化学反应原理专题1第二单元第1课时.docx

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化学反应原理专题1第二单元第1课时

第1课时　原电池

[目标导航]　1.以铜锌原电池为例，理解原电池的工作原理。

2.学会判断原电池的正、负极。

3.掌握原电池反应方程式和电极反应式的书写。

一、原电池的工作原理

1．理清氧化还原反应的两条线索

（1）还原剂―→失电子―→元素化合价升高―→被氧化―→发生氧化反应。

（2）氧化剂―→得电子―→元素化合价降低―→被还原―→发生还原反应。

2．原电池是将化学能转化为电能的装置，原电池内发生的反应属于氧化还原反应。

（1）分析下图所示原电池装置并填空。

原电池总反应式：

Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。

（2）电子流动方向和电流方向

①外电路：

电子由Zn电极经过导线流向铜电极，电流由铜电极流向Zn电极。

②内电路：

阳离子移向正极，阴离子移向负极。

3．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，插入电解质溶液中，且能自发地发生氧化还原反应。

下列图示装置能形成原电池的是④⑥⑦。

议一议

1.

（1）写出右图装置中电极反应式和总反应式。

答案　负极：

Zn－2e－===Zn2＋

正极：

Cu2＋＋2e－===Cu

总反应式：

Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

（2）随着时间的延续，电流计的指针偏转角度逐渐减小，最终没有电流通过，为什么？

答案　由于锌片与CuSO4溶液直接接触，在反应一段时间后，难以避免溶液中有Cu2＋在锌片表面直接被还原，一旦有少量铜在锌片表面析出，即在负极（锌）表面也构成了原电池，进一步加速铜在负极表面析出，致使向外输出的电流减弱。

当锌片表面完全被铜覆盖后，反应终止，也就无电流产生。

2．如图装置，可使原电池不断地产生电流，试分析其原理。

答案　①当有盐桥存在时，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；从锌片上释放出的电子，经过导线流向铜片；CuSO4溶液中的Cu2＋从铜片上得到电子，被还原成为金属铜并沉积在铜片上；随着反应的进行，左边烧杯的溶液中c（Zn2＋）增大，右边烧杯的溶液中c（Cu2＋）减小。

同时，盐桥中的Cl－会移向ZnSO4溶液，K＋会移向CuSO4溶液，使ZnSO4溶液和CuSO4溶液均保持电中性，氧化还原反应得以继续进行，从而使原电池不断地产生电流。

②取出盐桥后，由于Zn原子失去电子成为Zn2＋进入溶液，使ZnSO4溶液因Zn2＋增加而带正电；同时Cu2＋获得电子成为金属铜沉淀在铜片上，使CuSO4溶液因SO

相对增加而带负电。

这两种因素均会阻止电子从锌片流向铜片，造成电流中断，构不成原电池。

3．在上题图中，盐桥的作用是什么？

答案　

（1）盐桥中通常装有含有KCl饱和溶液的琼脂，能使两个烧杯中的溶液连成一个通路。

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）使用盐桥是将两个半电池完全隔开，使副反应减至最低程度，可以获得单纯的电极反应，便于分析放电过程，有利于最大限度地将化学能转化为电能。

4．原电池是怎样形成闭合回路的？

（提示：

利用图示回答）

答案　

提醒　电子在导线中流动而不能在溶液中通过，自由离子在溶液中迁移而不能在导线中通过。

原电池中通过离子的迁移和电子的流动而形成闭合回路，从而将化学能转化为电能。

5．自发的氧化还原反应都可以设计成原电池，其关键是选择合适的电解质溶液和两个电极，怎样选择电解质溶液和电极？

答案　

（1）电解质溶液：

一般能与负极反应，或者溶解在溶液中的物质（如O2）与负极反应。

（2）电极材料：

一般较活泼的金属作负极，较不活泼的金属或非金属导体作正极。

6．怎样判断原电池的正负极？

根据要求填写下列表格。

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

电解质溶液中离子定向流动方向

阴离子移向的电极

阳离子移向的电极

电流方向

电流流入极

电流流出极

与电解质溶液能否发生反应

能自发发生氧化还原反应的金属

不能自发发生氧化还原反应的金属（非金属）

反应现象

电极溶解

电极增重或有气泡产生

二、原电池原理的应用

练一练

1．有A、B、C、D四块金属片，进行如下实验：

①A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，A极为负极；②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，电流由D→导线→C；③A、C相连后，同时浸入稀H2SO4中，C极产生大量气泡；④B、D相连后，同时浸入稀H2SO4中，D极发生氧化反应。

