高三化學 1_12 原電池教學設計

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原電池 〖復習目標〗 （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）了解常見化學電源的種類及其工作原理。 〖教學重點〗原電池的工作原理、電極反應和電池反應方程式的書寫 〖教學難點〗電極反應和電池反應方程式的書寫 〖教學過程〗 【知識精講】 1、原電池概念及構(gòu)成條件 （1）原電池 把化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。 （2）原電池構(gòu)成條件 ①具有兩個活性不同的電極(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，電子由負極經(jīng)導線流向正極，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而形成回路，傳導電流，電子并不進入溶液也不能在溶液中遷移。 ②原電池將一個完整的氧化還原反應分為兩個半反應，負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應，一般將兩個電極反應中得失電子的數(shù)目寫為相同，相加便得到總反應方程式。 ③陰離子要移向負極，陽離子要移向正極。這是因為：負極失電子，生成大量陽離子積聚在負極附近，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)而使該極附近帶負電荷，所以溶液中的陽離子要移向正極。 ④不參與電極反應的離子從微觀上講發(fā)生移動，但從宏觀上講其在溶液中各區(qū)域的濃度基本不變。 3、原電池的應用 （1）加快氧化還原反應的速率 一個自發(fā)進行的氧化還原反應，設計成原電池時反應速率增大。例如，在Zn與稀H2SO4反應時加入少量CuSO4溶液能使產(chǎn)生H2的反應速率加快。 （2）比較金屬活動性強弱 兩種金屬分別做原電池的兩極時，一般做負極的金屬比做正極的金屬活潑。 （3）用于金屬的防護 使被保護的金屬制品做原電池正極而得到保護。例如，要保護一個鐵質(zhì)的輸水管道或鋼鐵橋梁等，可用導線將其與一塊鋅塊相連，使鋅做原電池的負極。 4、化學電源 化學電源是能夠?qū)嶋H應用的原電池。作為化學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 總反應式：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。 正極反應：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－； 負極反應：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。 （2）鋅銀電池——一次電池 負極反應：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2； 正極反應：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－； 總反應式：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，負極材料是Pb，正極材料是PbO2。 ①放電時的反應 負極反應：Pb＋SO42￣－2e－===PbSO4； 正極反應：PbO2＋4H＋＋SO42￣＋2e－===PbSO4＋2H2O； 總反應：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。 ②充電時的反應 陰極反應：PbSO4＋2e－===Pb＋SO42￣； 陽極反應：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO42￣； 總反應：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 負極反應式 2H2－4e－===4H＋ 2H2＋4OH－－4e－===4H2O 正極反應式 O2＋4e－＋4H＋===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 電池總反應式 2H2＋O2===2H2O 【方法精講】 1、設計制作化學電源 設計原電池時要緊扣原電池的構(gòu)成條件。具體方法是： （1）首先將已知氧化還原反應拆分為兩個半反應； （2）根據(jù)原電池的電極反應特點，結(jié)合兩個半反應找出正負極材料及電解質(zhì)溶液。 ①電極材料的選擇 在原電池中，選擇還原性較強的物質(zhì)作為負極；氧化性較強的物質(zhì)作為正極。并且，原電池的電極必須導電。電池中的負極必須能夠與電解質(zhì)溶液反應。 ②電解質(zhì)溶液的選擇 電解質(zhì)溶液一般要能夠與負極發(fā)生反應，或者電解質(zhì)溶液中溶解的其他物質(zhì)能與負極發(fā)生反應(如空氣中的氧氣)。但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(zhì)溶液應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、負極判斷方法 原電池的正極與負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極的思維定勢。 （1）根據(jù)電極材料判斷 負極——活潑性較強的金屬 正極——活潑性較弱的金屬或能導電的非金屬 注：活潑金屬不一定做負極，如Mg、Al在NaOH溶液中，Al做負極。 （2）根據(jù)電子流動方向或電流方向或電解質(zhì)溶液內(nèi)離子的定向移動方向判斷 負極——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 負極——失去電子，化合價升高，發(fā)生氧化反應 正極——得到電子，化合價降低，發(fā)生還原反應 （4）根據(jù)反應現(xiàn)象判斷 負極——會逐漸溶解，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 電極反應式書寫 原電池反應的基礎(chǔ)是氧化還原反應，正極發(fā)生還原反應，負極發(fā)生氧化反應，據(jù)此書寫電極反應式的步驟如下： （1）確定原電池的正、負極，以及兩電極上發(fā)生反應的物質(zhì)。在原電池中，負極是還原性材料失去電子被氧化，發(fā)生氧化反應。正極反應要分析電極材料的性質(zhì)：若電極材料是強氧化性材料，則是電極材料得電子被還原，發(fā)生還原反應；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極材料反應。能發(fā)生反應則是溶液中的陽離子得電子，發(fā)生還原反應；若不能與負極材料反應，則考慮空氣中的氧氣，氧氣得電子，發(fā)生還原反應。 （2）弱電解質(zhì)、氣體或難溶解物均以化學式表示，其余以離子符號表示，保證電荷守恒，質(zhì)量守恒及正、負極得失電子數(shù)相等的規(guī)律，一般用“=”而不用“―→”。 （3）正負極反應式相加得到原電池總反應式，通常將總反應式減去較易寫出的電極反應式，從而得到較難寫出的電極反應式。 4、燃料電池電極反應式的書寫 （1）化學電源中電極反應式書寫的一般程序——“加減法”書寫電極反應式 ①先確定原電池的正負極，列出正負極上的反應物質(zhì)，并標出相同數(shù)目電子的得失。 ②注意負極反應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)溶液中的陰離子應寫入負極反應式；若正極上的反應物質(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＋必須寫入正極反應式中，O2生成水。 ③正負極反應式相加得到電池反應的總反應式。若已知電池反應的總反應式，可先寫出較易書寫的一極的電極反應式，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上，總反應式減去較易寫出的一極的電極反應式，即得到較難寫出的另一極的電極反應式。 （2）根據(jù)燃料電池的特點，一般在正極上發(fā)生還原反應的物質(zhì)都是O2，隨著電解質(zhì)溶液的不同，其電極反應有所不同，其實，我們只要熟記以下四種情況： ①酸性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O ②堿性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ ③固體電解質(zhì)(高溫下能傳導O2－)環(huán)境下電極反應式：O2＋4e－===2O2－ ④熔融碳酸鹽(如：熔融K2CO3)環(huán)境下電極反應式：O2＋2CO2＋4e－===2CO。 根據(jù)電池總反應式和正極反應式寫出電池的負極反應式 電池的總反應和正、負極反應之間有如下關(guān)系：電池的總反應式＝電池正極反應式＋電池負極反應式 電池的總反應式－電池正極反應式＝電池負極反應式，注意在將兩個反應式相減時，要約去正極的反應物O2。 5、可充電電池的分析 （1）對可充電電池充電和放電兩過程認識：放電是原電池反應，充電是電解池反應 （2）對可充電電池電極極性和材料的判斷： 判斷電池放電時電極極性和材料，可先標出放電（原電池）總反應式電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目，失去電子的一極為負極，該物質(zhì)即為負極材料；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）對溶液中離子的移動方向判斷： 放電時，陰離子移向負極，陽離子移向正極； 充電時，陰離子移向陽極，陽離子移向陰極。 （4）可充電電池充電時與電源的連接： 可充電電池用完后充電時，原電池的負極與外電源的負極相連，原電池的正極與外電源的正極相連。 （5）對可充電電池某電極是發(fā)生氧化還是還原反應及某元素被氧化還是被還原的判斷： 可根據(jù)電極反應式進行分析， 放電（原電池）的負極及充電（電解池）的陽極均失去電子，發(fā)生了氧化反應，其變價元素被氧化； 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，其變價元素被還原。 （6）可充電電池電極反應式的書寫方法： 書寫可充電電池電極反應式，一般都是先書寫放電的電極反應式。 書寫放電的電極反應式時，一般要遵守三步： 第一，先標出原電池總反應式電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目，指出參與負極和正極反應的物質(zhì)； 第二，寫出一個比較容易書寫的電極反應式（書寫時一定要注意電極產(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，總反應式減去寫出的電極反應式即得另一電極反應式。 充電的電極反應與放電的電極反應過程相反，充電的陽極反應為放電正極反應的逆過程，充電的陰極反應為放電負極反應的逆過程 【典例精講】 【例1】蓄電池是一種可以反復充電、放電的裝置。有一種蓄電池在充電和放電時發(fā)生的反應為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．放電時電解質(zhì)溶液顯強酸性 B．充電時陽板反應為Ni(OH)2+2OH--2e-=NiO2+2H2O C．