人教版化学高中选修4全册精品同步学案汇总.docx
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人教版化学高中选修4全册精品同步学案汇总
(人教版)化学高中选修4(全册)精品同步学案汇总
第一节原电池
【今日目标】
1.通过实验体验由化学能转为电能的探究。
2.掌握原电池的工作原理。
3.能正确书写电极反应和电池反应方程式。
【学习过程】
一、原电池
1.原理(以铜、锌原电池为例)
原电池是利用氧化还原反应原理将化学能转化为电能的装置。
装置举例
2.电极反应
锌片负极,发生氧化反应电极反应式:
Zn-2e-===Zn2+
铜片正极,发生还原反应电极反应式:
Cu2++2e-===Cu
总电极反应式为:
Cu2++Zn===Cu+Zn2+
3.构成条件
条件两个活泼性不同的电极,较活泼的做负极。
电解质溶液
形成闭合回路
能自发地发生氧化还原反应
4.原电池的设计
(1).用还原性较强的物质作负极,向外电路提供电子;用氧化性较强的物质作正极,从外电路得到电子。
(2).将两极浸在电解质溶液中,通过阴、阳离子的定向移动形成内电路。
(3).放电时负极上的电子通过导线流向正极,再通过溶液中离子移动形成的内电路构成闭合回路。
【思考】
1.
(1)原电池的两电极必须是金属吗?
【提示】不一定,如可用石墨做电极。
(2)Cu与稀H2SO4能否设计成原电池?
【提示】不能。
Cu与稀H2SO4不能自发发生氧化还原反应。
2.在内电路中,阴、阳离子分别向哪个极板移动?
【提示】 阴离子→负极,阳离子→正极。
3.①原电池中,电子流出的极是正极还是负极?
【提示】 负极。
②若某电极在反应过程中增重,是原电池的正极还是负极?
【提示】 正极。
【总结】
1.由组成原电池的两极材料判断
较活泼的金属为负极,较不活泼的金属或能导电的非金属为正极。
2.根据电流方向或电子流向判断
外电路中,电流由正极流向负极,电子由负极流向正极。
3.根据原电池电解质溶液中离子的移动方向判断
在原电池电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极。
4.根据原电池中两极发生的反应判断
原电池中,负极总是发生氧化反应,正极总是发生还原反应。
若给出一个总方程式,则可根据化合价升降来判断。
5.根据电极质量的变化判断
原电池工作后,某一电极质量增加,说明溶液中的阳离子在该电极上放电,该极为正极,活泼性较弱;反之,如果某一电极质量减轻,则该电极溶解,为负极,活泼性较强。
6.根据电极上有气泡产生判断
原电池工作后,如果某一电极上有气体产生,通常是因为该电极发生了析出H2的反应,说明该电极为正极,活动性较弱。
7.根据某电极(X)附近pH的变化判断
生成H2或吸收O2电极反应发生后,均能使该电极附近电解质溶液的pH增大,因而原电池工作后,X极附近的pH增大了,说明X极为正极,金属活动性较弱。
例1、某高二化学兴趣小组为了探索铝电极在原电池中的作用,设计并进行了以下一系列实验,实验结果如下。
试根据下表中的实验现象回答下列问题:
编号
电极材料
电解质溶液
电流计指针偏转方向
1
Mg、Al
稀盐酸
偏向Al
2
Al、Cu
稀盐酸
偏向Cu
3
Al、石墨
稀盐酸
偏向石墨
4
Mg、Al
NaOH
偏向Mg
5
Al、Zn
浓硝酸
偏向Al
(1)实验1、2中Al所作的电极是否相同?
(2)写出实验3中的电极反应式和电池总反应方程式。
(3)实验4中Al作正极还是作负极?
为什么?
写出Al电极的电极反应式。
(4)解释实验5中电流计指针偏向Al的原因。
(5)根据实验结果总结:
在原电池中金属铝作正极还是作负极受到哪些因素的影响?
