高中化学必修1电化学基础（2）教学设计

高中化学必修 1 电化学基础（2）教学设计 授课人：董 xx ①理解原电池原理。初步了解化学电源。 教学目标： ②理解电解原理。了解铜的电解精炼、镀铜、氯碱工业反应原理。 ③原电池和电解池电极判断以及电极方程式书写。 教学重点： 原电池原理、理解电解原理、电极方程式书写 教学难点： 原电池和电解池电极判断以及电极方程式书写 教学方法： 分析比较法 教学过程： 第二课时 基础知识精析 5、原电池的设计 ①设计思路： 先分析氧化还原反应，将氧化还原反应分成两个半反应，找出氧化剂和还原 剂，然后根据氧化剂和还原剂设计原电池。 ②设计内容：总反应及电极反应；电极材料及电解质溶液。 负极：根据反应，还原剂做负极，提供电子。 正极：选择比负极活泼性弱的材料或石墨做正极。 电解质溶液：根据氧化还原反应，选择反应要求的电解质溶液或含相关离子 的电解质溶液。 ③设计顺序： 先按照普通原电池（单液原电池）设计，然后根据需要设计双液原电池。 若为双液原电池，两个电极浸在不同的电解液中，一般负极区的电解质是含 有负极离子的溶液，正极区是的电解质是获得电子的具有氧化性的溶液。 【活学活用】 1、如何根据氧化还原反应原理来设计原电池呢？请将氧化还原反应 Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+设计成电池，并指出正负极、写出电极反应。2、利用反应 Zn+2FeCl3=2FeCl2+ZnCl2 ，设计一个单液原电池，一个双液原 电池（使用盐桥），画出原电池的示意图，并写出电极反应。 【课堂练习】 1、某原电池的总反应的离子方程式为：2Fe3++Fe = 3Fe2+，不能实现该反应的 原电池组成是（ ） A、正极为铜，负极为铁，电解质溶液为 FeCl3 溶液 B、正极为碳，负极为铁，电解质溶液为 Fe(NO3)3 溶液 C、正极为铁，负极为锌，电解质溶液为 Fe2(SO4)3 溶液 D、正极为银，负极为铁，电解质溶液为 CuSO4 溶液 2、下列关于原电池的叙述正确的是（ ） A、构成原电池的正极和负极必须是两种不同的金属 B、原电池是将化学能转变为电能的装置 C、原电池中电子流出的一极是负极，该极被还原 D、原电池放电时，电流的方向是从负极到正极 3、某原电池总反应式为：Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+，能实现该反应的原电池是 ( ) A B C D 电极材料 Cu、Zn Cu、Ag Cu、C Fe、Zn 电解质溶液 FeCl3 Fe2(SO4)3 Fe(NO3)2 CuSO4 4、将镁片和铝片用导线相连，分别同时插入稀 H2SO4 和 NaOH 溶液中，写 出两池中的电极反应式和电池反应式。 6、原电池的改进 普通原电池的缺点：正负极反应相互干扰；原电池的电流损耗快。 ①改进办法：使正负极在两个不同的区域，让原电池的氧化剂和还原剂分开进行反应，用 导体（盐桥）将两部分连接起来。 ②盐桥： 把装有饱和 KCl 溶液和琼脂制成的胶冻的玻璃管叫做盐桥。胶冻的作用是防止 管中溶液流出。 ③盐桥的作用： 盐桥是沟通原电池两部分溶液的桥梁。盐桥保障了电子通过外电路从锌到铜 的不断转移，使锌的溶解和铜的析出过程得以继续进行。导线的作用是传递电子， 沟通外电路。而盐桥的作用则是沟通内电路。 a.盐桥中的电解质溶液使原电池的两部分连成一个通路，形成闭合回路。 b．平衡电荷，使原电池不断产生电流。 ④盐桥的工作原理： 当接通电路之后，锌电极失去电子产生锌离子进入溶液，电子通过导线流向 铜电极，并在铜电极表面将电子传给铜离子，铜离子得到电子变成铜原子。锌盐 溶液会由于锌溶解成为 Zn2+而带上正电，铜盐溶液会由于铜的析出减少了 Cu2+而 带上了负电，从而阻止电子从锌片流向铜片，导致原电池不产生电流。 盐桥中的钾离子进入硫酸铜溶液，盐桥中的氯离子进入硫酸锌溶液，使硫 酸铜溶液和硫酸锌溶液均保持电中性，使氧化还原反应得以持续进行，从而使原 电池不断产生电流。 【说明】盐桥使用一段时间后，由于氯化钾的流失，需要在饱和氯化钾溶 液中浸泡，以补充流失的氯化钾，然后才能正常反复使用。 ⑤原电池组成的变化：原电池变化：改进后的原电池由两个半电池组成，电解质溶液在两个半电池 中不同，两个半电池中间通过盐桥连接。 改进后电池的优点：原电池能产生持续、稳定的电流。 深度思考 1．能用金属代替盐桥吗？ 答案：不可以，在电路接通的情况下，这个盐桥只是整个回路的一部分， 随时要保持电中性，琼胶作为盐桥因其中含有两种离子，可以与溶液中的离子交 换，从而达到传导电流的目的，而且琼胶本身可以容纳离子在其中运动；若用金 属作盐桥(已经不能叫做盐桥了)，电子流向一极后不能直接从另一极得到补充， 必然趋势就是向另一极释放金属阳离子或者溶液中的金属阳离子在电子流出的 那一极得电子析出金属，从而降低了整个电池的电势。所以，光有自由电子是不 够的，应该有一个离子的通道即“盐桥”。 2．在有盐桥的铜锌原电池中，电解质溶液的选择为什么要与电极材料的阳 离子相同？如 Zn 极对应的是硫酸锌，能不能是氯化铜或者氯化钠？ 答案：可以的，如果该溶液中溶质的阳离子对应的金属单质比电极强的话 没有问题。反正这边发生的反应只是 Zn 的溶解而已。但是如果比电极弱的话， 例如硫酸铜，锌就会置换出铜，在表面形成原电池，减少供电量。使用盐桥就是 为了避免这种情况，至于电解液要跟电极相同那只是一个做题的技巧，具体问题 具体分析就行。 【探究高考】 1．( 2011·海南，12 改编)根据下图，下列判断中正确的是 (　　)A．烧杯 a 中的溶液 pH 升高 B．烧杯 b 中发生还原反应 C．烧杯 a 中发生的反应为 2H＋＋2e－===H2 D．烧杯 b 中发生的反应为 2Cl－－2e－===Cl2 答案　A 解析　由题给原电池装置可知，电子经过导线，由 Zn 电极流向 Fe 电极， 则 O2 在 Fe 电极发生还原反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，烧杯 a 中 c(OH－)增大， 溶液的 pH 升高。烧杯 b 中，Zn 发生氧化反应：Zn－2e－===Zn2＋。 2．(2011·福建理综，11)研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇 的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以 LiOH 为电解质，使用时加 入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是 (　　) A．水既是氧化剂又是溶剂 B．放电时正极上有氢气生成 C．放电时 OH－向正极移动 D．总反应为 2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑ 答案　C 解析　根据题给信息知锂水电池的总反应为 2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，D 正确；在反应中氢元素的化合价降低，因此 H2O 作氧化剂，同时又起到溶剂的 作用，A 正确；放电时正极反应为 2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，B 正确；正极周 围聚集大量 OH－，因此溶液中的阳离子 Li＋向正极移动，负极周围聚集大量 Li ＋，因此溶液中的阴离子 OH－向负极移动，C 错误。 3．(2011·新课标全国卷，11)铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应 为 Fe＋Ni2O3＋3H2O===Fe(OH)2＋2Ni(OH)2 下列有关该电池的说法不正确的是 (　　) A．电池的电解液为碱性溶液，正极为 Ni2O3、负极为 Fe B．电池放电时，负极反应为 Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2C．电池充电过程中，阴极附近溶液的 pH 降低 D．