第四节原电池原理及其应用.docx
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第四节原电池原理及其应用
学科:
化学年级：
高二
版本：
人教版期数：
1319
本周教学内容：
第四节原电池原理及其应用
【基础知识精讲】
以铜锌原电池为例，理解原电池的工作原理：
负极发生氧化反应，正极发生还原反应.紧抓这个基本原理去解决各种类型的原电池问题.
【重点难点解析】
重点：
①原电池原理；
②金属的腐蚀原理与防护.
难点：
金属的电化学腐蚀与防护.
1.正确判定原电池
2.原电池正极和负极的确定
（1）由两极的相对活泼性确定.
（2）由电极现象确定.通常情况下，在原电池中某一电极若不断溶解或质量不断减少，该电极发生氧化反应，此为原电池的负极；若原电池中某一电极上有气体生成，电极的质量不断增加或不变，该电极发生还原反应，此为原电池的正极.
3.原电池工作原理：
以Cu-Zn原电池为例.
负极（锌板）：
Zn-2e=Zn2+被氧化，锌板不断溶解；
正极（铜板）：
2H+2e=H2↑被还原，表面置出气泡.
电子流动方向：
负极（Zn）经导线正极（Cu）.
Cu-Zn原电池发生的总反应跟锌和酸的反应是一致的，但电子却经外接导线发生迁移，形成持续的电流，使化学能转化为电能.
构成原电池的反应必须能自发地进行氧化还原反应.从理论上讲，任何一个氧化还原反应都可设计成原电池，只不过要求氧化反应和还原反应必须在两极上分别进行，使与两极连接的导线里，产生持续电流.
【难题巧解点拨】
例1：
把a,b,c,d4块金属片浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池.若a,b相连时，a为负极；c,d相连时，d上产生大量气泡；a，c相连时，电流由c经导线流向a；b、d相连时，电子由d经导线流向b，则此4种金属的活动性由强到弱的顺序为（）
A.a＞b＞c＞dB.a＞c＞d＞b
C.c＞a＞b＞dD.b＞d＞c＞a
分析：
根据原电池原理，较活泼的金属为负极，被氧化溶解；相对不活泼的金属为正极，冒气泡或析出金属.电子由负极经外电路流向正极，电流方向与电子方向相反等进行推断可得：
a＞c＞d＞b答案为B.例2下列装置能够组成原电池，产生电流的是（）
分析：
根据构成原电池的条件必须同时满足：
（1）要有活泼性不同的两个电极.
（2）要有电解质溶液.（3）要有导线，能形成闭合回路.
用此条件进行判断：
在A中两个电极的金属相同，不符合条件，在（D）中没有电解质溶液，乙醇是非电解质.故只有B、C符合条件
答案：
BC
例3：
银锌电池是广泛用作各种电子仪器的电源，它的充电和放电过程可表示为：
2Ag+Zn（OH）2
Ag2O+Zn+2H2O
此电池放电时，负极上发生反应的物质是（）
A.AgB.Zn（OH）2C.Ag2OD.Zn
分析：
根据原电池工作原理，负极上发生氧化反应.元素化合价会升高，所以在放电过程中被氧化的是Zn，即Zn为负极.
答案:
为D
【命题趋势分析】
常考知识点：
1.原电池的概念、工作原理
2.电极反应和电池反应
3.原电池原理的应用
4.结合物理的电学、工农业生产.
【典型热点考题】
1.将锌片和铜片用导线连接置于同一稀H2SO4溶液中，下列各叙述正确的是（）
A.正极附近SO2-4浓度逐渐增大B.负极附近SO2-4的浓度逐渐减小
C.负极附近SO2-4的浓度逐渐增大D.正负极附近SO2-4的浓度基本不变
本题参考答案：
D
2.锌与100ml1mol·L-1盐酸反应的实验中，若设想向溶液中加入少量的①醋酸钠，或②溴化铜，或③醋酸铜（均为可溶性），并测定生成H2的速率（ml·min-1），预计三种方案的速率大小是（）
A.①＞③＞②B.③＞②＞①C.②＞③＞①D.①＞②＞③
本题参考答案：
C
3.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.
（1）片刻后可观察到的现象是（）
A.铁圈和银圈左右摇摆不定B.保持平衡状态不变
C.铁圈向下倾斜D.银圈向下倾斜
（2）产生上述现象的原因是.
本题参考答案：
（1）D
（2）加CuSO4溶液后，构成Fe-Ag原电池，Fe溶解、减轻，Cu2+在银圈上得电子，沉积在其上，增重.
