2019高二化学实验3原电池的结构和工作原理学案.docx

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（Zn2eZn2+）；正极发生还原反应，得到电子（2H+2eH2）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，Zn2eZn2+，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+2eCu，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-neMn+）；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DH+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（）ACaOH2O=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Cu2AgNO3=Cu(NO3)22Ag，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】CaOH2O=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YB若两电极分别为Fe和碳棒，则X为碳棒，Y为FeCX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XY【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XY。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】B5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Al3e=Al3+B由Mg、Al、NaOH溶液组成原电池，其负极反应式为Al3e4OH=AlO2H2OC由Fe、Cu、FeCl3溶液组成原电池，其负极反应式为Cu2e=Cu2+D由Al、Cu、浓硝酸组成原电池，其负极反应式为Cu2e=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Ba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Da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ab(碳棒)，所以a为电池的负极，b为正极。电极反应式：a(负)极：ane=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（）Aabcd BbcdaCdabc Dabdc【答案】C8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（）MNPA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】C9（1）控制适合的条件，将反应2Fe3+2I2Fe2+I2设计成如图所示的原电池。请回答下列问题：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_。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2CuO22H2SO4=2CuSO42H2O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）氧化2I2e=I2还原2Fe3+2e=2Fe2+正I22e=2I（2）O24e4H+=2H2O【解析】（1）根据反应2Fe3+2I=2Fe2+I2，原电池的电极反应：负极：2I2e=I2，发生氧化反应。正极：2Fe3+2e=2Fe2+，发生还原反应。反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应；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2Fe32I2Fe2I2向左移动。因此，右侧石墨作正极，电极反应式为：I22e=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：O24e4H+=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）ba（2）MnO2eLi=LiMnO2（3）否电极Li是活泼金属，能与水反应（4）3MnO2KClO36KOH3K2MnO4KCl3H2O21【解析】（1）结合所给装置图以及原电池反应原理，可知Li作负极材料，MnO2作正极材料，所以电子流向是从ab，那么电流方向则是ba。（2）根据题目中的信息“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”，所以正极的电极反应式为MnO2eLi=LiMnO2。（3）因为负极的电极材料Li是活泼的金属，能够与水发生反应，故不能用水代替电池中的混合有机溶剂。（4）由题目中的信息“MnO2可与KOH和KClO3在高温条件下反应，生成K2MnO4”，可知该反应属于氧化还原反应，Mn元素化合价升高()，则Cl元素的化合价降低()，所以化学方程式为3MnO2KClO36KOH3K2MnO4KCl3H2O；“K2MnO4在酸性溶液中歧化，生成KMnO4(K2nO4KnO4)和MnO2(K2nO4O2)”，根据得失电子守恒，可知生成的KMnO4和MnO2的物质的量之比为21。11铁的重要化合物高铁酸钾(K2FeO4)是一种新型饮用水消毒剂，具有很多优点。而且高铁电池的研制也在进行中。如图1是高铁电池的模拟实验装置：（1）该电池放电时正极的电极反应式为_；若维持电流强度为1A，电池工作10min，理论消耗Zn_g（已知F=96500Cmol-1）。（2）图2