原电池
【学习目标】
1、进一步了解原电池的工作原理;
2、能够写出原电池的电极反应式和原电池的总反应方程式。
【要点梳理】
要点一、原电池
1、概念:将化学能转化为电能的装置叫原电池。
【原电池#原电池的组成条件】
2、原电池的构成条件
①两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属),分别发生氧化和还原反应。
负极:活泼性强,失去电子发生氧化反应。
正极:活泼性弱,溶液中阳离子得到电子发生还原反应。
②电解质溶液,电解质中阴离子向负极方向移动,阳离子向正极方向移动,阴阳离子定向移动形成内电路。
③导线将两电极连接,形成闭合回路。
④有能自发进行的氧化还原反应。
要点诠释:a.原电池中,电极材料可能与电解质反应,也可能与电解质不反应。如图:
b.形成闭合回路的方式有多种,可以是用导线连接两个电极,也可以是两电极直接接触。如图:
要点二、原电池工作原理的实验探究
【原电池#原电池的工作原理】
1、实验设计
①按照图示装置进行实验。请观察两个金属片插入溶液后电流表指针位置的变化、金属电极表面的变化以及溶液温度的变化,分析是否有电流产生。
②按照下图组装实验装置,注意最后将盐桥插入两种电解质溶液中。请观察反应过程中电流表指针位置的变化,判断是否有电流产生,并观察电极表面以及溶液温度的变化情况。
要点诠释:盐桥的作用及优点
a.组成:将热的饱和KCl或NH4NO3琼胶溶液倒入U形管中(不能产生裂隙),即可得到盐桥。将冷却后的U形管浸泡在KCl饱和溶液或NH4NO3饱和溶液中备用。
b.作用:使两个半电池中的溶液连成一个通路。
c.优点:使原电池中的氧化剂和还原剂近乎完全隔离,并在不同区域之间实现了电子的定向移动,使原电池能持续、稳定地产生电流。
2、实验记录
3、实验分析
①对于图甲装置
Zn片:Zn-2e-=Zn2+
Cu片:Cu2++2e-=Cu
同时在Zn片上,Zn可直接与CuSO4溶液反应,生成Cu与ZnSO4,因此该装置中既有化学能转化为电能,同时也有化学能转化为热能。
②对于图乙所示原电池
锌片:负极,Zn-2e-=Zn2+(氧化反应)
铜片:正极,Cu2++2e-=Cu(还原反应)
总化学方程式:Zn+Cu2+=Cu+Zn2+
4、实验原理分析:(如图所示)
要点三、原电池中电荷移动方向
在原电池构成的闭合电路中,有电荷的流动;从电路的构成方面来说,有外电路上电荷的流动和内电路上电荷的流动;从电荷的类型方面来说,有电子的流动和阴、阳离子的流动,其中的具体情况见图。
要点四、原电池的电极判断
要点诠释:活泼金属在原电池中不一定作负极。
如Mg—Al—NaOH溶液原电池,活泼性Mg>Al,但此原电池中Al作负极,Mg作正极。负极反应:Al+4OH--3e-=AlO2-+2H2O,正极反应:2H++2e-=H2↑,总反应:2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑。判断一个原电池中的正负极,最根本的方法是:失e-的一极是负极;得e-的一极为正极。
要点五、原电池电极反应式的书写
1、题目给定图示装置
2、题目给定总反应式
①分析化合价,确定电极反应物与产物,按照负极发生氧化反应,正极发生还原反应的原理,写出正负电极的反应物与产物。
②在电极反应式的左边写出得失电子数,并使左右两边电荷守恒。
③根据质量守恒定律配平电极反应式。
3、几个注意点
①负极材料若不与电解质溶液发生反应,则负极失电子,空气中的O2得电子发生还原反应。
②电极反应式的书写必须遵守离子方程式的书写要求,如难溶物、难电离物、气体、单质、氧化物等均应写成化学式形式。
③注意电解质溶液的成分对正负极反应产物的影响。如负极反应生成的阳离子若与电解质溶液的阴离子反应,则电解质溶液的阴离子应写入电极反应式,例如Fe与Cu在NaOH溶液中形成原电池,负极反应为Fe+2OH--2e-=Fe(OH)2。
要点六、原电池原理在化学中的应用
1、设计原电池
从理论上讲,任何一个自发的氧化还原反应,都可以设计成原电池。
关键:
电解质溶液:一般能与负极反应。或者溶解在溶液中的物质(如O2)与负极反应。
电极材料:一般较活泼的金属作负极,较不活泼的金属或非金属作正极。
设计思路:
【原电池#原电池的应用】
2、原电池工作原理的其他应用
①制造种类电池
②金属的腐蚀与防护
③判断金属的活泼性
④加快反应的速率
构成原电池时反应速率比直接接触的反应速率快。如实验室制取H2时,用粗锌与稀H2SO4反应比用纯锌时的速率快。
【典型例题】
类型一:原电池原理及简单应用
例1 (2015 扬州模拟)下图为一原电池装置,下列叙述中正确的是( )
①离子在铜片表面被还原;②盐桥中的K+移向ZnSO4溶液;③电流从锌片经导线流向铜片;④铜是正极,铜片上有气泡产生;⑤正极反应为Cu2++2e-=Cu;⑥实验过程中取出盐桥,原电池仍继续工作;⑦将锌片浸入CuSO4溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同
A.①⑤⑦ B.①③④ C.②⑤⑦ D.④⑥⑦
【思路点拨】判断出原电池的正、负极是解答本题的关键。
【答案】A