4.如图所示，在大试管里放入一段光亮无锈的弯成螺旋状的铁丝，把试管倒插入水中，把这个装置这样放置约一周后，观察到铁丝发生的变化是，原因是.试管里的水面会上升，最终上升高约为，原因是.
本题参考答案：
铁丝表面形成一片红褐色铁锈；发生吸氧腐蚀；试管体积的
；铁和氧气反应，时间足够时铁消耗空气中全部O2，在空气中O2约占总体积的
.
5.熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为负极燃气，空气与CO2的混合气为正极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：
负极反应式：
2CO+2CO2-3-4e→4CO2
正极反应式：
；总电池反应式：
.
本题参考答案：
O2+2CO2+4e
2CO2-3；2CO+O2
2CO2
本周强化练习：
【同步达纲练习】
1.关于铜、锌和稀H2SO4构成的原电池的说法正确的是（）
A.锌是正极，铜是负极B.H+在溶液里流向铜片
C.电流由锌流向铜D.电子经外电路由锌流向铜
2.铁钉和炭棒用导线连接后，浸入到0.01mol·L-1NaCl溶液中，可能发生的是（）
A.炭棒上有H2析出B.炭棒附近产生OH-
C.炭棒上有O2析出D.铁钉被氧化
3.下列四组原电池，其中放电后，电解质溶液质量增加，且在正极有单质生成的是（）
A.Cu、Ag、AgNO3溶液B.Zn、Cu稀H2SO4
C.Fe、Zn、CuSO4溶液D.Fe、C、Fe2（SO4）3溶液
4.实验中欲制得H2，最好的方法是（）
A.纯锌与稀H2SO4B.纯锌和浓H2SO4
C.纯锌与稀盐酸D.粗锌（含铜杂质）与稀H2SO4
5.钢铁在潮湿的空气中发生电化腐蚀时，正极发生的主要反应是（）
A.Fe-2e=Fe2+B.2H2O+O2+4e=4OH-
C.4OH--4e=2H2O+O2D.2H++2e=H2↑
6.埋在地下的铸铁输油管道，在下列各种情况下，腐蚀最慢的是（）
A.在含铁元素较多的酸性土壤中
B.在潮湿疏松透气的土壤中
C.在干燥致密不透气的土壤中
D.在含碳粒较多的潮湿透气中性土壤中.
7.铜铁在锈蚀过程中，下列五种变化可能发生的是（）
①Fe由+2价转化为+3价②氧气被还原③产生H2④Fe（OH）3失水形成Fe2O3、H2O⑤杂质碳被氧化而除去.
A.①②B.③④
C.①②③④D.①②③④⑤
8.有a,b,c,d四种金属，将a,b用导线连结起来，浸入电解质溶液中，b不易腐蚀；将a,d分别投入等浓度的盐酸中，d比a反应剧烈；将铜浸入b的盐溶液中，无明显变化；将铜浸入c的盐溶液里，有金属c析出.据此推知它们的活动性由强到弱的顺序为（）
A.dcabB.dabcC.dbacD.badc
9.据报道，锌电池可能取代目前广泛使用的铅蓄电池，因为锌电池的容量更大，而且没有污染，其总反应式为：
2Zn+O2
2ZnO
所用原料为锌粒、电解液和空气.则下列叙述中，正确的是（）
A.锌为正极，空气进入负极反应B.负极反应为Zn-2e
Zn2+
C.正极发生氧化反应D.电解液肯定不是强酸
10.燃料电池是燃料（如H2、CO、CH4等）跟氧气或空气起反应，将化学能转变为电能的装置，电解液为强碱溶液.（）
下列关于甲烷燃料电池的说法中，正确的是（）
A.负极反应为：
CH4+10OH--8e=CO2-3+7H2O
B.负极反应为：
O2+2H2O+4e
4OH-
C.随着放电进行，溶液中的阴离子向负极移动
D.随着放电进行，溶液的PH不变.
