高中化学专题化学反应与能量变化化学能与电能的转化第1课时原电池的工作原理教学案.docx
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高中化学专题化学反应与能量变化化学能与电能的转化第1课时原电池的工作原理教学案
第二单元化学能与电能的转化
第一课时 原电池的工作原理
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1．了解原电池的工作原理和构成原电池的条件。
2．能够写出电极反应式和电池反应方程式。
3．能根据提供的氧化还原反应设计简单的原电池。
1.原电池构成“四条件”：
①活泼性不同的两电极；②浸入电解质溶液中；③形成闭合回路；④能发生自发的氧化还原反应。
2.原电池正、负极判断的“五招”：
（1）正极：
①活泼性较弱的金属或非金属；②流入电子或电流流出；③发生还原反应；④阳离子流向的极；⑤电极增重或有气体产生的极。
（2）负极：
①活泼性较强的金属；②流出电子或电流流入；③发生氧化反应；④阴离子流向的极；⑤电极不断溶解（质量减少）的极。
1．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
电流方向
电流流入
电流流出
反应类型
氧化反应
还原反应
电极反应式
Zn－2e－===Zn2＋
Cu2＋＋2e－===Cu
总电池反应式
Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
2.原电池的构成条件
3．盐桥的成分及作用
1．铜锌原电池中正、负极材料是什么？
写出正、负极反应式。
提示：
Zn作负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋；Cu作正极，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。
2．原电池装置中，盐桥中离子移动的方向是什么？
提示：
盐桥中的Cl－移向负极（ZnSO4溶液），K＋移向正极（CuSO4溶液）。
3．原电池装置中，盐桥的作用是什么？
提示：
①形成闭合回路；②保持两溶液呈电中性，使电池反应能持续发生。
1．原电池工作原理图解
2．原电池正、负极的判断
（1）判断方法
①由电极材料判断。
一般是较活泼的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。
②由电流方向或电子流向判断。
电流是由正极流向负极；电子是由负极流向正极。
③由电解质溶液中离子的移动方向判断。
阳离子移向的极是正极，阴离子移向的极是负极。
④由原电池两极发生反应的类型判断。
发生氧化反应的电极是负极，发生还原反应的电极是正极。
⑤根据电极现象判断。
溶解的一极为负极，增重或有气泡放出的一极为正极。
（2）注意事项
原电池的电极类型不仅跟电极材料有关，还与电解质溶液的性质有关。
如镁 铝电极在稀硫酸中构成原电池，镁为负极，铝为正极；而镁 铝电极在氢氧化钠溶液中构成原电池，铝为负极，镁为正极；Fe Cu 浓HNO3构成的原电池，Fe钝化，而Cu作负极。
3．带盐桥原电池装置中两个“半电池”
以锌铜原电池为例，如图所示：
（1）Zn ZnSO4半电池：
在ZnSO4溶液中，锌片逐渐溶解，即Zn被氧化，锌原子失去电子，形成Zn2＋进入溶液，即Zn－2e－===Zn2＋；从锌片上释放出的电子，经过导线流向铜片。
（2）Cu CuSO4半电池：
CuSO4溶液中的Cu2＋从铜片上得到电子，还原为铜单质并沉积在铜片上，即Cu2＋＋2e－===Cu。
（3）盐桥的作用：
电池工作时，盐桥中的Cl－会移向ZnSO4溶液，K＋移向CuSO4溶液，使两溶液均保持电中性。
当取出盐桥后，形成断路，反应停止。
1.关于如图所示装置的叙述，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
解析：
选D 由所给图示可知，Zn为原电池负极，失去电子被氧化，电子经导线流向正极铜电极，溶液中的氢离子在正极得到电子而被还原为H2；电流方向与电子流动的方向相反。
2．铜锌原电池（如下图）工作时，下列叙述正确的是（ ）
①正极反应为Zn－2e－===Zn2＋
②电池反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
③在外电路中，电子从负极流向正极
④盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液
A．①② B．②③
C．③④D．①④
解析：
选B ①正极发生还原反应：
Cu2＋＋2e－===Cu，负极发生氧化反应：
Zn－2e－===Zn2＋；②由正、负两极发生的电极反应合并得总反应：
Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu；③电子流向为负极沿导线到正极；④由于Cu2＋放电，为使CuSO4溶液保持电中性，则盐桥中的K＋移向CuSO4溶液，Cl－移向ZnSO4溶液。
1．加快化学反应速率
构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。
如实验室制H2时，粗锌比纯锌与稀硫酸反应快，或向溶液中滴入几滴CuSO4溶液，反应加快。
2．比较金属的活动性强弱
（1）对于酸性电解质，一般是作负极的金属活动性强，作正极的金属活动性较弱。
（2）常用比较方法
3．设计原电池
Ⅰ.一般思路
（1）理论上，自发的氧化还原反应，可以设计成原电池。
（2）外电路。
还原性较强的物质被氧化
氧化性较强的物质被还原
（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。
Ⅱ.设计方法——“两极一液一连线”
（1）根据电池总反应写出电极反应式。
（2）电极材料的选择：
电池的电极必须导电。
一般电池中的负极必须能够与电解质溶液反应，容易失去电子，因此负极一般是活泼的金属材料；正极和负极不能用同一种材料，两个电极可以是活泼性不同的两种金属，或一种金属和非金属。
例如，铜锌原电池中，锌板作电池的负极，铜板作电池的正极。
（3）电解质溶液的选择：
电解质溶液是为负极提供放电的物质，因此，电解质溶液一般要能够与负极发生反应。
例如：
Zn Cu 稀H2SO4形成的原电池中，Zn与稀H2SO4能发生氧化还原反应。
（4）形成闭合回路。
1．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
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
解析：
选C 由第一个装置a极溶解，可知a极是负极，金属活动性a>b，第二个装置依据氧化性、还原性的规律知金属活动性b>c，故第三个装置的金属活动性d>c，由第四个装置电流从a→d，则电子从d→a，故金属活动性d>a。
2．将2Ag＋（aq）＋Cu（s）===Cu2＋（aq）＋2Ag（s）反应设计的原电池如下图所示。
请回答下列问题：
（1）电极X的材料是________，电解质溶液Y是________。
（2）外电路中的电子是从________电极流向________电极。
（3）银电极上发生的电极反应式为________________________________________。
解析：
由总反应知负极反应：
Cu－2e－===Cu2＋；正极反应：
2Ag＋＋2e－===2Ag。
（1）由图示分析知X作负极，电极材料是铜，Y中电解液中含Ag＋，只能是AgNO3溶液。
（2）在外电路中，电子从负极流向正极，故电子从X电极流向Ag电极。
答案：
（1）Cu AgNO3
（2）X（或Cu） Ag
（3）2Ag＋＋2e－===2Ag
[三级训练·节节过关]
1．有关原电池的下列说法中，正确的是（ ）
A．在外电路中电子由正极流向负极
B．在原电池中，只有金属锌作负极
C．原电池工作时，阳离子向正极方向移动
D．原电池工作时，阳离子向负极方向移动
解析：
选C 在原电池工作时，电子由负极流向正极，A错误；在原电池中，活泼金属作负极，不一定是锌，B错误；原电池工作时，电解质溶液中的阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，C正确，D错误。
2．在盛有稀硫酸的烧杯中放入用导线连接的锌片和铜片，下列叙述正确的是（ ）
A．正极附近的SO
浓度逐渐增大
B．电子通过导线由铜片流向锌片
C．正极有O2逸出
D．铜片上有H2逸出
解析：
选D 在Zn Cu H2SO4组成的原电池中，Zn为负极，发生氧化反应，Cu为正极，发生还原反应，正极上产生H2，电子由锌片流向铜片，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。
3．事实证明，原电池中发生的反应通常是放热反应。
利用下列化学反应可以设计成原电池的是（ ）
A．C（s）＋H2O（g）===CO（g）＋H2（g） ΔH>0
B．NaOH（aq）＋HCl（aq）===NaCl（aq）＋H2O（l） ΔH<0
C．2H2（g）＋O2（g）===2H2O（l） ΔH<0
D．CaCO3（s）＋2HCl（aq）===CaCl2（aq）＋H2O（l）＋CO2（g） ΔH<0
解析：
选C 原电池反应是自发进行的氧化还原反应，由条件知是放热反应，A为吸热反应，B、D不是氧化还原反应。
4．一个原电池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（ ）
选项
A
B
C
D
正极
Zn
Cu
Cu
Mg
负极
Cu
Zn
Zn
Zn
电解质溶液
