1、第四章 化学反应与电能 第一节 原电池 第1课时 原电池的工作原理 1.通过实验4-1,认识双池原电池相比普通原电池的优点,特别是盐桥的作用,培养宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想等学科核心素养。 2.依据带盐桥的锌铜原电池装置,学会分析电子、阴阳离子的移动方向,并以电极反应式的形式表达出来,培养证据推理与模型认知、变化观念与平衡思想等学科核心素养。 知识点一、原电池的工作原理 1.构成条件 (1)具有两个 不同的电极。 (2)合适的 溶液。 (3)形成 回路(两电极用导线相连或互相接触并插入电解质溶液中)。 (4)能自发地发生
2、 反应。 2.装置图(以Zn-Cu原电池为例) 注:这种用盐桥连接的原电池也叫双液原电池。 3.工作原理(以上述原电池为例) 电极 Zn电极 Cu电极 电极名称 得失电子 失电子 得电子 电子流向 反应类型 反应 反应 电极反应式 总反应式 知识点二、原电池的设计 从理论上讲,能自发进行的氧化还原反应均可以设计成原电池,实际设计时应注意以下几点: 1.外电路 负极( 较强的物质)正极( 较强的物质)。 2.内电路 将两电极浸入 中,阴、阳离子作 。
3、3.闭合回路 【新知预习】答案 知识点一、1.(1)活泼性 (2)电解质 (3)闭合 (4)氧化还原 3.负极 正极 流出 流入 氧化 还原 Zn-2e-=Zn2+ Cu2++2e-=Cu Zn+Cu2+=Zn2++Cu 知识点二、1.还原性 氧化性 2.电解质溶液 定向运动 3.负极 正极 探究任务一 原电池工作原理 1.两种原电池的比较 甲装置所示原电池俗称单液原电池,锌片、铜片用导线相连后,都插入到稀硫酸中,所以,锌片上失去的电子一部分通过导线流向铜片,形成电流,还有一部分,直接传递给溶液中碰撞到锌片
4、上的氢离子,这一部分电子不形成电流,这种原电池供电效率不高,且电流在较短时间内就会衰减。 乙装置所示原电池俗称双液原电池,锌片、铜片用导线相连后,锌片插入ZnSO4溶液中,铜片插入稀硫酸中,这样就避免了锌片与稀硫酸直接接触发生反应而造成的电能损失,锌失去的电子全部通过导线流向铜片,这种原电池供电效率高,且能提供较稳定的电流。 2.判断原电池正、负极的方法 判断依据 负 极 正 极 电极材料 活动性较强的金属 活动性较弱的金属或能导电的非金属 电子流动方向 电子流出极 电子流入极 电极上发生的反应 氧化反应 还原反应 电解质溶液中离子的移动方向 阴离子移向
5、的极 阳离子移向的极 3.盐桥的作用 盐桥中通常装有含KCl饱和溶液的琼胶。当盐桥存在时,使两个半电池中的溶液连成一个通路。随着反应的进行,盐桥中的Cl-向硫酸锌溶液方向移动,K+向稀硫酸方向移动,使硫酸锌溶液和稀硫酸一直保持电中性,氧化还原反应得以继续进行,从而使电子不断从锌极流向铜极,能持续、稳定地产生电流。 【典例1】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
6、极上发生的电极反应为 。 (3)外电路中的电子是从 极流向 极。 【答案】(1)Cu AgNO3溶液 (2)正 2Ag++2e-=2Ag Cu-2e-=Cu2+ (3)负(Cu) 正(Ag) 【解析】原电池中负极上发生氧化反应,正极上发生还原反应,盐桥起到形成闭合回路、平衡电荷的作用。由总反应方程式可知,电极X的材料是Cu,发生氧化反应,电解质溶液Y是可溶性银盐溶液,常用AgNO3溶液。电极反应式如下,负极:Cu-2e-=Cu2+,正极:2Ag++2e-=2Ag。电子由负极(Cu)流出,经外电路流向正极(Ag)。 【变式训练1】(202
