【优化课堂】2021-2022学年高二化学人教版选修四学案：4.1-原电池-Word版含解析.docx

第一节原电池
[学习目标]　1.了解原电池的工作原理和构成原电池的条件。(重点)　2.能正确书写电极反应式和电池反应方程式。(重难点)　3.能设计简洁的原电池。

一、原电池原理
1．原电池概念：利用氧化还原反应原理将化学能转化为电能的装置。
2．构成条件

3．原电池工作原理(以锌铜原电池为例)
装置
现象

锌片渐渐溶解，铜片上
有红色物质析出，电流
表指针发生偏转
电极名称
Zn电极—负极
Cu电极—正极
得失电子
失电子
得电子
电子流向
流出
流入
反应类型
氧化反应
还原反应
电极反应式
Zn－2e－===Zn2＋
Cu2＋＋2e－===Cu
总反应式
Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

1．原电池的两个电极必需都是金属吗？原电池中盐桥的作用是什么？
【提示】　原电池中的电极不愿定是金属材料，可用石墨等导电非金属作电极。盐桥的作用是利用盐桥中离子的移动，使两个半电池中的溶液形成闭合回路。
2．Cu、Ag与稀硫酸能否设计成原电池？
【提示】　不能。Cu、Ag与稀硫酸不能自发地发生氧化还原反应。
二、原电池的设计
理论上，能自发进行的氧化还原反应均能设计成原电池。实际设计时应留意以下几方面。
(1)外电路
负极(还原性较强的物质)正极(较稳定的金属或能导电的非金属)。
(2)内电路
将两极浸入电解质溶液中，使正、负离子作定向移动。
(3)闭合电路

3．依据原电池原理怎样比较Fe、Cu两种金属的活动性强弱？
【提示】　将铁片和铜片用导线连接浸入稀硫酸中，铁片溶解，铜片表面有气泡产生，说明铁比铜活泼。
4．中和反应能够放出大量的热，有人设想将其设计成原电池，你认为他能成功吗？
【提示】　不能成功。中和反应不是氧化还原反应，没有电子转移。

1．易误诊断
(1)原电池是将化学能转化为电能的装置。 (　　)
(2)CaO＋H2O===Ca(OH)2是放热反应，可设计成原电池。(　　)
(3)原电池正极发生氧化反应，负极发生还原反应。 (　　)
(4)碳是非金属，故碳棒不能用来作原电池的电极。 (　　)
【答案】　(1)√　(2)×　(3)×　(4)×
2．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
3．(双选)铜锌原电池(如图)工作时，下列叙述正确的是(　　)

A．正极反应为Zn－2e－===Zn2＋
B．电池反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
C．在外电路中，电子从负极流向正极
D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液
【解析】　原电池的正极得电子，A选项错误；结合该电池的装置图可知，该过程中的氧化还原反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，B选项正确；在外电路中，电子从负极流向正极，C选项正确；左烧杯中由于Zn失去电子形成Zn2＋，使得该烧杯中正电荷的离子增加，为维持电中性，K＋应当通过盐桥流向CuSO4所在的右烧杯，D选项错误。
【答案】　BC
4．下列反应不行用于设计成原电池的是(　　)
A．CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O
B．2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O
C．Zn＋2HCl===ZnCl2＋H2↑
D．4Al＋3O2＋6H2O===4Al(OH)3
【解析】　A项不是氧化还原反应，不能设计成原电池。
【答案】　A

同学分组探究一　原电池正、负极的推断方法
第1步探究——问题引入，自主探究
1．原电池中，电子流出的一极是正极还是负极？
【提示】　负极。
2．若某电极在反应过程中增重，则该电极是原电池的正极还是负极？
【提示】　正极。
第2步阐述——要点归纳，深化学问

依据电极材料的活泼性来推断正负极，要留意电解质溶液对原电池正负极的影响。例如，①Mg、Al、NaOH溶液构成的原电池，Al为负极；②Fe(或Al)、Cu、浓HNO3构成的原电池，Cu为负极。
第3步例证——典例印证，思维深化
　某高二化学爱好小组为了探究铝电极在原电池中的作用，设计并进行了以下一系列试验，试验结果如下。
试依据下表中的试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)试验1、2中Al所作的电极是否相同？
(2)写出试验3中的电极反应式和电池总反应方程式。
(3)试验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)解释试验5中电流计指针偏向Al的缘由。
(5)依据试验结果总结：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】　一般状况下，较活泼的金属作原电池的负极，依据试验1、2的结果，自然得出试验1中Al作正极，试验2中Al作负极。在NaOH溶液中，Al能与其发生氧化还原反应而Mg不能，故Al作负极。在浓硝酸中由于Al发生钝化，Zn作负极。
【答案】　(1)不同，试验1中Al作正极，试验2中Al作负极；
(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，由于Al能与NaOH溶液反应而Mg不能，Al＋4OH－－3e－===AlO＋2H2O；
(4)试验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。
第4步运用——精选习题，落实强化
1．对于原电池的电极名称，叙述错误的是(　　)
A．发生氧化反应的一极为负极
B．正极为电子流入的一极
C．比较不活泼的金属为负极
D．电流流出的一极为正极
【解析】　原电池中相对活泼的金属为负极，发生氧化反应；相对不活泼的金属(或非金属导体)为正极，发生还原反应。
【答案】　C

