高中化学选修4《化学反应原理》 第四章第一节《原电池 》精品讲学案(整理含答案)

高中化学选修4《化学反应原理》精品讲学案
第四章 电化学基础
第一节 原电池
案例探究
你知道干电池提供的电能是由什么能转化而来的吗？
干电池是由一金属锌外壳和内部的化学物质——NH 4Cl 、MnO 2和少量浆糊组
成的，中间有一根碳棒。

锌为电池负极，碳棒作电池正极。

当把锌外壳和碳棒用导体连接起来，构成了闭合回路，发生化学反应：负极：Zn-2e -====Zn 2+，正极：
2+4NH +2MnO 2+2e -====2NH 3↑+Mn 2O 3+H 2O 。

电池反应为：2+4NH +2MnO 2+Zn====2NH 3↑+Zn 2++Mn 2O 3+H 2O 。

这样，贮存在金属锌和NH 4Cl 中的化学能就转化成电能释放出
来。

从正、负极的变化，Zn 、Mn 两种元素都存在化合价的变化，可看作发生了氧化还原反应。

推而广之，对所有的电池来说，其实都是氧化还原反应的分解与组合，因此掌握氧化还原反应的原理是掌握原电池反应的前提。

问题与讨论：
1.为什么氧化还原反应是构成原电池的反应基础？试分析之。

2.你知道干电池中的浆糊的作用吗？试分析干电池中离子的移动方向。

化学电源在我们日常生活中不可或缺，了解原电池的原理，对于化学电源的使用、维护和废品处理都有现实的指导意义。

自学导引
1.电化学是_____________________的科学。

从_________与_________的关系来区分，电化学反应过程（及其装置）可以分为两类：__________________和__________________。

答案:研究化学能与电能相互转换的装置 过程 效率产生电流的反应 借助电流而发生的反应
2.原电池的工作原理（以锌铜原电池为例，教材图41）:Zn 为______极,Cu 为_______;负极上发生_______反应,电极反应式为________________，正极上发生_________反应,电极反应式为__________________;电子流出的极是_______极，电子流入的极是_________极；电流方向__________________。

盐桥中的盐溶液
是_______溶液，其作用为__________________。

盐桥中的_________会移向ZnSO4溶液，_________移向CuSO4溶液，使ZnSO4溶液和CuSO4溶液均保持电中性。

该原电池工作一段时间后，两电极的质量将会__________________。

答案:负正氧化Zn-2e-====Zn2+还原2H++2e-====H2↑负正铜→锌电解质KCl使两个烧杯中的溶液连成一个通路Cl-K+锌极减少，铜极增加
3.原电池是把________能转化为_________能的装置。

原电池原理是把________，还原剂在________极上失去电子发生________反应，电子通过导线流向极，氧化剂在_______极上得到电子发生_______反应。

构成原电池满足的四个条件：
①________________________________；
②________________________________；
③________________________________；
④________________________________。

答案:（1）化学电氧化还原反应设计在正负两极发生负氧化正正还原
（2）①有活泼性不同的两电极
②电解质溶液
③构成闭合回路
④能够自发进行的氧化还原反应
疑难剖析
一、原电池原理
原电池装置的构成条件：①有活泼性不同的电极；②电解质溶液；③形成闭合回路。