【解析】 一般情况下,较活泼的金属作原电池的负极,根据实验1、2的结果,自然得出1中Al作正极,2中Al作负极。
在NaOH溶液中,Al比Mg活泼,作负极。
在浓硝酸中由于Al发生钝化,Zn作负极。
【答案】
(1)不同;
(2)Al为负极:
Al-3e-===Al3+,石墨为正极:
2H++2e-===H2↑,2Al+6H+===2Al3++3H2↑;
(3)Al作负极,因为Al能与NaOH溶液反应而Mg不能与NaOH溶液反应,Al+4OH--3e-===AlO2-+2H2O;
(4)实验5中由于Al在浓硝酸中发生钝化,所以Zn为负极;
(5)与另一电极材料的活泼性、电解质溶液的酸碱性以及电解质溶液的氧化性强弱等因素有关。
例2.有如图所示的两个原电池装置,下列说法不正确的是( )
A.A池中负极的电极反应为Mg-2e-===Mg2+
B.Mg在A池中为负极,在B池中为正极
C.B池中电子的流向:
Mg→Al
D.原电池工作一段时间后,A池溶液的pH会增大
【解析】 判断原电池正负极,除考虑活泼性还要注意电解质溶液对正负极的影响。
对于稀硫酸来说,镁是比铝更活泼的金属;但对于氢氧化钠溶液来说,铝是比镁更活泼的金属,所以A池中镁是负极,B池中铝是负极,B对;A池中电极反应为Mg-2e-===Mg2+,A对;B池中电子流向为Al―→Mg,C项错。
A池中正极2H++2e-===H2↑,随着反应进行,c(H+)减少,pH增大,D对。
【答案】 C
二、原电池原理的应用
【问题导思】
1若纯锌与粗锌(含Fe、C等)分别与同浓度的稀H2SO4反应制取H2,哪种方法产生H2的速率快?
【提示】 粗锌。
2将金属a、b用导线相连插入稀H2SO4中,发现b上产生气泡,则a与b相比较,谁更活泼?
【提示】 a
【总结】原电池原理的应用
1.加快氧化还原反应的速率
例如:
在锌与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率加快。
2.比较金属活动性强弱
例如:
有两种金属a和b,用导线连接后插入到稀硫酸中,观察到a极溶解,b极上有气泡产生。
根据电极现象判断出a是负极,b是正极,由原电池原理可知,金属活动性a>b。
3.用于金属的防护
如要保护一个铁闸,可用导线将其与一锌块相连,使锌作原电池的负极,铁闸作正极。
4.设计化学电池
例如:
以2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2为依据,设计一个原电池。
(1)将氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个半反应,分别作原电池负极和正极电极反应式。
负极:
Cu-2e-===Cu2+
正极:
2Fe3++2e-===2Fe2+
(2)确定电极材料
负极:
若发生氧化反应的物质为金属单质,可用该金属直接作负极
如为气体(如H2)或溶液中的还原性离子,可用惰性电极(如Pt、碳棒)作负极。
正极:
正极的电极材料必须不如负极材料活泼。
本例中可用铜棒作负极。
用铂丝或碳棒作正极:
(3)确定电解质溶液
一般选用反应物中的电解质溶液即可。
如本例中可用FeCl3溶液作电解液。
(4)构成闭合回路。
例3、 由A、B、C、D四种金属按下表中装置图进行实验。
装置
现象
金属A不断溶解,生成二价离子
C的质量增加
A上有气泡产生
根据实验现象回答下列问题:
(1)装置甲中负极的电极反应式是
_________________________。
(2)装置乙中正极的电极反应式
_________________________。
(3)装置丙中溶液的pH________(填“变大”“变小”或“不变”)。
(4)四种金属活泼性由强到弱的顺序是
_____________________________。
【解析】 甲、乙、丙均为原电池装置,依据原电池原理,甲中A不断溶解,则A为负极、B为正极,活泼性:
A>B,乙中C极增重,即析出Cu,则B为负极,活泼性:
B>C,丙中A上有气体即H2产生,则A为正极,活泼性:
D>A,随着H+的消耗,pH变大。
【答案】
(1)A-2e-===A2+
(2)Cu2++2e-===Cu
(3)变大 (4)D>A>B>C
例4.有A、B、C、D四块金属片,进行如下实验:
①A、B用导线相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,A为负极;
②C、D用导线相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,电流由D―→导线―→C;
③A、C相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,C极产生大量气泡;
