精修版高中化學(xué) 第一章 第3節(jié) 第1課時(shí) 原電池的工作原理 化學(xué)電源導(dǎo)學(xué)案 魯科版選修4

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1、 精品資料 第3節(jié) 化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能——電池 第1課時(shí) 原電池的工作原理 化學(xué)電源 ★【課前學(xué)案導(dǎo)學(xué)】 ■精準(zhǔn)定位—教學(xué)目標(biāo)展示(教案) —學(xué)習(xí)目標(biāo)導(dǎo)航(學(xué)案) 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.掌握構(gòu)成原電池的條件。 3.了解常見化學(xué)電源的種類、工作原理和用途。 ?!鲎灾魇崂怼A(chǔ)知識(shí)導(dǎo)航(教案、學(xué)案共有) 一、原電池 1.原電池是_________________________________的裝置。 2.原電池的構(gòu)成條件: (1)兩個(gè)活潑性不同的電極;

2、 (2)___________________; (3)___________________; (4)_____________________。 3.電極 負(fù)極:電子_______的一極,發(fā)生____反應(yīng)的一極,電流_______的一極; 正極:電子_______的一極,發(fā)生______反應(yīng)的一極,電流_______的一極 4.原電池的工作原理(以銅鋅原電池為例,電解質(zhì)是稀硫酸) 負(fù)極:材料Zn,發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)為:______ 正極:材料Cu,發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)為:_________ 電池的總反應(yīng)為:_________ 二、化學(xué)電源 1.作為化學(xué)電源的電

3、池有______電池、_____________電池、_______電池。其中可能造成環(huán)境污染的是______電池;可反復(fù)充放電的是________電池。 2.氫氧燃料電池 (1)電解質(zhì)是H2SO4溶液 負(fù)極:____________________ 正極:____________________ (2)電解質(zhì)是KOH溶液 負(fù)極: __________________; 正極: _____________________ (3)電池的總反應(yīng):___________________ 自主梳理參考答案 一、1、化學(xué)能 電能 2、(2)兩電極必須浸在電解質(zhì)溶液中;(3)形成

4、閉合回路; (4)能自發(fā)地進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。 3、流出 氧化 流入 流入 還原 流出 4、Zn—2e—Zn 2H++2e—H2 Zn+2H+=Zn2++H2 二、1、一次、二次、燃料 一次 二次 2、(1)負(fù)極:2H2 —4e- + 4OH-=== 4H2O 正極:O2+ 4H++4e- === 2H2O (2)負(fù)極: 2H2 – 4e- + 4OH- === 4H2O;正極: O2 + 2H2O + 4e- === 4OH- (3) 2H2+ O2=== 2H2O 一次電池;可反復(fù)充放電的是二次電池。

5、 ★【課堂探究導(dǎo)學(xué)】 ■合作探究-名師保駕護(hù)航 探究一:原電池正負(fù)極的判斷 ①根據(jù)構(gòu)成原電池的電池材料判斷:活潑金屬做負(fù)極; ②根據(jù)電子流向或電流方向確定:電子流出的一極或電流流入的一極為負(fù)極 ③根據(jù)氧化還原反應(yīng)確立:發(fā)生氧化反應(yīng)(還原劑)的一般為負(fù)極。 『特別提醒』原電池的電極類型不僅跟電極材料有關(guān),還與電解質(zhì)溶液的性質(zhì)有關(guān)。如鎂—鋁電極在稀硫酸中構(gòu)成原電池,鎂為負(fù)極,鋁為正極;而鎂—鋁電極在氫氧化鈉溶液中構(gòu)成原電池,鋁為負(fù)極,鎂為正極。 探究二:原電池的設(shè)計(jì) 從理論上講,任何一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng),都可以設(shè)計(jì)成原電池。 基本依據(jù):構(gòu)成原電

