版高中化学第4章电化学基础第1节原电池学案新人教版选修4.docx
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版高中化学第4章电化学基础第1节原电池学案新人教版选修4
第一节 原电池
1．了解原电池的工作原理和构成原电池的条件。
（重点）
2．能正确书写电极反应式和电池反应方程式。
（重难点）
3．能设计简单的原电池。
原电池的工作原理
[基础·初探]
教材整理
1．原电池：
利用氧化还原反应原理将化学能转化为电能的装置。
2．原电池构成条件
3．原电池工作原理（以锌铜原电池为例）
装置现象
锌片逐渐溶解，铜片上有红色物质析出，电流表指针发生偏转
电极名称
Zn电极—负极
Cu电极—正极
得失电子
失电子
得电子
电子流向
流出
流入
反应类型
氧化反应
还原反应
电极反应式
Zn－2e－===Zn2＋
Cu2＋＋2e－===Cu
总反应式
Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
[探究·升华]
[思考探究]
将锌片和铜片分别通过导线与电流计连接，同时浸入盛有CuSO4溶液的烧杯中，装置如图。
问题思考：
（1）如图装置两金属表面如何变化？
电流计指针是否发生偏转？
请分析铜片和锌片上的反应。
【提示】 Zn被腐蚀，Cu上有固体析出。
电流计指针发生偏转。
Zn片：
Zn－2e－===Zn2＋ 铜片：
Cu2＋＋2e－===Cu
（2）在图示装置中，若实验进行一段时间，电流计指针偏转的角度减小，最终没有电流通过。
同时锌片表面逐渐被铜全部覆盖。
这是什么原因？
如何避免这种状况？
【提示】 Zn与Cu2＋发生反应：
Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋，覆盖在Zn片上。
为避免这种情况发生、可以采用盐桥。
[认知升华]
原电池的工作原理
1．原电池的构成
2．实例：
如图是CuZn原电池
两种装置的比较：
装置Ⅰ中还原剂Zn与氧化剂Cu2＋直接接触，易造成能量损耗；装置Ⅱ能避免能量损耗；装置Ⅱ中盐桥的作用是提供离子迁移通路，导电。
3．工作原理
[题组·冲关]
题组1 原电池的构成
1．下列反应不可用于设计成原电池的是（ ）
A．CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O
B．2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O
C．Zn＋2HCl===ZnCl2＋H2↑
D．4Al＋3O2＋6H2O===4Al（OH）3
【解析】 A项不是氧化还原反应，不能设计成原电池。
【答案】 A
2．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
3．
（1）下列装置属于原电池的是________。
（2）在选出的原电池中，________是负极，发生______反应，________是正极，该极的现象是____________________________________________________
______________________________________________________________。
（3）此原电池反应的化学方程式为___________________________________
_______________________________________________________________。
（2）（3）在⑤中，Fe为负极，发生氧化反应，Cu为正极，发生还原反应，Cu表面有气泡冒出，反应实质为Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑。
【答案】
（1）⑤
（2）Fe 氧化 Cu Cu表面有气泡产生
（3）Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑
题组2 原电池的工作原理
4．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】 A．Cu作正极，电极上发生还原反应，错误；B.电池工作过程中，SO
不参加电极反应，故甲池的c（SO
）基本不变，错误；C.电池工作时，甲池反应为Zn－2e－===Zn2＋，乙池反应为Cu2＋＋2e－===Cu，甲池中Zn2＋会通过阳离子交换膜进入乙池，以维持溶液中电荷平衡，由电极反应式可知，乙池中每有64gCu析出，则进入乙池的Zn2＋为65g，溶液总质量略有增加，正确；D.由题干信息可知，阴离子不能通过阳离子交换膜，错误。
【答案】 C
