苏教版高中化学选修4讲义原电池的工作原理.docx
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苏教版高中化学选修4讲义原电池的工作原理
第二单元 化学能与电能的转化
第1课时 原电池的工作原理
目标与素养：
1.以铜锌原电池为例，理解原电池的工作原理。
（宏观辨识与微观探析）2.学会判断原电池的正、负极，掌握原电池反应方程式和电极反应式的书写。
（宏观辨识与微观探析）3.掌握原电池原理的基本应用。
（科学态度与社会责任）
一、原电池的工作原理
1．原电池
（1）概念：
将化学能转化为电能的装置。
（2）构成条件
①两个活泼性不同的电极（材料可以是金属或导电的非金属）。
②电解质溶液。
③形成闭合回路（或两极直接接触）。
④能自发地发生氧化还原反应。
2．铜锌原电池的工作原理
（1）用温度计测量锌粉与CuSO4溶液反应的温度变化，说明该反应为放热反应，该反应在物质变化的同时，实现化学能转化为热能。
（2）铜锌原电池的工作原理
装置
电极
Zn
Cu
反应现象
逐渐溶解
铜片上有红色物质析出
电极名称
负极
正极
得失电子
失电子
得电子
电子流向
电子流出
电子流入
反应类型
氧化反应
还原反应
电极反应式
Zn－2e－===Zn2＋
Cu2＋＋2e－===Cu
电池总反应式
Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
3．盐桥（以铜锌原电池为例）
（1）成分：
含有KCl饱和溶液的琼脂。
（2）离子移动方向：
Cl－移向ZnSO4溶液（负极区），K＋移向CuSO4溶液（正极区）。
（3）作用：
①使两个半电池形成通路，并保持两溶液的电中性。
②避免电极与电解质溶液反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。
二、原电池的设计
请根据离子反应Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu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的电极反应式。
负极：
Fe－2e－===Fe2＋；
正极：
Cu2＋＋2e－===Cu。
（2）确定电极材料
如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）作正极。
发生还原反应的电极材料一般不如负极材料活泼。
本例中可用铁作负极，用铜作正极。
（3）确定电解质溶液
①负极区用FeCl2溶液作电解液；
②正极区用CuCl2溶液作电解液；
③如果原电池中没有盐桥，可用CuCl2溶液作电解液。
（4）构成闭合回路：
将电极用导线连接，使之构成闭合回路。
（5）画出装置图
1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。
（1）原电池中电子流出的一极是正极，发生氧化反应。
（ ）
（2）原电池中的盐桥是为了连通电路，也可用金属导线代替。
（ ）
（3）在原电池中阳离子移向正极，阴离子移向负极。
（ ）
（4）铜、锌与硫酸组成的原电池中，锌为负极，质量减少，铜为正极，质量不变。
（ ）
答案：
（1）×
（2）× （3）√ （4）√
2．关于如图所示的原电池，下列说法正确的是（ ）
A．电子从锌电极通过导线流向铜电极
B．盐桥中的阴离子向硫酸铜溶液中迁移
C．锌电极发生还原反应
D．铜电极上发生的电极反应为2H＋＋2e－===H2↑
A [该原电池中，较活泼的金属——锌作负极，发生氧化反应，较不活泼的铜作正极，发生还原反应，电子由负极——锌流出，经导线流向铜电极，电极反应分别为负极：
Zn－2e－===Zn2＋，正极：
Cu2＋＋2e－===Cu；盐桥中的阴离子向负极区域硫酸锌溶液中迁移，故A正确，B、C、D错误。
]
3．如图所示：
（1）当K断开时，________片上有气泡产生，生成气体对应的离子方程式为____________________________________
_________________________________________________________。
（2）当K闭合时，________片上有气泡。
生成气体对应的反应式为_______________________________________________________。
解析：
（1）K断开时，Zn与盐酸直接发生置换反应，离子方程式为Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。
（2）K闭合时，Zn、Cu和盐酸构成原电池，Cu为正极，电极反应为2H＋＋
2e－===H2↑，因此铜片上产生气体。
答案：
（1）锌 Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑
（2）铜 2H＋＋2e－===H2↑
原电池正负极的判断
及电极反应式的书写
1．原电池正负极的判断
2．原电池的电极材料“两注意”
