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1、第二单元化学能与电能的转化第1课时原电池的工作原理学习目标核心素养建构1.以铜锌原电池为例，理解原电池的工作原理。2.学会判断原电池的正、负极。3.掌握原电池反应方程式和电极反应式的书写。 知 识 梳 理一、原电池1.原电池定义：将化学能转变为电能的装置。2.实质：将氧化还原反应的电子转移变成电子的定向移动。即将化学能转化成电能。3.简单原电池的构成条件：活泼性不同的两个电极，电解质溶液，形成闭合回路，能自发进行的氧化还原反应。二、原电池的工作原理工作原理：利用氧化还原反应在不同区域内进行，以适当方式连接起来，获得电流。以铜锌原电池为例：1.在ZnSO4溶液中，锌片逐渐溶解，即Zn被氧化，锌原
2、子失电子，形成Zn2进入溶液，从锌片上释放的电子，经过导线流向铜片；CuSO4溶液中，Cu2从铜片上得电子，还原成为金属铜并沉积在铜片上。锌为负极，发生氧化反应，电极反应式为Zn2e=Zn2；铜为正极，发生还原反应，电极反应式为Cu22e=Cu。总反应式为ZnCu2=Zn2Cu，反应是自发进行的。2.闭合回路的构成：外电路：电子从负极到正极，电流从正极到负极，内电路：溶液中的阴离子移向ZnSO4溶液，阳离子移向CuSO4溶液。【自主思考】1.某原电池装置如下图所示：问题思考：(1)该装置中电子移动方向如何？溶液中的SO浓度如何变化？提示该原电池中Zn为负极，铜为正极，电子由Zn极流向Cu极，盐
3、桥中的K向正极移动，Cl向负极移动，从而平衡电荷，溶液中SO浓度不变。(2)如果将装置中的盐桥取出，电流计指针是否发生偏转？为什么？提示不偏转。因为取出盐桥后装置不再是闭合回路。(3)根据原电池的工作原理分析原电池的正极、负极有哪些判断依据？提示可由电极材料判断；可以由电子流向或电流方向判断；也可由反应类型、反应现象等判断。2.镁、铝和NaOH溶液组成原电池，作负极的应该是哪种金属？为什么？提示原电池的负极总是失电子发生氧化反应，其正极总是得电子发生还原反应。哪个电极与电解质溶液更易反应而失电子，就是原电池的负极，不一定是较活泼的金属作负极，而要看是否发生氧化反应。镁、铝和NaOH溶液组成的原
4、电池中，铝能与NaOH溶液反应，而镁尽管较为活泼但它不与NaOH溶液反应，所以铝为原电池的负极。效 果 自 测1.下列装置中能构成原电池产生电流的是()解析A、D项中电极与电解质溶液之间不发生反应，不能构成原电池；B项符合原电池的构成条件，两电极发生的反应分别是Zn2e=Zn2，2H2e=H2；C项中酒精不是电解质，故不能构成原电池。答案B2.某小组为研究电化学原理，设计了如图所示装置。下列叙述不正确的是()A.a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出B.a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为Cu22e=CuC.无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色D.a和b用导线连接后，电
5、流由铁电极经导线流向铜电极解析a和b不连接时，Fe和Cu2直接发生氧化还原反应，铁片上会有金属铜析出，A项正确；若a和b用导线连接，则构成原电池，此时铁为负极，铜为正极，电极反应式分别为Fe2e=Fe2、Cu22e=Cu，B项正确；分析选项A、B可知，选项C是正确的；在原电池中，电流应由正极流出，经导线流向负极，故D项错。答案D3.将铁片、铜片用导线连接后，置于稀硫酸中，形成原电池，其正极反应式_；负极反应式_；总反应方程式_。答案2H2e=H2Fe2e=Fe2FeH2SO4=FeSO4H2探究一、原电池工作原理【探究讨论】1.如图装置，可使原电池不断地产生电流，试分析其原理。提示当有盐桥存在
6、时，在ZnSO4溶液中，锌片逐渐溶解，即Zn被氧化，锌原子失去电子，形成Zn2进入溶液；从锌片上释放出的电子，经过导线流向铜片；CuSO4溶液中的Cu2从铜片上得到电子，被还原成为金属铜并沉积在铜片上；随着反应的进行，左边烧杯的溶液中c(Zn2)增大，右边烧杯的溶液中c(Cu2)减小。同时，盐桥中的Cl会移向ZnSO4溶液，K会移向CuSO4溶液，使ZnSO4溶液和CuSO4溶液均保持电中性，氧化还原反应得以继续进行，从而使原电池不断地产生电流。取出盐桥后，由于Zn原子失去电子成为Zn2进入溶液，使ZnSO4溶液因Zn2增加而带正电；同时Cu2获得电子成为金属铜沉淀在铜片上，使CuSO4溶液因
7、SO相对增加而带负电。这两种因素均会阻止电子从锌片流向铜片，造成电流中断，构不成原电池。2.在上题图中，盐桥的作用是什么？提示(1)盐桥中通常装有含有KCl饱和溶液的琼脂，能使两个烧杯中的溶液连成一个通路。离子在盐桥中能定向移动，通过盐桥将两个隔离的电解质溶液连接起来，可使电流持续传导。(2)使用盐桥是将两个半电池完全隔开，使副反应减至最低程度，可以获得单纯的电极反应，便于分析放电过程，有利于最大限度地将化学能转化为电能。【点拨提升】1.原电池原理原电池原理是将氧化反应和还原反应分开进行，还原剂在负极上失去电子发生氧化反应，电子通过导线流向正极，氧化剂在正极上得到电子发生还原反应。2.原电池电