5．如图所示，将锌、铜通过导线相连，置于稀硫酸中。
（1）锌片上的现象是_______________，电极反应式为_______________。
（2）铜片上的现象是_______________，电极反应式为_______________。
（3）电流由________经导线流向________，说明_____________________
为正极，________为负极。
（4）若反应过程中有0.2mol电子发生转移，则生成的氢气在标准状况下的体积为________。
（5）若将电解质溶液换成硫酸铜溶液，能否形成原电池？
________（填“能”或“不能”）。
若能，请写出电极反应式___________________________________
__________________________________________________________________；
若不能，请说明理由_________________________________________________
__________________________________________________________________。
【答案】
（1）锌片溶解变薄 Zn－2e－===Zn2＋
（2）有气泡冒出 2H＋＋2e－===H2↑
（3）铜 锌 铜 锌
（4）2.24L
（5）能 负极：
Zn－2e－===Zn2＋ 正极：
Cu2＋＋2e－===Cu
原电池原理的应用
[基础·初探]
教材整理
原电池的设计
理论上，能自发进行的氧化还原反应均能设计成原电池。
实际设计时应注意以下几方面。
（1）外电路
负极（还原性较强的物质）
正极（较稳定的金属或能导电的非金属）。
（2）内电路
将两极浸入电解质溶液中，使阴、阳离子做定向移动。
（3）闭合电路
[探究·升华]
[思考探究]
根据电极材料Fe、Cu、石墨，电解质溶液CuCl2溶液、FeCl3溶液、NaOH溶液，选择合适的材料和溶液，运用原电池原理设计实验装置，验证Cu2＋、
Fe3＋的氧化性的强弱。
问题思考：
（1）如何证明氧化性：
Fe3＋>Cu2＋？
【提示】 利用反应：
2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋，氧化性：
氧化剂（Fe3＋）>氧化产物（Cu2＋）。
（2）请画出相关的原电池装置图（含盐桥）。
【提示】
（3）该原电池正极反应类型是什么？
负极反应类型是什么？
【提示】 还原反应，氧化反应
（4）正极区域、负极区域有何现象？
【提示】 负极：
Cu棒不断溶解；正极：
溶液由黄色变为浅绿色。
（5）写出电极反应式以及电池反应方程式。
【提示】 负极：
Cu－2e－===Cu2＋
正极：
2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
总反应：
2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
[认知升华]
原电池工作原理的应用
1．原电池正负极的判断
2．加快氧化还原反应的速率。
如：
在锌与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液，能使产生H2的速率加快。
3．比较金属活动性强弱
4．设计原电池
（1）电极材料的选择。
负极一般是活泼的金属材料。
正极一般选用活泼性比负极差的金属材料或石墨等惰性电极。
（2）电解质溶液的选择。
电解质溶液一般要能够与负极发生反应。
若是两个“半反应”分别在两只烧杯中进行，则左、右两只烧杯中的电解质溶液应与电极材料具有相同的阳离子。
[题组·冲关]
题组1 利用原电池判断金属的活动性
1．①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。
①②相连时，外电路电流从②流向①；①③相连时，③为正极；②④相连时，②上有气泡逸出；③④相连时，③的质量减少。
据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是（ ）
A．①③②④B．①③④②
C．③④②①D．③①②④
【解析】 利用原电池的形成和工作原理解决问题。
在外电路中，电流从正极流向负极，则①作原电池的负极，②作正极，故活动性①>②；活动性相对较差的金属作原电池的正极，故金属的活动性①>③；有气泡产生的电极发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑，为原电池的正极，故活动性④>②；质量减少的电极发生氧化反应生成金属离子而溶解，为负极，故活动性③>④，由此可得金属活动性：
①>③>④>②。
【答案】 B
2．根据下图，可判断出下列离子方程式中错误的是（ ）
