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

精品資料第3節(jié)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能電池第1課時 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。 。自主梳理基礎(chǔ)知識導(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）兩個活潑性不同的電極;（2）_；（3）_;(4)_。3.電極負極：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溶液負極：_正極：_(2)電解質(zhì)是KOH溶液負極： _；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）形成閉合回路；（4）能自發(fā)地進行氧化還原反應(yīng)。3、流出 氧化 流入 流入 還原 流出4、Zn2eZn 2H+2eH2 Zn+2H+=Zn2+H2二、1、一次、二次、燃料 一次 二次2、(1)負極：2H2 4e- + 4OH-= 4H2O 正極：O2+ 4H+4e- = 2H2O (2)負極： 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。 【課堂探究導(dǎo)學(xué)】 合作探究-名師保駕護航探究一：原電池正負極的判斷根據(jù)構(gòu)成原電池的電池材料判斷：活潑金屬做負極；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極根據(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，鋁為負極，鎂為正極。探究二：原電池的設(shè)計從理論上講，任何一個自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)，都可以設(shè)計成原電池?；疽罁?jù)：構(gòu)成原電池的基本條件，也是進行原電池設(shè)計的基本依據(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)是使負極放電的物質(zhì)。因此電解質(zhì)溶液一般要能夠與負極腐蝕反應(yīng)，或者電解質(zhì)溶液中溶解的其他物質(zhì)與負極腐蝕反應(yīng)。但是如果兩個半反應(yīng)分別在兩個容器中進行，（中間連接鹽橋），則左右兩個容器中的電解質(zhì)溶液選擇與電極材料相同的陽離子的鹽溶液。如在銅鋅硫酸鹽構(gòu)成的原電池中，負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，選擇還原性強的金屬做負極，易導(dǎo)電且比負極活動性弱的物質(zhì)作正極，并且原電池的電極必須能導(dǎo)電。電池中的負極必須能夠與電解質(zhì)溶液反應(yīng)，容易失去電子，因此負極一般是活潑的金屬材料。正極和負極之間產(chǎn)生的電勢差是電子（陰、陽離子）移動的動力。特別提醒設(shè)計燃料電池，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，電解質(zhì)溶液的pH怎樣變化（ ）A.不變 B.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】“阿波羅號飛船”所用的氫氧燃料電池的電極應(yīng)為：負極：2H24OH4e4H2O  正極 O22H2O4e4OH 該電池工作時,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負極附近溶液的PH值降低          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. 原電池的負極和電解池的陽極所發(fā)生的反應(yīng)D. 原電池的負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，原電池的正極發(fā)生還原反應(yīng)，負極發(fā)生氧化反應(yīng)；電解池的陽極發(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，b為碳棒，關(guān)于此裝置的各種敘述不正確的是（ ）A.碳棒上有氣體放出，pH變大B .a是正極，b是負極C.導(dǎo)線中有電子流動，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。氫氧燃料電池酸式和堿式兩種，它們放電時的電池總反應(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-,則其負極反應(yīng)可表示為_。答案O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O2H2 + 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;原電池負極發(fā)生還原反應(yīng)：2H2 4e- = 4H+,在堿性溶液中，4OH- + 4H+ =4H2O,所以負極反應(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：在酸性溶液中甲醇與氧作用生成水和二氧化碳.該電池負極發(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2摩水 ， 正極附近C(H+)減小?！咀兪接?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ab（碳棒），所以a為電池的負極，b為正極。電極反應(yīng)式：a（負極）：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)電流計流向b極。【變式訓(xùn)練3】答案：C解析：該原電池的負極反應(yīng)物為甲醇，負極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)氧化劑，而A、B、D項中電極反應(yīng)物中均出現(xiàn)氧化劑氧氣，所以A、B、D不正確。備選例題1. 某原電池總反應(yīng)離子方程式為2Fe3+Fe=3Fe2+，能實現(xiàn)該反應(yīng)的原電池是（ ）A正極為Cu，負極為Fe，電解質(zhì)溶液為FeCl3溶液B正極為Cu，負極為Fe，電解質(zhì)溶液為Fe(NO3)2溶液C正極為Fe，負極為Cu，電解質(zhì)溶液為Fe(SO4)3溶液D正極為Ag，負極為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)含有大量的鐵離子，才能保證按題中總反應(yīng)發(fā)生，A選項符合題意，B選項不符合原電池形成條件，C選項電極不合理，D選項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 電子時，下列說法正確的是( )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，通過導(dǎo)線的電子是2 molD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)得失電子守恒，A正確。裝置現(xiàn)象二價金屬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行實驗。根據(jù)實驗現(xiàn)象回答下列問題：(1)裝置甲中負極的電極反應(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“變大”、“變小”或“不變”)。(4)四種金屬活潑性由強到弱的順序是_。答案：(1)A2eA2(2)Cu22eCu(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為負極、B為正極，活潑性A>B；乙中C極增重，即析出Cu，則B為負極，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-312003年4月7日，德國基爾港升起了一顆世界級的明星。它是一艘奇特的潛艇，名字叫U31。國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。全德國的人都為U31自豪，因為它闖開了常規(guī)潛艇的一條發(fā)展新路，成為世界潛艇發(fā)展史上的一個新里程碑；到2004年春服役后，它就是“世界范圍內(nèi)最先進的常規(guī)動力潛艇”。 傳統(tǒng)的柴-電動力潛艇在水下潛航23天，就會耗盡電池能量，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性。而U31就沒有這種煩惱，因為它在水下就能自行充電，取得了“不依賴空氣”的技術(shù)突破。突破出在動力艙。它采用性能優(yōu)越的混合動力系統(tǒng)，即燃料電池動力系統(tǒng)和柴-電動力系統(tǒng)混合使用。但奇跡主要出在燃料電池動力系統(tǒng)。這個系統(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，無腐蝕，功率密度大，使用壽命長。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)動電動機，電動機帶動槳軸，推進潛艇航行。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力驅(qū)動，U31可在水下連續(xù)潛行3周。