原电池的工作原理.docx

原电池的工作原理.docx

《原电池的工作原理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《原电池的工作原理.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

原电池的工作原理

一、原电池的工作原理

1．原电池的构造与工作原理

（1）有关的实验现象

①锌片逐渐溶解，铜片逐渐加厚变亮，硫酸铜溶液颜色变浅；

②电流表的指针发生偏转，装置中的能量变化是化学能转化为电能。

（2）电极名称和电极反应

①锌电极为负极，发生氧化反应，电极反应式是Zn－2e－===Zn2＋；

②铜电极为正极，发生还原反应，电极反应式是Cu2＋＋2e－===Cu；

③电池总反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu。

（3）电子流动方向和电流方向

①外电路：

电子由锌电极经过导线流向铜电极，电流由铜电极流向锌电极；

②内电路：

阳离子移向铜电极（正极），阴离子移向锌电极（负极）。

（4）原电池构成的条件：

具有活动性不同的两个电极，二者直接或间接地连在一起，插入电解质溶液或熔融电解质中，且能自发地发生氧化还原反应。

【关键点拨】

（1）原电池原理是将氧化反应和还原反应分开进行，还原剂在负极上失去电子发生氧化反应，电子通过导线流向正极，氧化剂在正极上得到电子发生还原反应。

（2）原电池工作原理示意图

2．盐桥原电池（或双液原电池）

（1）实验过程中，能观察到的实验现象

①锌片逐渐溶解，铜片逐渐加厚变亮；

②电流表指针发生偏转；

③硫酸铜溶液的颜色变浅。

（2）离子移动方向

①硫酸锌溶液中：

Zn2＋向盐桥移动；

②硫酸铜溶液中：

Cu2＋向铜极移动；

③盐桥中：

K＋移向正极区（CuSO4溶液），Cl－移向负极区（ZnSO4溶液）。

（3）若取出装置中的盐桥，电流表的指针是否还会发生偏转？

不偏转，原因是取出盐桥，该装置不能构成闭合回路，不能形成原电池。

【关键点拨】原电池中盐桥的作用

（1）构成闭合回路，形成原电池。

（2）避免电极与电解质溶液直接反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。

（3）盐桥中的阴、阳离子定向迁移，使电解质溶液保持电中性，反应持续进行，能长时间稳定放电。

二、原电池原理的应用

1．比较金属活动性强弱

对于酸性电解质，一般是负极金属的活动性较强，正极金属的活动性较弱。

例如：

a和b两种金属，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，则a为负极，b为正极，金属活动性a>b。

2．加快氧化还原反应的速率

构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。

例如：

实验室制取氢气时，粗锌比纯锌与稀硫酸反应速率快；或向溶液中滴入几滴硫酸铜溶液，产生氢气的速率加快。

3．设计化学电池

（1）理论上，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。

（2）外电路：

还原性较强的物质在负极上失去电子，氧化性较强的物质在正极上得到电子。

（3）内电路：

将两电极浸入电解质溶液中，阴、阳离子作定向移动。

1．关于下图装置的叙述，正确的是

A．铜是负极，铜片上有气泡产生

B．铜片质量逐渐减少

C．电流从锌片经导线流向铜片

D．氢离子在铜片表面被还原后生成H2

【答案】D

【解析】根据题中装置图可知，本题考查原电池的工作原理，运用原电池的工作原理分析。

【详解】Cu−Zn−稀硫酸原电池放电时，较活泼的金属锌作负极，A项错误；Cu−Zn−稀硫酸原电池放电时，较活泼的金属锌作负极，铜作正极，氢离子从铜片获得电子被还原成氢气，铜片质量不变，B项错误；原电池放电时，电流从正极铜沿导线流向负极锌，C项错误；Cu−Zn−稀硫酸原电池放电时，较活泼的金属锌作负极，铜作正极，氢离子从铜片获得电子被还原成氢气，D项正确。

答案选D。

2．如图所示为锌铜原电池，下列叙述中正确的是

A．盐桥中阴离子向CuSO4溶液中迁移

B．外电路电流由铜片流向锌片

C．锌片是电池负极，发生还原反应

D．CuSO4溶液质量一定减小

【答案】B

【解析】左侧烧杯中阳离子数目增加，因此盐桥中的阴离子向ZnSO4溶液中移动，A项错误；原电池工作时，外电路电流有正极（铜片）沿导线经过电流计流向负极（锌片），B项正确；Zn的活动性比Cu强，Zn做负极，失电子，发生氧化反应，C项错误；若盐桥中阴离子为硫酸根则CuSO4溶液的质量不变，D项错误。