CuCl2
H2SO4
CuSO4
CuCl2
解析：
选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项符合。
5．
（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）根据构成原电池的条件判断：
⑤属于原电池。
（2）（3）在⑤原电池中，Fe为负极，发生氧化反应，Cu为正极，发生还原反应，Cu表面有气泡产生，反应为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↑
6．
（1）事实证明，能设计成原电池的反应通常是放热反应，下列化学反应在理论上可以设计成原电池的是________（填字母，下同）。
a．C（s）＋H2O（g）===CO（g）＋H2（g） ΔH>0
b．2H2（g）＋O2（g）===2H2O（l） ΔH<0
c．NaOH（aq）＋HCl（aq）===NaCl（aq）＋H2O（l） ΔH<0
若以KOH溶液为电解质溶液，依据所选反应设计一个原电池，其正极的电极反应为______________________。
（2）某同学用铜片、银片、Cu（NO3）2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥（装有琼脂－KNO3的U形管）设计成一个原电池，如图所示，下列判断中正确的是________。
a．实验过程中，左侧烧杯中NO
浓度不变
b．实验过程中取出盐桥，原电池能继续工作
c．若开始时用U形铜代替盐桥，装置中无电流产生
d．若开始时用U形铜代替盐桥，U形铜的质量不变
解析：
（1）根据题中信息，设计成原电池的反应通常是放热反应，排除a，根据已学知识，原电池反应必是自发进行的氧化还原反应，排除c。
原电池正极发生还原反应，由于是碱性介质，则电极反应中不应出现H＋，故正极的电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
（2）该原电池的工作原理是Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋，盐桥起形成闭合回路和平衡电荷的作用，因此当电池工作时，盐桥中的NO
向负极移动，因此左侧烧杯中NO
的浓度将增大，a错误。
当取出盐桥，不能形成闭合回路，电池处于断路状态，不能继续工作，b错误。
若开始时用U形铜代替盐桥，则左侧烧杯相当于电解装置，而右侧烧杯相当于原电池装置，电极反应从左往右依次为阳极：
4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，阴极：
Cu2＋＋2e－===Cu，负极：
Cu－2e－===Cu2＋，正极Ag＋＋e－===Ag，由此可知c错误、d正确。
答案：
（1）b O2＋2H2O＋4e－===4OH－
（2）d
1．下列装置中，能构成原电池的是（ ）
解析：
选D 酒精为非电解质，A错误；选项B中未使用盐桥，没有形成闭合回路；C项中两个电极材料相同，不能形成原电池。
依据原电池的构成条件可知D正确。
2．下列四位同学的说法正确的是（ ）
解析：
选A 在原电池中，较活泼的金属作负极，失去电子发生氧化反应，电子从负极流出经导线流向正极，内电路中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，故只有A项正确。
3.有关如图所示原电池的叙述，正确的是（盐桥中装有含琼胶的KCl饱和溶液）（ ）
A．铜片上有气泡逸出
B．取出盐桥后，检流计依然发生偏转
C．反应中，盐桥中的K＋会移向CuSO4溶液
D．反应前后铜片质量不改变
解析：
选C 由题图可得知，Cu为正极，电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，Zn为负极，电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，则铜片上应有固体析出，反应后铜片质量增加，所以A、D均错误；取出盐桥后，原电池成断路，因此检流计不会再发生偏转，B错误；盐桥中的K＋会移向正极即移向CuSO4溶液，C正确。
4.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，则它们的活泼性为X>Y
D．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应
解析：
选C 由图可知，电子的流动方向是X→外电路→Y，则电流的方向为Y→外电路→X；X为原电池的负极，Y为正极，X的活动性比Y的强；X极应发生氧化反应，Y极应发生还原反应，A、B、D错误，C正确。
5．实验室准备较快地制取氢气，可采用的方法是（ ）
A．用纯锌与稀H2SO4溶液反应
B．用纯锌与浓HCl溶液反应