11.常用的钮扣电池为银锌电池，它分别以锌和氧化银为电极.放电时锌极上的电极反应是：
Zn+2OH--2e
Zn（OH）2，氧化银极上的反应是：
Ag2O+H2O+2e
Ag+2OH-，下列判断中，正确的是（）
A.锌是负极，发生氧化反应，氧化银是正极，发生还原反应
B.锌是正极，发生氧化反应，氧化银是负极，发生还原反应
C.锌是负极，发生还原反应，氧化银是正极，发生氧化反应
D.锌是正极，发生还原反应，氧化银是负极，发生氧化反应
12.以下现象与电化腐蚀无关的是（）
A.黄铜（铜锌合金）制作的铜锣不易产生铜绿
B.生铁比软铁芯（几乎是纯铁）容易生锈
C.铁质器件附有铜质配件，在接触处易生锈
D.银质奖牌久置后表面变暗
13.阿波罗宇宙飞船上使用的是氢氧燃料电池，其电池反应式为：
2H2+O2
2H2O，电解液为KOH溶液，反应保持在较高温度使水蒸发，下列叙述中正确的是（）
A.工作时，电解质溶液的PH逐渐增大
B.工作时，能见到浅蓝色火焰
C.工作时，H2为正极，O2为负极
D.电极反应式为：
负极：
2H2+4OH--4e=4H2O
正极：
O2+2H2O+4e
4OH-
14.铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解液为H2SO4，工作时的反应为：
Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O，
下列结论正确的是（）
A.Pb为正极被氧化B.PbO2为负极被还原
C.SO2-4只向PbO2处移动D.电解液密度不断减小
E.溶液的PH不断减小
15.锌锰干电池的正极是石墨炭棒，它放电时的总反应可表示为：
Zn（固）+2MnO2+2NH+4
Zn2++Mn2O3（固）+2NH3+H2O，在电池放电时，正极表面发生反应的物质是（）
A.ZnB.石墨C.MnO2和NH+4D.Zn2+和NH3
16.锂电池是一种新型高能电池，它以轻质、高能而受到普遍重视，目前已研制成功了多种锂电池.某种锂电池的总反应可表示为：
Li+MnO2=LiMnO2，若该电池提供0.5C电量（1mol电子的电量为96500C），则消耗正极材料的质量（其它损失不计）约为（）
A.3.63×105gB.3.5g
C.4.51×10-4gD.43.5g
17.纯锌跟稀H2SO4反应速率很小，为了加快锌的溶解和放出H2的速率，并且使产生H2的量不变，当稀H2SO4过量时，可向其中加少量（）
A.CuSO4溶液B.CuS固体C.铜D.镁条
18.下列关于实验现象的描述不正确的是（）
A.把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀H2SO4中，铜片表面出现气泡
B.把铜片插入FeCl3溶液中，在铜片表面出现一层铁
C.把锌粒放入盛有盐酸的试管中，加入几滴CuCl2溶液，气泡放出速率加快
D.把铜片和铝片连接一起浸入浓HNO3中，铝片表面有气泡产生.
【素质优化训练】
1.铅蓄电池（原电池）工作时，总反应为Pb+PbO2+2HS2O4=2PbSO4+2H2O，由此可以判断：
（1）原电池的电极材料：
正极为，负极为.
（2）两极的电极反应式：
正极为，负极为.
（3）工作一段时间后，蓄电池里电解溶液的PH（填“变大”“变小”或“不变”）.
2.1991年我国首创以铝、空气和海水电池为能源的新型海水航标灯.它以海水为电解质溶液，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流，只要把灯放入海水中数分钟，就发出耀眼的闪光，其能量比干电池高20～50倍.根据以上叙述，填写这种电池两极的电极反应式：
（1）负极：
.
（2）正极：
.
3.称取三份锌，分盛三支试管，在试管甲里加入PH=3的盐酸50ml，在试管乙里加入PH=3的醋酸50ml，在试管丙里加入PH=3的醋酸50ml及少量铜粉，塞上导管塞子，定时测定生成H2的体积.若反应终了时，生成H2一样多，且锌没有剩余.
（1）用“＞”“、”“=”或“＜”回答以下问题：
①参加反应的锌的质量为：
.
②反应完毕，需反应时间的多少为：
.
（2）简答：
①反应所需时间最长的一种酸的原因是：
.
②乙、丙反应所需时间是否相等?
答：
.其原因是：
.
4.如何利用Cu+2FeCl3=2FeCl2+CuCl2设计一个原电池，画出装置图，写出电极的反应式.