据此，判断四种金属的活动性顺序是（　　）

A．A＞B＞C＞DB．A＞C＞D＞B

C．C＞A＞B＞DD．B＞D＞C＞A

答案　B

解析　金属与稀H2SO4组成原电池，活泼金属为负极，失去电子发生氧化反应，较不活泼的金属为正极，H＋在正极表面得到电子生成H2；电子流动方向由负极→正极，电流方向则由正极→负极。

在题述原电池中，A、B作电极的原电池中，A为负极，金属的活动性顺序为A＞B；C、D作电极的原电池中，C为负极，金属的活动性顺序为C＞D；A、C作电极的原电池中，A为负极，金属的活动性顺序为A＞C；B、D作电极的原电池中，D为负极，金属的活动性顺序为D＞B。

综上可知，金属的活动性顺序为A＞C＞D＞B。

2．利用原电池原理，可以加快化学反应的进行，原因是氧化反应和还原反应分别在两极进行，溶液中的粒子运动时相互间的干扰小，使化学反应加快。

如实验室中用Zn与稀H2SO4反应制取H2时，通常滴入几滴CuSO4溶液。

这样做的原因是Zn与置换出的Cu、稀H2SO4构成了原电池，加快了反应的进行。

议一议

1．在原电池中，负极的金属性一定比正极的金属性强吗？

试举例说明。

答案　不一定。

在判断原电池正、负极时，不要只考虑金属活动性的相对强弱，还要考虑电解质溶液。

故应由电池反应来确定电极名称，发生氧化反应的金属作负极。

如下图甲池中Mg作负极：

Mg－2e－===Mg2＋，Al作正极：

2H＋＋2e－===H2↑；乙池中由于镁不与强碱反应而Al和NaOH溶液能反应，所以Al作负极：

Al－3e－＋4OH－===AlO

＋2H2O，Mg作正极：

2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。

2．为什么实验室用粗锌比用纯锌与稀硫酸反应速率快？

答案　因为粗锌中锌、杂质和稀H2SO4构成了原电池，减小了粒子运动时的相互干扰。

一、原电池电极反应式的书写

例1

（1）将铁片、铜片用导线连接后，置于稀硫酸中，形成原电池，其正极反应式：

________________________________________________________________________；

负极反应式：

___________________________________________________；

总反应方程式：

____________________________________________________________。

（2）有一钮扣电池，其电极分别为Zn和Ag2O，以KOH溶液为电解质溶液，电池的总反应为Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn（OH）2。

①Zn发生________反应，是________极，电极反应式是

________________________________________________________________________。

②Ag2O发生________反应，是________极，电极反应式是____________________。

答案　

（1）2H＋＋2e－===H2↑　Fe－2e－===Fe2＋

Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑

（2）①氧化　负　Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2

②还原　正　Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－

归纳总结

　原电池电极反应式的书写方法

（1）一般电极反应式的书写方法

第一步：

第二步：

第三步：

（2）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。

变式训练1　

如图所示，X为单质硅，Y为金属铁，a为NaOH溶液，组装成一个原电池。

回答下列问题。

（1）正极________（填名称，下同）发生________反应，电极反应式__________________________________________________________。

（2）负极________，发生________反应，电极反应式____________________________

________________________________________________________________________。

（3）电池总反应方程式____________________________________________。

答案　

（1）铁　还原　4H2O＋4e－===4OH－＋2H2↑

（2）硅　氧化　Si＋6OH－－4e－===SiO

＋3H2O

（3）Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑

二、原电池的设计

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）

归纳总结

　原电池装置的设计方法思路

以Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu反应为例，原电池装置设计方法思路如下

第一步：

将电池总反应拆成两个半反应

负极：

Fe－2e－===Fe2＋，正极：

Cu2＋＋2e－===Cu

第二步：

确定负极材料、正极材料和电解质溶液

负极材料：

失电子的物质（还原剂）作负极材料即Fe。

正极材料：

用比负极材料金属活泼性差的金属或非金属导体作正极材料即Cu或Ag或C。

电解质溶液：

含有反应中作氧化剂的物质作电解质，即CuSO4溶液，如果两个半反应分别在两个容器中进行（中间连接盐桥），则两个容器中的电解质溶液应含有与电极材料相同的金属的阳离子。

第三步：

画出装置图，注明电极材料和电解质溶液，如下图

变式训练2　由锌片、铜片和200mL稀H2SO4组成的原电池如下图所示。

（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1.68L（标准状况）气体时，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，原硫酸的物质的量浓度是__________________（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　0.75mol·L－1

解析　产生0.075molH2，通过0.075×2＝0.15（mol）电子，消耗0.075molZn和0.075molH2SO4。

所以m（Zn）＝0.075mol×65g·mol－1＝4.875g，N（e－）＝0.15mol×6.02×1023mol－1＝9.03×1022，c（H2SO4）＝

＝0.75mol·L－1。

变式训练3　请运用原电池原理设计实验，验证Cu2＋、Fe3＋氧化性的强弱。

请画出实验装置图并写出电极反应式。

答案　

正极反应：

2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

负极反应：

Cu－2e－===Cu2＋

解析　根据反应Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋可以证明氧化性为Fe3＋＞Cu2＋，根据原电池原理可知

负极：

Cu－2e－===Cu2＋，正极：

2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋。

根据两极反应可知负极材料为Cu，正极材料可以是C或Ag，电解质溶液含有Fe3＋。

1．下列关于原电池的叙述中正确的是（　　）

A．构成原电池的两极必须是两种不同金属

B．原电池是将化学能转化为电能的装置

C．原电池工作时总是负极溶解，正极上有物质析出

D．原电池的正极是还原剂，总是溶液中的阳离子在此被还原

答案　B

2．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。

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正极反应式为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的总反应相同

A．①②B．②③C．②④D．③④

答案　C

解析　铜片、银片、Cu（NO3）2溶液、AgNO3溶液、盐桥构成一个原电池，Cu作负极，Ag作正极，其电极反应分别为负极：

Cu－2e－===Cu2＋，正极：

2Ag＋＋2e－===2Ag，盐桥起到了传导离子、形成闭合回路的作用，电子的流向是由负极流向正极，电流的方向与电子的流向相反，因此C正确。

3．下图是锌、铜和稀硫酸形成的原电池，某实验兴趣小组同学做完实验后，在读书卡片上记录如下：

①Zn为正极，Cu为负极

②H＋向负极移动

③电子从Zn极流向Cu极

④Cu极上有H2产生

⑤若有1mol电子通过导线，可产生H20.5mol

⑥正极反应式为Zn－2e－===Zn2＋

上述的描述合理的是（　　）

A．①②③B．③④⑤C．①⑤⑥D．②③④

答案　B

解析　判断一装置是否属于原电池，应看是否符合构成原电池的条件，符合构成原电池的条件即为原电池。

然后，再根据原电池原理判断正、负极，分析电极反应、电子流动方向或电流流动方向等。

在本题给定的原电池中，正极是Cu，负极是Zn，故①错误；电子从负极Zn流出，流向正极Cu，H＋向正极移动，在Cu电极上得电子：

2H＋＋2e－===H2↑，故②错误，③、④正确；此原电池负极上发生的反应是Zn－2e－===Zn2＋，⑥错误；总反应方程式：

Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑，当有1mol电子通过导线时，产生H2为0.5mol，故⑤正确。

4．如图

所示，X为单质硅，Y为金属铁，a为NaOH溶液，组装成一个原电池，下列说法正确的是（　　）

A．X为负极，电极反应式为Si－4e－===Si4＋

B．X为正极，电极反应式为4H2O＋4e－===4OH－＋2H2↑

C．X为负极，电极反应式为Si＋6OH－－4e－===SiO

＋3H2O

D．Y为负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋

答案　C

解析　先由氧化还原反应确定正极和负极，再根据反应物和产物确定电极反应式。

硅、铁、NaOH溶液组成原电池时，Si为负极：

Si－4e－＋6OH－===SiO

＋3H2O；铁为正极：

4H2O＋4e－===4OH－＋2H2↑，总反应方程式：

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

[基础过关]

一、原电池工作原理的应用

1．关于右图装置的叙述，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．H＋在铜片表面被还原后生成H2

答案　D

解析　本题主要考查有关原电池的知识，由所给图示可知Zn为原电池负极，失去电子被氧化；Cu为原电池的正极。

电子经导线流向正极（Cu极），溶液中的H＋在正极得到电子而被还原为H2。

电流流向则与电子流向相反。

2．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

答案　D

解析　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Fe，Y为碳棒，B错；负极上失去电子发生氧化反应，正极上得到电子发生还原反应，C错；若两电极均为金属，活泼金属作负极，则活动性：