A．2Ag（s）＋Cd2＋（aq）===2Ag＋（aq）＋Cd（s）
B．Co2＋（aq）＋Cd（s）===Co（s）＋Cd2＋（aq）
C．2Ag＋（aq）＋Cd（s）===2Ag（s）＋Cd2＋（aq）
D．2Ag＋（aq）＋Co（s）===2Ag（s）＋Co2＋（aq）
【解析】 根据题图中“＋”或“－”，可确定正极和负极，且金属作电极，故负极金属活动性强于正极金属，结合原电池装置可判断金属活泼性；Cd>Co和Co>Ag，即Cd>Co>Ag。
由于金属性Cd强于Ag，则A项反应不可能发生；根据金属活动性，可知后三个离子反应均能自发进行。
【答案】 A
题组2 利用原电池反应加快反应速率
3．锌与100mL1mol/L盐酸反应的实验中，若设想向溶液中加入少量的①醋酸钠，②溴化铜，③醋酸铜（均为可溶性），并测定生成H2的速率（mL/min），预计三种方案的速率大小是（ ）
A．①>③>②B．③>②>①
C．②>③>①D．①>②>③
【解析】 醋酸钠与盐酸反应减小了氢离子浓度，反应速率减慢；溴化铜与锌反应置换出铜，形成铜锌原电池，加快了反应速率；醋酸铜既有减小反应速率的因素又有加快反应速率的因素，不好判断以哪个因素为主。
由②的速率最大可确定答案为C。
【答案】 C
4．10mL浓度为1mol/L的盐酸与过量的锌粉反应，若加入适量的下列溶液，能减慢反应速率但又不影响氢气生成量的是（ ）
A．K2SO4B．NaCl
C．CuSO4D．Na2CO3
【解析】 Zn与稀盐酸发生反应：
Zn＋2HCl===ZnCl2＋H2↑，若加入物质使反应速率降低，则c（H＋）减小。
但是不影响产生氢气的物质的量，说明最终电离产生的n（H＋）不变。
A.K2SO4是强酸强碱盐，不发生水解，溶液显中性，溶液中的水对盐酸起稀释作用，使c（H＋）减小，但没有消耗H＋，因此n（H＋）不变，符合题意，正确。
B.NaCl与HCl不发生反应：
不能减慢反应速率，错误。
C.加入CuSO4溶液会与Zn发生置换反应：
CuSO4＋Zn===Cu＋ZnSO4，产生的Cu与Zn和盐酸构成原电池，会加快反应速率，与题意不符合，错误；D.若加入Na2CO3溶液，会与盐酸发生反应：
Na2CO3＋2HCl===2NaCl＋H2O＋CO2↑，使溶液中的c（H＋）减小，但由于逸出了CO2气体，因此使n（H＋）也减小，产生氢气的物质的量减小，不符合题意，错误。
【答案】 AB
题组3 设计原电池
5．一个原电池反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该原电池的正确组成是
选项
A
B
C
D
正极
Zn
Cu
Cu
Zn
负极
Cu
Zn
Zn
Cu
电解质溶液
CuCl2溶液
H2SO4溶液
CuSO4溶液
CuCl2溶液
【解析】 活泼金属为负极，且能与电解质溶液自发地发生氧化还原反应。
【答案】 C
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[学业达标]
1．如图所示的铜锌原电池中，铜电极为（ ）
A．负极
B．质量增加
C．发生还原反应的一极
D．发生氧化反应的一极
【解析】 该装置为原电池，Zn极电子流出为负极，发生氧化反应；Cu极电子流入为正极，发生还原反应，但是质量不会增加。
【答案】 C
2．下列烧杯中盛放的都是稀硫酸，在铜电极上能产生气泡的是（ ）
【解析】 B、C选项均无化学反应；D选项Zn与稀H2SO4反应，但装置不能形成闭合回路，只有A符合要求。
【答案】 A
3．下列有关原电池的说法中正确的是（ ）
A．在外电路中电子由正极流向负极
B．在原电池中，只有金属锌作为负极
C．原电池工作时，阳离子向正极方向移动
D．原电池工作时，阳离子向负极方向移动
【解析】 在原电池外电路中，电子从负极流向正极；原电池中活泼的金属作负极，而不一定是Zn；随着反应的进行，阳离子在正极被还原，电解质溶液中的阳离子向正极移动，而阴离子向负极移动。
【答案】 C
4．将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是（ ）
A．两烧杯中铜片表面均无气泡产生
B．甲中铜片是正极，乙中铜片是负极
C．两烧杯中溶液的pH均增大
D．产生气泡的速度甲比乙慢
【解析】 甲装置是铜锌原电池，乙不能形成原电池装置。
所以乙烧杯中铜表面无气泡生成，则甲中铜表面有气泡生成，A错；乙中Cu片不可能是负极，B错；甲、乙两装置发生的反应均是Zn＋2H＋===H2↑＋Zn2＋，所以两烧杯中溶液的pH均增大，C对；因甲是原电池装置，所以甲烧杯中产生H2的速度快，D错。
【答案】 C
5．用铁片与稀硫酸反应制氢气时，下列不能使氢气生成速率加快的是（ ）
A．加热
B．不用稀硫酸，改用98%浓硫酸
C．加少量硫酸铜溶液
D．不用铁片，改用铁粉
【解析】 加热升高温度和增大固体反应物的接触面积都能加快化学反应速率，A、D正确；铁在浓硫酸中钝化，不产生氢气，B错误；加入少量硫酸铜溶液，由于Cu2＋＋Fe===Cu＋Fe2＋，则构成铜—铁—稀硫酸原电池，加快了铁片与稀硫酸反应制氢气的速率，C正确。
【答案】 B
6．可以将反应Zn＋Br2===ZnBr2设计成原电池，下列4个电极反应：
①Br2＋2e－===2Br－，②2Br－－2e－===Br2，
③Zn－2e－===Zn2＋，④Zn2＋＋2e－===Zn，
其中表示放电时负极和正极反应的分别是（ ）
A．②和③B．②和①
C．③和①D．④和①
【解析】 放电时负极反应物为Zn，失电子被氧化，正极反应物为Br2，得电子被还原。
【答案】 C
7．某原电池总反应离子方程式为：
2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋，不能实现该反应的原电池是（ ）
A．正极为Cu，负极为Fe，电解质溶液为FeCl3溶液
B．正极为C，负极为Fe，电解质溶液为Fe（NO3）3溶液
C．正极为Ag，负极为Fe，电解质溶液为Fe2（SO4）3溶液
D．正极为Ag，负极为Fe，电解质溶液为CuSO4溶液
【解析】 由2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋得出负极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，正极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，可知负极材料为铁，正极材料为比铁不活泼的导体，电解质溶液中必须有Fe3＋，故D选项不能满足要求。
【答案】 D
8．M、N、P、E四种金属：
①M＋N2＋===N＋M2＋ ②M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡 ③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E2＋＋2e－===E，N－2e－===N2＋。
四种金属的还原性由强到弱的顺序是（ ）
A．P、M、N、EB．E、N、M、P
C．P、N、M、ED．E、P、M、N
【解析】 由①知，金属活动性M>N；M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面产生气泡，M做原电池正极，活动性P>M；N、E构成的原电池N做负极，活动性N>E。
【答案】 A
9．在如图所示装置中，观察到电流计指针发生偏转，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
铁
稀盐酸
C
银
锌
硝酸银溶液
D
锌
铁
硝酸铁溶液
【解析】 本题通过电极变化来确定原电池的正负电极，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，由M棒变粗，可知B不正确。
【答案】 C
10．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。
CuSO4溶液 Y
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，发生的电极反应为____________________。
X电极上发生的电极反应为___________________________。
（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的材料是铜，发生氧化反应，电解质溶液Y是可溶性银盐溶液，常用硝酸银溶液。
电极反应式表示为负极：
Cu－2e－===Cu2＋，正极：
Ag＋＋e－===Ag，电子由负极（或Cu）出发，经外电路流向正极（或Ag）。
【答案】
（1）铜（或Cu） AgNO3溶液
（2）正 Ag＋＋e－===Ag Cu－2e－===Cu2＋
（3）负（或Cu） 正（或Ag）
11．A、B、C、D四种金属按下表中的装置进行实验。
装置
现象
二价金属A不断溶解
C的质量增加
A上有气体产生
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__________________________________。
（3）装置丙中溶液的pH________（填“变大”、“变小”或“不变”）。
（4）四种金属活动性由强到弱的顺序是______________________________。
【解析】 甲、乙、丙均为原电池装置。