【解析】该原电池中,较活泼的金属锌作负极,发生氧化反应,较不活泼的铜作正极,发生还原反应,电子由负极锌流出,经导线流向铜电极(电流的方向与之相反),负极、正极的反应分别为负极:Zn-2e-=Zn2+,正极:Cu2++2e-=Cu;盐桥中的阳离子向正极区硫酸铜溶液中迁移,故①、⑤正确,②、③、④错误;取出盐桥后不能构成闭合回路,原电池不能继续工作,⑥错误;无论是否为原电池,反应实质相同,均为氧化还原反应,⑦正确。
【总结升华】原电池原理:
(1)原理图示
(2)正、负极的判断方法:
举一反三:
【原电池#例3】
【变式1】下列变化中属于原电池反应的是 ( )
A.在空气中金属铝表面迅速氧化成保护层
B.镀锌铁表面有划损时,仍然能阻止铁被氧化
C.红热的铁丝与冷水接触,表面形成蓝黑色的保护层
D.锌与稀硫酸反应时,加入少量的CuSO4溶液可使反应加快
【答案】BD
例2 如图所示的原电池装置中,X、Y为两电极,电解质溶液为稀硫酸,外电路中的电子流向如图所示,则对此装置的下列说法正确的是( )
A.外电路的电流方向为:X→外电路→Y
B.若两电极分别为Zn棒和碳棒,则X为碳棒,Y为Zn棒
C.若两电极都是金属,则它们的活动性为X>Y
D.X极上发生的是还原反应,Y极上发生的是氧化反应
【答案】C
【解析】由图可知电子的流动方向是X→外电路→Y,则电流的方向为Y→外电路→X;X为原电池的负极,Y为正极,X的活动性比Y强;X极应发生氧化反应,Y极应发生还原反应。所以,A、B、D错误,C正确。
举一反三:
【变式1】X、Y、Z、W四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中,组成原电池。X、Y相连时,X为负极;Z、W相连时,电流方向是W→Z;X、Z相连时,Z极上产生大量气泡;W、Y相连时,W极发生氧化反应。据此判断四种金属的活泼性顺序是( )
A.X>Z>W>Y B.Z>X>Y>W C.W>X>Y>Z D.Y>W>Z>X
【答案】A
【解析】在原电池中,活泼金属作为电池的负极,失去电子,发生氧化反应;不活泼的金属作为电池的正极,得到电子,发生还原反应。电子由负极经导线流向正极,与电流的方向相反(物理学中规定正电荷移动的方向为电流的方向)。因此,X、Y相连时,X为负极,则活泼性X>Y;Z、W相连时,电流方向是W→Z,则活泼性Z>W;X、Z相连时,Z极上产生大量气泡,则活泼性X>Z;W、Y相连时,W极发生氧化反应,则活泼性W>Y。综上所述,可以得出金属的活泼性顺序是X>Z>W>Y。
类型二:原电池的设计
【原电池#例1】
例3 利用反应Zn+2Fe3+=Zn2++2Fe2+设计一个原电池,在下边方框内画出实验装置图,并指出正极为________,电极反应式为________;负极为________,电极反应式为________。
【答案】Pt 2Fe3++2e-=2Fe2+ Zn Zn-2e-=Zn2+ 实验装置图如下:
或
【解析】根据已知的氧化还原反应设计原电池的思路是,首先将已知的反应拆成两个半反应(即氧化反应和还原反应):Zn-2e-=Zn2+,2Fe3++2e-=2Fe2+;然后再结合原电池的电极反应特点分析可知,该电池的负极应用Zn作材料,正极要保证Fe3+得到负极失去的电子,可选用Pt或碳棒等,电解质溶液只能选用含Fe3+的电解质溶液,如FeCl3溶液等。
举一反三:
【变式1】(2015 武汉模拟)可以将反应Zn+Br2====ZnBr2设计成原电池,下列4个电极反应:
①Br2+2e-====2Br-,②2Br--2e-====Br2,③Zn-2e-====Zn2+,④Zn2++2e-====Zn,其中表示放电时负极和正极反应的分别是( )
A.②和③ B.②和① C.③和① D.④和①
【答案】C
【解析】放电时负极反应物为Zn,失电子被氧化,正极反应物为Br2,得电子被还原。
类型三:电极反应式、电池反应式的书写
例4(2016 北京西城二模)已知某种微生物燃料电池工作原理如图所示。下列有关该电池的说法中,正确的是( )
A.外电路电子从B极移向A极
B.溶液中H+由B极区移向A极区
C.电池工作一段时间后B极区溶液的pH减小
D.A极电极反应式为:CH3COOH - 8e-+2H2O=2CO2 +8H+
【思路点拨】根据图像信息判断正负极是解题的关键。
【答案】D
【解析】根据图像提供的信息得知,A极发生失电子的氧化反应,为负极,B极发生得电子的还原反应,为正极。A项,外电路电子是从负极到正极(由A到B);B项,溶液中H+由A极区移向B极区,与氧结合成水;C项,由于B区不断消耗H+,导致酸性减弱,pH应该增大;D项,A极电极反应式为:CH3COOH-8e-+2H2O=2CO2+8H+,故选D。
【总结升华】书写电极反应式的3个原则:
(1)共存原则 因为物质得失电子后在不同介质中的存在形式不同,所以电极反应式的书写必须考虑介质环境。当电解质溶液呈酸性时,不可能有OH-参加反应;碱性溶液中CO2不可能存在,也不可能有H+参加反应。
(2)得氧失氧原则 得氧时,在反应物中加H2O(电解质为酸性时)或OH-(电解质溶液为碱性或中性时);失氧时,在反应物中加H2O(电解质为碱性或中性时)或H+(电解质为酸性时)。
(3)中性吸氧反应成碱原则 在中性电解质溶液中,通过金属吸氧所建立起来的原电池反应,其反应的最后产物是碱。
¥29.8
¥9.9
¥59.8