高三化學(xué) 1_12 原電池教學(xué)設(shè)計(jì)
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原電池 〖復(fù)習(xí)目標(biāo)〗 (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)了解常見化學(xué)電源的種類及其工作原理。 〖教學(xué)重點(diǎn)〗原電池的工作原理、電極反應(yīng)和電池反應(yīng)方程式的書寫 〖教學(xué)難點(diǎn)〗電極反應(yīng)和電池反應(yīng)方程式的書寫 〖教學(xué)過程〗 【知識(shí)精講】 1、原電池概念及構(gòu)成條件 (1)原電池 把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。 (2)原電池構(gòu)成條件 ①具有兩個(gè)活性不同的電極(金屬和金屬或金屬和非金屬。 ②具有電解質(zhì)溶液。 ③形成閉合電路 (或在溶液中相互接觸)。 (3)判斷裝置是否為原電池 2、原電池工作原理 原電池的工作原理和電子流向可用下列圖示 【說明】 ①在原電池裝置中,電子由負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線流向正極,陽離子在正極上獲得電子,通過電路中的電子和溶液中的離子的移動(dòng)而形成回路,傳導(dǎo)電流,電子并不進(jìn)入溶液也不能在溶液中遷移。 ②原電池將一個(gè)完整的氧化還原反應(yīng)分為兩個(gè)半反應(yīng),負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),正極發(fā)生還原反應(yīng),一般將兩個(gè)電極反應(yīng)中得失電子的數(shù)目寫為相同,相加便得到總反應(yīng)方程式。 ③陰離子要移向負(fù)極,陽離子要移向正極。這是因?yàn)椋贺?fù)極失電子,生成大量陽離子積聚在負(fù)極附近,致使該極附近有大量正電荷,所以溶液中的陰離子要移向負(fù)極;正極得電子,該極附近的陽離子因得電子生成電中性的物質(zhì)而使該極附近帶負(fù)電荷,所以溶液中的陽離子要移向正極。 ④不參與電極反應(yīng)的離子從微觀上講發(fā)生移動(dòng),但從宏觀上講其在溶液中各區(qū)域的濃度基本不變。 3、原電池的應(yīng)用 (1)加快氧化還原反應(yīng)的速率 一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng),設(shè)計(jì)成原電池時(shí)反應(yīng)速率增大。例如,在Zn與稀H2SO4反應(yīng)時(shí)加入少量CuSO4溶液能使產(chǎn)生H2的反應(yīng)速率加快。 (2)比較金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱 兩種金屬分別做原電池的兩極時(shí),一般做負(fù)極的金屬比做正極的金屬活潑。 (3)用于金屬的防護(hù) 使被保護(hù)的金屬制品做原電池正極而得到保護(hù)。例如,要保護(hù)一個(gè)鐵質(zhì)的輸水管道或鋼鐵橋梁等,可用導(dǎo)線將其與一塊鋅塊相連,使鋅做原電池的負(fù)極。 4、化學(xué)電源 化學(xué)電源是能夠?qū)嶋H應(yīng)用的原電池。作為化學(xué)電源的電池有一次電池、二次電池和燃料電池等。 (1)堿性鋅錳干電池——一次電池 總反應(yīng)式:Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2。 正極反應(yīng):2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-; 負(fù)極反應(yīng):Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2。 (2)鋅銀電池——一次電池 負(fù)極反應(yīng):Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2; 正極反應(yīng):Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-; 總反應(yīng)式:Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag。 (3)二次電池(可充電電池) 鉛蓄電池是最常見的二次電池,負(fù)極材料是Pb,正極材料是PbO2。 ①放電時(shí)的反應(yīng) 負(fù)極反應(yīng):Pb+SO42 ̄-2e-===PbSO4; 正極反應(yīng):PbO2+4H++SO42 ̄+2e-===PbSO4+2H2O; 總反應(yīng):Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。 ②充電時(shí)的反應(yīng) 陰極反應(yīng):PbSO4+2e-===Pb+SO42 ̄; 陽極反應(yīng):PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO42 ̄; 總反應(yīng):2PbSO4+2H2O===Pb+PbO2+2H2SO4。 (4)燃料電池 氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池,可分酸性和堿性兩種。 種類 酸性 堿性 負(fù)極反應(yīng)式 2H2-4e-===4H+ 2H2+4OH--4e-===4H2O 正極反應(yīng)式 O2+4e-+4H+===2H2O O2+2H2O+4e-===4OH- 電池總反應(yīng)式 2H2+O2===2H2O 【方法精講】 1、設(shè)計(jì)制作化學(xué)電源 設(shè)計(jì)原電池時(shí)要緊扣原電池的構(gòu)成條件。具體方法是: (1)首先將已知氧化還原反應(yīng)拆分為兩個(gè)半反應(yīng); (2)根據(jù)原電池的電極反應(yīng)特點(diǎn),結(jié)合兩個(gè)半反應(yīng)找出正負(fù)極材料及電解質(zhì)溶液。 ①電極材料的選擇 在原電池中,選擇還原性較強(qiáng)的物質(zhì)作為負(fù)極;氧化性較強(qiáng)的物質(zhì)作為正極。并且,原電池的電極必須導(dǎo)電。電池中的負(fù)極必須能夠與電解質(zhì)溶液反應(yīng)。 ②電解質(zhì)溶液的選擇 電解質(zhì)溶液一般要能夠與負(fù)極發(fā)生反應(yīng),或者電解質(zhì)溶液中溶解的其他物質(zhì)能與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)(如空氣中的氧氣)。但如果兩個(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)溶液應(yīng)選擇與電極材料相同的陽離子。如在銅——鋅——硫酸構(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,而正極銅浸泡在含有Cu2+的電解質(zhì)溶液中. (3)按要求畫出原電池裝置圖。 2、原電池正、負(fù)極判斷方法 原電池的正極與負(fù)極與電極材料的性質(zhì)有關(guān),也與電解質(zhì)溶液有關(guān),不要形成活潑電極一定作負(fù)極的思維定勢(shì)。 (1)根據(jù)電極材料判斷 負(fù)極——活潑性較強(qiáng)的金屬 正極——活潑性較弱的金屬或能導(dǎo)電的非金屬 注:活潑金屬不一定做負(fù)極,如Mg、Al在NaOH溶液中,Al做負(fù)極。 (2)根據(jù)電子流動(dòng)方向或電流方向或電解質(zhì)溶液內(nèi)離子的定向移動(dòng)方向判斷 負(fù)極——電子流出極,電流流入極或陰離子定向移向極 正極——電子流入極,電流流出極或陽離子定向移向極 (3)根據(jù)兩極發(fā)生的變化判斷 負(fù)極——失去電子,化合價(jià)升高,發(fā)生氧化反應(yīng) 正極——得到電子,化合價(jià)降低,發(fā)生還原反應(yīng) (4)根據(jù)反應(yīng)現(xiàn)象判斷 負(fù)極——會(huì)逐漸溶解,質(zhì)量減小 正極———有氣泡逸出或質(zhì)量增加 3、原電池電極方程式的書寫 電極反應(yīng)式書寫 原電池反應(yīng)的基礎(chǔ)是氧化還原反應(yīng),正極發(fā)生還原反應(yīng),負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),據(jù)此書寫電極反應(yīng)式的步驟如下: (1)確定原電池的正、負(fù)極,以及兩電極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)。在原電池中,負(fù)極是還原性材料失去電子被氧化,發(fā)生氧化反應(yīng)。正極反應(yīng)要分析電極材料的性質(zhì):若電極材料是強(qiáng)氧化性材料,則是電極材料得電子被還原,發(fā)生還原反應(yīng);若電極材料是惰性的,再考慮電解質(zhì)溶液中的陽離子是否能與負(fù)極材料反應(yīng)。