C．用粗锌与HNO3溶液反应
D．用在CuSO4溶液中浸泡过的锌与稀H2SO4溶液反应
解析：
选D B项会混入大量的HCl；C项不产生H2；D项中锌表面有置换出的铜，放入稀H2SO4溶液时，会构成原电池而加快H2的逸出，故A错误、D正确。
6．将铁片和银片用导线连接置于同一稀盐酸中，并经过一段时间后，下列各叙述中正确的是（ ）
A．负极有Cl2逸出，正极有H2逸出
B．负极附近Cl－的浓度减小
C．正极附近Cl－的浓度逐渐增大
D．溶液中Cl－的浓度基本不变
解析：
选D Fe为负极，Fe－2e－===Fe2＋；Ag为正极：
2H＋＋2e－===H2↑，Cl－的浓度基本不变。
7.如图所示的装置，在盛有水的烧杯中，铁圈和银圈的连接处吊着一根绝缘的细丝，使之平衡。
小心地从烧杯中央滴入CuSO4溶液，片刻后可观察到的现象是（指悬吊的金属圈）（ ）
A．铁圈和银圈左右摇摆不定
B．铁圈和银圈仍保持平衡状态不变
C．铁圈向下倾斜，银圈向上倾斜
D．银圈向下倾斜，铁圈向上倾斜
解析：
选D 该装置是一个Fe为负极、Ag为正极、CuSO4溶液为电解质溶液的原电池，负极反应Fe－2e－===Fe2＋，正极反应Cu2＋＋2e－===Cu，因此，铁圈质量减小，银圈质量增大。
8．X、Y、Z、W四种金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中组成原电池。
X、Y相连时，X为负极，Z、W相连时，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。
据此判断四种金属的活动性顺序是（ ）
A．X>Z>W>Y B．Z>X>Y>W
C．X>Y>Z>WD．Y>W>Z>X
解析：
选A X、Y相连，X为负极，活动性X>Y；Z、W相连，电流W→Z，活动性Z>W；X、Z相连，Z放气泡，活动性X>Z；W、Y相连，W被氧化，活动性W>Y。
则活动性由强到弱的顺序为X>Z>W>Y。
9．A、B、C、D四种金属按下表中的装置图进行实验。
装置
现象
二价金属A不断溶解
C的质量增加
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是_____________________________________。
（2）装置乙中正极的电极反应是__________________________________________。
（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_____________________________________。
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极质量增加，即析出Cu，则B为负极，活动性B>C；丙中A上有气体即H2产生，则A为正极，活动性D>A，随着H＋的消耗，溶液pH逐渐变大。
答案：
（1）A－2e－===A2＋
（2）Cu2＋＋2e－===Cu
（3）变大 （4）D>A>B>C
10．为了避免锌片与Cu2＋直接接触发生反应而影响原电池的放电效率，有人设计了如下装置，按要求完成以下填空：
（1）此装置工作时，可以观察到的现象是____________________________________
________________________________________________________________________，
电池总反应式为_____________________________________________________。
（2）以上电池中，锌和锌盐溶液组成__________，铜和铜盐溶液组成__________，中间通过盐桥连接起来。
（3）电池工作时，硫酸锌溶液中SO
向________移动，硫酸铜溶液中SO
向________移动。
（4）此盐桥内为饱和KCl溶液，盐桥是通过________移动来导电的。
在工作时，K＋移向________。
解析：
该装置为锌铜原电池，总反应式为Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋，电池工作时，观察到：
①电流计指针发生偏转，②锌片不断溶解，③铜片上有红色物质析出，其中Zn与ZnSO4溶液组成锌半电池，Cu与CuSO4溶液组成铜半电池。
电池工作时，ZnSO4溶液中SO
向负极（锌电池）移动，CuSO4溶液中SO
向盐桥移动，而盐桥中，K＋向正极区（CuSO4溶液）移动，Cl－向负极区（ZnSO4溶液）移动，这样靠离子的移动形成闭合回路而导电。
答案：
（1）电流计指针发生偏转，锌片逐渐溶解，铜片上有红色物质析出 Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
（2）锌半电池 铜半电池 （3）锌电极 盐桥
