高中化学 4_1《原电池》课件2 新人教版选修4

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第四章 电化学基础 第一节 原电池 电化学 ： 研究化学能与电能之间相互转换的 装置、过程 和 效率 的科学。 过程及装置分按电化学反应 2. 借助电流而发生反应及装置 ( 如 : 电解池 ) ｛ 1. 产生电流的化学反应及装置 ( 如 : 原电池等 ) 第 1 节 ： 原电池 第 1 课 时 一、原电池的基础知识 1. 定义： 把 化学能 转变为 电能 的装置 理解： ①外形－－无外加电源 ②自发的 氧化还原反应 才可能被设计成原电池 复习回顾 Cu Zn 稀硫酸 - - - Zn 2+ H + H + Zn － 2e - = Zn 2+ 负极 正极 2H + +2e - =H 2 ↑ 总反应式 : Zn+2H + = Zn 2+ +H 2 ↑ 负 正 氧化反应 还原反应 现象 ： 锌棒溶解，铜棒上有气泡 A 原电池工作原理 Cu Zn - - - Zn 2+ H + H + 负极 正极 阳离子 阴离子 正极 负极 SO 4 2- 原电池工作原理 A e - （ 1 ）有两种 活泼性不同 的金属（或一种是 非金属单质或金属氧化物）作电极。 （ 2 ）电极材料均插入 电解质 溶液中。 （ 3 ）两极相连形成 闭合 电路。 1. 内部条件：能自发进行 氧化还原 反应 2. 外部条件： 组成原电池的条件 两极一液成回路，氧化还原是中心 判断下列装置哪些属于原电池 H 2 SO 4 Zn Zn （ 1 ） 石墨 石墨 H 2 SO 4 （ 2 ） H 2 SO 4 Zn 石墨 （ 3 ） Zn Cu H 2 SO 4 （ 4 ） Cu SO 4 Zn Cu （ 5 ） C 2 H 5 OH Zn Cu （ 6 ） Zn Cu ZnSO 4 Cu SO 4 （ 7 ）               理论上应看到只在铜片上有大量气泡，实际上锌片上也有大量气泡产生，这是什么原因导致的呢？ 最终又会造成什么后果？怎样避免和克服呢？ A 稀 H 2 SO 4 锌片 铜片 想一想 ？ 提出问题： 上图是将锌片和铜片置于稀硫酸的原电池，如果用它做电源， 不但效率低，而且时间稍长电流就很快减弱，因此不适合实 际应用 。 这是什么原因造成的呢？有没有什么改进措施？ 学生讨论： 造成的主要原因： 锌片不纯， 以及铜极上聚集了许多氢气泡，把铜极跟稀硫酸逐渐隔开，这样就增加了电池的内阻，使电流不能畅通。 一、对锌铜原电 池工作原理的进一步探究 为了避免发生这种现象 … 【 交流 · 研讨一 】 让锌片与稀硫酸 不直接接触 ZnSO 4 溶液 H 2 SO 4 溶液 Zn Cu A ？ 改进 如何改进原电池装置？ 稀硫酸 Cu Zn A 【 观察与思考 】 【 结论 1】 改进后的原电池装置 提高了能量转换率 ZnSO 4 溶液 H 2 SO 4 溶液 Zn Cu A 稀硫 酸 Cu Zn A ZnSO 4 溶液 H 2 SO 4 溶液 Zn Cu A 【 交流 · 研讨二 】 改进后的原电池装置 还有什么优点？ 【 结论 2】 改进后的原电池装置 化学能不会自动释放 【 启示 】 氧化剂和还原剂 不直接接触 也能发生反应 改进 实验探究二 请根据反应 ： Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu 设计一个原电池装置，标出电极材料和电解质溶液 , 写出电极反应方程式 . CuSO 4 溶液 且两个电极上都有红色物质析出 电流表指针发生偏转， 但随着时间的延续，电流表指针偏转的角度越来越小，最终可能没有电流通过。 负 正 负极 Zn － 2e - =Zn 2+ 正极 Cu 2+ +2e - =Cu 即无法产生持续稳定的电流 按下图所示 , 将置有锌片的 ZnSO 4 溶液和置有铜片的 CuSO 4 溶液分别通过导线与电流计连接，有什么现象 ? 电流计指针不偏转，且铜片和锌片上均无明显现象（即 : 无电子定向移动） 探究实验二：改进方案 ZnSO 4 Zn Cu CuSO 4 A 上述装置构成了原电池吗？为什么 ？ （ 溶液不保持电中性） 思考 实验探究二：方案改进 盐桥 A Zn Cu ZnSO 4 溶液 CuSO 4 溶液 设计如下图（书 P71 图 4-1 ）所示的原电池装置，结果如何呢？你能解释它的工作原理吗？ 盐桥： 在 U 型管中装满用饱和 KCl 溶液和琼脂作成的冻胶。 盐桥： 在 U 型管中装满用饱和 KCl 溶液和琼脂作成的冻胶。 实验三（书 71 页实验 4-1 ） 实验探索 实验现象： 分析 ：改进后的装置为什么能够持续、稳定的产生电流？盐桥在此的作用是什么？ 有盐桥存在时电流计指针发生偏转，即有电流通过电路。 取出盐桥，电流计指针即回到零点，说明没有电流通过。 盐桥制法： 1) 将热的琼胶溶液倒入 U 形管中 ( 注意不要产生裂隙 ) ，将冷却后的 U 形管浸泡在 KCl 或 NH 4 NO 3 的饱和溶液中即可。 2) 将 KCl 或 NH 4 NO 3 的饱和溶液装入 U 形管，用棉花都住管口即可。 盐桥的作用： （ 1 ）使整个装置 构成通路 ，代替两溶液直接接触 。 得出结论 由于盐桥（如 KCl ）的存在，其中阴离子 Cl - 向 ZnSO 4 溶液扩散和迁移，阳离子 K + 则向 CuSO 4 溶液扩散和迁移，分别中和过剩的电荷，保持溶液的电中性，因而放电作用不间断地进行，一直到锌片全部溶解或 CuSO 4 溶液中的 Cu 2+ 几乎完全沉淀下来。 若 电解质溶液与 KCl 溶液反应产生沉淀，可用 NH 4 NO 3 代替 KCl 作盐桥。 （ 2 ） 平衡电荷 。 在整个装置的电流回路中，溶液中的电流通路是 靠离子迁移完成 的。 取出盐桥， Zn 失去电子形成的 Zn 2+ 进入 ZnSO 4 溶液， ZnSO 4 溶液因 Zn 2+ 增多而带正电荷。同时， CuSO 4 则由于 Cu 2+ 变为 Cu ，使得 SO 4 2- 相对较多而带负电荷。溶液不保持电中性，这 两种因素均会阻止电子从锌片流向铜片，造成电流中断。 二、由两个半电池组成原电池的工作原理 （ 1 ）把氧化反应和还原反应分开在不同区域进行，再以适当方式连接，可以获得电流。 ① 在这类电池中，用还原性较强的物质作为负极，负极向外电路提供电子；用氧化性较强的物质作为正极，正极从外电路得到电子。 ②在原电池的内部，两极浸在电解质溶液中，并通过阴阳离子的定向运动而形成内电路。 （ 2 ）探究 组成原电池的条件 ③ 用导线和盐桥分别将两个半电池连接在一起 设计盐桥原电池的思路： 还原剂和氧化产物为 负极 的半电池 氧化剂和还原产物为 正极 的半电池 Zn+2Ag + =Zn 2+ +2Ag 根据电极反应确定合适的电极材料和电解质溶液 外电路 用导线连通，可以接用电器 内电路 是将电极浸入电解质溶液中，并通过 盐桥 沟通内电路 能产生稳定、持续电流的原电池应具备什么条件？ 1. 要有导电性不同的两个电极 2. 两个半反应在不同的区域进行 3. 用导线和盐桥分别将两个半电池连接在一起 小结 第 1 节 ： 原电池 第 2 课 时 复习： 3. 两个电极相连插入电解质溶液中并 形成闭合电路 ; 把化学能直接转化为电能的装置。 1 . 有两块金属 ( 或非金属 ) 导体作 电极 ; 2. 电解质溶液 二 . 构成原电池的基本条件 ： 一 . 原电池 ： 4 . 有可 自发进行的氧化还原反应 。 三 . 加入盐桥后由两个半电池组成的原电池工作原理 ： 1. 用还原性较强的物质 ( 如：活泼金属 ) 作负极，向外电路提供电子； 用不 活泼物质 作正极 ，从外电路得到电子。 2. 原电池在放电时，负极上的电子经过导线流向正极，而氧化剂从正极上得到电子，两极之间再通过 盐桥 及原电池内部 溶液中的阴、阳离子定向运动形成的内电路 构成有稳定电流的闭合回路。 1. 利用反应 Zn+2FeCl 3 =2FeCl 2 +ZnCl 2 ，设计出两种原电池，画出原电池的示意图，并写出电极反应方程式。 参考答案 (+) (-) G Zn Pt FeCl 3 溶液 负极（ Zn ）： Zn-2e - =Zn 2+ （氧化反应） 正极（ Pt 或 C ）： 2Fe 3+ +2e - =2Fe 2+ （还原反应） (+) (-) ZnCl 2 溶液 FeCl 3 溶液 盐桥 G Zn C 负极（ Zn ）： Zn-2e - =Zn 2+ （氧化反应） 正极（ Pt 或 C ）： 2Fe 3+ +2e - =2Fe 2+ （还原反应） （ 1 ）、根据氧化还原反应电子转移判断 电极反应 。 （ 2 ）、根据电极反应确定合适的 电极材料 和 电解质溶液 巩固练习： 2. 依据氧化还原反应： 2Ag + (aq)+Cu(s)==Cu 2+ (aq)+2Ag(s) 设计的原电池如图所示。 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， 发生的电极反应为 ； X 电极上发生的电极反应为 ； (3) 外电路中的电子是从 电极流向 电极。 C U 铜 银 正 AgNO 3 溶液 2Ag +2e = 2Ag Cu - 2e = Cu + - - 2+ 3. 用铜片、银片、 Cu (NO 3 ) 2 溶液、 AgNO 3 溶液、导线和盐桥（装有琼脂 -KNO 3 的 U 型管）构成一个原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是（ ） ①在外电路中，电流由铜电极流向银电极 ②正极反应为： Ag + +e - =Ag ③ 实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作 ④将铜片浸入 AgNO 3 溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同 A ①② B ．②③ C ．②④ D ．③④ C 二、原电池正负极判断 －－原电池原理的应用 1. 由组成原电池的电极材料判断 一般 负极－ 的金属 正极－ 的金属或 导体，以及某些金属氧化物 可以理解成： 与电解质溶液反应 练习： Mg-Al-H 2 SO 4 中 是正极， 是负极 Mg-Al-NaOH 中 是正极 是负极 Mg Al Al Mg 活泼性强 活泼性弱 非金属 负极 1. 由组成原电池的电极材料判断 2. 根据电子（电流）流动的方向判断 电子－－由 流出，流入 ； 电流－－由 流出，流入 。 负极 正极 正极 负极 1. 由组成原电池的电极材料判断 2. 根据电子（电流）流动的方向判断 3. 根据电极反应类型判断 负极－－ 电子，发生 反应 正极－－ 电子，发生 反应 失 得 氧化 还原 1. 由组成原电池的电极材料判断 2. 根据电子（电流）流动的方向判断 3. 根据电极反应类型判断 4. 根据电解质溶液离子移动的方向判断 阴离子－向 极移动（负极带正电荷） 阳离子－向 极移动（正极带负电荷） 负 正 1. 由组成原电池的电极材料判断 2. 根据电子（电流）流动的方向判断 3. 根据电极反应类型判断 4. 根据电解质溶液离子移动的方向判断 5. 根据电极现象来判断 负极－－ ； 正极－－ ； 牺牲、溶解 增重、气泡 1. 由组成原电池的电极材料判断 2. 根据电子（电流）流动的方向判断 3. 根据电极反应类型判断 4. 根据电解质溶液离子移动的方向判断 5. 根据电极现象来判断 6. 燃料电池中 燃料在 反应 氧化剂在 反应 负极 正极 巩固： 已知反应 AsO 4 3 － +2I － +2H + AsO ３ 3 － +I 2 +H 2 O 是可逆反应．设计如图装置，进行下述操作： (Ⅰ) 向 (B) 烧杯中逐滴加入浓盐酸，发现微安培表 指针偏转； (Ⅱ) 若改往 (B) 烧杯中滴加 40 ％ NaOH 溶液，发现微安培表指针向前述相反方向偏转． 试回答： (1) 两次操作过程中指针为什么会发生偏转 ? 答： 。 (2) 两次操作过程中指针偏转方向为什么会相反 ? 试用平衡移动原理解释此现象． 答： ____________________________________________________ 。 (3)(Ⅰ) 操作过程中 C 1 棒上发生的反应为 。 ( 4 )(Ⅱ) 操作过程中 C 2 棒上发生的反应为 。 这是原电池，指针偏转是由于电子流过电流表 B 中加盐酸， AsO 4 3 — 发生得电子反应为正极；而当加入 NaOH 后， AsO 3 3 — 发生失电子反应，为负极； 2I — — 2e — =I 2 AsO 3 3 — — 2e — +2OH － = AsO 4 3 — +H 2 O 第 1 节 ： 原电池 第 3 课 时 1. 