41 原电池 学案人教版选修4.docx

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41原电池学案人教版选修4

第一节　原电池

[学习目标定位]　1.以铜锌原电池为例，熟悉原电池的工作原理。

2.会正确判断原电池的正极和负极。

3.掌握原电池电极反应式的书写方法。

1．原电池是借助氧化还原反应将化学能转化为电能的装置。

分析下图所示原电池装置并填空。

原电池总反应的离子方程式：

Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。

2．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AD。

探究点一　原电池的工作原理

1.按右图所示装置，完成实验并回答下列问题：

（1）有关的实验现象是①锌片溶解，铜片加厚变亮，CuSO4溶液颜色变浅；

②电流表的指针发生偏转，该装置中的能量变化是化学能转化为电能。

（2）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：

阳离子移向正极，阴离子移向负极。

（3）电极反应：

负极反应式是Zn－2e－===Zn2＋；正极反应式是Cu2＋＋2e－===Cu；电池总反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu。

（4）用温度计测量溶液的温度，其变化是溶液的温度略有升高，原因是还有Cu2＋直接在锌电极上得电子被还原，部分化学能转化成热能。

2．按下图所示装置，完成实验，并回答下列问题：

（1）实验过程中，你能观察到的实验现象是①锌片溶解，铜片加厚变亮；②电流表指针发生偏转；③CuSO4溶液的颜色变浅。

（2）用温度计测量溶液的温度，其结果是溶液的温度不升高（或无变化）；由此可说明CuSO4溶液中的Cu2＋不能移向锌片得电子被还原。

（3）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）。

（4）若取出装置中的盐桥，电流表的指针是否还会发生偏转？

为什么？

答案　不偏转。

如果要使电流表指针发生偏转，则该装置中必须形成闭合回路。

若取出盐桥，很显然该装置未构成闭合回路，电流表指针不会发生偏转。

3．实验结论：

与问题1中的原电池装置相比较，问题2中双液原电池具有的特点是

（1）具有盐桥。

取下盐桥，无法形成闭合回路，反应不能进行，可控制原电池反应的进行。

（2）两个半电池完全隔开，Cu2＋无法移向锌片，可以获得单纯的电极反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。

[归纳总结]

1．原电池原理是把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．原电池电极及电极反应特点

（1）负极为电子流出极，相对活泼，通常是活动性较强的金属或某些还原剂，电极被氧化，发生氧化反应。

（2）正极为电子流入极，相对不活泼，通常是活动性较差的金属或非金属导体，一般是电解质溶液中的氧化性强的离子被还原或电极上附着物本身被还原，发生还原反应。

3．原电池的设计

从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。

关键是选择合适的电解质溶液和两个电极。

（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。

[活学活用]

1．用铜片、银片、Cu（NO3）2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥（装有琼胶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。

2．利用反应Cu＋2FeCl3===CuCl2＋2FeCl2设计一个原电池，正极为______，电极反应式为________________________________________________________________________；

负极为______，电极反应式为_________________________________________________；电解质溶液是______。

答案　Pt（或C）　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋　Cu　Cu－2e－===Cu2＋　FeCl3溶液

解析　根据已知的氧化还原反应设计原电池的思路：

首先将已知的反应拆成两个半反应（即氧化反应和还原反应）：

Cu－2e－===Cu2＋，2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋；然后结合原电池的电极反应特点，分析可知，该电池的负极应该用Cu作材料，正极要保证Fe3＋得到负极失去的电子，一般用不能还原Fe3＋的材料，如Pt或碳棒等，电解质溶液只能用含Fe3＋的电解质溶液，如FeCl3溶液等。

探究点二　原电池的电极判断及电极反应式的书写

1．原电池电极（正极、负极）的判断依据有多种。

试填写下表：

判断依据

正极

负极

电极材料

不活泼金属或非金属导体

活泼金属

电子流向

电子流入

电子流出

电极反应

还原反应

氧化反应

电极现象

电极增重或产生气体

电极减轻

2.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__________________________________________________________________。

答案　2H＋＋2e－===H2↑　Fe－2e－===Fe2＋

Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑

3．有一纽扣电池，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。

（1）Zn发生________反应，是____极，电极反应式是_______________________________。

（2）Ag2O发生________反应，是____极，电极反应式是______________________________。

答案　

（1）氧化　负　Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2

（2）还原　正　Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－

[归纳总结]

1．一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的环境中，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。

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）

＝

－

[活学活用]

3．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↑。

1．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．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：