7、3·江苏大丰新丰中学高二检测)锌铜原电池装置如图所示,其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过。下列有关叙述正确的是( ) A.铜电极上发生氧化反应 B.电池工作一段时间后,甲池的c(SO42-)减小 C.电池工作一段时间后,乙池溶液的总质量增加 D.阴、阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动,保持溶液中电荷平衡 【答案】C 【解析】原电池反应为Zn+CuSO4==ZnSO4+Cu。Cu电极作正极,Cu2+在正极得电子,发生还原反应,A项错误;由于两个半电池中的阴离子SO42-不能透过半透膜,故c(SO42-)都不变,B项错误;甲池中由于生成Zn2+,而乙池中Cu2++2e-=
8、Cu,则乙池中的CuSO4部分转变为ZnSO4,导致乙池中溶液总质量变大,C项正确;阴离子不能透过半透膜,D项错误。 探究任务二 原电池原理的应用 (1)增大氧化还原反应速率 如实验室用Zn和稀硫酸反应制H2,常用粗锌,它产生H2的速率大。原因是粗锌中的杂质和锌、稀硫酸形成原电池,增大了锌与稀硫酸的反应速率,使产生H2的速率增大。 (2)比较金属的活动性强弱 原电池中,负极一般为活动性较强的金属,正极一般为活动性较弱的金属。 (3)设计原电池 原电池的设计一定要满足构成原电池的几个条件。原电池是一种将化学能转化为电能的装置,因此只有放热的氧化还原反应才可以设计成原电池。在电池
9、中,通过电极和导线将电子转移变成了电子的定向移动,将氧化反应和还原反应分到两个电极上进行,使其成为两个“半反应”。设计原电池思路:①电极材料的选择。负极一般是活动性强的金属材料,正极一般选用活动性比负极弱的金属材料或石墨等惰性电极。 ②电解质溶液的选择。电解质溶液一般要能够与负极发生反应。③保证设计出的原电池装置中,还原剂在负极上发生反应,氧化剂在正极上发生反应。 (4)寻求和制造干电池和蓄电池等化学能源。 【典例2】某原电池总反应的离子方程式为2Fe3++Fe=3Fe2+,能实现该反应的原电池是( ) A.正极为Cu,负极为C,电解质为FeCl3溶液 B.正极为C,负极为Fe,电
10、解质为Fe(NO3)3溶液 C.正极为Fe,负极为Zn,电解质为Fe2(SO4)3溶液 D.正极为Ag,负极为Fe,电解质为CuSO4溶液 【答案】B 【解析】将总反应拆分为氧化反应和还原反应两个半反应,即为负极Fe-2e-=Fe2+,正极2Fe3++2e-=2Fe2+,然后根据原电池的构成条件确定正、负极材料和电解质溶液。因此,本题负极必是Fe,正极可为比Fe活动性弱的金属或非金属导体,电解质溶液为含Fe3+的盐溶液,所以B项正确。 【变式训练2】 利用反应Zn+2FeCl3=ZnCl2+2FeCl2设计一个双液原电池。在下图方格内画出实验装置图,并注明电极材料,写出电极反应式。
11、 正极材料为 ,电极反应式为 ; 负极材料为 ,电极反应式为 。 【答案】 Pt(或石墨等) 2Fe3++2e-==2Fe2+ Zn Zn-2e-==Zn2+ 【解析】将Zn+2FeCl3==ZnCl2+2FeCl2拆分为两个“半反应”:Zn-2e-==Zn2+(氧化反应),2Fe3++2e-==2Fe2+(还原反应)。结合原电池的电极反应特点分析可知,该电池的负极材料应用锌片,正极材料用活动性比锌弱的金属或导电的非金属,为保证Fe3+在正极得电子,正极区电解质溶液为FeCl3等易溶的铁盐溶液。
12、 1.下列反应不可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 【答案】A 【解析】自发氧化还原反应都可以设计成原电池。A项为非氧化还原反应,不能设计成原电池。 2.下列关于原电池的叙述中正确的是( ) A.原电池能将化学能转变为电能 B.原电池负极发生的电极反应是还原反应 C.原电池在工作时其正极不断产生电子,并经外电路流向负极 D.原电池的电极只能由两种不同的金属构成 【答