只有这三个条件同时具备才有可能产生原电池电流。

【例1】下图中的装置能组成原电池产生电流的是（）
解析：A中两个电极相同，D中电极与电解质溶液之间不发生反应，不能构成原电池。

B符合原电池的三个条件，且Zn能与H2SO4溶液反应，两电极发生的反应分别是：Zn-2e-====Zn2+，2H++2e-====H2↑。

C中酒精不是电解质，故不是原电池。

答案：B
【例2】根据右图所示的装置回答下列问题：
（1）铁片与铜片不用导线连接，有何现象发生？写出反应的化学方程式。

（2）用导线把金属片连接起来，现象有什么不同？用最恰当的化学方程式表示发生的反应。

解析：第（1）种情况，铜片不起作用，铁与H+反应，但速率较小，铁片越纯，表面越光滑，反应速率越小。

第（2）种情况，用导线连接后构成了原电池，正极产生氢气，所以气泡从铜片表面逸出。

原电池的形成使电子得以顺利转移，H+在Cu表面得到电子比在铁表面容易得多，所以反应速率增大，氢气逸出速率增大，铁的溶解速率也增大。

答案：（1）铁片与铜片不用导线连接，则铁片表面有气泡产生，但速率较慢。

Fe+H2SO4====FeSO4+H2↑
（2）①气泡不从铁片表面而是从铜片表面逸出；②产生氢气的速率明显加大。

电极反应式：
负极：Fe-2e-====Fe2+
正极：2H++2e-====H2↑
友情提示:从这里可以得到启发，若要加快铁片和酸的反应速率，可用铜片与之接触或加少量CuSO4溶液使铁从局部置换出铜，形成原电池。

同样，在制备氢气的实验中，为加速锌与酸反应制取氢气的速率，可以在酸中加少量CuSO4溶液，以使锌与CuSO4溶液局部置换出的Cu形成原电池，或用粗锌与酸反应形成原电池加快反应速率。

二、原电池的设计与应用
常设计为能力探究题或判断题。

设计原电池要满足原电池的形成条件。

常用于加快化学反应速率及金属活动性判断。

【例3】选择适宜的材料和试剂设计一个原电池，以便完成下列反应：2FeCl3+Cu====2FeCl2+CuCl2。

画出原电池的示意图并写出电极反应。

解析：根据形成原电池的3个条件，可知必须选择两个电极的材料和电解质溶液。

在反应2FeCl3+Cu====2FeCl2+CuCl2中，Cu是被氧化的，应该是原电池负极上发生的反应，Cu作负极材料最适宜，而正极只须选活泼性比Cu弱的金属或非金属电极即可，可选择石墨电极。

Fe3+在正极上被还原，所以选择FeCl3溶液作电解液，如右图所示。

答案：原电池设计如右图所示。

负极：Cu-2e-====Cu2+
正极：2Fe3++2e-====2Fe2+
总反应:Cu+2Fe3+====Cu2++2Fe2+
友情提示:原电池装置是该装置必须能自发地发生氧化还原反应。

所以对装置的正、负极材料选择必须要注意该材料在装置中作什么电极，这样才能作出正确的选择。

【例4】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动顺序是（）
A.X＞Z＞W＞Y
B.Z＞X＞Y＞W
C.W＞X＞Y＞Z
D.Y＞W＞Z＞X
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W＞Y。

综上，可以得出金属的活泼性顺序是X＞Z＞W＞Y。

答案：A
友情提示:根据原电池的组成判断金属活泼性强弱是原电池原理的重要应用，一定要注意：在原电池中活泼金属作负极，发生氧化反应，被腐蚀；不活泼金属作正极，发生还原反应，常被保护起来；电子移动方向是由负极流向正极，与电流的方向相反。

拓展迁移
拓展点一：盐桥
盐桥将饱和的KCl或NH4NO3(正、负离子迁移数几乎相等)溶液装在倒置的U形管中，跨接于两电解质溶液之间，代替两溶液的直接接触，就构成了盐桥。

下面以铜锌电池为例说明盐桥的作用（见下图）：
盐桥的作用
如图所示，在盐桥的饱和KCl溶液和电池的ZnSO4、CuSO4溶液间形成了两个液体接界。

KCl溶液浓度远大于电池中ZnSO4、CuSO4溶液的浓度，扩散作用主要来自KCl溶液，即KCl分别往ZnSO4、CuSO4溶液中扩散。

由于K+和Cl-的迁移数很相近，因此在界面上产生的液体接界电势数值很小，而且符号又常常相反，相互抵消了一部分，两个液体接界电势的和小于ZnSO4、CuSO4溶液直接接触时的接界电势。

使用盐桥时，液体接界电势可降到1—2 mV，在一般电动势测量中，可忽略不计。

若电解质溶液与KCl溶液反应产生沉淀，可用NH4NO3
代替KCl作盐桥。

拓展点二：原电池中的电荷守恒
1.同一电路中，负极失去电子总数等于正极得到电子总数，溶液中移向负极的负电荷所带电荷总数，等于移向正极的正电荷所带电荷总数。

2.中学阶段，一般只涉及串联电路，而不涉及并联电路。

串联电路中通过每个装置的电荷量相等。