2．在如图所示的装置中，a的金属活动性比氢要强，b为碳棒，关于此装置的各种叙述不正确的是(　　)
A．碳棒上有气体放出，溶液pH变大
B．a是正极，b是负极
C．导线中有电子流淌，电子从a极流向b极
D．a极上发生了氧化反应
【解析】　电极a、b与电解质溶液稀H2SO4组成原电池。因活动性a>b(碳棒)，所以a为原电池的负极，b为正极。电极反应式：
a(负)极：a－ne－===an＋(氧化反应)
b(正)极：nH＋＋ne－===H2↑(还原反应)
由于正极放电消耗H＋，溶液中c(H＋)减小，pH增大，在外电路中，电子由a极流出经电流表A流向b极。
【答案】　B
3．在如图所示装置中，观看到电流计指针偏转，M棒变粗，N棒变细，由此推断下表中所列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原电池的正负电极，N棒变细，即N极上发生氧化反应，N棒金属较活泼，排解A、D，由M棒变粗，可知B不正确。
【答案】　C
4．(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：两个活泼性不同的电极；电解质溶液；形成闭合回路；自发进行的氧化还原反应。依据此条件知，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，Cu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↑

同学分组探究二　原电池原理的应用
第1步探究——问题引入，自主探究
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，发觉b上产生气泡，则a与b相比较，谁更活泼？
【提示】　a。
第2步阐述——要点归纳，深化学问
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，观看到a极溶解，b极上有气泡产生。依据电极现象推断出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
如要疼惜一个铁闸，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，分别作原电池的负极和正极。电极反应式为：
负极：Cu－2e－===Cu2＋
正极：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
(2)确定电极材料
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[若为气体(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]。
正极的电极材料必需不如负极材料活泼。
(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。
第3步例证——典例印证，思维深化
　(2021·广东高考)原电池可将化学能转化为电能。设计两种类型的原电池，探究其能量转化效率。
限选材料：ZnSO4(aq)、FeSO4(aq)、CuSO4(aq)；铜片，铁片，锌片和导线。
(1)完成原电池甲的装置示意图(如图所示)，并作相应标注。要求：在同一烧杯中，电极与溶液含相同的金属元素。

(2)以铜片为电极之一，CuSO4(aq)为电解质溶液，只在一个烧杯中组装原电池乙，工作一段时间后，可观看到负极________。
(3)甲乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是________，其缘由是_______________________________。
【解析】　(1)由于电子的流向是从左到右，所以可以这样设计原电池：左侧烧杯内盛放FeSO4溶液，电极用铁片(或左侧烧杯内盛放ZnSO4溶液，电极用锌片)，右侧烧杯内盛放CuSO4溶液，电极用铜片，即可实现反应Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu(或Zn＋CuSO4===Cu＋ZnSO4)。
(2)由所给的电极材料可知，当铜片作电极时，铜片确定是正极，则负极是活泼的金属(失电子，发生氧化反应)，反应现象是电极渐渐溶解，表面有红色固体析出。
(3)以锌片和铜片作电极为例，假如不用盐桥，则除了发生原电池反应外还发生锌和铜离子的直接的置换反应，会使部分化学能以热能的形式转化掉，而盐桥的使用可以避开锌和铜离子的直接接触，从而避开了化学能转化为热能，提高电池效率。
【答案】　(1)