13、案】A 【解析】原电池是将化学能转变为电能的装置,A正确;原电池负极失电子,发生的电极反应是氧化反应,B错误;原电池在工作时其负极不断产生电子,并经外电路流向正极,C错误;原电池的电极一般为活动性不同的两种金属或金属与非金属导体,D错误。 3. (2023·湖南长沙长郡中学高二检测)用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有含KCl饱和溶液的琼胶)构成一个原电池(如图)。以下有关该原电池的叙述正确的是( ) ①在外电路中,电子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
14、的化学反应与该原电池反应相同 A.只有①② B.①②④ C.只有②③ D.①③④ 【答案】B 【解析】Cu的金属性强于Ag的,则Cu作负极,Ag作正极。在外电路中,电子由Cu流向Ag,正极反应式为Ag++e-==Ag,负极反应式为Cu-2e-==Cu2+。若取出盐桥,破坏了闭合回路,原电池不能工作。该原电池反应为2AgNO3+Cu==Cu(NO3)2+2Ag,若将AgNO3溶液与Cu接触,发生反应的化学方程式也为2AgNO3+Cu==Cu(NO3)2+2Ag。 4.按下图装置实验,若x轴表示流出负极的电子的物质的量,则y轴应表示( ) ①c(Ag+) ②c(NO3-) ③a棒的
15、质量 ④b棒的质量 ⑤溶液的质量 A.①③ B.③④ C.①②④ D.② 【答案】D 【解析】在题给原电池中,负极反应为Fe-2e- ==Fe2+,正极反应为Ag++e- ==Ag,则a棒质量减轻、b棒质量增加,溶液中c(NO3-)不变,溶液的质量减轻,从而可知D正确。 5.由锌片、铜片和200 mL稀硫酸组成的原电池如右图所示。 (1)原电池的负极反应式为 , 正极反应式为 。 (2)电流的方向是 。 (3)一段时间后,当在铜片上放出1.68
16、 L(标准状况)气体时,右侧烧杯中的H2SO4恰好消耗一半。则产生这些气体的同时,共消耗 g锌,有 个电子通过了导线,原稀硫酸中c(H2SO4)= (设溶液体积不变)。 【答案】(1)Zn-2e-==Zn2+ 2H++2e-==H2↑ (2)由Cu极流向Zn极 (3)4.875 9.03×1022 1.5 mol·L-1 【解析】产生 =0.075 mol H2,电路通过0.075 mol×2=0.15 mol电子,消耗0.075 mol Zn和0.075 mol H2SO4。所以m(Zn)=0.075 mol×65 g·mol-1=4.875 g,N
17、e-)=0.15 mol×6.02×1023 mol-1=9.03×1022,c(H2SO4)= =1.5 mol·L-1。 6.选择适宜的材料和试剂设计一个原电池,以便完成下列反应:2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2。画出原电池的示意图并写出电极反应和电池总反应。 【答案】原电池设计如下图: 负极:Cu-2e- ==Cu2+ 正极:2Fe3++2e- ==2Fe2+ 总反应:2Fe3++Cu==2Fe2++Cu2+ 【解析】构成原电池的基本条件,也是进行原电池设计的基本依据。 (1)根据电池反应写出电极反应式。 (2)找出两电极材料。 (3)找出电解质溶液
18、 (4)形成闭合回路。 1.下列装置不可以组成原电池的是( ) 【答案】C 【解析】C中的装置不能形成闭合回路。 2.如图所示装置,下列说法正确的是( ) A.Cu为正极,Cu片上发生还原反应 B.Cu为正极,Cu片上发生氧化反应 C.Cu为负极,Cu片上发生还原反应 D.Cu为负极,Cu片上发生氧化反应 【答案】A 【解析】原电池中活泼性较差的一极作正极,正极上发生还原反应。 3.下列说法正确的是( ) A.原电池中,负极上发生的反应是还原反应 B.原电池中,电流的方向是负极—导线—正极 C.双液原电池中的盐桥也可以用金属导线代替
