第1章 第3节 第1课时.docx

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第1章第3节第1课时

第3节　化学能转化为电能——电池

第1课时　原电池的工作原理

[目标导航]　1.了解原电池的工作原理及构成条件。

2.能判断原电池的正、负极，会书写原电池的电极反应式和反应方程式。

一、铜锌原电池

1.装置

2.实验现象及分析

Zn极

Cu极

实验现象

①

检流计指针发生偏转

②

锌片质量减小

铜片质量增加

电子流向

由Zn极流向Cu极（填“Zn”“或Cu”）

电子得失

Zn失电子

Cu2＋得电子

电极名称

负极

正极

电极反应

Zn－2e－===Zn2＋

Cu2＋＋2e－===Cu

能量转化

化学能转化为电能

二、原电池的工作原理

1.原电池的定义

把化学能转变为电能的装置。

2.原电池的构成条件

（1）两个活泼性不同的导体作电极；

（2）电极材料均插入电解质溶液中；

（3）能形成闭合回路；

（4）能自发发生氧化还原反应。

3.原电池的工作原理

（1）电子流向：

由负极经导线流向正极（填“正”或“负”）。

（2）离子流向：

阳离子移向正极，阴离子移向负极。

【练一练】

1.铜锌原电池工作时，下列叙述不正确的是（　　）

A.负极电极反应为Zn－2e－===Zn2＋

B.电池总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

C.在外电路中，电子从Zn极沿导线流向Cu极

D.盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液

解析　正极发生还原反应：

Cu2＋＋2e－===Cu，负极发生氧化反应：

Zn－2e－===

Zn2＋；原电池总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu；电子从Zn极沿导线流向Cu极；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。

故D不正确。

答案　D

2.如右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和碳棒，则X为碳棒，Y为Zn

C.若两电极都是金属，则它们的活动性为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　由图可知电子的流动方向是X→外电路→Y，则电流的方向就为Y→外电路→X；X为原电池的负极，Y为正极，X的活动性比Y强；X极应发生氧化反应，Y极应发生还原反应。

答案　C

3.下列装置中能构成原电池产生电流的是（　　）

解析　B、D项中电极与电解质溶液之间不发生反应，不能构成原电池；A项不符合原电池的构成条件；C项中Cu与HNO3反应能构成原电池。

答案　C

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。

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】

1.一般电极反应式的书写方法

第一步：

——

——

第二步：

——

第三步：

——两电极反应式相加，与总反应式对照验证

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）正极是________（填名称，下同）发生________反应，电极反应式为______________________________________________________________________

_____________________________________________________________________。

（2）负极是________，发生________________________________________反应，电极反应式为__________________________________________________________。

（3）电池总反应的化学方程式为__________________________________________。

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、原电池原理的应用

1.加快氧化还原反应的速率

例如：

锌与稀H2SO4溶液反应时，加入少量CuSO4能使产生H2的速率加快。

2.比较金属活动性强弱

两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。

3.设计化学电源

（1）首先将已知的氧化还原反应拆分为氧化反应和还原反应两个半反应，从而确定电极反应。

（2）确定电极材料

以电池两个电极反应为依据，确定电极材料及电解质溶液。

①发生氧化反应的物质作负极材料，如果发生氧化反应的物质是金属单质，可用该金属直接作负极，选惰性电极或较不活泼的金属作正极。

②确定电解质溶液

对单池原电池，一般选用反应物中的电解质溶液。

对双池原电池，则两个单池中选用的电解质溶液不同。

关键提醒

　不能自发进行的氧化还原反应不能设计成原电池，能自发进行的放热的氧化还原反应多数可以设计成原电池。

【例2】　根据下列氧化还原反应设计一个原电池：

2FeCl3＋Fe===3FeCl2

要求：

（1）画出此原电池的装置图，装置采用烧杯和盐桥。

（2）注明原电池的正、负极和外电路中电子的流向。

解析　将该反应拆成两个半反应：

Fe－2e－===Fe2＋（氧化反应）,2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋（还原反应）。

负极发生氧化反应，电极材料应选参加反应的单质Fe，正极发生还原反应，电极材料应选比铁不活泼的金属或石墨等导体。

电解质溶液铁极池中选不能与铁反应的FeCl2溶液，正极选与铁能反应的FeCl3溶液。

答案　

（1）装置图如下：

（2）电池的正、负极及外电路中电子的流向如上图所示。

【反思感悟】　设计成双池原电池，避免了负极金属与电解质溶液的直接接触发生反应，从而避免能量损失，且能提供稳定电流。

变式训练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______________。

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。

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

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KNO3－琼脂的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.②③

C.②④D.③④

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。

答案　C

3.锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过。

下列有关叙述正确的是（　　）

A.铜电极上发生氧化反应

B.电池工作一段时间后，甲池的c（SO

）减小

C.电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加

D.阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡

解析　Zn作负极，Cu作正极发生还原反应，A项错误；负极发生的反应为：

Zn－2e－===Zn2＋，正极反应为：

Cu2＋＋2e－===Cu，而该交换膜是阳离子交换膜，因此Zn2＋由甲池交换到乙池，故甲池中硫酸根离子浓度几乎不变，B、D选项错误，C选项正确。

答案　C

4.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

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。

答案　A

分层训练

[基础过关]

