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【创新设计】2014-2015学年高二化学苏教版选修4课件:1.2.1 原电池的工作原理


专题1 化学反应与能量转化

第二单元 化学能与电能的转化

第1课时

一位年轻的化学家来看望格林太太,并为格林 太太揭开了病因: 病因: 由于金和铁(钢的主要成分)是活动性不 同的两种金属,唾液中含有电解质,故构成 原电池,产生微小的电流,使得格林太太头 痛。 处方: 必须换掉其中一颗假牙。

> 实验1.

铜 稀硫酸



观察到什么现象?

实验2
观察到什么现象? 与实验1有什么区别?

铜 稀硫酸



G 实验3.





稀硫酸
1.电流计的指针发生如何变化? 2.铜片上为什么有气泡产生? 3.锌片的质量有无变化?溶液中的c(H+)如何变化? 4.写出锌片上和铜片上变化的离子方程式。

Zn

Cu

现象
(1)电流表指针有偏转 (2)铜片上有气泡产生

(3)锌片不断溶解,c(H+) 不断减小

稀硫酸

Zn

+
Cu

锌片: Zn-2e-=Zn2+
ee(氧化反应)

2H++2e-=H2↑ 铜片:
(还原反应)

总反应:
Zn2+ H+

Zn+2H+=Zn2++H2↑
稀硫酸

H+

[设疑]请根据你的经验猜想Zn与CuSO4溶液的 反应是吸热反应还是放热反应?并设计实验方案加 以证明

探究一: 预测P13[实验1] 的现象和结论
现象: 锌粉溶解,有红色物质析出,温度迅速上升.

结论:

Zn+ Cu2+ = Zn2+ + Cu

化学能

热能

[设疑]除了可以将该反应放出的能量转化 为热能之外,还能通过该反应将化学能转化 为什么能量?

Zn

Cu

CuSO4

Zn

Cu

CuSO4
电池反应:Zn+ Cu2+ = Cu+ Zn2+(总反应)

探究二:
预测P13[实验2] 的现象 和结论 现象:
锌片变细,铜上有红色物质析出,电流计指针发生偏转. 结论: Zn-2e-=Zn2+
2eZn+ Cu2+ = Zn2+ + Cu

Cu2++2e-=Cu

化学能

电能

一、原电池的工作原理
1.电路:
外电路
电子流向:由失电子的一极向得电子的一极 电流方向:与电子流向相反

内电路

阴离子流向与 电子流向一致

阳离子流向与 电流一致

负极:电子流出的一极

2.电极:

正极:电子流入的一极 负极(氧化反应): Zn-2e-=Zn2+

3.电极反应式:

正极(还原反应): Cu2++2e-=Cu

4.总反应式(氧化还原反应):
Zn+ Cu2+ = Zn2+ + Cu

二、形成原电池的一般条件
前提条件:有自发的氧化还原反应 (1)有两种活泼性不同的导电材料 (不同的金属或金属与非金属导体)作电极 (2)两个电极必须插入电解质溶液中

(3)两极相连形成闭合回路 (用导线连接或电
极直接接触)

原电池的正负极的判断方法
微观判断 电子流出的极 ——负极
(根据电子流动 电子流入的极 ——正极 方向)

宏观判断: ①根据电极材料 较活泼的电极材料 ——负极

较不活泼的电极材料——正极 发生氧化反应的极 ——负极 ②根据原电池电极 发生的反应 发生还原反应的极 ——正极 质量增加的电极 ——正极 ③根据电极增重还是减重 工作后 质量减少的电极 ——负极
④根据电极有气泡冒出:工作后,有气泡冒出的电极为正极

三、原电池电极反应式的书写
1、确定原电池正负极,以及两极上发生反应的 物质,负极发生氧化反应,正极发生还原反应

2、重视介质是否参加反应,注意两极得失电子 总数相等
3、将两极电极反应式相加即得原电池的总反应 式

?

盐桥:在U型管中装 满用饱和KCl溶液的琼 脂。 思考:1、盐桥的作用 是什么? (1)使整个装置构成通路, 代替两溶液直接接触。 (2)平衡电荷
思考:2、 此电池的优点?