(2)渐渐溶解(质量削减)
(3)甲　甲使用了盐桥，避开负极金属直接与溶液中的铜离子反应而造成能量损失
第4步运用——精选习题，落实强化
1．一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，且能与电解质溶液自发地发生氧化还原反应。
【答案】　C
2．某原电池总反应离子方程式为：2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋，不能实现该反应的原电池是(　　)
A．正极为Cu，负极为Fe，电解质溶液为FeCl3溶液
B．正极为C，负极为Fe，电解质溶液为Fe(NO3)3溶液
C．正极为Ag，负极为Fe，电解质溶液为Fe2(SO4)3溶液
D．正极为Ag，负极为Fe，电解质溶液为CuSO4溶液
【解析】　由2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋得出负极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，正极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，可知负极材料为铁，正极材料为比铁不活泼的导体，电解质溶液中必需有Fe3＋，故D选项不能满足要求。
【答案】　D
3．X、Y、Z、W四块金属板分别用导线两两相连浸入稀硫酸中构成原电池。X、Y相连时，X为负极；Z、W相连时，外电路电流方向是W→Z；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡；W、Y相连时，W极发生氧化反应。据此推断四种金属的活动性挨次是
(　　)
A．X>Z>W>Y B．Z>X>Y>W
C．X>Y>Z>W D．Y>W>Z>X
【解析】　在原电池中，活泼金属作原电池的负极，失去电子发生氧化反应；不活泼的金属或非金属导体作原电池的正极，阳离子或氧气等在正极得到电子发生还原反应。电子由负极经导线流向正极，与电流的方向相反。因此，X、Y相连时，X为负极，则活动性X>Y；Z、W相连时，电流方向是W→Z，则活动性Z>W；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡，则活动性X>Z；W、Y相连时，W极发生氧化反应，则活动性W>Y。综上所述，可以得出金属的活动性挨次：X>Z>W>Y。故正确答案为A。
【答案】　A
4．已知某原电池的电极反应是Fe－2e－===Fe2＋，Cu2＋＋2e－===Cu，据此设计该原电池，并回答问题。

(1)若原电池装置为上图左图，
①电极材料A是________，B是________(写名称)。
②A电极观看到的现象是______________________________。
(2)若原电池装置为上图右图，
①电极材料X可以是________(填序号，下同)。
a．铁　　　b．铜　　　c．石墨
②电解质Y是________。
a．FeSO4　　b．CuSO4　　c．CuCl2
【解析】　结合氧化还原反应的学问可知Fe－2e－===Fe2＋是负极反应，故Fe作负极，即B是Fe；Cu2＋＋2e－===Cu是正极反应，故A应是铜，现象是看到有红色物质析出。不含盐桥的原电池中正极材料是比负极金属活泼性差的金属或导电的非金属即可，故此时正极是铜或石墨，但负极只能是铁，电解质溶液是含不活泼金属离子的盐溶液，可为硫酸铜、氯化铜或硝酸铜溶液。
【答案】　(1)①铜(或碳棒)　铁　②有红色物质析出
(2)①b、c　②b、c

含盐桥原电池的设计方法
因两个半反应分别在两个烧杯中进行，则两极中的电解质溶液应含有与电极材料相同的阳离子，用于提高电池效率，例如，在锌、铜和电解质溶液构成的原电池中，锌极应置于可溶性锌盐(如ZnSO4)中，铜极应置于可溶性铜盐(如CuSO4)中。

试验探究(7)　原电池中盐桥作用的试验探究
1．原理
盐桥是将热的琼脂溶液(可以是饱和KCl溶液或NH4NO3溶液)倒入U形管中(不能产生裂隙)，将冷却后的U形管浸泡在KCl饱和溶液或NH4NO3饱和溶液中制得。离子在盐桥中能定向移动，通过盐桥将两个隔离的电解质溶液连接起来，可使电流持续传导。
2．问题探究
(1)试验步骤：
试验设计如下：①依据图(Ⅰ)所示装置进行试验。请观看两个金属片插入溶液后电流计指针位置的变化、金属电极表面的变化以及溶液温度的变化，分析是否有电流产生，以及电流表指针偏转角度的变化。

②依据图(Ⅱ)组装试验装置时，留意最终再将盐桥插入两种电解质溶液中。请观看反应过程中电流计指针位置的变化，推断是否有电流产生，并观看电极表面以及溶液温度的变化状况。
(2)试验记录：

电极表面变化状况
温度变
化状况
能量变
化状况
电流表指针偏移状况
①
锌片质量削减，
同时铜片上有
红色物质析出，
铜片质量增加
溶液温
度上升
化学能转
化为电能、
热能
开头偏移角度较大，后渐渐减小，最终为零
②
锌片质量削减，铜
片上有红色物质
析出，铜片质量
增加　　　　　
溶液温
度不变
化学能转
化为电能
开头偏移角度较大，后来基本不变
阅读上述试验操作回答下列问题：
1．分析电极表面现象，写出相应的电极反应式。
【提示】　Zn电极：Zn－2e－＝Zn2＋；Cu电极：Cu2＋＋2e－＝Cu。
2．分析两个装置中电流表指针偏转状况，说明哪套装置能持续供电效率更高？
【提示】　②中组装的试验装置。
3．由上述试验分析盐桥有哪些作用？
【提示】　盐桥的作用：①使两个半电池构成闭合回路
②能使原电池产生较持续、稳定的电流；
③能提高电池的使用效率。
4．将盐桥取出后，锌片、铜片、电流表会发生怎样变化？
【提示】　锌片、铜片无明显变化；电流表指针不偏转。