一、原电池工作原理的应用

1.100mL2mol·L－1的盐酸跟过量的锌片反应，为加快反应速率，又不影响生成氢气的总量，可采用的方法是（　　）

A.加入适量的6mol/L的盐酸

B.加入数滴氯化铜溶液

C.加入适量蒸馏水

D.加入适量的氯化钠溶液

解析　A项，加入6mol·L－1的盐酸，会使产生的H2总量增加；B项，加入CuCl2溶液后，Zn置换出Cu，Cu附着在Zn上，形成原电池，加快反应速率；C、D两项，蒸馏水和NaCl溶液都会稀释原盐酸溶液，使反应速率减慢。

答案　B

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

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，故有活动性X>Y，D正确。

答案　D

3.如图所示的装置，在铁圈和银圈的焊接处，用一根棉线将其悬吊在盛水的烧杯中，使之平衡。

小心地向烧杯中央滴入CuSO4溶液，片刻后可观察到的现象是（　　）

A.铁圈和银圈左右摇摆不定

B.保持平衡状况

C.铁圈向下倾斜

D.银圈向下倾斜

解析　滴入CuSO4溶液后，形成原电池，Fe作负极，Ag作正极，在铁圈上：

Fe－2e－===Fe2＋，使铁圈质量减少；在Ag圈上：

Cu2＋＋2e－===Cu，生成的Cu附着在Ag上，使Ag圈质量增多，所以银圈向下倾斜。

答案　D

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.③④

C.①②④D.②

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。

答案　D

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

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。

答案　C

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

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[H＋]减小，pH增大。

在外电路中，电子由a极流出经检流计流向b极。

答案　B

7.某小组为研究电化学原理，设计如右图装置。

下列叙述不正确的是（　　）

A.a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出

B.a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为：

Cu2＋＋2e－===Cu

C.无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色

D.a和b分别连接直流电流正、负极，电压足够大时，Cu2＋向铜电极移动

解析　a和b不连接时，不能构成原电池。

铁与铜发生置换反应，生成的铜附着在铁片上，A项正确；a和b用导线连接，构成原电池，溶液中的Cu2＋得到电子生成铜在铜片上析出，B项正确；无论a和b是否连接，都是铁片不断溶解生成Fe2＋，溶液中的Cu2＋不断得到电子生成Cu，溶液颜色从蓝色逐渐变成浅绿色，C项正确；a和b分别连接直流电源正、负极时，铜片做阳极，失电子生成铜离子，溶液中铜离子向阴极移动，在阴极上得到电子，D项错误。

答案　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－===[Al（OH）4]－

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＋

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。

答案　C

9.微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。

下列有关微生物电池的说法错误的是（　　）

A.正极反应中有CO2生成

B.微生物促进了反应中电子的转移

C.质子通过交换膜从负极区移向正极区

D.电池总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O

解析　A.根据C元素的化合价的变化，C6H12O6生成二氧化碳的反应为氧化反应，应在负极生成，错误；B.微生物加速了葡萄糖的腐蚀，促进了反应中电子的转移，正确；C.原电池中阳离子向正极移动，正确；D.电池的总反应实质是葡萄糖的氧化反应，正确，答案选A。

答案　A

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＋

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

。

答案　B

[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）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）。

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，[H2SO4]＝

＝0.75mol·L－1。

答案　

（1）Zn－2e－===Zn2＋　2H＋＋2e－===H2↑

（2）由Cu极经导线流向Zn极

（3）4.875　9.03×1022　0.75mol·L－1

12.如图所示装置可构成原电池。

试回答下列问题：

（1）电解质溶液为浓硝酸时，灯泡________（填“亮”或“不亮”，填“亮”做a，填“不亮”做b）。

a.若灯泡亮，则Mg电极上发生的反应为________。

b.若灯泡不亮，则理由为______________________________________________。

（2）电解质溶液为NaOH溶液时，灯泡________（填“亮”或“不亮”，填“亮”做a，填“不亮”做b）。

a.若灯泡亮，则Mg电极上发生的反应为________；Al电极上发生的反应为_____________________________________________________________________。

b.若灯泡不亮，则理由为________________________________________________

____________________________________________________________________。

解析　灯泡是否亮取决于该装置中是否有电流通过，即该装置是否能构成原电池，若能构成原电池，则灯泡亮；否则，灯泡不亮。

Mg—Al—浓硝酸构成的原电池中，Mg与浓硝酸反应，Al遇浓硝酸发生钝化，所以Mg电极为负极；但Mg—Al—NaOH溶液构成的原电池中，Al与NaOH反应，Mg与NaOH不反应，所以Al电极为负极。

答案　

（1）亮　Mg－2e－===Mg2＋

（2）亮　6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－

2Al＋8OH－－6e－===2[Al（OH）4]－

13.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

[拓展探究]

14.某校化学研究性学习小组欲设计实验验证Fe、Cu金属活动性的相对强弱，他们提出了以下两种方案。

请你帮助他们完成有关实验项目：

方案Ⅰ：

有人提出将大小相等的铁片和铜片分别同时放入稀硫酸（或稀盐酸）中，观察产生气泡的快慢，据此确定它们的活动性。

该原理的离子方程式为__________________________________________________________________________________________________________________