④B、D用导线相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,D极发生氧化反应。
据此,判断四种金属的活动性顺序是( )
A.A>B>C>D B.A>C>D>B
C.C>A>B>DD.B>D>C>A
【解析】 金属与稀硫酸溶液组成原电池,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+在正极表面得到电子生成氢气,电子运动方向由负极到正极。
题中由①知A>B;由②知C>D;由③知A>C;由④知D>B。
综合以上信息可知金属活动性A>C>D>B。
【答案】 B
三、原电池电极反应式的书写方法
【思路】:
1、如果题目给定了图示装置,先分析正、负极,再根据正、负极反应规律去写电极反应式;
2、如果题目给定了总反应式,可分析此反应中的氧化反应或还原反应(即分析有关元素的化合价变化情况),再根据溶液的酸碱性等实际情况去写电极反应式,另一电极反应式可直接写或将各反应式看做数学中的代数式,用电池反应减去已写的电极反应式,即得结果。
3、特别需要指出的是对于可充电电池的反应,需要看清楚“充电、放电”的方向,放电的过程应用原电池原理,充电的过程应用电解原理。
【注意事项】
(1)写电池反应时,正、负极电极反应式进行加和时,应注意电子得失要相等,再加和。
(2)利用总反应式减去其中一极反应式时也要注意电子守恒。
(3)弱电解质、气体或难溶电解质均用分子表示,其余用离子符号表示。
(4)注意电解质溶液的成分对正极、负极反应产物的影响,正、负极产物可根据题意或据化学方程式确定,如铅蓄电池中电解质溶液H2SO4中的SO42-参与电极反应生成PbSO4。
(5)写电极反应式时要保证电荷守恒、元素守恒,可以根据电极反应式的需要添加H+或OH-或H2O。
例5、铁及铁的化合物应用广泛,如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。
(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式:
_________________________________________。
(2)若将
(1)中的反应设计成原电池,请画出原电池的装置图,标出正、负极,并写出电极反应式。
正极反应_________________________;
负极反应_________________________。
【解析】 根据氧化还原反应2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+设计原电池,负极发生氧化反应,Cu失电子,正极选择比Cu活泼性弱的金属或石墨棒,电解质溶液为FeCl3溶液。
【答案】
(1)2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+
(2)装置图:
Fe3++e-===Fe2+(或2Fe3++2e-===2Fe2+)
Cu-2e-===Cu2+
【课堂练习及精析】
1.下图中能组成原电池产生电流的是( )
【解析】 A、D两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项符合原电池的三个构成条件,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项中酒精不是电解质,故不是原电池。
【答案】 B
2.下列说法正确的是( )
A.原电池是把电能转化为化学能的装置
B.原电池中电子流出的一极是正极,发生氧化反应
C.原电池的两极发生的反应均为氧化还原反应
D.形成原电池后,原电池中的阳离子向正极移动
【解析】 原电池是把化学能转化为电能的装置,电子流出的一极是负极,负极发生氧化反应,电解质溶液中的阴离子向负极移动;电子流进的一极是正极,正极发生还原反应,电解质溶液中的阳离子向正极移动。
【答案】 D
3.一个原电池反应的离子方程式是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,该原电池的正确组成是( )
A
B
C
D
正极
Zn
Cu
Cu
Zn
负极
Cu
Zn
Zn
Cu
电解质溶液
CuCl2溶液
H2SO4溶液
CuSO4溶液
CuCl2溶液
【解析】 本题考查原电池的组成。
活泼金属为负极,且能与电解质溶液发生自发的氧化还原反应。
【答案】 C
4.利用反应Zn+2FeCl3===ZnCl2+2FeCl2设计一个原电池。
在下图方格内画出实验装置图,并指出正极材料为________,电极反应式为_______________________;
负极材料为________,电极反应式为_________。
【解析】 一般来说,自发的氧化还原反应都可以设计成相应的原电池。