放電時正極附近溶液pH減小 D．充電時陰極附近溶液的堿性保持不變 【答案】B 【解析】A．根據(jù)放電時的電解質(zhì)溶液的變化可知：放電時電解質(zhì)溶液顯中性，錯誤；B．充電時陽板發(fā)生氧化反應，電極反應為Ni(OH)2+2OH--2e-=NiO2+2H2O，正確；C．放電時在正極發(fā)生反應：NiO2+ 2e-+4H+ = Ni(OH)2，由于消耗H+，所以附近溶液pH增大，錯誤；D．充電時陰極發(fā)生還原反應：Fe(OH)2 +2e-=Fe+2OH-，由于c(OH-)增大，所以附近溶液的堿性增強，錯誤。 【例2】微型紐扣電池在現(xiàn)代生活中有廣泛應用，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，電極反應式為:Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－，總反應式為:Ag2O＋Zn===ZnO＋2Ag 根據(jù)上述反應式，判斷下列敘述中正確的是（ ） A．在使用過程中，電池負極區(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是負極，Ag2O是正極 D．Zn極發(fā)生還原反應，Ag2O極發(fā)生氧化反應 【答案】C 【解析】A．負極發(fā)生Zn+2OH--2e-=ZnO+H2O，c（OH-）減小，所以電池負極區(qū)溶液的pH減小，A錯誤；B．Zn為負極，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錯誤；C．Zn失去電子，Zn為負極，Ag2O得到電子是正極，C正確；D．Zn電極發(fā)生氧化反應，Ag2O電極發(fā)生還原反應，D錯誤；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O2－。下列對該項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．電池總反應式是：2C4H10+13O2=8CO2+10H2O C．通入空氣的一極是正極，電極反應為：O2+2 H2O+ 4e－=4OH－ D．通入丁烷的一極是正極，電極反應為：C4H10+26e-+13O2－=4CO2+5H2O 【答案】B 【解析】A．在放電時，熔融電解質(zhì)中O2-向負極定向移動、陽離子向正極移動，錯誤；B．電池總反應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，電極反應式為：O2+4e-═2O2-，錯誤；D．燃料電池中通入燃料的電極是負極，負極反應式為C4H10+13O2--26e-=4CO2+5H2O，錯誤。 【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，b電極發(fā)生氧化反應 C．a(chǎn)電極的反應式包括：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，則至少消耗標準狀況下的水煤氣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，作電池的正極，通入燃料的一極是負極，根據(jù)圖中電子的移動方向，電子從負極流向正極，所以a端是負極，則A處通入水煤氣，B處通入空氣，錯誤；B、a極是負極，發(fā)生氧化反應，錯誤；C、a極是負極，發(fā)生氧化反應，所以CO失去2個電子，與氫氧根離子結(jié)合生成碳酸根離子和水，錯誤；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都會失去2個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，標準狀況下的體積是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中負極反應均是Fe—2e—＝Fe2+ B．裝置I和裝置II中正極反應均是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 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，鋅是負極，鋅失去電子。裝置II中鐵是負極，反應是Fe—2e—＝Fe2+，A錯誤；B．裝置I和裝置II中正極反應分別是O2＋2H2O＋4e－＝4OH—、4H＋＋4e－＝2H2↑，B錯誤；C．原電池中陽離子向正極移動，則裝置I中陽離子向左側(cè)燒杯移動，裝置II中鹽橋中的陽離子向右側(cè)燒杯移動，C錯誤；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。電池的總反應可表示為4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。 請回答下列問題： （1）電池的負極材料為__________，發(fā)生的電極反應為________________________。 （2）電池正極發(fā)生的電極反應為_________________________________________。 【答案】（1）鋰　Li－e－===Li＋ （2）2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑ 【解析】分析反應的化合價變化，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）負極材料為Li(還原劑)，Li－e－===Li＋； （2）正極反應式可由總反應式減去負極反應式得到：2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑。