高二化学实验3原电池的结构和工作原理学案.docx

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高二化学实验3原电池的结构和工作原理学案

原电池的结构和工作原理

原电池

1、掌握原电池的构成条件及工作原理

2、掌握双液原电池中的盐桥的作用

3、掌握双液原电池的设计及应用

原电池是将化学能直接转换为电能的装置，自发的氧化还原反应可设计成原电池

Zn+H2SO4=Zn2SO4+H2；Zn+CuSO4=Zn2SO4+Cu

烧杯、导线、电流计、U形管、铜片、锌片、碳棒、硫酸铜溶液、KCl饱和溶液

单液原电池

装置图

构成条件

工作原理

存在问题

（1）有两种活泼性不同的金属（或一种是非金属单质或金属氧化物）作电极。

（2）必须形成闭合回路。

电解质溶液；两电极直接或间接接触；两电极插入电解质溶液（3）自发的氧化还原反应

负极—发生氧化反应，失去电子（Zn－2e−＝Zn2+）；正极—发生还原反应，得到电子（2H++2e−＝H2↑）

电子沿外电路（导线）定向移动

将锌片和铜片置于稀硫酸的原电池，如果用它做电源，不但效率低，而且时间稍长电流就很快减弱，因此不适合实际应用。

双液原电池

实验操作

实验现象

实验结论

按上图所示，将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液分别通过导线与电流计连接，有什么现象?

电流计指针不偏转，且铜片和锌片上均无明显现象（即：

无电子定向移动）

没有闭合回路，无法形成原电池

按上图所示，将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液分别通过导线与电流计连接，另将一段导线两端分别插入两烧杯中，有什么现象?

电流计指针不偏转，且铜片和锌片上均无明显现象（即:

无电子定向移动）

没有闭合回路，无法形成原电池

按上图所示,用一个充满电解质溶液的盐桥，将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液连接起来，然后将锌片和铜片用导线连接，并在中间串联一个电流表，观察有什么现象？

电流表指针偏转，锌片溶解，铜片上有红色物质析出，铜片质量增加

有电流通过电路，形成了原电池

锌片溶解，Zn－2e−＝Zn2+，发生氧化反应，作负极；铜片上有铜生成，溶液中的Cu2+在铜极上得电子Cu2++2e−＝Cu，发生还原反应，作正极。

盐桥中的Cl−会移向ZnSO4溶液，K+移向CuSO4溶液，使ZnSO4溶液和CuSO4溶液均保持电中性，氧化还原得以继续进行，从而使原电池不断的产生电流。

双液原电池是由两个半电池组成，把氧化反应和还原反应分开在不同区域进行，再以适当方式连接，可以获得电流。

工作原理：

负极—发生氧化反应，失去电子（M-ne−＝Mn+）；正极—发生还原反应，得到电子

电子沿外电路（导线）定向移动，盐桥中的Cl−会移向负极，K+移向正极。

双液原电池的形成条件

1、两个电极（活泼性不同）

负极：

较活泼的金属正极：

较不活泼的金属、石墨等

2、必须形成闭合回路

电解质溶液；两电极插入电解质溶液；盐桥

3、自发的氧化还原反应

原电池正负极判断的方法

负极

正极

构造方面

较活泼的金属

较不活泼金属或非金属

电池反应

氧化反应

还原反应

电子流向

电子流出

电子流入

反应现象

不断溶解

电极增重或者有气体产生

离子移向

阴离子移向

阳离子移向

用铜—锌—稀硫酸溶液的单液原电池做电源，不但效率低，而且时间稍长电流就很快减弱，这是什么原因造成的呢？

该铜锌-硫酸的原电池反应开始后，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，增加了电池的内阻，电极出现极化现象，这种极化作用会阻碍H+在Cu片上继续得电子，Zn片上的电子也就不能顺畅地输送到Cu片上，使电流不能畅通，有些H+就直接在Zn片上夺取电子生成H2。