19、 D.在原电池中,阳离子移向正极,阴离子移向负极 【答案】D 【解析】A项,原电池负极上发生氧化反应;B项,电流的方向应是正极—导线—负极;C项,盐桥不能用导线代替。 4.某原电池反应的离子方程式为Fe+2H+==Fe2++H2↑,则下列说法中正确的是( ) A.用稀硝酸作电解质溶液 B.用锌作原电池正极 C.用铁作负极,铁的质量不变 D.用铜作原电池正极 【答案】D 【解析】根据原电池反应可以确定原电池负极为Fe,电解质溶液可以为稀盐酸或稀硫酸等,但不能为稀硝酸,若为稀硝酸,则原电池反应为3Fe+8H++2NO3- ==2NO↑+3Fe2++4H2O。 5.镁-H2O
20、2酸性电池采用海水作为电解质溶液(加入一定量的酸),下列说法正确的是( ) A.电池总反应的离子方程式为:Mg+H2O2+2H+==Mg2++2H2O B.负极的电极反应为H2O2+2H++2e-==2H2O C.工作时,正极周围海水的pH减小 D.电池工作时,溶液中的H+向负极移动 【答案】A 【解析】由题意分析可知该酸性电池的总反应为Mg+H2O2+2H+==Mg2++2H2O,故A正确;负极发生氧化反应,正极反应消耗H+,故电池工作时,正极周围海水的pH增大,且溶液中的H+向正极移动,故B、C、D错误。 6. (2023·辽宁盘锦第二高级中学高二月考)右图是某同学设计的原
21、电池装置,下列叙述中正确的是( ) A.电极Ⅰ上发生还原反应,作原电池的负极 B.电极Ⅱ的电极反应为Cu2++2e-==Cu C.该原电池的总反应为2Fe3++Cu==Cu2++2Fe2+ D.盐桥中装有含氯化钾饱和溶液的琼胶,其作用是传递电子 【答案】C 【解析】A项,该原电池中,电极Ⅱ为负极,负极发生氧化反应,电极反应为Cu-2e-==Cu2+,A、B两项均错误;C项,正极反应为2Fe3++2e-==2Fe2+,电池总反应为2Fe3++Cu==Cu2++2Fe2+,C项正确;D项,盐桥的作用是形成闭合回路,通过阴、阳离子的移动平衡两溶液中的电荷,故传递的是阴、阳离子,而
22、不是电子,D项错误。 7.下列关于实验现象的描述不正确的是( ) A.把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中,铜片表面出现气泡 B.把镁条和铝条紧靠在一起浸入氢氧化钠溶液中,镁条表面出现气泡 C.把铜片插入三氯化铁溶液中,在铜片表面出现一层铁 D.把锌粒放入盛有稀盐酸的试管中,加入几滴氯化铜溶液,气泡放出速率增大 【答案】C 【解析】选项A形成原电池,铜片作正极,表面出现氢气泡;选项B也形成原电池,但在强碱性溶液中,铝可以反应,镁不能,铝失去电子作负极,镁作正极,表面出现氢气泡;C选项铜片把三价铁离子还原为亚铁离子,不能置换出金属铁;D选项锌能置换出铜,锌、铜形成无数微小原电池,增
23、大气泡放出速率。 8.用A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验。 装置 甲 乙 丙 现象 A不断溶解形成二价金属离子 C的质量增大 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是 。 (3)装置丙中溶液的pH (填“变大”“变小”或“不变”)。 (4)四种金属的活动性由强到弱的顺序是 。 【答案】(1)A-2e-==A2+ (2)Cu2++2e-==Cu (3)变大 (4)D>A>B>C
24、 【解析】装置甲、乙、丙均为原电池。甲中A不断溶解,则A为负极、B为正极,活动性A>B;乙中C的质量增大,即C电极上析出Cu,则B为负极,活动性B>C;丙中A上有气泡产生,则A为正极,活动性D>A,随着溶液中H+的消耗,溶液的pH变大。 9.有A、B、C、D四种金属。将A与B用导线连接起来浸入电解质溶液中,B不易腐蚀。将A、D分别投入等浓度盐酸中,D比A反应剧烈。将铜浸入B的盐溶液里,无明显变化。如果把铜浸入C的盐溶液里,有金属C析出。据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是( ) A.D>C>A>B B.D>A>B>C C.D>B>A>C D.B>A>D>C 【答案】B