答案选B。

3．锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：

Zn（s）+2MnO2（s）+2H2O（l）=Zn（OH）2（s）+2MnOOH（s），下列说法错误的是

A．电池工作时，锌失去电子

B．用该电池电解水时，电子通过外电路流向电解池阳极

C．电池正极电极反应式为：

2MnO2（s）+2H2O（l）+2e-=2MnOOH（s）+2OH-（aq）

D．外电路中每通过0.2mol电子，锌的质量理论上减小6.5g

【答案】B

【解析】根据总反应式，锌的化合价从0价升高到+2价，失去电子，A项正确；用该电池电解水时，电子从负极通过外电路流向电解池阴极，B项错误；根据总反应式，锰的化合价从+4价降低到+3价，在正极发生的反应是MnO2得到电子生成MnOOH，溶液是碱性的，用OH－配平电荷守恒，C项正确；负极是锌失去电子生成Zn（OH）2，根据电极反应Zn-2e-+2OH-=Zn（OH）2，外电路中每通过0.2mol电子，锌的质量理论上减小0.2mol×

×65g/mol=6.5g，D项正确。

答案选B。

3．一种检测空气中甲醛（HCHO）含量的电化学传感器的工作原理如图所示。

下列说法不正确的是

A．传感器工作时，工作电极电势低

B．工作时，H+通过交换膜向对电极附近移动

C．当导线中通过2×l0﹣6mol电子，进入传感器的甲醛为3×10﹣3mg

D．工作时，对电极区电解质溶液的pH增大

【答案】C

【解析】原电池工作时，HCHO在负极转化为CO2，其电极反应式为HCHO+H2O-4e-=CO2+4H+，O2在正极得电子发生还原反应，其电子反应式为O2+4e-+4H+=2H2O，以此解答。

【详解】HCHO在工作电极失电子被氧化，做原电池的负极，工作电极电势低，A项正确；根据原电池工作原理易知，工作时，溶液中的阳离子（氢离子）向电源的正极移动，即对电极方向，B项正确；负极反应为HCHO+H2O-4e-=CO2+4H+，当电路中转移2×l0﹣6mol电子时，消耗HCHO的物质的量为

×2×l0﹣6mol=5×l0﹣7mol，C项错误；工作时，对电极的电极反应为：

4H++O2+4e-=2H2O，反应后生成水，虽然有相同数量的氢离子从负极迁移过来，但是，由于溶液的体积增大，正极区溶液的酸性减弱，其pH值增大，D项正确。

答案选C。

5．有a、b、c、d四个金属电极，有关的反应装置及部分反应现象如下，由此可判断这四种金属的活动性顺序是

实验装置

部分实验现象

a极质量减小，b极质量增加

b极有气体产生，c极无变化

d极溶解，c极有气体产生

电流计指示，导线中电流从a极流向d极

A．a＞b＞c＞dB．b＞c＞d＞aC．d＞a＞b＞cD．a＞b＞d＞c

【答案】C

【解析】

中发生电化学腐蚀，a极质量减小，b极质量增加，a极为负极，b极为正极，所以金属的活动性顺序a＞b；

中发生化学腐蚀，b极有气体产生，c极无变化，所以金属的活动性顺序b>c；

中发生电化学腐蚀，d极溶解所以d是负极，c极有气体产生所以c是正极，所以金属的活动性顺序d＞c；

中发生电化学腐蚀，电流从a极流向d极，a极为正极，d极为负极，所以金属的活动性顺序d＞a；综上所述，这四种金属的活动性顺序d＞a＞b＞c。

答案选C。

6．控制适合的条件，将反应2Fe3+＋2I－

2Fe2+＋I2设计成如右图所示的原电池。

下列判断不正确的是

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

【答案】D

【解析】乙中I－失去电子放电，发生氧化反应，A项正确；由总反应方程式知，Fe3＋被还原成Fe2＋，B项正确；当电流计为零时，说明没有电子发生转移，反应达到平衡，C项正确；甲中加入Fe2＋，导致平衡逆向移动，则Fe2＋失去电子生成Fe3＋，作为负极，则乙中石墨电极为正极，D项