5.电子表所用电池的两极材料为Zn和Ag2O，电解质溶液为KOH溶液，其电极反应是：
Zn+2OH--2e=ZnO+H2OAg2O+H2O+2e=Ag+2OH-
总反应式为：
Ag2O+Zn=2Ag+ZnO
下列判断正确的是（）
A.Zn为正极，Ag2O为负极
B.Zn为负极，Ag2O为正极
C.原电池工作时，负极区溶液的PH减小
D.原电池工作时，负极区溶液的PH增大
6.由Cu片，Zn片和300ml稀H2SO4组成的原电池中，若锌片只发生电化腐蚀，则当铜片上共放出3.36L（标况）的气体时，H2SO4恰好用完，产生这些气体消耗锌g，有个电子通过了导线，原稀H2SO4的物质的量浓度为mol·L-1.
7．美国阿波罗宇宙飞船上使用的氢氧燃料电池是一种新型的化学电源，其构造如下图所示：
两个电极均由多孔性碳制成，通入的气体由孔隙中逸出，并在电极表面放电.
（1）a是极，b是极，电极反应式分别为，.
（2）飞船上宇航员的生活用水由燃料电池提供.已知这种电池发1度电时能生成350g水，试计算能量转化率.［2H2（g）+O2（g）=2H2O（l）+572KJ］.
（3）这种电池的输出电压为1.5V.要使标有1.5V，1.5W的小灯泡连续发光0.5h，应消耗标况下H2多少升?
【生活实际运用】
1.电工操作中规定，不能把铜线和铝线拧在一起连接线路，这是因为.
2.银器皿日久表面逐渐变黑色，这是由于生成了Ag2S.有人设计用原电池原理加以除去，其处理方法为：
将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器侵入溶液中，放置一段时间后，黑色会褪去而银不会损失.试回答：
在此原电池反应中，负极发生的反应为；正极发生的反应为；反应过程中产生臭鸡蛋气味的气体，原电池总反应方程式为：
3.在一个盛有AgNO3溶液的烧杯中，放入质量相同的锌片和银片.两块金属片与一个小灯泡相连，经过一段时间后，从溶液中取出金属片，这时发现二者的质量有相同的变化，试确定所形成原电池的有效功率（完成电流功对理论可能功之比）.
【知识验证实验】
1.自制热敷袋
【原理】铁粉在水存在下能与空气里的O2反应，放出热量4Fe+2H2O+3O2
2Fe2O3·H2O+Q
【准备】取一只约80×120mm的自封式塑料袋，另用布缝制一只略大于塑料袋的布袋.
【操作】
（1）用大头针在塑料袋上扎几十个针眼（袋的两层同时扎穿）.
（2）称取15g小颗粒状活性炭，40g还原铁粉，5g细木屑，都放在一只烧杯中，再加入15ml15％食盐水，用玻璃棒搅拌均匀.
（3）把烧杯里的混合物全部加入扎过孔的塑料袋内，封上袋口，把这塑料袋放入自制的布袋中，扎住袋口.
（4）反复搓揉这袋5-8分钟，能感觉布袋的温度明显上升，可用热敷.
2.根据可逆反应：
AsO3-4+2I-+2H+
AsO2-3+I2+H2O，设计出如下的实验装置，A烧杯中装有Na3AsO4和Na3AsO3溶液，B烧杯中装有I2和KI溶液.两烧杯中用一倒置的装有饱和KI溶液的U形管相连，该装置称为盐桥.其作用是避免两烧杯中的溶液相混合，又能使两烧杯中的溶液因连通而导电.C1、C2棒为惰性电极.现进行如下操作：
（1）向A溶液中逐滴加入浓盐酸，发现电流计的指针发生偏转.
（2）若改向B溶液中滴加40％的NaOH溶液，发现电流计的指针向相反方向偏转.
试回答下列问题：
①两次操作中，电流计的指针偏转方向为什么相反?
试用化学平衡原理解释之
②
（1）操作过程中，C1棒上发生的反应是；
（2）操作过程中，C2棒上发生的反应是.
本题参考答案：
①由于［H+］的变化，使化学平衡向不同方向移动，发生不同方向的反应，其结果是电子转移方向不同。
②2I--2e
I2；
+H2O-2e
AsO3-4+2H+
【知识探究学习】
1.原电池
课文里所讲的原电池，是为了便于说明原电池化学原理的一种最简单的装置.如果用它作电源，不但效率低，而且时间稍长，电流就不断减弱，因此不适合于实际应用.这是什么原因呢?
主要是由于在铜极上很快就聚集了许多氢气泡，把铜极跟稀硫酸逐渐隔开，这样就增加了电池的内阻，使电流不能畅通.这种作用称为极化作用.为了避免发生这种现象，设计了如下图的原电池装置.
在两个烧杯中分别放入锌片和锌盐溶液、铜片和铜盐溶液，将两个烧杯中的溶液用一个装满电解质溶液的盐桥（如充满KCl饱和溶液和琼脂制成的胶冻）连接起来，再用导线将锌片和铜片联接，并在导线中串联一个电流表，就可以观察到下面的现象：
（1）电流表指针发生偏转，根据指针偏转方向，可以判断出锌片为负极、铜片为正极.
（2）铜片上有铜析出，锌片则被溶解.
（3）取出盐桥，指针回到零点，说明盐桥起了沟通电路的作用.
发生上述现象的原因是由于锌比铜活泼，容易失去电子变成Zn2+进入溶液，电子通过导线流向铜片，硫酸铜溶液中的Cu2+从铜片上获得电子变成铜原子沉积在铜片上.
由于电子从锌片流到铜片，所以锌片上发生氧化反应，铜片上发生还原反应.
Zn-2e-=Zn2+
Cu2++2e-=Cu
总反应式：
Cu2++Zn=Cu+Zn2+
一定时间后，溶液会因带电离子的积累（ZnSO4溶液中的Zn2+离子过多，CuSO4溶液中的SO2-4离子过多）而阻碍电子的转移.但有盐桥存在，允许溶液中离子迁移，以中和过剩的电荷，起了沟通电路的作用，使传递电子的反应能继续进行.于是，锌和CuSO4的氧化还原反应的化学能转变成外电路上电子流动的电能.
从分析铜-锌原电池的组成可以看出，原电池是由两个半电池组成的.锌和锌盐溶液组成一个半电池，铜和铜盐溶液组成另一个半电池.组成半电池的导体叫电极，失去电子的电极为负极，得到电子的电极为正极.不参加电极反应的电极叫惰性电极，如铜电极.
上述原电池的装置可用符号来表示：
Zn｜ZnSO4‖CuSO4｜Cu
负极盐桥正极
每个半电池都由两类物质组成，一类是可作还原剂的物质，如锌和铜，称为还原型物质.另一类是可作氧化剂的物质，如ZnSO4和CuSO4，称为氧化型物质.
相对应的氧化型物质和还原型物质组成氧化还原电对，常用如下符号表示：
Zn2+/Zn,Cu2+/Cu.不同氧化态的同一元素的离子或单质等也可构成氧化还原电对，如Fe3+/Fe2+、Cl2/Cl-、O2/OH-等.
参考答案:
【同步达纲练习】
1.BD2.BD3.BC4.D5.B6.C7.C8.B
9.BD10.AC11.A12.D13.D14.D15.C16.C17.C18.B
【素质优化训练】
1.
（1）PbO2Pb
（2）PbO2+2e+SO2-4+4H+=PbSO4+2H2O
Pb-2e+SO2-4=PbSO4（3）变大
2.
（1）Al-3e=Al3+
（2）2H2O+O2+4e=4OH-
3.
（1）①甲＝乙＝丙②甲＞乙＞丙
（2）①随着反应的进行，盐酸里［H+］减小得最多，反应速率减小最快，时间最长.
②不相等，丙中形成了铜锌原电池，加速了锌的反应，丙中反应较乙中快。
4.用铜和炭棒作电极，FeCl3溶液为电解质溶液。
电极反应式（-）：
Cu-2e=Cu2+
（+）：
2Fe3++2e=2Fe2+
5.BC
6.9.75、1.806×1023、0.5
7.
（1）负；正；2H2+4OH--4e
4H2O；
O2+2H2O+4e
4OH-
（2）64.7%（3）0.325
【生活实际运用】
1.在潮湿的空气中，铜、铝线接触能形成原电池，使铝很快被腐蚀.
2.【答案】2Al-6e=2Al3+；3Ag2S+6e=6Ag+3S2-
3Ag2S+2Al+6H2O=6Ag+2Al（OH）3↓+3H2S↑
3．【解答】设电化学过程和化学过程共溶解锌的物质的量为1mol，电化学过程溶解锌的物质的量为xmol，则化学过程溶解锌的物质的量为（1-x）mol
电化学过程：
负极：
Zn-2e
Zn2+正极：
2Ag++2e
2Ag
xmol2xmol2xmol2xmol（沉积在银上）
化学过程：
Zn+2Ag+
Zn2++2Ag
（1-x）mol2（1-x）mol（沉积在锌片上）
两极增重相等，则有：
108×2x=108×2（1-x）-65×1x=0.35（mol）
原电池的有效功率为：
×100％=35％
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