25、解析】A、B连结放入电解质溶液中,B不易腐蚀,说明活泼性:A>B。A、D与等浓度盐酸反应,D比A反应剧烈,说明活泼性:D>A。将铜浸入B的盐溶液里,无明显变化,说明活泼性:B>铜。铜浸入C的盐溶液里,C析出,说明活泼性:铜>C。综合比较,活泼性由强到弱的顺序是:D>A>B>C。 10. (2023·河南郑州外国语学校高二检测)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和石墨棒,则X为石墨棒,Y为Zn C.若两电极都是金属,则它们的活动性为X
26、>Y D.X极上发生的是还原反应,Y极上发生的是氧化反应 【答案】C 【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极应发生氧化反应,Y极应发生还原反应。 11.图甲和图乙均是双液原电池装置。下列说法不正确的是( ) A.甲中电池总反应的离子方程式为Cd(s)+Co2+(aq)==Co(s)+Cd2+(aq) B.反应2Ag(s)+Cd2+(aq)==Cd(s)+2Ag+(aq)能够发生 C.盐桥的作用是形成闭合回路,并使两边溶液保持电中性 D.乙中有1 mol电子通过外电路时,正极有108 g Ag析出
27、 【答案】B 【解析】由甲可知,Cd的活动性强于Co,由乙可知,Co的活动性强于Ag,即Cd的活动性强于Ag,故Ag不能置换出Cd,B项错误。 12.(1)利用反应Cu+2FeCl3===CuCl2+2FeCl2设计成如下图所示的原电池,回答下列问题: ①写出电极反应式: 正极________________________________________________________________________; 负极________________________________________________________________________。 ②图中
28、X溶液是________,Y溶液是________。 ③原电池工作时,盐桥中的________(填“阳”、“阴”)离子向X溶液方向移动。 (2)控制适合的条件,将反应2Fe3++2I-2Fe2++I2设计成如图所示的原电池。 请回答下列问题: ①反应开始时,乙中石墨电极上发生________(填“氧化”或“还原”)反应,电极反应式为________________。甲中石墨电极上发生________(填“氧化”或“还原”)反应,电极反应式为________________________________________________________________________
29、 ②电流表读数为0时,反应达到平衡状态,此时在甲中加入FeCl2固体,则乙中的石墨作________(填“正”或“负”)极,该电极的电极反应式为________________。 (3)利用反应2Cu+O2+2H2SO4===2CuSO4+2H2O可制备CuSO4,若将该反应设计为原电池,其正极电极反应式为__________________________________。 【答案】(1)①2Fe3++2e-===2Fe2+ Cu-2e-===Cu2+ ②FeCl3 CuCl2 ③阳 (2)①氧化 2I--2e-===I2 还原 2Fe3++2e-===2Fe2+ ②正 I2+2e
30、-===2I- (3)O2+4e-+4H+===2H2O 【解析】(1)该原电池中Cu作负极,电极反应式为Cu-2e-===Cu2+;C作正极,电极反应式为2Fe3++2e-===2Fe2+。X应为FeCl3溶液,Y应为CuCl2溶液。原电池工作时,盐桥中的阳离子向正极(C)移动。 (2)根据反应2Fe3++2I-2Fe2++I2,原电池的电极反应:负极2I--2e-===I2,发生氧化反应;正极2Fe3++2e-===2Fe2+,发生还原反应。 ①反应开始时,乙中石墨电极上发生氧化反应;②当电流表读数为0时反应已达平衡,此时,在甲中加入FeCl2固体,反应2Fe3++2I-2Fe2+