能發(fā)生反應(yīng)則是溶液中的陽離子得電子,發(fā)生還原反應(yīng);若不能與負(fù)極材料反應(yīng),則考慮空氣中的氧氣,氧氣得電子,發(fā)生還原反應(yīng)。 (2)弱電解質(zhì)、氣體或難溶解物均以化學(xué)式表示,其余以離子符號(hào)表示,保證電荷守恒,質(zhì)量守恒及正、負(fù)極得失電子數(shù)相等的規(guī)律,一般用“=”而不用“―→”。 (3)正負(fù)極反應(yīng)式相加得到原電池總反應(yīng)式,通常將總反應(yīng)式減去較易寫出的電極反應(yīng)式,從而得到較難寫出的電極反應(yīng)式。 4、燃料電池電極反應(yīng)式的書寫 (1)化學(xué)電源中電極反應(yīng)式書寫的一般程序——“加減法”書寫電極反應(yīng)式 ①先確定原電池的正負(fù)極,列出正負(fù)極上的反應(yīng)物質(zhì),并標(biāo)出相同數(shù)目電子的得失。 ②注意負(fù)極反應(yīng)生成的陽離子與電解質(zhì)溶液中的陰離子是否共存。若不共存,則該電解質(zhì)溶液中的陰離子應(yīng)寫入負(fù)極反應(yīng)式;若正極上的反應(yīng)物質(zhì)是O2,且電解質(zhì)溶液為中性或堿性,則水必須寫入正極反應(yīng)式中,且O2生成OH-,若電解質(zhì)溶液為酸性,則H+必須寫入正極反應(yīng)式中,O2生成水。 ③正負(fù)極反應(yīng)式相加得到電池反應(yīng)的總反應(yīng)式。若已知電池反應(yīng)的總反應(yīng)式,可先寫出較易書寫的一極的電極反應(yīng)式,然后在電子守恒的基礎(chǔ)上,總反應(yīng)式減去較易寫出的一極的電極反應(yīng)式,即得到較難寫出的另一極的電極反應(yīng)式。 (2)根據(jù)燃料電池的特點(diǎn),一般在正極上發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)都是O2,隨著電解質(zhì)溶液的不同,其電極反應(yīng)有所不同,其實(shí),我們只要熟記以下四種情況: ①酸性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式:O2+4H++4e-===2H2O ②堿性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式:O2+2H2O+4e-===4OH- ③固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2-)環(huán)境下電極反應(yīng)式:O2+4e-===2O2- ④熔融碳酸鹽(如:熔融K2CO3)環(huán)境下電極反應(yīng)式:O2+2CO2+4e-===2CO。 根據(jù)電池總反應(yīng)式和正極反應(yīng)式寫出電池的負(fù)極反應(yīng)式 電池的總反應(yīng)和正、負(fù)極反應(yīng)之間有如下關(guān)系:電池的總反應(yīng)式=電池正極反應(yīng)式+電池負(fù)極反應(yīng)式 電池的總反應(yīng)式-電池正極反應(yīng)式=電池負(fù)極反應(yīng)式,注意在將兩個(gè)反應(yīng)式相減時(shí),要約去正極的反應(yīng)物O2。 5、可充電電池的分析 (1)對(duì)可充電電池充電和放電兩過程認(rèn)識(shí):放電是原電池反應(yīng),充電是電解池反應(yīng) (2)對(duì)可充電電池電極極性和材料的判斷: 判斷電池放電時(shí)電極極性和材料,可先標(biāo)出放電(原電池)總反應(yīng)式電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目,失去電子的一極為負(fù)極,該物質(zhì)即為負(fù)極材料;得到電子的一極為正極,該物質(zhì)即為正極材料。 若判斷電池充電時(shí)電極極性和材料,方法同前,失去電子的一極為陽極,該物質(zhì)即為陽極材料;得到電子的一極為陰極,該物質(zhì)即為陰極材料。 (3)對(duì)溶液中離子的移動(dòng)方向判斷: 放電時(shí),陰離子移向負(fù)極,陽離子移向正極; 充電時(shí),陰離子移向陽極,陽離子移向陰極。 (4)可充電電池充電時(shí)與電源的連接: 可充電電池用完后充電時(shí),原電池的負(fù)極與外電源的負(fù)極相連,原電池的正極與外電源的正極相連。 (5)對(duì)可充電電池某電極是發(fā)生氧化還是還原反應(yīng)及某元素被氧化還是被還原的判斷: 可根據(jù)電極反應(yīng)式進(jìn)行分析, 放電(原電池)的負(fù)極及充電(電解池)的陽極均失去電子,發(fā)生了氧化反應(yīng),其變價(jià)元素被氧化; 放電(原電池)的正極及充電(電解池)的陰極均得到電子,發(fā)生了還原反應(yīng),其變價(jià)元素被還原。 (6)可充電電池電極反應(yīng)式的書寫方法: 書寫可充電電池電極反應(yīng)式,一般都是先書寫放電的電極反應(yīng)式。 書寫放電的電極反應(yīng)式時(shí),一般要遵守三步: 第一,先標(biāo)出原電池總反應(yīng)式電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目,指出參與負(fù)極和正極反應(yīng)的物質(zhì); 第二,寫出一個(gè)比較容易書寫的電極反應(yīng)式(書寫時(shí)一定要注意電極產(chǎn)物是否與電解質(zhì)溶液共存); 第三,在電子守恒的基礎(chǔ)上,總反應(yīng)式減去寫出的電極反應(yīng)式即得另一電極反應(yīng)式。 充電的電極反應(yīng)與放電的電極反應(yīng)過程相反,充電的陽極反應(yīng)為放電正極反應(yīng)的逆過程,充電的陰極反應(yīng)為放電負(fù)極反應(yīng)的逆過程 【典例精講】 【例1】蓄電池是一種可以反復(fù)充電、放電的裝置。有一種蓄電池在充電和放電時(shí)發(fā)生的反應(yīng)為NiO2+ Fe+2H2OFe(OH)2+Ni(OH)2.下列有關(guān)該電池的說法中正確的是 ( ) A.放電時(shí)電解質(zhì)溶液顯強(qiáng)酸性 B.充電時(shí)陽板反應(yīng)為Ni(OH)2+2OH--2e-=NiO2+2H2O C.放電時(shí)正極附近溶液pH減小 D.充電時(shí)陰極附近溶液的堿性保持不變 【答案】B 【解析】A.根據(jù)放電時(shí)的電解質(zhì)溶液的變化可知:放電時(shí)電解質(zhì)溶液顯中性,錯(cuò)誤;B.充電時(shí)陽板發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)為Ni(OH)2+2OH--2e-=NiO2+2H2O,正確;C.放電時(shí)在正極發(fā)生反應(yīng):NiO2+ 2e-+4H+ = Ni(OH)2,由于消耗H+,所以附近溶液pH增大,錯(cuò)誤;D.充電時(shí)陰極發(fā)生還原反應(yīng):Fe(OH)2 +2e-=Fe+2OH-,由于c(OH-)增大,所以附近溶液的堿性增強(qiáng),錯(cuò)誤。 【例2】微型紐扣電池在現(xiàn)代生活中有廣泛應(yīng)用,有一種銀鋅電池,其電極分別是Ag2O和Zn,電解質(zhì)溶液為KOH溶液,電極反應(yīng)式為:Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O,Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-,總反應(yīng)式為:Ag2O+Zn===ZnO+2Ag 根據(jù)上述反應(yīng)式,判斷下列敘述中正確的是( ) A.在使用過程中,電池負(fù)極區(qū)溶液的pH增大 B.在使用過程中,電子由Ag2O經(jīng)外電路流向Zn極 C.Zn是負(fù)極,Ag2O是正極 D.Zn極發(fā)生還原反應(yīng),Ag2O極發(fā)生氧化反應(yīng) 【答案】C 【解析】A.負(fù)極發(fā)生Zn+2OH--2e-=ZnO+H2O,c(OH-)減小,所以電池負(fù)極區(qū)溶液的pH減小,A錯(cuò)誤;B.Zn為負(fù)極,Ag2O為正極,則使用過程中,電子由Zn極經(jīng)外電路流向Ag2O極,B錯(cuò)誤;C.Zn失去電子,Zn為負(fù)極,Ag2O得到電子是正極,C正確;D.Zn電極發(fā)生氧化反應(yīng),Ag2O電極發(fā)生還原反應(yīng),D錯(cuò)誤;答案選C。 【例3】銀一種新型燃料電池,一極通入空氣,另一極通入丁烷氣體;電解質(zhì)是摻雜氧化釔(Y2O3)的氧化鋯(ZrO2)晶體,在熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O2-。下列對(duì)該項(xiàng)燃料電池說法正確的是( ). A.在熔融電解質(zhì)中,O2-移向正極 B.電池總反應(yīng)式是:2C4H10+13O2=8CO2+10H2O C.通入空氣的一極是正極,電極反應(yīng)為:O2+2 H2O+ 4e-=4OH- D.通入丁烷的一極是正極,電極反應(yīng)為:C4H10+26e-+13O2-=4CO2+5H2O 【答案】B 【解析】A.