原電池若干問題點(diǎn)析

1、原電池教學(xué)中若干問題點(diǎn)析 浙江省寧波市第四中學(xué) 錢軍 315016 原電池是高中電化學(xué)知識中一塊重要內(nèi)容， 但因其內(nèi)容篇幅不多， 且知 識點(diǎn)又缺少前后聯(lián)系， 教師一般都憑直觀的實(shí)驗(yàn)直接得出結(jié)論， 使學(xué)生在學(xué) 習(xí)過程中覺得該內(nèi)容較抽象， 缺少理論依據(jù)， 對相關(guān)的知識點(diǎn)不易理解、 掌 握。就鋅 銅硫酸原電池而言，經(jīng)常會有學(xué)生來問：鋅與銅構(gòu)筑原電池， 為什么是鋅被溶解而銅被保護(hù)， 為什么鋅離子到溶液中而電子卻通過外接導(dǎo) 線到銅極， 而不隨鋅離子一起到溶液中， 經(jīng)溶液到銅極， 為什么鋅極是負(fù)極 銅極是正極等等問題。 本文就結(jié)合學(xué)生在學(xué)習(xí)中碰到的一些典型的問題和實(shí) 例，對原電池教學(xué)中學(xué)生經(jīng)常感到困惑的若

2、干問題進(jìn)行點(diǎn)析。1、正、負(fù)電極及電流方向的判斷：電池的正、 負(fù)極判斷及電流的流向， 是學(xué)生剛開始學(xué)原電池知識最迷茫 的問題。 在鋅 銅硫酸原電池中， 電子為什么由鋅極流向銅極 （電流為什么 由銅極流向鋅極） ？很多教師在教學(xué)實(shí)踐中一般都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直接得出 結(jié)論，而讓學(xué)生記住并應(yīng)用這些結(jié)論，很多學(xué)生學(xué)了以后，只知其然，不知 其所以然。 所以我認(rèn)為， 教師在講解這塊內(nèi)容時， 最好能簡單介紹一下電極 電勢的知識， 便于學(xué)生理解、 掌握。 這是因?yàn)殇\電極的電勢比銅電極的電勢 低的緣故， 電子由低電勢流向高電勢。 那么，電極電勢差到底是如何產(chǎn)生的， 為什么鋅、 銅電極的電勢會不同呢？我們已知金屬是由

3、金屬原子、 金屬離子 和自由電子組成的。 當(dāng)把金屬插入含有該金屬離子的鹽溶液中時， 有兩種反 應(yīng)傾向存在： 一方面， 金屬表面的離子與溶液中極性水分子相互吸引而發(fā)生 水化作用生成水合離子。 這種水化作用可使金屬表面上部分金屬離子進(jìn)入溶 液而把電子留在金屬表面上， 這是金屬溶解過程。 另一方面， 溶液中的金屬 離子有可能碰撞金屬表面， 從金屬表面上得到電子， 還原為金屬原子沉積在 金屬表面上， 這個過程為金屬離子的沉積。 金屬開始溶解時， 溶液中金屬離 子濃度較小， 溶解趨勢占上峰。 但當(dāng)金屬離子不斷脫離金屬表面進(jìn)入溶液的 同時， 金屬表面的負(fù)電荷增多， 金屬離子沉積到金屬表面的速率也會不斷的

4、增大。 當(dāng)金屬離子的溶解速率和金屬離子的沉積速率相等時， 達(dá)到了動態(tài)平 衡。這時，在金屬表面附近的溶液中，存在著一定數(shù)量的陽離子；在金屬表 面上則保留著相應(yīng)數(shù)量的電子。 這樣， 在金屬電極與溶液之間就產(chǎn)生了電勢 差。 當(dāng)外界條件一定的時候， 電極電勢差的高低就取決于電極的本性： 金屬 越活潑，溶解成離子的傾向越大，金屬離子沉積的傾向越小，達(dá)到平衡時， 電極的電勢越低，為負(fù)極；反之，電極的電勢越高，為正極。所以，連接兩 個金屬離子化傾向不同的電極， 如鋅 銅硫酸原電池， 對外電路而言， 鋅活 潑，電極的電勢較低，銅不活潑，電極的電勢較高，電子就由低電勢極（活 潑的金屬鋅極）流向高電勢極（不活潑的

5、金屬銅極） ，電流則由銅極流向鋅 極。 對內(nèi)電路而言， 電流則由鋅極流向銅極， 這與溶液中鋅離子進(jìn)氫離子出 相吻合。 通過對電極電勢的簡單的介紹， 結(jié)合學(xué)生已有的物理知識， 就能使 學(xué)生比較透徹掌握電池正、 負(fù)極產(chǎn)生的原因， 而非死記硬背記住活潑金屬做 負(fù)極，電子由活潑金屬極流向不活潑金屬極。2、電極材料的類型： 高中階段學(xué)生碰到的原電池電極有下面幾種，其中1）、 2）是常見的，3 ）、 4 ）是拔高的。1）金屬一 屬電極，活潑金屬是負(fù)極，不活潑金屬是正極， 活潑金屬被腐 蝕，不活潑金屬不反應(yīng)被保護(hù)。如鋅 銅硫酸原電池，活潑鋅被腐蝕，溶 液中電解質(zhì)離子參與反應(yīng)， 不活潑金屬銅不反應(yīng)被保護(hù)。 例