具体设计时,先将氧化还原反应拆分为两个半反应(即氧化反应和还原反应),然后根据构成原电池的条件,选择合适的电极材料及适宜的电解质溶液,将两电极用导线连接插入电解质溶液形成闭合回路,即可成功设计原电池。
将Zn+2FeCl3===ZnCl2+2FeCl2拆分为:
Zn-2e-===Zn2+(氧化反应)和2Fe3++2e-===2Fe2+(还原反应);结合原电池的电极反应特点分析可知,该电池的负极应用锌,则正极所用材料活泼性应比锌弱,为保证Fe3+在正极得电子,则电解质溶液为FeCl3等易溶的铁盐溶液。
【答案】 (实验装置图如下)Pt(或石墨) 2Fe3++2e-===2Fe2+ Zn Zn-2e-===Zn2+
5.下图是锌、铜和稀硫酸形成的原电池,某实验兴趣小组同学做完实验后,在读书卡片上记录如下:
实验后的记录:
①Zn为正极,Cu为负极
②H+向负极移动
③电子流动方向为Zn―→Cu
④Cu极有H2产生
⑤若有1mol电子流过导线,则产生的H2为5mol
⑥正极反应式:
Zn-2e-===Zn2+
卡片上的描述合理的是( )
A.①②③B.③④⑤
C.④⑤⑥D.②③④
【解析】 构成原电池的正极是Cu,负极是Zn,故①错误;电子从负极Zn流出,流向正极Cu,H+向正极移动,在Cu上得电子:
2H++2e-===H2↑,故②错误,③④正确;此原电池负极上发生的反应是Zn-2e-===Zn2+,⑥错误;总反应方程式:
Zn+2H+===Zn2++H2↑,当有1mol电子通过时,产生H2为5mol,故⑤正确。
【答案】 B
6.控制合适的条件,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( )
甲 乙
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,乙中石墨电极为负极
【解析】 反应开始后,乙中石墨电极上发生的反应为2I--2e-==I2,为氧化反应,A说法正确。
甲中石墨电极上发生的反应为2Fe3++2e-===2Fe2+,Fe3+被还原,B正确。
电流计读数为零时,反应达到化学平衡状态,C正确。
电流计读数为零(反应达到化学平衡状态)后,在甲中溶入FeCl2固体,则平衡向逆反应方向移动,I2被还原,乙中的石墨电极为正极,D错误。
故选D。
【答案】 D
7.用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有琼脂—KNO3的U形管)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AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同。
A.①② B.②③
C.②④D.③④
【解析】 Cu作负极,Ag作正极。
负极:
Cu-2e-===Cu2+;正极:
Ag++e-===Ag。
在外电路中,电子由Cu电极流向Ag电极,而电流方向与电子流向相反,所以①错。
没有盐桥,原电池不能继续工作,③错。
无论是否为原电池,反应实质相同,均为氧化还原反应,④对。
【答案】 C
8.
如图所示的原电池装置,X、Y为两电极,电解质溶液为稀硫酸,外电路中的电子流向如图所示,对此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→Y
B.若两电极分别为Zn和碳棒,则X为碳棒,Y为Zn
C.若两电极都是金属,则它们的活动性为X>Y
D.X极上发生的是还原反应,Y极上发生的是氧化反应
【解析】 由图可知电子的流动方向是X→外电路→Y,则电流的方向就为Y→外电路→X;X为原电池的负极,Y为正极,X的活动性比Y强;X极应发生氧化反应,Y极应发生还原反应。
【答案】 C
9.在如图所示装置中,观察到电流计指针偏转,M棒变粗,N棒变细,由此判断下表中所列M、N、P物质,其中可以成立的是( )
M
N
P
A
锌
铜
稀硫酸溶液
B
铜
铁
稀盐酸
C
银
锌
硝酸银溶液
D
锌
铁
硝酸铁溶液
【解析】 本题通过电极变化来确定电极,N棒变细,即N极上发生氧化反应,N棒金属较活泼,排除A、D,由M棒变粗,可知B不正确。
【答案】 C
1如图所示,X为单质硅,Y为金属铁,a为NaOH溶液,组装成一个原电池,下列说法正确的是( )
A.X为负极,电极反应为:
Si-4e-===Si4+
B.X为正极,电极反应为:
4H2O+4e-===4OH-+2H2↑
C.X为负极,电极反应为:
Si+6OH--4e-===SiO32-+3H2O
D.Y为负极,电极反应为:
Fe-2e-===Fe2+
【解析】 硅、铁、NaOH溶液组成原电池时,Si为负极:
Si-4e-+6OH-===SiO32-+3H2O;铁为正极:
4H2O+4e-===4OH-+2H2↑,总反应式:
Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
【答案】 C
11.
