā)生反應(yīng)，這樣可以更徹底地將反應(yīng)所釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能。,由銅鋅原電池可知，原電池中的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩個(gè)電極上進(jìn)行。發(fā)生氧化反應(yīng)的電極是負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)的電極是正極。在銅鋅原電池的內(nèi)電路，鋅極發(fā)生氧化反應(yīng)，鋅極是負(fù)極；銅極發(fā)生還原反應(yīng)，銅極是正極。對(duì)于電池來(lái)說(shuō)，電子流出的電極是負(fù)極，電子流入的電極是正極。在銅鋅原電池的外電路，電子由鋅極流向銅極，鋅極是負(fù)極，銅極是正極。在原電池中，正極上得電子的數(shù)目和負(fù)極上失電子的數(shù)目相等。原電池的兩個(gè)電極反應(yīng)組成電池的總反應(yīng)，這個(gè)總反應(yīng)叫做電池反應(yīng)。,(1)鹽橋 將熱的瓊脂溶液(可以是KCl溶液或NH4NO3溶液)倒入U(xiǎn)形管中(注意不要產(chǎn)生裂隙)，將冷卻后的U型管浸泡在KCl飽和溶液或NH4NO3飽和溶液中，即可得到鹽橋。 離子在鹽橋中能夠定向移動(dòng)。通過(guò)鹽橋?qū)蓚€(gè)隔離的電解質(zhì)溶液連接起來(lái)，可使電流持續(xù)傳導(dǎo)。,(2)原電池的表示式 以上裝置的銅鋅原電池可以用下式表示： (－)Zn|ZnSO4||CuSO4|Cu(＋) 負(fù)極在左，正極在右；“|”表示電極材料與電解質(zhì)溶液的界面；“‖”通常表示鹽橋。必要時(shí)，還可加注電解質(zhì)溶液的濃度等信息。 Zn2＋在鋅片表面的溶解和沉積過(guò)程同時(shí)進(jìn)行,2．原電池的電流是怎樣產(chǎn)生的 我們以銅鋅原電池為例來(lái)分析原電池的電流是怎樣產(chǎn)生的。 鋅片上和ZnSO4溶液中都存在Zn2＋。在鋅片和溶液的接觸面上，水分子與金屬表面的Zn2＋相互吸引，發(fā)生水合作用，使部分Zn2＋離開(kāi)鋅片進(jìn)入溶液： Zn―→Zn2＋＋2e－ 溶液中的Zn2＋也可以沉積到鋅片的表面： Zn2＋＋2e－―→Zn,銅原子和鋅原子失電子的能力不同，因此銅電極和鋅電極的溶解——沉積平衡狀態(tài)不一樣，兩個(gè)電極材料與其溶液間的電勢(shì)差不相等。由于鋅原子比銅原子容易失電子，在鋅電極的鋅片表面上積累的電子比銅電極的銅片表面上積累的電子多，因此將兩極接通后，電子由鋅片流向銅片。電子的移動(dòng)破壞了兩極的溶解——沉積平衡，鋅極的平衡由于電子移走而向溶解方向移動(dòng)，銅極的平衡由于電子移入而向沉積方向移動(dòng)；結(jié)果使電子持續(xù)流動(dòng)形成電流。,