电池充电时，阳极反应为 2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O 答案　C 解析　由铁镍蓄电池放电时的产物全部是碱可知，电解液为碱性溶液，放 电时负极发生氧化反应，正极发生还原反应，故 Fe 为负极，Ni2O3 为正极，A 正 确；放电时，Fe 失电子被氧化，负极反应式为 Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2，B 正确；充电时，阴极发生还原反应，电极反应式为 Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－， pH 增大，C 错误；充电时，阳极发生氧化反应，电极反应式为 2Ni(OH)2＋2OH－－ 2e－===Ni2O3＋3H2O，D 正确。 4．(2012·福建理综，9)将下图所示实验装置的 K 闭合，下列判断正确的是(　) A．Cu 电极上发生还原反应 B．电子沿 Zn→a→b→Cu 路径流动 C．片刻后甲池中 c(SO)增大 D．片刻后可观察到滤纸 b 点变红色 答案　A 解析：将装置中 K 闭合，该装置构成原电池，其中 Zn 电极上发生氧化反应， Cu 电极上发生还原反应，故 A 正确；电子沿 Zn→a，在 a 上溶液中的 H＋得到电 子，在 b 上溶液中的 OH－失去电子，电子不能直接由 a→b，故 B 错误；该装置 工作过程中，甲、乙两烧杯中的 SO 的浓度都不改变，只是盐桥中的 Cl－和 K＋ 分别向甲、乙两烧杯中移动，故 C 错误；在 b 处溶液中的 OH－失去电子，c(OH －)减小，c(H＋)增大，b 处滤纸不可能变红色，故 D 错误。 5．[2012·海南，13(4)]肼—空气燃料电池是一种碱性电池，该电池放电时， 负极的反应式为_______________________。 答案　N2H4＋4OH－－4e－===4H2O＋N2↑解析　该燃料电池中 N2H4 在负极发生氧化反应，其电极反应式为 N2H4 ＋ 4OH－－4e－===4H2O＋N2↑。 6. [2012·新课标全国卷，26(4)节选]与 MnO 2Zn 电池类似，K2FeO4Zn 也可以 组成碱性电池，K2FeO4 在电池中作为正极材料，其电极反应为_________，该电 池总反应的离子方程式为__________________。 答案　FeO＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－ 2FeO＋3Zn＋8H2O===2Fe(OH)3＋3Zn(OH)2＋4OH－ 解析　正极发生还原反应，K2FeO4 被还原为 Fe3＋，由于是碱性环境，故生 成 Fe(OH)3，电极反应式为 FeO＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－；负极发生氧化 反应，由于是碱性环境，Zn 被氧化生成 Zn(OH)2，电极反应式为 Zn－2e－＋2OH －===Zn(OH)2，两电极反应式相加得 2FeO＋3Zn＋8H2O===2Fe(OH)3＋3Zn(OH)2＋ 4OH－。 7．[2011·新课标全国卷，27(5)]在直接以甲醇为燃料的燃料电池中，电解质 溶液为酸性，负极的反应式为________、正极的反应式为________。理想状态下， 该燃料电池消耗 1 mol 甲醇所能产生的最大电能为 702.1 kJ，则该燃料电池的理 论效率为____(燃料电池的理论效率是指电池所产生的最大电能与燃料电池反应 所能释放的全部能量之比，甲醇的燃烧热 ΔH＝－726.5 kJ·mol－1)。 答案：CH 3OH＋H 2O－6e － ===CO2 ＋6H ＋ 　3/2O 2 ＋6e － ＋6H ＋ ===3H2O　 96.6% 解析　负极上甲醇失电子，在酸性条件下与水结合生成氢离子：CH3OH＋ H2O－6e－===CO2＋6H＋。正极电极反应式为 O2＋4e－＋4H＋===2H2O。该电池的 理论效率为×100%≈96.6%。 8．[2011·山东理综，29(2)]如图为钠硫高能电池的结构示意图。该电池的工 作温度为 320 ℃左右，电池反应为 2Na＋xS===Na 2Sx ，正极的电极反应式为 ________。