（1）注意电解质溶液对电极类型的影响
一般较活泼金属作负极，较不活泼的金属或导电的非金属作正极，但若是较不活泼的金属发生的氧化还原反应设计的原电池，则是较不活泼的金属作负极。
例如：
镁铝电极在稀硫酸中构成原电池，镁为负极，铝为正极；但若以氢氧化钠为电解质溶液，则铝为负极，镁为正极。
（2）注意电极材料是否参与反应
负极材料不一定参与反应，如燃料电池；负极和正极材料都参与反应，如铅蓄电池。
3．一般电极反应式的书写方法
（1）定电极，标得失。
按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应，判断出电极反应产物，找出得失电子的数量。
（2）看环境，配守恒。
电极产物在电解质溶液中应能稳定存在，如碱性介质中生成的H＋应让其结合OH－生成水。
电极反应式要依据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等加以配平。
（3）两式加，验总式。
两电极反应式相加，与总反应方程式对照验证。
4．已知总反应式，书写电极反应式
（1）分析化合价，确定正极、负极的反应物与反应产物。
（2）在电极反应式的左边写出得失电子数，使得失电子守恒。
（3）根据质量守恒配平电极反应式。
（4）复杂电极反应式＝总反应式－简单的电极反应式。
【例1】 如图是某同学设计的原电池装置，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的电极反应式为：
Cu2＋＋2e－===Cu
C．该原电池的总反应为：
2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋
D．若盐桥中装有含氯化钾的琼脂，则其作用是传递电子
C [该原电池所发生的反应实质是Fe3＋与Cu的反应，C正确；电极Ⅰ上发生还原反应，作正极，A错；电极Ⅱ为负极，电极反应式为：
Cu－2e－===
Cu2＋，B错；电子在负极上产生后经导线聚集在正极上被吸收掉，不可能通过溶液和盐桥，D错。
]
原电池电极反应式在书写时应注意的问题
（1）电极反应常用“===”而不用“
”连接。
（2）电极反应中若有气体生成，需加“↑”，弱电解质或难溶物均以化学式表示，其余以离子符号表示。
（3）注意电解质溶液的酸碱性，酸性溶液中进行的反应，电极反应中不能出现OH－；碱性溶液中进行的反应，电极反应中不能出现H＋，电极反应中出现的离子要与电解质溶液的性质相吻合。
（4）必须遵循质量守恒、电荷守恒及正、负两极得失电子数相等的规律。
（5）原电池正、负两极的电极反应在得失电子数相等的情况下加和即得总反应（合二为一）；反之，总反应减去其中的一极反应可得另一极反应（一分为二）。
1．如图，在盛有稀硫酸的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y，外电路中电子流向如图所示，关于该装置的下列说法中正确的是（ ）
A．外电路的电流方向为：
X→外电路→Y
B．若两电极分别为Fe和碳棒，则X为碳棒，Y为Fe
C．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应
D．若两电极都是金属，则它们的活动性顺序为X>Y
D [由图示电子流向知X为负极，Y为正极，则电流方向为Y→外电路→X，故A错；若两电极分别为Fe和碳棒，则X为铁，Y为碳棒，B错；负极上失去电子发生氧化反应，正极上得电子发生还原反应，C错；若两电极均为金属，活泼金属作负极，故有活动性X>Y。
]
2．分析如图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是（ ）
A．①②中Mg作为负极，③④中Fe作为负极
B．②中Mg作为正极，电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑
C．③中Fe作为负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋
D．④中Cu作为正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
B [Mg比Al活泼，在①中Mg作负极，但在NaOH溶液中，Mg不反应，而Al可以反应，故②中Al是负极。
在浓硝酸中铁会钝化，故Cu为负极，Fe为正极。
在④中由于不断向Cu极附近通入空气，而O2比溶液中的H＋得电子能力强，故Fe失去电子，在Cu极O2得到电子发生还原反应，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
]
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．比较金属活动性的强弱
例如：
有两种金属a和b，用导线连接后插入稀硫酸中，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．设计原电池
设计思路
实例
以自发进行的氧化还原反应为基础