错误。

答案选D。

7．锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到了普遍重视，目前已研制成功多种锂电池。

某种锂电池的总反应方程式为Li＋MnO2===LiMnO2，下列说法正确的是

A．Li是正极，电极反应式为Li－e－===Li＋

B．Li是负极，电极反应式为Li－e－===Li＋

C．MnO2是负极，电极反应式为MnO2＋e－===MnO

D．Li是负极，电极反应式为Li－2e－===Li2＋

【答案】B

【解析】由总反应方程式

i＋

nO2===

nO2可知，Li元素在反应后化合价升高（0→＋1），Mn元素在反应后化合价降低（＋4→＋3）。

Li被氧化，在电池中作负极，电极反应为Li－e－===Li＋，MnO2在正极上反应，电极反应为MnO2＋e－===MnO

。

答案选B。

8．锂（Li）—空气电池的工作原理如图所示下列说法不正确的是

A．金属锂作负极，发生氧化反应

B．Li+通过有机电解质向水溶液处移动

C．正极的电极反应：

O2+4e—==2O2—

D．电池总反应：

4Li+O2+2H2O==4LiOH

【答案】C

【解析】在锂空气电池中，金属锂失去电子，发生氧化反应，为负极，A项正确；Li在负极失去电子变成了Li+，会通过有机电解质向水溶液处（正极）移动，B项正确；正极氧气得到了电子后与氢结合形成氢氧根，电极方程式为O2+4e-+2H2O=4OH-，C项错误；负极的反应式为Li-e-=Li+，正极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-，电池的总反应则为4Li+O2+2H2O==4LiOH，D项正确。

答案选C。

9．Ⅰ.某0.2L无土栽培用的营养液中含有KCl、K2SO4、NH4Cl三种溶质，测得该营养液中部分离子的浓度柱状图如图甲所示。

（1）该营养液中K2SO4的物质的量浓度为___________mol/L。

（2）若NH

不参与其他任何反应，将该营养液加水稀释，稀释过程中NH

的浓度（c）随溶液体积（V）变化的曲线如图乙所示，则V1=___________，V2=___________。

Ⅱ.锂锰电池反应原理如图所示，其中电解质LiClO4，溶于混合有机溶剂中，Li+通过电解质迁移入MnO2晶格中，生成LiMnO2，回答下列问题：

（1）外电路的电流方向是由___________极流向___________极（填字母）。

（2）电池正极反应式为___________。

（3）是否可用水代替电池中的混合有机溶剂？

___________（填“是”或“否”），原因是___________。

【答案】Ⅰ.

（1）4.0

（2）0.2（3）1.0

Ⅱ.

（1）ba

（2）MnO2+e-+Li+=LiMnO2（3）否电极Li是活泼金属，能与水反应

【分析】Ⅰ．根据柱状图可知，K+、SO42－、Cl-的浓度分别是9.0mol/L、4.0mol/L、9.0mol/L，由电荷守恒得c（NH4+）≈c（Cl-）+2c（SO42－）-c（K+）=9.0mol/L+8.0mol/L-9.0mol/L=8.0mol/L；

Ⅱ．Li作负极，失电子，变为Li+；MnO2作正极，得电子，变为LiMnO2。

【详解】Ⅰ．

（1）只有K2SO4含SO42－，因此c（K2SO4）=c（SO42－）=4.0mol/L；

（2）由图可知V1时c（NH4+）=8.0mol/L，则V1=0.2；根据c（浓）×V（浓）=c（稀）×V（稀）得：

.0mol/L×0.2L=1.6mol/L×V2，可求出V2=1.0；

Ⅱ．

（1）锂作负极，因此外电路的电流方向是由正极b流向负极a；

（2）MnO2在电池正极b上得到电子变成LiMnO2，电极反应式为MnO2+e-+Li+=LiMnO2；

（3）由于负极材料Li是活泼的金属，能够与水发生反应，所以不可用水代替电池中的混合有机溶剂。

10．由A、B、C、D四种金属按下表中装置图进行实验。

装置

现象

二价金属A不断溶解

C极质量增加

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是___________________________________________。

（3）装置丙中溶液的pH________（填“变大”、“变小”或“不变”）。

（4）四种金属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

【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，活动性A＞B；乙中C极增重，即析出Cu，则B为负极，活动性B＞C；丙中A上有气泡即H2产生，则A为正极，活动性D＞A，随着H＋的消耗，pH变大。

1．等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，如图表示产生H2的体积（V）与时间（t）的关系，其中正确的是

A．

B．

C．

D．

【答案】A

【解析】等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀硫酸，向a中加入少量的CuSO4溶液，锌粉与CuSO4发生反应，Zn+Cu2+=Cu+Zn2+，形成铜锌原电池，加快了反应速率，但反应消耗了锌粉，故反应结束后生成的氢气的体积小于b中生成氢气的体积，A项图像符合题意。

答案选A。

2．关于下图所示的原电池，下列说法正确的是

A．电子从锌电极通过电流表流向铜电极

B．盐桥中的阴离子向硫酸铜溶液中迁移

C．锌电极发生氧化反应；铜电极发生还原反应，其电极反应是2H＋＋2e－===H2↑

D．取出盐桥后，电流表仍会偏转，铜电极在反应前后质量不变

【答案】A

【解析】锌片作负极，铜片作正极，电子从负极流向正极，A项正确；盐桥中的阴离子向负极移动，B项错误；负极发生氧化反应，正极发生还原反应，铜电极发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu，C项错误；取出盐桥后不能形成原电池，铜电极在反应后质量增加，D项错误。