M(由 Na2O 和 Al2O3 制得)的两个作用是________。与铅蓄电池相比， 当消耗相同质量的负极活性物质时，钠硫电池的理论放电量是铅蓄电池的 _______倍。答案　xS＋2e －===S(或 2Na＋＋xS＋2e －===Na2Sx)　离子导电(导电或电解 质)和隔离钠与硫　4.5 解析　正极上硫得电子被还原：xS＋2e－===S；M 的两个作用：作固体电解 质和隔膜(隔离钠与硫)；钠硫电池和铅蓄电池的负极分别为 Na 和 Pb，则消耗等 质量的 Na 和 Pb 时，钠硫电池的放电量(转移电子数)是铅蓄电池的＝4.5 倍。 9．[2012·江苏，20(3)]铝电池性能优越，AlAgO 电池可用作水下动力电源， 其原理如图所示。该电池反应的化学方程式为____________________。 答案　2Al＋3AgO＋2NaOH===2NaAlO2＋3Ag＋H2O 解析　由铝电池原理图可知，Al 作负极，AgO/Ag 作正极，电池反应式为 2Al ＋3AgO＋2NaOH===2NaAlO2＋3Ag＋H2O。 〖教后记〗 题组一　有关原电池原理的考查 1．某原电池构造如下图所示。下列有关叙述正确的是 (　　) A．在外电路中，电子由银电极流向铜电极 B．取出盐桥后，电流表的指针仍发生偏转 C．外电路中每通过 0.1 mol 电子，铜的质量理论上减小 6.4 g D．原电池的总反应式为 Cu＋2AgNO3===2Ag＋Cu(NO3)2 答案　D 解析　Cu 作负极，Ag 作正极，电极反应式分别为 负极：Cu－2e－===Cu2＋ 正极：2Ag＋＋2e－===2Ag 总反应式：Cu＋2AgNO3===2Ag＋Cu(NO3)2，D 正确。2．如图所示，杠杆 AB 两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心 铁球，调节杠杆并使其在水中保持平衡，然后小心地向水槽中滴入浓 CuSO4 溶液， 一段时间后，下列有关杠杆的偏向判断正确的是(实验过程中，不考虑两球的浮 力变化)(　　) A．杠杆为导体或绝缘体时，均为 A 端高 B 端低 B．杠杆为导体或绝缘体时，均为 A 端低 B 端高 C．当杠杆为导体时，A 端低 B 端高 D．当杠杆为导体时，A 端高 B 端低 答案　C 解析　当杠杆为导体时，构成原电池，Fe 作负极，Cu 作正极，电极反应式 分别为 负极：Fe－2e－===Fe2＋ 正极：Cu2＋＋2e－===Cu 铜球增重，铁球质量减轻，杠杆 A 低 B 高。 题组二　可逆反应与原电池的工作原理 3．控制适合的条件，将反应 2Fe3＋＋2I－=2Fe2＋＋I2 设计成如下图所示的原电 池。下列判断不正确的是 (　　) A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应 B．反应开始时，甲中石墨电极上 Fe3＋被还原 C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态 D．电流计读数为零后，在甲中溶入 FeCl2 固体，乙中的石墨电极为负极 答案　D 解析　由图示结合原电池原理分析可知，Fe3＋得电子变成 Fe2＋被还原，I－失 去电子变成 I2 被氧化，所以 A、B 正确；电流计读数为零时 Fe3＋得电子速率等于 Fe2＋失电子速率，反应达到平衡状态；D 项在甲中溶入 FeCl2 固体，平衡 2Fe3＋＋ 2I－2 Fe2＋＋I2 向左移动，I2 被还原为 I－，乙中石墨为正极，D 不正确。 4．已知在酸性条件下发生的反应为 AsO＋2I－＋2H＋===AsO＋I2＋H2O，在碱 性条件下发生的反应为 AsO＋I2＋2OH－===AsO＋H2O＋2I－。设计如图装置(C1、 C2 均为石墨电极)，分别进行下述操作：Ⅰ.向 B 烧杯中逐滴加入浓盐酸 Ⅱ.向 B 烧杯中逐滴加入 40% NaOH 溶液 结果发现电流表指针均发生偏转。 试回答下列问题： (1)两次操作中指针为什么发生偏转？ (2)两次操作过程中指针偏转方向为什么相反？试用化学平衡移动原理解释 之。 (3)操作Ⅰ过程中 C1 棒上发生的反应为________________； (4)操作Ⅱ过程中 C2 棒上发生的反应为________________。 (5)操作Ⅱ过程中，盐桥中的 K＋移向______烧杯溶液(填“A”或“B”)。 答案　(1)两次操作中均能形成原电池，化学能转变成电能。 (2)(Ⅰ)加酸，c(H＋)增大，AsO 得电子，I－失电子，所以 C1 极是负极，C2 极 是正极。(Ⅱ)加碱，c(OH－)增大，AsO 失电子，I2 得电子，此时，C1 极是正极，C2 极是负极。故发生不同方向的反应，电子转移方向不同，即电流表指针偏转方向 不同。 (3)2I－－2e－=I2 (4)AsO＋2OH－－2e－=AsO＋H2O (5)A 解析　由于酸性条件下发生反应 AsO＋2I－＋2H＋=AsO＋I2＋H2O，碱性条件 下发生反应 AsO＋I2＋2OH－=AsO＋H2O＋2I－都是氧化还原反应。而且满足构成 原电池的三大要素：①不同环境中的两电极(连接)；②电解质溶液(电极插入其中 并与电极自发反应)；③形成闭合回路。 当加酸时，c(H＋)增大，C1：2I－－2e－=I2，这是负极；C2：AsO＋2H＋＋2e－=AsO ＋H2O，这是正极。 当加碱时，c(OH－)增大，C1：I2＋2e－=2I－，这是正极；C2：AsO＋2OH－－2e －=AsO＋H2O，这是负极。 题组训练： 1．电工操作上规定不能把铜导线与铝导线连接在一起使用，说明原因： 答案　铜、铝接触在潮湿的环境中形成原电池，加快了铝的腐蚀，易造成电 路断路。 2．请运用原电池原理设计实验，验证 Cu2＋、Fe3＋氧化性的强弱。请写出电 极反应式，负极______________，正极__________________，并在方框内画出实 验装置图，要求用烧杯和盐桥，并标出外电路电子流向。 答案　Cu－2e－===Cu2＋　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋3．有 A、B、C、D、E 五块金属片，进行如下实验：①A、B 用导线相连后， 同时浸入稀 H2SO4 溶液中，A 极为负极；②C、D 用导线相连后，同时浸入稀 H2SO4 溶液中，电流由 D→导线→C；③A、C 相连后，同时浸入稀 H2SO4 溶液中，C 极 产生大量气泡；④B、D 相连后，同时浸入稀 H2SO4 溶液中，D 极发生氧化反应；⑤ 用惰性电极电解含 B 离子和 E 离子的溶液，E 先析出。据此，判断五种金属的 活动性顺序是(　　) A．A>B>C>D>E B．A>C>D>B>E C．C>A>B>D>E D．B>D>C>A>E 答案　B 解析　金属与稀 H2SO4 溶液组成原电池，活泼金属为负极，失去电子发生氧 化反应，较不活泼的金属为正极，H＋在正极电极表面得到电子生成 H2，电子运 动方向由负极→正极，电流方向则由正极→负极。在题述原电池中，AB 原电池， A 为负极；CD 原电池，C 为负极；AC 原电池，A 为负极；BD 原电池，D 为负 极；E 先析出，E 不活泼。综上可知，金属活动性：A>C>D>B>E。 4．把适合题意的图像填在横线上(用 A、B、C、D 表示) (1)将等质量的两份锌粉 a、b 分别加入过量的稀硫酸，同时向 a 中加入少量 的 CuSO4 溶液，产生 H2 的体积 V(L)与时间 t(min)的关系是________。 (2)将过量的两份锌粉 a、b 分别加入定量的稀硫酸，同时向 a 中加入少量的 CuSO4 溶液，产生 H2 的体积 V(L)与时间 t(min)的关系是________。 (3)将(1)中的 CuSO 4 溶液改成 CH3COONa 溶液，其他条件不变，则图像是 ________。 答案　(1)A　(2)B　(3)C 解析　加入 CuSO4 溶液，Zn 置换出 Cu，形成原电池，加快反应速率，(1)a 中 Zn 减少，H2 体积减小；(2)中由于 H2SO4 定量，产生 H2 的体积一样多；(3)当把 CuSO4 溶液改成 CH3COONa 溶液时，由于 CH3COO－＋H＋=CH3COOH，a 中 c(H ＋)减少，反应速率减小，但产生 H2 的体积不变，所以 C 项正确。