6、池的基本條件,也是進(jìn)行原電池設(shè)計(jì)的基本依據(jù):(1)活潑程度不同的電極;(2)電解質(zhì)溶液;(3)閉合回路。 探究三:電解質(zhì)溶液及電極材料的選擇 (1)電解質(zhì)溶液的選擇 電解質(zhì)是使負(fù)極放電的物質(zhì)。因此電解質(zhì)溶液一般要能夠與負(fù)極腐蝕反應(yīng),或者電解質(zhì)溶液中溶解的其他物質(zhì)與負(fù)極腐蝕反應(yīng)。但是如果兩個(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)溶液選擇與電極材料相同的陽(yáng)離子的鹽溶液。如在銅—鋅—硫酸鹽構(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,而正極金屬銅浸泡在含有Cu2+的電解質(zhì)溶液中。 (2)電極材料的選擇 在原電池中,選擇還原性強(qiáng)的金屬做負(fù)極,易導(dǎo)

7、電且比負(fù)極活動(dòng)性弱的物質(zhì)作正極,并且原電池的電極必須能導(dǎo)電。電池中的負(fù)極必須能夠與電解質(zhì)溶液反應(yīng),容易失去電子,因此負(fù)極一般是活潑的金屬材料。正極和負(fù)極之間產(chǎn)生的電勢(shì)差是電子(陰、陽(yáng)離子)移動(dòng)的動(dòng)力。 『特別提醒』設(shè)計(jì)燃料電池,其電極和電解質(zhì)溶液的選擇和一般電池不同: (1)燃料電池的電極反應(yīng)物為外界不斷通入的燃料和氧化劑,電極本身不參與反應(yīng),故其電極可使用相同的惰性電極; (2)燃料電池的電解液未必能與電極反應(yīng)物直接反應(yīng),但一般為酸或堿,如氫氧燃料電池。 ■典例剖析-名師釋疑助航 【例1】由銅、鋅和稀硫酸組成的原電池工作時(shí),電解質(zhì)溶液的pH怎樣變化( ) A.不變 B.

8、先變小后變大 C.逐漸變大 D.逐漸變小 『答案』D 『解析』根據(jù)原電池工作的總反應(yīng):Zn + 2H+ == Zn2+ + H2↑,只要原電池不斷工作,該反應(yīng)就不斷發(fā)生,溶液中的C(H+)逐漸減小,溶液中的pH將不斷增大。因此答『答案』D 【變式訓(xùn)練1】.“阿波羅號(hào)飛船”所用的氫氧燃料電池的電極應(yīng)為:負(fù)極:2H2+4OH--4e-=4H2O? 正極 O2+2H2O+4e-=4OH- 該電池工作時(shí),下列敘述正確的是??????? (??? ) A.氫氣發(fā)生還原反應(yīng)???????????????? B.每轉(zhuǎn)移4摩電子,電池內(nèi)增加4摩水 C.負(fù)極附近溶液的PH值降低???

9、?????? D.正極附近C(H+)增大 【例2】在原電池和電解質(zhì)的電極上所發(fā)生的反應(yīng),同屬氧化反應(yīng)或同屬還原反應(yīng)的是( ) A. 原電池的正極和電解池的陽(yáng)極所發(fā)生的反應(yīng) B. 原電池的正極和電解池的陰極所發(fā)生的反應(yīng) C. 原電池的負(fù)極和電解池的陽(yáng)極所發(fā)生的反應(yīng) D. 原電池的負(fù)極和電解池的陰極所發(fā)生的反應(yīng) 『答案』B、C 『解析』據(jù)原電池、電解池的基本知識(shí),原電池的正極發(fā)生還原反應(yīng),負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng);電解池的陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng),陰極發(fā)生還原反應(yīng)。 G a b 稀H2SO4 【變式訓(xùn)練2】在如圖所示的裝置中,a的金屬性比氫要強(qiáng),b為碳棒,關(guān)于此裝置的各種敘述不正