X>Y。

3．如图所示装置中，可观察到电流计指针偏转，M棒变粗，N棒变细，由此判断下表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是（　　）

选项

M

N

P

A

锌

铜

稀硫酸溶液

B

铜

锌

稀盐酸

C

银

锌

硝酸银溶液

D

锌

铁

硝酸铁溶液

答案　C

解析　本题通过电极变化来确定电极，N棒变细，即N极上发生氧化反应，N棒金属较活泼，排除A、D项；由M棒变粗可知，B项不正确。

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（NO

）　③a棒的质量　④b棒的质量　⑤溶液的质量

A．①③B．③④C．①②④D．②

答案　D

解析　在这个原电池中，负极：

Fe－2e－===Fe2＋，正极：

Ag＋＋e－===Ag，使a棒减轻、b棒增重，溶液中c（NO

）不变，溶液的质量减轻。

二、原电池正极、负极的判断

5．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

答案　C

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。

6．在如图所示的装置中，a的金属活动性比氢要强，b为碳棒，下列关于此装置的叙述不正确的是（　　）

A．碳棒上有气体放出，溶液pH变大

B．a是正极，b是负极

C．导线中有电子流动，电子从a极流向b极

D．a极上发生了氧化反应

答案　B

解析　本题考查原电池基本知识，难度不大，但概念容易混淆。

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极流出经电流计流向b极。

7．如图

所示，烧杯内盛有浓HNO3，在烧杯中放入用铜线相连的铁、铅两个电极，已知原电池停止工作时，Fe、Pb都有剩余。

下列有关说法正确的是（　　）

A．Fe比Pb活泼，始终作负极

B．Fe在浓HNO3中钝化，始终不会溶解

C．电池停止工作时，烧杯中生成了Fe（NO3）3

D．利用浓HNO3作电解质溶液不符合“绿色化学”思想

答案　D

解析　开始时，电解质溶液是浓HNO3，Fe在浓HNO3中钝化，所以开始时Pb是负极：

Pb－2e－===Pb2＋；随着反应的进行，浓HNO3变成稀HNO3，Fe变为原电池的负极：

Fe－2e－===Fe2＋。

由于最终Fe有剩余，所以不会生成Fe（NO3）3。

根据Pb与浓HNO3反应：

Pb＋4HNO3（浓）===Pb（NO3）2＋2NO2↑＋2H2O，过量的Fe与稀HNO3发生反应：

3Fe＋8HNO3（稀）===3Fe（NO3）2＋2NO↑＋4H2O，可知反应产生了有害气体NO2、NO，会污染环境，不符合“绿色化学”思想。

三、电极反应式的书写

8．原电池的电极名称不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。

下列说法中不正确的是（　　）

A．由Al、Cu、稀硫酸组成原电池，其负极反应式为Al－3e－===Al3＋

B．由Mg、Al、NaOH溶液组成原电池，其负极反应式为Al－3e－＋4OH－===AlO

＋2H2O

C．由Fe、Cu、FeCl3溶液组成原电池，其负极反应式为Cu－2e－===Cu2＋

D．由Al、Cu、浓硝酸组成原电池，其负极反应式为Cu－2e－===Cu2＋

答案　C

解析　原电池正、负极的判断不能完全依赖金属的活动性，因为可能会出现特殊情况：

浓硝酸使铁、铝钝化；铝与NaOH溶液反应，而镁不能与NaOH溶液反应等。

9．锌铜原电池（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，电流从负极流向正极

D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液

答案　B

解析　在原电池中，相对活泼的金属材料作负极，相对不活泼的金属材料作正极，负极反应为Zn－2e－===Zn2＋，正极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，因Zn失电子生成Zn2＋，为使ZnSO4溶液保持电中性，盐桥中的Cl－移向ZnSO4溶液。

10．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，目前已成功研制多种锂电池。

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，电极反应为Li－e－===Li＋

B．Li是负极，电极反应为Li－e－===Li＋

C．MnO2是负极，电极反应为MnO2＋e－===MnO

D．Li是负极，电极反应为Li－2e－===Li2＋

答案　B

解析　由总反应

＋

O2===

O2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

。

[能力提升]

11．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_________________