6、：鋅銅硫酸 原電池：負(fù)極 （鋅） ：Zn-2e =Zn 2+正極（銅）：2H +2e =H 2 f總反應(yīng)：Zn+2H + = Zn 2+ +H 2 f2） 金屬 非金屬電極，金屬是負(fù)極，非金屬是正極，活潑金屬被腐蝕，溶 液中電解質(zhì)離子參與反應(yīng)， 非金屬不反應(yīng)被保護(hù)。 如干電池， 活潑鋅被腐蝕， 非金屬石墨被保護(hù)。例：干電池 （NH 4Cl 糊狀物為電解質(zhì) ）：負(fù)極 （鋅筒）： Zn-2e =Zn 2+正極（石墨）： 2NH 4+2MnO 2 + 2e =2NH 3f+Mn 2O3+H 2O 總反應(yīng)： Zn+2NH 4+2MnO 2= Zn 2+2NH 3f+Mn 2O3+H 2O3 ）金屬一-

7、屬氧化物電極，金屬是負(fù)極，金屬氧化物是正極， 金屬和金屬 氧化物一般都參與電極反應(yīng)而被腐蝕， 溶液中電解質(zhì)離子參與反應(yīng)。 如鉛蓄 電池、銀鋅電池等。例：鉛蓄電池 （電解質(zhì)溶液為稀硫酸 ）： 負(fù)極 （Pb） ： Pb+SO 42-2e =PbSO 4正極（PbO 2）: PbO2+4H + S04 2 +2e =PbSO 4+2H 2O總反應(yīng)：Pb+PbO 2+2H 2SO4=2PbSO 4+2H 2O4 ）惰性一 性電極，兩極材料都不參加反應(yīng)， 外加物質(zhì)參與反應(yīng)。 如燃料 電池。例：氫氧燃料電池（惰性金屬鉑做電極材料，電解質(zhì)溶液為氫氧化鉀）: 負(fù)極（H 2）: 2H 2+4OH 4e =4H

8、2O正極（O2）: O2+2H 2O+4e = 4OH 總反應(yīng)：2H 2+ O 2 = 2H 2。3、電極反應(yīng)與總電池反應(yīng)的關(guān)系：學(xué)生在做有關(guān)原電池內(nèi)容的習(xí)題時，往往會碰到很多沒學(xué)過的新型電 池，題目要求學(xué)生寫某個電極反應(yīng)或總反應(yīng)式。通過對上述電極分類的分析，我們可知，把二個電極反應(yīng)通過數(shù)學(xué)加和，抵消得失電子數(shù)，便可得到該電池的總反應(yīng)式。用總反應(yīng)式減去較易寫出一極（一般為負(fù)極）的電極反應(yīng)式，即可得另一極的電極反應(yīng)式。例（2000年全國高考題）：熔融鹽燃料電池具有較高的發(fā)電效率，因而受到重視，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì),CO為陽極燃 氣，空氣與CO2的混合氣為陰極助燃?xì)?/p>

9、，制得在650 C下工作的燃料電池 完成有關(guān)的電池反應(yīng)式：負(fù)極反應(yīng)式:2CO+2CO 32=4CO 2+4e 正極反應(yīng)式 : 2CO2+O2+4e =2CO 32總電池反應(yīng)式：2CO+O 2=2CO 2這題的正極反應(yīng)一般學(xué)生是不可能寫出來的，但通過對題中信息的分 析，電池的總反應(yīng)式還是可以寫出來的：2CO+O 2=2CO 2，然后用總反應(yīng)式減去負(fù)極反應(yīng)式，抵消掉負(fù)極反應(yīng)物便CO，即可得正極反應(yīng)式：2CO 2+O 2+4e =2CO 32 。4、與氧化一還原反應(yīng)的關(guān)系：能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng) ，理論上都可組成原電池。原電池反應(yīng)就是 將氧化還原反應(yīng)中的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩極上進(jìn)行，發(fā)生氧化

10、反應(yīng)的一極為負(fù)極，即失去電子的一極， 通常是用活潑金屬做負(fù)極；發(fā)生還原反應(yīng)的一極為正極， 即得電子的一極。 學(xué)生經(jīng)常會碰到一些未標(biāo)明正、負(fù)極反應(yīng)的電池，碰到這類題不要緊張，搞清楚二極參加反應(yīng)的物質(zhì)及生成的產(chǎn)物， 對照原電池二極所發(fā)生的氧化、還原反應(yīng)，問題基本就解決了。例：生物體中細(xì)胞膜內(nèi)的葡萄糖，細(xì)胞膜外的富氧液體及細(xì)胞膜構(gòu)成微型的生物原電池，下列有關(guān)判斷正確的是 （）：A. 負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)可能是 ：0 2+4e+2H 2O=4OHB. 正極發(fā)生的電極反應(yīng)可能是 :0 2+4e 一 =20 2一C. 負(fù)極反應(yīng)主要是 C6H12O6生成C0 2或HCO 3D. 正極反應(yīng)主要是 C6H12O6