10、確的是( ) A.碳棒上有氣體放出,pH變大 B .a是正極,b是負(fù)極 C.導(dǎo)線中有電子流動(dòng),電子從a極到b極 D.a極上發(fā)生了氧化反應(yīng) 【例3】航天技術(shù)中使用的氫—氧燃料電池具有高能、輕便和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。氫—氧燃料電池酸式和堿式兩種,它們放電時(shí)的電池總反應(yīng)方程式都可表示為2H2 + O2 == 2H2O,酸式氫—氧燃料電池的電解質(zhì)是酸,其負(fù)極反應(yīng)可表示為:2H2 –4e-- == 4H+,則其正極反應(yīng)表示為_____________________;堿式氫—氧燃料電池的電解質(zhì)是堿,其正極反應(yīng)表示為O2 +2H2O+4e-- == 4OH--,則其負(fù)極反應(yīng)可表

11、示為_______________________。 『答案』O2 + 4H+ + 4e-- == 2H2O 2H2 + 4OH-- - 4e-- == 4H2O 『解析』原電池正極發(fā)生還原反應(yīng):O2 +2H2O+4e-- == 4OH--,在酸性溶液中,4OH-- + 4H+ =4H2O,故正極反應(yīng)式為:O2 + 4H+ + 4e-- == 2H2O;原電池負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng):2H2 –4e-- == 4H+,在堿性溶液中,4OH-- + 4H+ =4H2O,所以負(fù)極反應(yīng)式為:2H2 + 4OH-- - 4e-- == 4H2O. 【變式訓(xùn)練3】 一種燃料電池中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為:在酸性

12、溶液中甲醇與氧作用生成水和二氧化碳.該電池負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)是 (  ) A.CH3OH(g)+O2(g)-2e-===H2O(l)+CO2(g)+2H+(aq) B.O2(g)+4H+(aq)+4e-===2H2O(l) C.CH3OH(g)+H2O(l)-6e-===CO2(g)+6H+(aq) D.O2(g)+2H2O(l)+4e-===4OH- 變式訓(xùn)練解析及答案 【變式訓(xùn)練1】 答案:C 解析:氫氣發(fā)生氧化反應(yīng)?,每轉(zhuǎn)移4摩電子,電池內(nèi)增加

13、2摩水?,?正極附近C(H+)減小。 【變式訓(xùn)練2】 答案:B 解析:顯然,電極a、b與電解質(zhì)溶液稀H2SO4組成原電池。因活潑性a〉b(碳棒),所以a為電池的負(fù)極,b為正極。電極反應(yīng)式: a(負(fù)極):a → an+ +ne- (氧化反應(yīng)) b(正極):nH+ + ne-- → n/2H2↑(還原反應(yīng)), 由于正極H+放電消耗,溶液中C(H+)減小, pH變大,在外電路中,電子由a流出經(jīng)電流計(jì)流向b極。 【變式訓(xùn)練3】 答案:C 解析:該原電池的負(fù)極反應(yīng)物為甲醇,負(fù)極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)氧化劑,而A、B、D項(xiàng)中電極反應(yīng)物中均出現(xiàn)氧化劑氧氣,所以A、B、D不正確。 ■備選

14、例題 1. 某原電池總反應(yīng)離子方程式為2Fe3++Fe=3Fe2+,能實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)的原電池是( ) A.正極為Cu,負(fù)極為Fe,電解質(zhì)溶液為FeCl3溶液 B.正極為Cu,負(fù)極為Fe,電解質(zhì)溶液為Fe(NO3)2溶液 C.正極為Fe,負(fù)極為Cu,電解質(zhì)溶液為Fe(SO4)3溶液 D.正極為Ag,負(fù)極為Zn,電解質(zhì)溶液為CuSO4溶液 答案:A 解析:該題考查原電池原理的應(yīng)用,原電池的設(shè)計(jì)必須牢固掌握原電池原理。根據(jù)總反應(yīng),F(xiàn)e被氧化,必須為負(fù)極,F(xiàn)e3+被還原,必須在正極上反應(yīng),但Fe3+并不是電極材料,電極材料必須失電子能力弱于Fe、Cu、Ag、石墨皆可,電解質(zhì)溶液應(yīng)當(dāng)含有