8、极及电极反应特点(1)负极为电子流出极，相对活泼，通常是活动性较强的金属或某些还原剂，电极被氧化，发生氧化反应。(2)正极为电子流入极，相对不活泼，通常是活动性较差的金属或非金属导体，一般是电解质溶液中的氧化性强的离子被还原或电极上附着物本身被还原，发生还原反应。3.原电池的设计从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。关键是选择合适的电解质溶液和两个电极。(1)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。(2)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导体作正极【典题例证1】关于下图所示的原电池，下列说法正确的是()A.电子从锌电极
9、通过电流表流向铜电极B.盐桥中的阴离子向硫酸铜溶液中迁移C.锌电极发生氧化反应；铜电极发生还原反应，其电极反应是2H2e=H2D.取出盐桥后，电流表仍会偏转，铜电极在反应前后质量不变解析锌片作负极，铜片作正极，电子从负极流向正极，A选项正确；盐桥中的阴离子向负极移动，B选项错误；负极发生氧化反应，正极发生还原反应，铜电极发生的反应为Cu22e=Cu，C选项错误；取出盐桥后不能形成原电池，铜电极在反应后质量增加，D选项错误。答案A【学以致用1】如图，在盛有稀硫酸的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y，外电路中电子流向如图所示，关于该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YB.若两电
10、极分别为Fe和碳棒，则X为碳棒，Y为FeC.X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应D.若两电极都是金属，则它们的活动性顺序为XY解析由图示电子流向知，X为负极，Y为正极，则电流方向为Y外电路X，故A错；若两电极分别为Fe和碳棒，则X为Fe，Y为碳棒，B错；负极上失去电子发生氧化反应，正极上得到电子发生还原反应，C错；若两电极均为金属，活泼金属作负极，则活动性：XY。答案D探究二、原电池的电极判断及电极反应式的书写【探究讨论】3.在原电池中，负极的金属性一定比正极的金属性强吗？试举例说明。提示不一定。在判断原电池正、负极时，不要只考虑金属活动性的相对强弱，还要考虑电解质溶液。故应由电池反
11、应来确定电极名称，发生氧化反应的金属作负极。如下图甲池中Mg作负极：Mg2e=Mg2，Al作正极：2H2e=H2；乙池中由于镁不与强碱反应而Al和NaOH溶液能反应，所以Al作负极：Al3e4OH=AlO2H2O，Mg作正极：2H2O2e=H22OH。【点拨提升】1.原电池中电极的判断角度如下所示：判断一个原电池中的正、负极，最根本的方法是失电子(发生氧化反应)的一极是负极，得电子(发生还原反应)的一极是正极。如果给出一个化学方程式判断正、负极，可以直接根据化合价的升降来判断，化合价升高发生氧化反应的一极为负极，化合价降低发生还原反应的一极为正极。2.一般电极反应式的书写方法(1)定电极，标得
12、失。按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应，判断出电极反应产物，找出得失电子的数量。(2)看环境，配守恒。电极产物在电解质溶液中应能稳定存在，如碱性介质中生成的H应让其结合OH生成水。电极反应式要依据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等加以配平。(3)两式加，验总式。两电极反应式相加，与总反应方程式对照验证。3.已知总反应式，书写电极反应式(1)分析化合价，确定正极、负极的反应物与反应产物。(2)在电极反应式的左边写出得失电子数，使得失电子守恒。(3)根据质量守恒配平电极反应式。(4)复杂电极反应式总反应式简单的电极反应式。【典题例证2】依据氧化还原反应：2Ag(aq)Cu(s)=2Ag(s)C
13、u2(aq)设计的原电池如下图所示。请回答下列问题：(1)电极X的材料是_；电解质溶液Y是_。(2)银电极为电池的_极，发生的电极反应式为_；X电极上发生的电极反应式为_。(3)外电路中的电子是从_电极流向_电极。解析该原电池的电池总反应式为2Ag(aq)Cu(s)=2Ag(s)Cu2(aq)，由此可知X极是铜，作负极，银作正极，Y应是AgNO3溶液。电子从原电池的负极经导线流向正极，即从铜电极流向银电极。答案(1)CuAgNO3溶液(2)正2Ag2e=2Ag(或Age=Ag)Cu2e=Cu2(3)Cu(负)Ag(正)【学以致用2】如图所示，X为单质硅，Y为金属铁，a为NaOH溶液，组装成一个
14、原电池，下列说法正确的是()A.X为负极，电极反应式为Si4e=Si4B.X为正极，电极反应式为4H2O4e=4OH2H2C.X为负极，电极反应式为Si6OH4e=SiO3H2OD.Y为负极，电极反应式为Fe2e=Fe2解析先由氧化还原反应确定正极和负极，再根据反应物和产物确定电极反应式。硅、铁、NaOH溶液组成原电池时，Si为负极：Si4e6OH=SiO3H2O；铁为正极：4H2O4e=4OH2H2，总反应方程式：Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2。答案C1.下列各装置能形成原电池的是()解析判断一个装置能否构成原电池，要看是否符合原电池的构成条件：电极材料(活动性不同的金属、金属与非金属、金属与金属氧化物)；电解质溶液；构成闭合回路；能自发进行的氧化还原反应。A装置：由于两个电极是同种金属，不能形成原电池；B装置：酒精不是电解质溶液，不能构成原电池；C装置：没有形成闭合回路，不能形成原电池；D装置：符合原电池构成的条件，能形成原电池。答案D2.某电池