(1)下列装置属于原电池的是________。
(2)在选出的原电池中,________是负极,发生______反应,________是正极,该极的现象是________________________________________________________________________。
(3)此原电池反应的化学方程式为
________________________________________________________________________。
【解析】
(1)构成原电池的条件:
两个活动性不同的电极;电解质溶液;形成闭合回路;自发进行的氧化还原反应。
根据此条件知,⑤属于原电池。
(2)(3)在⑤中,Fe为负极,发生氧化反应,Cu为正极,发生还原反应,表面有气泡冒出,反应实质为Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑。
【答案】
(1)⑤
(2)Fe 氧化 Cu Cu表面有气泡产生
(3)Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑
12.依据氧化还原反应:
2Ag+(aq)+Cu(s)===Cu2+(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。
【解析】 由氧化还原反应:
2Ag+(aq)+Cu(s)===Cu2+(aq)+2Ag(s)可知,可以选用Cu—Ag—AgNO3(aq)构成简易的原电池。
因此题图中电极X的材料是Cu,电解质溶液Y是AgNO3(aq),正极为Ag,正极上发生的反应为Ag++e-===Ag。
负极为Cu,负极上发生的反应为Cu-2e-===Cu2+。
在外电路,电子由负极流向正极,即从X(Cu)电极流向Ag电极。
【答案】
(1)Cu AgNO3
(2)正 Ag++e-===Ag Cu-2e-===Cu2+
(3)X(Cu) Ag
13.现有如下两个反应:
(A)NaOH+HCl===NaCl+H2O
(B)Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+
(1)根据两反应本质,判断能否设计成原电池
________________________________________________________________________。
(2)如果不能,说明其原因
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)如果可以,则写出正、负极材料及其电极反应式和反应类型(“氧化反应”或“还原反应”):
负极:
________,________________,
________________________________________________________________________;
正极:
________,________________,
________________________________________________________________________;
若导线上转移电子1mol,则正极质量增加________g,电解质溶液:
________。
【解析】
(1)只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池,(B)是氧化还原反应且能自发进行。
(3)根据电池反应式Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+可知,Cu失电子作负极,负极材料是Cu,正极材料应是比铜还不活泼的金属或导电的非金属;Ag+得电子,所以此电解质溶液只能为AgNO3溶液。
【答案】
(1)(A)不能,(B)可以
(2)(A)为非氧化还原反应,没有电子转移
(3)Cu Cu-2e-===Cu2+ 氧化反应 碳棒、Ag、Pt、Au(任选一) 2Ag++2e-===2Ag 还原反应 108 AgNO3溶液
14.某校化学研究性学习小组欲设计实验验证Fe、Cu金属活动性的相对强弱,他们提出了以下两种方案。
请你帮助他们完成有关实验项目:
方案Ⅰ:
有人提出将大小相等的铁片和铜片分别同时放入稀硫酸(或稀盐酸)中,观察产生气泡的快慢,据此确定它们的活动性。
该原理的离子方程式为________________。
方案Ⅱ:
有人利用Fe、Cu作电极设计成原电池,以确定它们活动性的相对强弱。
试在下面的方框内画出原电池装置图,标出原电池的电极材料和电解质溶液,并写出电极反应式。
正极反应式:
_______________________________________;
负极反应式:
___________________________________。
方案Ⅲ:
结合你所学的知识,帮助他们再设计一个验证Fe、Cu活动性相对强弱的简单实验方案(与方案Ⅰ、Ⅱ不能雷同):
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________,
用离子方程式表示其反应原理:
_____________________
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