利用原电池原理设计新型化学电池； 2. 改变化学反应速率，如实验室用粗锌与硫酸反应制取氢气； 3. 进行金属活动性强弱比较； 4. 电化学保护法，即将金属作为原电池的正极而受到保护。如在铁器表面镀锌。 三、原电池的主要应用： 5. 解释某些化学现象 (1) 比较金属活动性强弱。 例 1 ： 下列叙述中，可以说明金属甲比乙活泼性强的是 C. 将甲乙作电极组成原电池时甲是负极； A. 甲和乙用导线连接插入稀盐酸溶液中，乙溶解，甲 上有 H 2 气放出 ； B. 在氧化 – 还原反应中，甲比乙失去的电子多 ； D. 同价态的阳离子，甲比乙的氧化性强； （ C ） 原电池原理应用： 当两种金属构成原电池时，总是活泼的金属作负极而被腐蚀，所以先被腐蚀的金属活泼性较强。 练习： 把 a 、 b 、 c 、 d 四块金属浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池。若 a 、 b 相连时， a 为负极； c 、 d 相连时，电流由 d 到 c ； a 、 c 相连时， c 极产生大量气泡， b 、 d 相连时，溶液中的阳离子向 b 极移动。 则四种金属的活泼性顺序为： 。 a ＞ c ＞ d ＞ b a ＞ b c ＞ d a ＞ c d ＞ b (2) 比较反应速率 例 2 ： 下列制氢气的反应速率最快的是 粗锌和 1mol/L 盐酸； B. A. 纯锌和 1mol/L 硫酸； 纯锌和 18 mol/L 硫酸； C. 粗锌和 1mol/L 硫酸的反应中加入几滴 CuSO 4 溶液。 D. （ D ） 原电池原理应用： 当形成原电池之后，反应速率加快，如实验室制 H2 时 , 纯 Zn 反应不如粗 Zn 跟酸作用的速率快。 (3) 比较金属腐蚀的快慢 原电池原理应用： 在某些特殊的场所 , 金属的电化腐蚀是不可避免的 , 如轮船在海中航行时 , 为了保护轮船不被腐蚀，可以在轮船上焊上一些活泼性比铁更强的金属如 Zn 。这样构成的原电池 Zn 为负极而 Fe 为正极，从而防止铁的腐蚀。 例 3 ： 下列装置中四块相同的 Zn 片，放置一段时间后腐蚀速 率由 慢 到 快 的顺序是 (4) (2) (1) (3) (4) 判断溶液 pH 值变化 例 4 ： 在 Cu-Zn 原电池中， 200mLH 2 SO 4 溶液的浓度为 0.125mol/L , 若工作一段时间后，从装置中共收集到 0.168L 升气体，则流过导线的电子为 ———— mol, 溶液的 pH 值变 _________ ？（溶液体积变化忽略不计） 0.2 解得： y ＝ 0.015 (mol) x ＝ 0.015 (mol) ＝ ＝ 3.75× 10 ﹣ 4 (mol/L ) ∴pH ＝ -lg3.75 ×10 － 4 ＝ 4 -lg3.75 答： …… － 0.015 根据电极反应： 正极： 负极： Zn － 2e - ＝ Zn 2+ 2H + +2e - ＝ H 2 ↑ 得： 2 2 22.4 x y 0.168 解： 0.2×0.125×2 c (H + ) 余 ∴ 2H + —— 2e——H 2 ↑ 大 0.015 原电池原理应用： (5) 原电池原理的综合应用 例 6 ：市场上出售的“热敷袋”的主要成分为铁屑、炭粉、木屑、少量氯化钠和水等。 “热敷袋”启用之前用塑料袋使其与空气隔绝，启用时，打开塑料袋轻轻揉搓就会放出热量。使用完后，会发现有大量铁锈存在。 “热敷袋”是利用 放出热量。 2) 炭粉的主要作用是 。 3) 加入氯化钠的主要作用是 。 4) 木屑的作用是 。 铁被氧化 与铁屑、氯化钠溶液构成原电池， 加速铁屑的氧化 氯化钠溶于水、形成 电解质溶液 使用“热敷袋”时受热均匀 原电池原理应用： 以以下反应为基础设计原电池 （ H + ） MnO 4 - + 8H + + 5e - = Mn 2+ +4H 2 O Pt 或石墨 Pt 或石墨 负极： 正极： 5Fe 2+ – 5e - = 5Fe 3+ 5Fe 2+ + MnO 4 - + 8H + = 5Fe 3+ + Mn 2+ +4H 2 O 6. 利用原电池原理设计新型化学电池 第三课时完 电极反应式的书写方法 (1) 一般电极反应式的书写 (2) 复杂反应式的书写