此电池的优点:能产生持续、稳定的电流。

[知识回顾]
Cu C

② ③


Zn Cu






盐桥



练习
1. 将锌片和铜片用导线连接置于稀硫酸溶 液中,下列各叙述正确性的是 (C D ) A. 锌片做负极,锌发生还原反应 B. 铜片做正极,铜得电子 C. 溶液中的PH值增大 D. 锌片、铜片同时有气泡冒出,说明锌片 不纯

2.

练 习

判断下列哪些装置构成了原电池?若不是, 请说明理由;若是,请指出正负极名称,并 写出电极反应式.
② (× )

① (× )

负极: Zn-2e-=Zn2+ ③ (∨ ) 正极: 2H++2e-=H2↑ 总反应: Zn+2H+=Zn2++H2↑

负极: Zn-2e- =Zn2+
④ (∨ )

正极: 2H++2e- =H2↑ 总反应:Zn+2H+=Zn2++H2↑

负极: Fe-2e - =Fe2+
⑤ (∨ )

正极: Cu2++2e- =Cu
总反应: Fe+Cu2+=Fe2++Cu Fe+CuSO4=Cu+FeSO4



(× )

负极: Zn-2e-=Zn2+


(∨ )

正极: Cu2++2e-=Cu 总反应:Zn+Cu2+=Zn2++Cu 或 Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu



(× )

负极:Fe-2e- =Fe2+

⑨ (∨ )

正极:2H++2e-=H2↑ 总反应: Fe+2H+= Fe2++H2↑ 或 Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑

例: 利用Fe + Cu2+=Fe2+ +Cu设计一个 原电池,画出示意图,写出电极反应。
负极:Fe – 2e- =Fe2+

Fe Fe

Cu Cu

CuSO4 FeSO4 CuSO
4

正极:Cu2+ +2e- =Cu

设计原电池的思路: 前提:是氧化还原反应
根据负极氧化、正极还原写出电极反应式 半电池:
电极材料 电解质溶液 根据电极反应确定

还原剂(电极材料)和氧化产物(电解质溶液)为负极的半电池 氧化剂(电解质溶液)和还原产物(电极材料)为正极的半电池 (或其它不活泼材料) 外电路 用导线连通,可以接用电器

内电路 是将电极浸入电解质溶液中,并通过盐桥沟通内电路

练习:

利用2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+设计一 个原电池,画出示意图,写出电极反应。
负极:Cu-2e- =Cu2+
C

C

Cu

Cu

正极:2Fe3++2e- =2Fe2+

FeClFeCl CuSO 3 3
4

随堂练习
1.如图装置,电流表G发生偏转,同时A极逐渐 变粗,B极逐渐变细,C为电解质溶液,则A、B、 C应是下列各组中的哪一组( D ) G A、A是锌,B是铜,C为稀H2SO4

A

B

B、A是铜,B是锌,C为稀硫酸 C、A是铁,B是银,C为AgNO3溶液 D、A是Ag,B是铁,C为AgNO3溶液

C

练习2:根据下式所表示的氧化还原反应设计 一个原电池: Cu(s) + 2Ag+(aq) = Cu2+(aq)+ 2Ag(s) ⑴装置可采用烧杯和盐桥,画出此原电池的 装置简图; ⑵注明原电池的正极和负极; ⑶注明外电路中电子的流向; ⑷写出两个电极上的电极反应。

Cu(s) + 2Ag+(aq) = Cu2+(aq)+ 2Ag(s) +
⑴装置可采用烧杯和盐桥,

e-

C

Cu



画出此原电池的装置简图;
⑵注明原电池的正极和负极; ⑶注明外电路中电子的流向; ⑷写出两个电极上的电极反应。 负极Cu: 正极C:
AgNO3 CuSO
4

Cu-2e- =Cu2+ 2Ag++2e- =2Ag

3、把右图设计成有盐桥的原电池装置,并写出 电极反应式及电池反应方程式
盐桥 —

+
Zn Cu

Zn

Cu

ZnSO4

H2SO4

(-):Zn – 2e- = Zn2+ (+):2H+ +2e- = H2↑ 电池反应:

H2SO4

Zn + 2H+ = Zn2+ + H2↑

不同的介质 不同的电极反应
负极: Fe — 2e = Fe2 Fe Cu

-

+

正极: 2H + 2e = H2↑
总:Fe + 2H

+

-

稀 硫 酸

+ = Fe2+ + H ↑ 2 +

负极: 2Fe — 4e = 2Fe2

Fe

Cu 正极: 2H2O + O2 + 4e- = 4OH总:2Fe + 2H2O + O2 = 2Fe(OH)2↓
稀 硫 酸 NaCl 溶液

负极: Mg — 2e- = Mg2+
正极: 2H+ + 2e- = H2↑

总:Mg +2H+ = Mg 2+ + H2 ↑
稀硫酸

负极:2 Al+ 8OH-—6e- =2Al O2- +4H2O 正极:6H+ + 6 e- =3 H2↑ 总:2Al+ 2OH- +2H2O =2Al O2- + 3H2 ↑

负极:2 Al — 6e- =2Al 3+

正极: 6H+ + 6e- =3 H2↑
稀H2SO4 总:2Al + 6H+ = 2Al 3+ + 3H2 ↑ 负极: Cu —2e- = Cu 2+

正极: 4H+ +2NO3- + 2 e- = 2NO2 + 2H2O
总:Cu + 4H+ +2NO3-= 2NO2 + Cu 2+ + 2H2O

练习:1、下列关于下图所示原电池的说法正确的是

( BC )
Cu

A 铝片为正极
B 正极上有H2产生 C Al是电池的负极,开始工作时溶液中会立即有白色 沉淀析出 D 当转移0.04 mol e- 时,产生 0.01 mol O2

练习2. X、Y、Z、W四种金属片进入稀盐酸中,用 导线连接,可以组成原电池,实验结果如下图所示:

则四种金属的活泼性由强到弱的顺序为

Z>Y>X>W ________________

三、原电池的主要应用: 1.进行金属活动性强弱比较; 2.改变化学反应速率,如实验室用粗锌与硫酸 反应制取氢气; 3.电化学保护法,即将金属作为原电池的正极 而受到保护。如在铁器表面镀锌。

4.解释某些化学现象
5.利用原电池原理设计新型化学电池;

原电池原理应用:(1)比较金属活动性强弱。
例1:下列叙述中,可以说明金属甲比乙活泼性强的是( C ) A.甲和乙用导线连接插入稀盐酸溶液中,乙溶解,甲 上有H2气放出; B.在氧化–还原反应中,甲比乙失去的电子多; C.将甲乙作电极组成原电池时甲是负极;

D.同价态的阳离子,甲比乙的氧化性强;

原电池原理应用:(2)比较反应速率
下列制氢气的反应速率最快的是 ( D ) 例2 : A. 纯锌和1mol/L 硫酸; B. 纯锌和18 mol/L 硫酸; C. 粗锌和 1mol/L 盐酸; D. 粗锌和1mol/L 硫酸的反应中加入几滴CuSO4溶液。

原电池原理应用: (3)比较金属腐蚀的快慢
例3: 下列各情况,在其中Fe片腐蚀由快到慢的顺序是 (5) (2) (1) (3) (4)

原电池原理应用:(4)判断溶液pH值变化
在Cu-Zn原电池中,200mLH2SO4 溶液的浓度为 例 5: 0.125mol/L , 若工作一段时间后,从装置中共收 0.015 集到 0.168L升气体,则流过导线的电子为 —— 变大 mol,溶液的pH值变_______( 填“变大”、“变 小”、“不变”)?若pH为多少?(溶液体积变化 忽略不计)

原电池原理应用: (5)原电池原理的综合应用
例6:市场上出售的“热敷袋”的主要成分为铁屑、 炭粉、木屑、少量氯化钠和水等。 “热敷袋”启 用之前用塑料袋使其与空气隔绝,启用时,打开 塑料袋轻轻揉搓就会放出热量。使用完后,会发 现有大量铁锈存在。 1) “热敷袋”是利用 铁被氧化 放出热量。 2)炭粉的主要作用是 与铁屑、氯化钠溶液构成 。 原电池,加速铁屑的氧化 3)加入氯化钠的主要作用是 氯化钠溶于水、形成 。 电解质溶液 4)木屑的作用是 使用“热敷袋”时受热均匀。


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