卡片上的描述合理的是（　　）

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。

3．X、Y、Z、W四块金属板分别用导线两两相连浸入稀硫酸中构成原电池。

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>YB．Z>X>Y>W

C．X>Y>Z>WD．Y>W>Z>X

答案　A

解析　在原电池中，活泼金属作原电池的负极，失去电子发生氧化反应；不活泼的金属或非金属导体作原电池的正极，阳离子或氧气等在正极得到电子发生还原反应。

电子由负极经导线流向正极，与电流的方向相反。

因此，X、Y相连时，X为负极，则活动性X>Y；Z、W相连时，电流方向是W→Z，则活动性Z>W；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡，则活动性X>Z；W、Y相连时，W极发生氧化反应，则活动性W>Y。

综上所述，可以得出金属的活动性顺序：

X>Z>W>Y。

4．

（1）将Al片和Cu片用导线相连，插入稀H2SO4中组成原电池，写出电极名称及电极反应式：

Al片（　　）_____________________________________________________________________，

Cu片（　　）_____________________________________________________________________。

（2）若将Al片和Cu片用导线相连，插入浓HNO3中能否组成原电池？

________（填“能”或“不能”），若能组成原电池，写出电极名称及电极反应式：

Al片（　　）_____________________________________________________________________，

Cu片（　　）_____________________________________________________________________。

答案　

（1）负极　2Al－6e－===2Al3＋（或Al－3e－===Al3＋）　正极　6H＋＋6e－===3H2↑（或2H＋＋2e－===H2↑）

（2）能　正极　2NO

＋4H＋＋2e－===2NO2↑＋2H2O

负极　Cu－2e－===Cu2＋

解析　

（1）Al片和Cu片用导线相连，插入稀H2SO4中时，Al比Cu活泼，Al为负极，失电子被氧化为Al3＋，Cu为正极，溶液中的H＋得电子被还原为H2。

（2）Al片和Cu片用导线相连，插入浓HNO3中时，由于铝钝化，不能溶解，Al为正极，Cu为负极，Cu失电子被氧化为Cu2＋。

[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．氢离子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），溶液中的氢离子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为铁，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，故有活动性X>Y。

3．如图所示装置中，可观察到电流表指针偏转，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，关于此装置的各种叙述不正确的是（　　）

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）

由于正极放电消耗H＋，溶液中c（H＋）减小，pH增大，在外电路中，电子由a极流出经电流表流向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。

故选D。

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.由锌片、铜片和200mL稀H2SO4组成的原电池如图所示。

（1）原电池的负极反应是________________________________，

正极反应是__________________________________________。

（2）电流的方向是______________________________________。

（3）一段时间后，当在铜片上放出1.68L（标准状况下）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0.075mol×2＝0.15mol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。

12．依据氧化还原反应：

2Ag＋（aq）＋Cu（s）===2Ag（s）＋Cu2＋（aq）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）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________电极流向________电极。

答案　

（1）Cu　AgNO3溶液

（2）正　2Ag＋＋2e－===2Ag（或Ag＋＋e－===Ag）

Cu－2e－===Cu2＋　（3）Cu（负）　Ag（正）

解析　该原电池的电池总反应式为2Ag＋（aq）＋Cu（s）===2Ag（s）＋Cu2＋（aq），由此可知X极是铜，作负极，银作正极，Y应是AgNO3溶液。

电子从原电池的负极经导线流向正极，即从铜电极流向银电极。

13．已知可逆反应：

AsO

＋2I－＋2H＋AsO

＋I2＋H2O。

（Ⅰ）如下图所示，若向B中逐滴加入浓盐酸，发现电流表指针偏转。

（Ⅱ）若改用向B中滴加40%的NaOH溶液，发现电流表指针与（Ⅰ）中偏转方向相反。

试回答下列问题：

（1）两次操作中电流表指针为什么会发生偏转？

________________________________。

（2）两次操作过程中电流表指针偏转方向为什么相反？

________________________________________________________________________。

（3）操作（Ⅰ）中，C1棒上的反应为________________________________________________。

（4）操作（Ⅱ）中，C2棒上的反应为________________________________________________。

答案　

（1）两次操作中均发生原电池反应，所以电流表指针均发生偏转　

（2）两次操作中，电极相反，电子流向相反，因而电流表指针偏转方向相反　（3）2I－－2e－===I2

（4）AsO

＋2OH－－2e－===AsO

＋H2O

解析　

（1）滴入浓盐酸，溶液中c（H＋）增大，题给可逆反应平衡正向移动，I－失去电子变为I2，C1棒上产生电子，并沿外电路流向C2棒，AsO

得电子变为AsO

。

（2）滴加40%的NaOH（aq），将H＋中和，溶液中c（H＋）减小，题给可逆反应平衡逆向移动，电子在C2棒上产生，并沿外电路流向C1棒，I2得电子变为I－，AsO

变为AsO

。

14．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