并且在单液池中Zn和硫酸直接反应放出热量，将化学能部分转化为热能

盐桥是什么？

盐桥是将热的琼脂溶液（可以是饱和KCl溶液或NH4NO3溶液）

倒入U形管中（不能产生缝隙），将冷却后的U形管浸泡在KCl饱和溶液或NH4NO3饱和溶液中制得的。

能产生稳定、持续电流的原电池应具备什么条件？

1．要有导电性不同的两个电极

2．两个半反应在不同的区域进行

3．用导线和盐桥分别将两个半电池连接在一起

1．关于如图装置的叙述，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．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装有含琼胶的KCl饱和溶液

C．原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成

D．从理论上讲，任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池

【答案】D

【解析】CaO＋H2O===Ca（OH）2不是氧化还原反应；KCl和AgNO3反应生成AgCl沉淀易阻止原电池反应的发生；作电极的不一定是金属，如石墨棒也可作电极。

3．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，故有活动性X>Y。

4．某同学根据离子反应方程式2Fe3+＋Fe=3Fe2+来设计原电池。

下列设计方案中可行的是（）

A．电极材料为Fe和Zn，电解质溶液为FeCl3溶液

B．电极材料为Fe和石墨，电解质溶液为Fe（NO3）3溶液

C．电极材料为Fe和石墨，电解质溶液为FeCl2溶液

D．电极材料为石墨，电解质溶液为FeCl3溶液

【答案】B

5．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。

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极流出经电流表流向b极。

7．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>dB．b>c>d>aC．d>a>b>cD．a>b>d>c

【答案】C

8．如图所示装置中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（）

M

N

P

A

锌

铜

稀硫酸溶液

B

铜

铁

稀盐酸溶液

C

银

锌

硝酸银溶液

D

锌

铁

硝酸铁溶液

【答案】C

9．

（1）控制适合的条件，将反应2Fe3+＋2I−

2Fe2+＋I2设计成如图所示的原电池。

请回答下列问题：

①反应开始时，乙中石墨电极上发生________（填“氧化”或“还原”）反应，电极反应式为____________________________________。

甲中石墨电极上发生________（填“氧化”或“还原”）反应，电极反应式为________________________________。

②电流表读数为0时，反应达到平衡状态，此时在甲中加入FeCl2固体，则乙中的石墨作________（填“正”或“负”）极，该电极的电极反应式为____________________________。

（2）利用反应2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O可制备CuSO4，若将该反应设计为原电池，其正极电极反应式为__________________________________。

【答案】

（1）①氧化　2I−－2e−===I2　还原　2Fe3+＋2e−===2Fe2+　②正　I2＋2e−===2I−　

（2）O2＋4e−＋4H+===2H2O

【解析】

（1）根据反应2Fe3+＋2I−===2Fe2+＋I2，原电池的电极反应：

负极：

2I−－2e−===I2，发生氧化反应。

正极：

2Fe3+＋2e−===2Fe2+，发生还原反应。

①反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应；②当电流表读数为0时反应已平衡，此时，在甲中加入FeCl2固体，反应2Fe3＋＋2I−

2Fe2＋＋I2向左移动。

因此，右侧石墨作正极，电极反应式为：

I2＋2e−===2I−；左侧石墨作负极，电极反应式为2Fe2+－2e−===2Fe3+。

（2）Cu作负极，O2在正极上得电子：

O2＋4e−＋4H+===2H2O。

10．锂锰电池的体积小、性能优良，是常用的一次电池。

该电池反应原理如图所示，其中电解质LiClO4溶于混合有机溶剂中，Li＋通过电解质迁移入MnO2晶格中，生成LiMnO2。

回答下列问题：

（1）外电路的电流方向是由________极流向________极。

（填字母）

（2）电池正极反应式为___________________________________________。

（3）是否可用水代替电池中的混合有机溶剂？

________（填“是”或“否”），原因是__________________________________________________。

（4）MnO2可与KOH和KClO3在高温下反应，生成K2MnO4，反应的化学方程式为________________________________________________。

K2MnO4在酸性溶液中歧化，生成KMnO4和MnO2的物质的量之比为________。

【答案】

（1）b　a

（2）MnO2＋e−＋Li＋===LiMnO2

（3）否　电极Li是活泼金属，能与水反应

（4）3MnO2＋KClO3＋6KOH

3K2MnO4＋KCl＋3