依据原电池原理，甲中A不断溶解，则A为负极、B为正极，活动性A>B；乙中C极增重，即析出Cu，则B为负极，活动性B>C；丙中A上有气体即H2产生，则A为正极，活动性D>A，随着H＋的消耗，pH变大。
【答案】
（1）A－2e－===A2＋
（2）Cu2＋＋2e－===Cu
（3）变大 （4）D>A>B>C
12．某校化学研究性学习小组欲设计实验验证Fe、Cu的金属活动性，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：
________________________________________________________________
_______________________________________________________________。
方案Ⅱ：
有人利用Fe、Cu作电极设计成原电池，以确定它们的活动性。
试在下面的方框内画出原电池装置图，标出原电池的电极材料和电解质溶液，并写出电极反应式。
正极反应式：
____________________________________________________；
负极反应式：
____________________________________________________。
方案Ⅲ：
结合你所学的知识，帮助他们再设计一个验证Fe、Cu活动性的简单实验方案（与方案Ⅰ、Ⅱ不能雷同）：
____________________________________
_______________________________________________________________，
用离子方程式表示其反应原理：
____________________________________
_______________________________________________________________。
【解析】 比较或验证金属活动性的方案有很多，可以利用金属与酸反应的难易来判断或验证，也可利用原电池原理（负极是较活泼的金属），也可利用金属单质间的置换反应来完成。
【答案】 方案Ⅰ：
Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
方案Ⅱ：
2H＋＋2e－===H2↑ Fe－2e－===Fe2＋
方案Ⅲ：
把铁片插入CuSO4溶液中，一段时间后，观察铁片表面是否生成红色物质（其他答案合理即可）
Fe＋Cu2＋===Cu＋Fe2＋
[能力提升]
13．将等质量的两份锌粒a、b分别加入过量的稀硫酸中，同时向a中加少许胆矾晶体，下列各图表示产生氢气的体积V（L）与时间t（min）的关系正确的是
（ ）
【解析】 向a中加入少许胆矾晶体，则有Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋，消耗一部分Zn，所以产生H2的量较少，但生成的Cu附于Zn上又组成铜锌原电池，加快反应速率，因此曲线a的斜率大于曲线b的斜率。
【答案】 A
14．如图，在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y，外电路中电子流向
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】 根据电子流动方向，X是原电池负极，Y是正极。
外电路的电流方向为：
Y→外电路→X，故A错误；X是原电池负极，故铁是X，故B错误；X是原电池负极，负极发生氧化反应，故C错误；若两电极都是金属，活泼金属作负极，X是负极，则它们的活动性顺序为X＞Y，故D正确。
【答案】 D
15．某同学组装了如图所示的电化学装置，电极Ⅰ为Al，其他电极均为Cu，则（ ）
A．工作一段时间后，C烧杯的pH减小
B．电极
发生还原反应
C．盐桥中的K＋移向A烧杯
D．电流方向：
电极Ⅳ→
→电极Ⅰ
【解析】 由题意可知，该装置的Ⅰ、Ⅱ是原电池的两极，Ⅰ是负极，Ⅱ是正极，Ⅲ、Ⅳ是电解池的两极，其中Ⅲ是阳极，Ⅳ是阴极；装置C是电镀池，硫酸铜浓度不变，C烧杯的pH不变，A错误；电极Ⅰ是原电池的负极，发生氧化反应，故B错误；原电池中阳离子移向正极，盐桥中的K＋移向B烧杯，故C错误；电流方向：
电极Ⅳ→
→电极Ⅰ，故D正确。
【答案】 D
16．已知可逆反应：
AsO
＋2I－＋2H＋AsO
＋I2＋H2O。
（Ⅰ）如图所示，若向B中逐滴加入浓盐酸，发现电流表指针偏转。
（Ⅱ）若改为向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。
试回答问题：
（1）两次操作中电流表指针为什么会发生偏转
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