11、生成 C02或CO32一本題考的是生物體內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)，較特殊。但結(jié)合題中選項(xiàng)，我們大致能分析出參加反應(yīng)的應(yīng)該是C6H12O6和02 ,生成的是CO 2 （堿性環(huán)境為HC0 3或CO32）和H20，根據(jù)電子得失的情況，判別其發(fā)生的是氧化反應(yīng)還是還原反應(yīng)，可知 C6H12O6在負(fù)極，02在正極，答案為 C。5、不可忽略的電解質(zhì)溶液問題：根據(jù)原電池中電解質(zhì)參與反應(yīng)與否及反應(yīng)情況，我把原電池中的電解質(zhì)溶液問題分為四類：1）電解質(zhì)離子參與電極反應(yīng)，并體現(xiàn)在總反應(yīng)中。如上面講的鋅一一銅硫酸原電池、鉛蓄電池等，電解質(zhì)離子在消耗，濃度在減少。2 ）電解質(zhì)離子參與電極反應(yīng)， 但未體現(xiàn)在總反應(yīng)中。 如上面講的燃料

12、電池， 消耗的離子與生成的離子一樣多，所以最終溶液中電解質(zhì)離子個數(shù)未改變，但因生成水，而導(dǎo)致濃度減少。3 ）電解質(zhì)離子不參與電極反應(yīng)，也不體現(xiàn)在總反應(yīng)中，電解質(zhì)液只是增加了溶液的導(dǎo)電性，如鋼鐵在中性或弱酸性液中的吸氧腐蝕。4）電極與電解質(zhì)液反應(yīng)特殊情況類：例1 :剪約6 cm 長，2 cm寬的銅片和鋁片各一片，分別用接線柱平行地固定在一塊塑料板上 （間隔2 cm ），將銅片與鋁片分別和電流表的“ +”、“-端相連結(jié)，電流表指針調(diào)到中間位置，取50 mL兩只小燒杯，在一只燒杯中注入40 mL濃HN0 3，另一只燒杯中注入 40 mL稀硫酸，試回答 下列問題： 兩電極同時插入稀 H2SO4中，原電

13、池的負(fù)極為 鋁 （填 鋁”或 銅”）極，鋁片上的電極反應(yīng)式為：Al-3e - = Al3+ 兩電極同時插入濃 HNO 3中，原電池的負(fù)極為_銅 （填 鋁”或 銅”）極，鋁片上的電極反應(yīng)式為： 4H +2NO 3-+2e -=2NO 2 f +2H 2O_。第小題屬常規(guī)題，鋁比銅活潑，所以鋁極是負(fù)極；但第小題，因電解質(zhì)溶液特殊，鋁在濃 HN0 3中被鈍化，所以銅極是負(fù)極。例2 :以鎂條、鋁片為電極，以稀NaOH溶液為電解質(zhì)溶液構(gòu)成的原電池，人們普遍認(rèn)為鋁是負(fù)極。某研究性學(xué)習(xí)小組為探究該原電池究竟誰是 負(fù)極，發(fā)生怎樣的電極反應(yīng)，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：如圖，剪取約8cm的鎂條及大小相近的鋁片，用砂紙去膜，

14、使鎂條與鋁片分別與量程為500 A的教學(xué)演示電表的 ”、牛”端相連接，迅速將兩電極插入盛有1mol/LNaOH溶液的燒杯中。開始，電表指針向右偏移約 500A，鋁片表面有許多氣泡， 很快電流逐漸減小至 0 ;隨后，指針向左偏移，且電流逐漸增大至約 400A ,但鎂條表面只有極少量的氣泡產(chǎn)生。根據(jù)以此時，鋁片表面氣泡有所減少,上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，回答下列問題：(1)開始階段，原電池的正極是 _Al(填 “ Mg或“ A)”片；鋁片表MgAl4 «» !* HKIWI *S P B. | . 口 口 ,I 1 - H 1mol/LNaOHMg-2e +2OH面產(chǎn)生的氣泡是H 2_ _ ;負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)是=Mg(OH) 2。 隨后階段，鋁片發(fā)生的電極反應(yīng)式是一AI-3 e -+4OH -其原因是：2H 2O+2e=AlO 2 + _2H 2O ;鎂條表面只有極少量的氣泡產(chǎn)生,=H 2 f +2OH -(極少)，試判斷此電極發(fā)生的主要反應(yīng)是由于在鎂條表面不斷生成的Mg(OH) 2并沒有形成沉淀，而是緊密覆蓋于鎂條的表面形成覆蓋層，使鎂條表面很快被鈍化，而失去活性。最終出