15、大量的鐵離子,才能保證按題中總反應(yīng)發(fā)生,A選項(xiàng)符合題意,B選項(xiàng)不符合原電池形成條件,C選項(xiàng)電極不合理,D選項(xiàng)CuSO4溶液違背總反應(yīng)。 2.以鐵片和銅片為兩極,以稀硫酸為電解質(zhì)溶液組成原電池,當(dāng)導(dǎo)線中通過(guò) 電子時(shí),下列說(shuō)法正確的是( ) A.鐵片溶解1 mol,銅片上析出1 mol B.兩極上溶解和析出的物質(zhì)的質(zhì)量相等 C.鐵片溶解28 g,通過(guò)導(dǎo)線的電子是2 mol D.鐵片溶解1 mol,銅消耗1 mol 答案:A 解析:鐵片和銅片為兩極,以稀硫酸為電解質(zhì)溶液組成原電池,鐵片作負(fù)極,電極反應(yīng)為Fe-2e-=Fe2+,銅片作正極,電極反應(yīng)為2H++2e-=H2。根據(jù)得失

16、電子守恒,A正確。 裝置 現(xiàn)象 二價(jià)金屬A不斷溶解 C的質(zhì)量增加 A上有氣體產(chǎn)生 3.由A、B、C、D四種金屬按下表中裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象回答下列問(wèn)題: (1)裝置甲中負(fù)極的電極反應(yīng)式是________________________________________________________________________。 (2)裝置乙中正極的電極反應(yīng)式是________________________________________________________________________。 (3)裝置丙中溶液的pH________(填“

17、變大”、“變小”或“不變”)。 (4)四種金屬活潑性由強(qiáng)到弱的順序是________________________________________________________________________。 答案:(1)A-2e-―→A2+ (2)Cu2++2e-―→Cu (3)變大 (4)D>A>B>C 解析:甲、乙、丙均為原電池裝置。依據(jù)原電池原理,甲中A不斷溶解,則A為負(fù)極、B為正極,活潑性A>B;乙中C極增重,即析出Cu,則B為負(fù)極,活潑性B>C;丙中A上有氣體即H2產(chǎn)生,則A為正極,活潑性D>A,隨著H+的消耗,pH變大。 ■常用教學(xué)素材 世界第一艘燃料電池潛艇U-

18、31 2003年4月7日,德國(guó)基爾港升起了一顆世界級(jí)的明星。它是一艘奇特的潛艇,名字叫U31。國(guó)際主要媒體都往它這兒聚焦,慶賀世界第一艘燃料電池潛艇下水及首次試航。全德國(guó)的人都為U31自豪,因?yàn)樗J開了常規(guī)潛艇的一條發(fā)展新路,成為世界潛艇發(fā)展史上的一個(gè)新里程碑;到2004年春服役后,它就是“世界范圍內(nèi)最先進(jìn)的常規(guī)動(dòng)力潛艇”。 傳統(tǒng)的柴-電動(dòng)力潛艇在水下潛航2~3天,就會(huì)耗盡電池能量,必須浮上水面給蓄電池充電。顯然,這增加了潛艇暴露的危險(xiǎn)性。而U31就沒有這種煩惱,因?yàn)樗谒戮湍茏孕谐潆?,取得了“不依賴空氣”的技術(shù)突破。突破出在動(dòng)力艙。它采用性能優(yōu)越的混合動(dòng)力系統(tǒng),即燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)和柴-電動(dòng)力系統(tǒng)混合使用。但奇跡主要出在燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)由9組聚四氟乙烯燃料電池、14噸液氧貯存柜和1.7噸氣態(tài)氫貯存柜等3部分組成。它的燃料電池尺寸小,無(wú)腐蝕,功率密度大,使用壽命長(zhǎng)。熱交換器、排出泵、冷卻水泵、催化劑罐、燃料電池電子設(shè)備、斬波器和逆變器等是燃料電池的主要部分。它不用空氣,而是將氫燃料和氧化物放到特殊燃燒室內(nèi)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng),直接轉(zhuǎn)換成電能,輸出的直流電直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)槳軸,推進(jìn)潛艇航行。每組燃料電池的輸出功率為34千瓦,9組總功率306千瓦。用燃料電池提供的動(dòng)力驅(qū)動(dòng),U31可在水下連續(xù)潛行3周。

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