31、+I2向左移动。因此,右侧石墨作正极,电极反应式为I2+2e-===2I-;左侧石墨作负极,电极反应式为2Fe2+-2e-===2Fe3+。 (3)Cu作负极,O2在正极上得电子:O2+4e-+4H+===2H2O。 13.(1)将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池,两电极间连接一个电流计。 锌片上发生的电极反应:______________________________; 银片上发生的电极反应:________________________________。 (2)若该电池中两电极的总质量为60 g,工作一段时间后,取出锌片和银片洗净干燥后称重,总质量为47 g,试计算: ①产
32、生氢气的体积(标准状况); ②通过导线的电量。(已知NA=6.02×1023/mol,1个电子所带的电量为1.60×10-19C) 【答案】(1)Zn-2e-===Zn2+ 2H++2e-===H2↑ (2)①产生氢气的体积是4.5 L ②通过导线的电量为3.85×104C 【解析】(1)锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池,锌片作负极,失电子发生反应:Zn-2e-===Zn2+;溶液中H+在正极上得电子生成氢气。(2)①锌片与银片减少的质量等于生成氢气所消耗的锌的质量,设产生的氢气体积在标准状况下为x。 Zn+2H+===Zn2+ + H2↑ 65 g
33、 22.4 L 60 g-47 g=13 g x x=13 g×22.4 L÷65 g≈4.5 L ②反应消耗的锌为13 g÷65 g/mol=0.2mol,1mol Zn变为Zn2+时,转移2mol e-,则通过的电量为:0.20mol×2×6.02×1023mol-1×1.60×10-19C=3.85×104C。 14.某研究性学习小组欲探究原电池的形成条件,按如下图所示装置进行实验并得到下表实验结果: 实验 序号 A B 烧杯中的液体 灵敏电流计指针是否偏转 1 Zn Zn 乙醇 无 2 Zn Cu
34、 稀硫酸 有 3 Zn Zn 稀硫酸 无 4 Zn Cu 苯 无 5 Cu C 氯化钠溶液 有 6 Mg Al 氢氧化钠溶液 有 分析上述实验,回答下列问题: (1)实验2中电流由________极流向________极(填“A”或“B”)。 (2)实验6中电子由B极流向A极,表明负极是________(填“镁”或“铝”)电极。 (3)实验5表明________。 A.铜在潮湿空气中不会被腐蚀 B.铜的腐蚀是自发进行的 (4)分析上表有关信息,下列说法不正确的是________。 A.相对活泼的金属一定作负极 B.失去电子的电极是负
35、极 C.烧杯中的液体必须是电解质溶液 D.原电池中,浸入同一电解质溶液中的两个电极,是活泼性不同的两种金属(或其中一种非金属) 【答案】(1)B A (2)铝 (3)B (4)A 【解析】(1)电流是由正极流向负极,实验2中,Cu为正极,Zn为负极;(2)电子由负极流向正极,实验6中电子由B极流向A极,表明负极是B(Al);(3)实验5是铜的吸氧腐蚀,说明铜的腐蚀是自发进行的;(4)判断原电池负极时,不能简单地比较金属的活动性,要看反应的具体情况,如Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子,Al作负极,Mg作正极;在原电池中溶液中比Mg更易失电子,Al作负极,Mg作正极;在原电池中负极失去电子,发生氧化反应;必须有电解质溶液形成闭合回路;活泼性不同的两种金属,或一种金属和一种能导电的非金属都可以作电极。