2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2
把氧化还原反应分解为氧化反应和还原反应两个半反应，从而确定电极反应
氧化反应（负极）：
Cu－2e－===Cu2＋
还原反应（正极）：
2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
以两极反应为原理，确定电极材料及电解质溶液
负极铜和CuCl2溶液
正极碳（或铂）和FeCl3溶液
画出示意图
【例2】 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，发生的电极反应式为________________；X电极上发生的电极反应式为________________。
（3）外电路中的电子是从________极流向________极。
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）。
答案：
（1）Cu AgNO3溶液
（2）正 2Ag＋＋2e－===2Ag Cu－2e－===Cu2＋
（3）负（Cu） 正（Ag）
（1）如果将装置图中的两个烧杯换成一个烧杯，还需要CuSO4溶液吗？
（2）正极材料除了用金属Ag，还可以用哪些材料？
提示：
（1）不需要，只需要用AgNO3溶液。
（2）还可以用金属Pt、石墨电极等。
3．一个原电池的总反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该反应的原电池的正确组成是（ ）
正极
负极
电解质溶液
A
Zn
Cu
CuCl2溶液
B
Cu
Zn
H2SO4溶液
C
Cu
Zn
CuSO4溶液
D
Mg
Zn
CuCl2溶液
C [根据Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu知，Zn发生氧化反应，Zn－2e－===
Zn2＋，是电池负极；正极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，故正极材料可以是石墨或Cu等，电解质溶液应是可溶性铜盐溶液，C符合。
]
1．下列装置不可以组成原电池的是（ ）
A B
C D
C [C中的装置不能形成闭合回路。
]
2．关于原电池的说法，正确的是（ ）
A．在正极上发生氧化反应
B．某电极上有氢气产生，则此电极为正极
C．在外电路电子流出的为正极
D．在负极上发生还原反应
B [A项，正极发生还原反应；B项，产生H2的电极上得电子，发生还原反应，是正极；C项，外电路中电子由负极流出；D项，负极失去电子发生氧化反应。
]
3．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===Zn2＋＋2e－
B．电池反应为：
Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
C．在外电路中，电流从负极流向正极
D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液
B [电池的正极得电子，A选项错误；结合该电池的装置图可知，该过程中涉及的氧化还原反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，B选项正确；外电路中，电流从正极流向负极，C选项错误；在烧杯中由于Zn失去电子形成Zn2＋，使得该烧杯中带正电荷的离子增加，为维持电中性，盐桥中的Cl－移向ZnSO4溶液，而
K＋应该通过盐桥流向CuSO4溶液所在的右烧杯，D选项错误。
]
4．有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：
实验
装置
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
部分实
验现象
a极质量减小，b极质量增大
b上有气体产生，c上无变化
在导线中，电流从a极流向d极
由此可判断这四种金属的活动性顺序是（ ）
A．a>b>c>d B．b>c>d>a
C．d>a>b>cD．a>b>d>c
C [根据装置Ⅰ可确定活动性：
a>b；根据装置Ⅱ可确定活动性：
b>c；根据装置Ⅲ可确定活动性：
d>a。
]
5．现有如下两个反应：
（A）NaOH＋HCl===NaCl＋H2O
（B）Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag
（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，电解质溶液为________。
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＋===Cu2＋＋2Ag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
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