在放電時(shí),熔融電解質(zhì)中O2-向負(fù)極定向移動(dòng)、陽離子向正極移動(dòng),錯(cuò)誤;B.電池總反應(yīng)式和燃料燃燒方程式相同,為2C4H10+13O2=8CO2+10H2O,正確;C.燃料電池中通入氧化劑的電極是正極,所以通入空氣的電極是正極,電極反應(yīng)式為:O2+4e-═2O2-,錯(cuò)誤;D.燃料電池中通入燃料的電極是負(fù)極,負(fù)極反應(yīng)式為C4H10+13O2--26e-=4CO2+5H2O,錯(cuò)誤。 【考題精練】 1.右圖是水煤氣(成分為CO、H2)空氣燃料電池的工作原理示意圖,a、b均為惰性電極。下列敘述中正確的是 ( ) A.A處通入的是空氣,B處通入的是水煤氣 B.a(chǎn)電極發(fā)生還原反應(yīng),b電極發(fā)生氧化反應(yīng) C.a(chǎn)電極的反應(yīng)式包括:CO+4OH-+2e-=CO32-+2H2O D.如用這種電池電鍍銅,待鍍金屬上增重6.4 g,則至少消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下的水煤氣2.24 L 【答案】D 【解析】A、燃料電池中,通入空氣的一極發(fā)生還原反應(yīng),作電池的正極,通入燃料的一極是負(fù)極,根據(jù)圖中電子的移動(dòng)方向,電子從負(fù)極流向正極,所以a端是負(fù)極,則A處通入水煤氣,B處通入空氣,錯(cuò)誤;B、a極是負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng),錯(cuò)誤;C、a極是負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng),所以CO失去2個(gè)電子,與氫氧根離子結(jié)合生成碳酸根離子和水,錯(cuò)誤;D、6.4gCu的物質(zhì)的量是6.4g/64g/mol=0.1mol,失去電子的物質(zhì)的量是0.2mol,氫氣與CO都會(huì)失去2個(gè)電子生成水及碳酸根離子,根據(jù)得失電子守恒,轉(zhuǎn)移0.2mol電子,需要0.1mol的水煤氣,標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積是2.24L,正確,答案選D。 2.有如下裝置.下列說法正確的是 ( ) A.裝置I和裝置II中負(fù)極反應(yīng)均是Fe—2e—=Fe2+ B.裝置I和裝置II中正極反應(yīng)均是O2+2H2O+4e-=4OH— C.裝置I和裝置II中鹽橋中的陽離子均向右側(cè)燒杯移動(dòng) D.放電過程中,裝置I左側(cè)燒杯和裝置Ⅱ右側(cè)燒杯中溶液的pH均增大 【答案】D 【解析】A.裝置I是原電池,鐵是正極,鋅是負(fù)極,鋅失去電子。裝置II中鐵是負(fù)極,反應(yīng)是Fe—2e—=Fe2+,A錯(cuò)誤;B.裝置I和裝置II中正極反應(yīng)分別是O2+2H2O+4e-=4OH—、4H++4e-=2H2↑,B錯(cuò)誤;C.原電池中陽離子向正極移動(dòng),則裝置I中陽離子向左側(cè)燒杯移動(dòng),裝置II中鹽橋中的陽離子向右側(cè)燒杯移動(dòng),C錯(cuò)誤;D.放電過程中,裝置I左側(cè)燒杯氧氣得到電子,裝置Ⅱ右側(cè)燒杯中氫離子得到電子,因此溶液的pH均增大,D正確,答案選D。 3.LiSOCl2電池可用于心臟起搏器。該電池的電極材料分別為鋰和碳,電解液是LiAlCl4SOCl2。電池的總反應(yīng)可表示為4Li+2SOCl2===4LiCl+S+SO2↑。 請(qǐng)回答下列問題: (1)電池的負(fù)極材料為__________,發(fā)生的電極反應(yīng)為________________________。 (2)電池正極發(fā)生的電極反應(yīng)為_________________________________________。 【答案】(1)鋰 Li-e-===Li+ (2)2SOCl2+4e-===4Cl-+S+SO2↑ 【解析】分析反應(yīng)的化合價(jià)變化,可知Li失電子,被氧化,為還原劑,SOCl2得電子,被還原,為氧化劑。 (1)負(fù)極材料為Li(還原劑),Li-e-===Li+; (2)正極反應(yīng)式可由總反應(yīng)式減去負(fù)極反應(yīng)式得到:2SOCl2+4e-===4Cl-+S+SO2↑。- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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