（4）离子 正极区（CuSO4溶液）
1．有关电化学知识的描述正确的是（ ）
A．CaO＋H2O===Ca（OH）2，可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池，把其中的化学能转化为电能
B．某原电池反应为Cu＋2AgNO3===Cu（NO3）2＋2Ag，装置中的盐桥中可以是由KCl饱和溶液制得的琼脂
C．因为铁的活动性强于铜，所以将铁、铜用导线连接后放入浓硝酸中，若能组成原电池，必是铁作负极，铜作正极
D．理论上说，任何能自发进行的氧化还原反应都可被设计成原电池
解析：
选D CaO＋H2O===Ca（OH）2不是氧化还原反应，不能设计成原电池，A项错误；B项中会发生反应：
KCl＋AgNO3===AgCl↓＋KNO3，生成的AgCl会使盐桥的导电性减弱，所以盐桥中不能使用KCl，可换成KNO3，B项错误；由于铁遇到浓硝酸会发生钝化，而铜可与之发生反应：
Cu＋4HNO3（浓）===Cu（NO3）2＋2NO2↑＋2H2O，Cu失电子被氧化，作原电池的负极，所以C项错误。
2．将纯锌片和纯铜片按图所示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是（ ）
A．两烧杯中铜片表面均无气泡产生
B．甲中铜片是正极，乙中铜片是负极
C．两烧杯中溶液的H＋浓度均减小
D．产生气泡的速度甲比乙慢
解析：
选C 由题目中所给图示可知，甲中形成闭合回路，符合形成原电池的条件，其中铜作正极，发生电极反应为2H＋＋2e－===H2↑；乙不能构成闭合回路，不能形成原电池，只在锌片上发生反应Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑，两者都消耗H＋。
由于原电池的形成，故甲的反应速率比乙快。
3．结合下图判断，下列叙述不正确的是（ ）
A．Ⅰ、Ⅱ的反应原理均是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
B．Ⅰ、Ⅱ中均有电子转移，均是把化学能转化为电能
C．随着反应的进行，Ⅰ、Ⅱ中CuSO4溶液颜色均渐渐变浅
D．取a中溶液，加足量Ba（NO3）2溶液，过滤后向滤液中加AgNO3溶液，有沉淀产生
解析：
选B Ⅰ中发生的是化学反应，没有电能产生，Ⅱ中发生的是电化学反应，化学能转化为电能，但二者的反应原理都是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，A项正确，B项错误；随着反应的进行，Ⅰ、Ⅱ中（Cu2＋）逐渐减小，溶液颜色均渐渐变浅，C项正确；在原电池工作过程中，盐桥中的Cl－移向负极，即a中溶液含有Cl－故取a中溶液，加足量Ba（NO3）2溶液，过滤后向滤液中加AgNO3溶液，有AgCl沉淀产生，D项正确。
4.用铜片、银片、Cu（NO3）2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥（装有琼脂 KNO3的U形管）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，电流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溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同
A．①②B．③④
C．②④D．②③
解析：
选C 由于活动性：
Cu>Ag，则Cu作负极，电解质溶液为Cu（NO3）2溶液；Ag作正极，电解质溶液为AgNO3溶液，盐桥形成闭合回路。
①在外电路中，电流由银电极流向铜电极，错误；②正极为溶液中Ag＋得到电子被还原变为Ag，电极反应式为Ag＋＋e－===Ag，正确；③实验过程中取出盐桥，因为不能形成闭合回路，所以原电池不能继续工作，错误；④将铜片浸入AgNO3溶液中，发生的化学反应与该原电池反应相同，正确。
5.298K时，在FeCl3溶液中加少量锌粒后，Fe3＋被还原成Fe2＋。
据此某学习小组设计如图所示的原电池装置。
下列有关说法正确的是（ ）
A．正极电极反应为Zn－2e－===Zn2＋
B．左边烧杯中溶液的红色变浅
C．Pt电极上有气泡出现
D．该电池的总反应为3Zn＋2Fe3＋===3Zn2＋＋2Fe
解析：
选B A项，反应Zn－2e－===Zn2＋为负极反应，错误；B项，左边烧杯中发生反应Fe3＋＋e－===Fe2＋，Fe3＋浓度减小，溶液的红色变浅，正确；C项，Pt电极上发生的反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋，没有气泡出现，错误；D项，根据题目所给信
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