答案选A。

3．如图所示装置为新型电池，放电时的总反应式为NaBr3+2Na2S2=3NaBr+Na2S4，下列说法正确的是

A．放电时B电极发生氧化反应

B．放电时A极反应式为2Na2S2+2e-═Na2S4+2Na+

C．外电路中的电流方向为A→灯泡→B

D．放电时Na+从左向右通过阳离子交换膜

【答案】D

【解析】由放电时电池的总反应式为NaBr3+2Na2S2=3NaBr+Na2S4可知，负极反应为2Na2S2-2e-=2Na++Na2S4，正极反应为NaBr3+2Na++2e-=3NaBr，则A为原电池的负极，B为原电池的正极，以此解答该题。

【详解】根据分析，放电时B为原电池的正极，B电极发生还原反应，A项错误；根据分析，放电时A负极，反应式为2Na2S2-2e-=2Na++Na2S4，B项错误；根据分析，A为原电池的负极，B为原电池的正极，外电路中的电流从正极流向负极，方向为B→灯泡→A，C项错误；放电时为原电池，原电池中阳离子向正极移动，B为原电池的正极，Na+从左向右通过阳离子交换膜向B电极移动，D项正确。

答案选D。

4．某原电池装置如图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2＝2AgCl。

下列说法正确的是

A．正极反应为AgCl＋e－＝Ag＋Cl－

B．放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成

C．若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应随之改变

D．当电路中转移0.01mole－时，交换膜左侧溶液中约减少0.02mol离子

【答案】D

【解析】结合电池总反应，正极反应式为Cl2＋2e－＝2Cl－，A项错误；由于阳离子交换膜只允许阳离子通过，故在左侧溶液中才会有大量白色沉淀生成，B项错误；若用NaCl溶液代替盐酸，电池总反应不变，C项错误；当电路中转移0.01mole－时，交换膜左侧产生0.01molAg＋与盐酸反应产生AgCl沉淀，同时约有0.01molH＋通过阳离子交换膜转移到右侧溶液中，故左侧溶液共约0.02mol离子减少，D项正确。

答案选D。

5．某校化学兴趣小组为了探究原电池工作原理，进行如下系列实验。

请分析实验结果并回答相应问题。

（1）实验一中，铜片、锌片表面均有红色物质析出，电流表指针偏转，但较短时间内电流明显减小。

实验结束时测得锌片减少了3.94g，铜片增重了3.84g，则该原电池的工作效率是____（指参加原电池反应的锌占反应总量的百分率）。

（2）实验二中，刚将铜片、锌片插入溶液中时电流表指针偏转，但立即就归零了。

为什么锌的电子不能持续通过导线流向铜极给Cu2+?

____________________________________。

（3）实验三中，盐桥中K+流向____（填“ZnSO4”或“CuSO4”）溶液，如果Zn的消耗速率为1×10-3mol·s-1，则K+的迁移速率为____mol·s-1。

与实验一比较，实验三原电池的工作效率大大提高，原因是_______________________________________。

（4）根据实验一、二、三可得出的结论是________________________（写出两点即可）。

【答案】

（1）60%

（2）未形成闭合回路

（3）CuSO42×10-3氧化剂和还原剂互不接触，电子只能通过导线发生转移

（4）Zn的活泼性比Cu的强、原电池的两极需要形成闭合回路才能产生电流、有盐桥的原电池可以提高工作效率（其他答案合理也可）

【解析】

（1）铜片、锌片表面均有红色物质铜析出，固体减小的质量为：

3.94g-3.84g=0.1g，

根据反应关系式：

Zn～Cu△m（减小）

65641

6.5g0.1g

参加反应的锌的质量为6.5g，根据电子守恒，参加原电池反应的锌的物质的量为n（Zn）=n（Cu）=

=0.06mol，该原电池的工作效率为：

×100%=60%；

（2）由于锌失电子则形成Zn2+进入溶液显正电性，Cu2+得电子则溶液显负电性，这两种因素均阻碍电子流向铜板，未形成闭合回路；

（3）实验三中，铜为正极，锌为负极，电流在外电路有铜流向锌，溶液中电流由锌流向铜，所以钾离子流向CuSO4溶液，氯离子流向硫酸锌溶液；根据电荷守恒可知，如果Zn的消耗速率为1×10-3mol/s，则钾离子则K+的迁移速率为2×10-3mol·s-1；

实验一中Zn直接和硫酸铜接触，有少量的铜离子在锌的表面得电子发生反应，而实验三氧化剂和还原剂互不接触，电子只能通过导线发生转移，所以工作效率大大提高；

（4）根据实验一、二、三可得出的结论是Zn的活泼性比Cu的强、原电池的两极需要形成闭合回路才能产生电流，有盐桥的原电池可以提高工作效率。