高中化学 考点过关（下）考点13 原电池工作原理 新人教版选修4（通用）

考点过关（下）考点13 原电池工作原理电化学包括原电池、电解池、金属的腐蚀和防护三部分内容。原电池的原理及应用是中学化学教学的重点和难点之一，这部分内容理论性强，与实际联系紧密，是知识与能力、科学与人文的极佳结合点之一，既可以综合学科内知识，也可以涉及学科间知识的运用，还可以与生产生活、新科技及新技术等问题相联系，是不可忽视的一个知识点。原电池理论考题灵活多变、难度大、综合性比较强，既考查对基础知识的掌握，也考查知识迁移，综合应用知识分析、解决问题的能力，还考察的信息捕捉能力和创新思维能力。原电池考查的主要内容有原电池原理、形成的条件、电极名称及电极反应，以及对一些新型电池的电极反应的书写。电化学反应的实质就是氧化还原反应，还涉及到电解质溶液等知识，因此有比较宽的命题背景。原电池是将化学能直接转化为电能的一种装置。其原理也是通过化学反应（在正负极发生不同的氧化还原反应）使闭合电路中产生电子流，从而产生电流的。其中在负极发生氧化反应，正极发生还原反应。原电池的工作原理原电池反应属于放热的氧化还原反应，但区别于一般的氧化还原反应的是，电子转移不是通过氧化剂和还原剂之间的有效碰撞完成的，而是还原剂在负极上失电子发生氧化反应，电子通过外电路输送到正极上，氧化剂在正极上得电子发生还原反应，从而完成还原剂和氧化剂之间电子的转移。两极之间溶液中离子的定向移动和外部导线中电子的定向移动构成了闭合回路，使两个电极反应不断进行，发生有序的电子转移过程，产生电流，实现化学能向电能的转化。从能量转化角度看，原电池是将化学能转化为电能的装置；从化学反应角度看，原电池的原理是氧化还原反应中的还原剂失去的电子经外接导线传递给氧化剂，使氧化还原反应分别在两个电极上进行。【例题1】某小组为研究电化学原理，设计了如图所示装置。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Cu22e=CuC.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用导线连接后，电流由铁电极经导线流向铜电极【解析】a和b不连接时，Fe和Cu2直接发生氧化还原反应，铁片上会有金属铜析出，A项正确；若a和b用导线连接，则构成原电池，此时铁为负极，铜为正极，电极反应式分别为Fe2e=Fe2、Cu22e=Cu，B项正确；分析选项A、B可知，选项C是正确的；在原电池中，电流应由正极流出，经导线流向负极，故D项错。【答案】D原电池形成前提是总反应为自发的氧化还原反应，构成条件是电极材料由两种金属活泼性不同的金属或由金属与其他导电的材料（非金属或某些氧化物等）组成；两电极必须浸泡在电解质溶液中，其中一极可以与电解质自发的进行氧化还原反应；两电极之间有导线连接，形成闭合回路。只要具备以上三个条件就可构成原电池。而化学电源因为要求可以提供持续而稳定的电流，所以除了必须具备原电池的三个构成条件之外，还要求有自发进行的氧化还原反应。也就是说化学电源必须是原电池，但原电池不一定都能做化学电池。原电池电极的构成应具备以下条件：活泼性不同的金属，如锌铜原电池，锌作负极，铜作正极；金属和非金属（非金属必须能导电），如锌锰干电池，锌作负极，石墨作正极；金属与化合物，如铅蓄电池，铅板作负极，二氧化铅作正极；惰性电极，如氢氧燃料电池，电极均为铂。原电池电解液的必须具备负极材料一般要能与电解液自行发生氧化还原反应。【例题2】下列叙述正确的是()A.反应AlCl34NaOH=NaAlO23NaCl2H2O可以设计成原电池B.Zn和稀硫酸反应时，加入少量CuSO4溶液能加快产生H2的速率C.把Fe片和Cu片放入稀硫酸中，并用导线把二者相连，观察到Cu片上产生大量气泡，说明Cu与H2SO4能发生反应而Fe被钝化D.ZnCu原电池工作过程中，溶液中H向负极作定向移动电化学装置中都有两个电极，分别发生氧化反应与还原反应。若两个电极插在同一电解质溶液的容器内，则由于阴阳离子的移动速率不同而导致两极之间出现浓度差，以及因电极本身直接与离子反应而导致两极之间电势差变小，影响了电流的稳定。为解决这个问题，人们使用了盐桥。盐桥主要出现在原电池中，有时也可在电解池中出现，其主要作用就是构建闭合的内电路，但不影响反应的实质。盐桥内常为饱和氯化钾、硝酸钾等溶液。化学原电池盐桥的作用，一是保持电中性的和沟通回路，保持电中性就是保证其连接的两个半电池中的电解质溶液呈中性(正负电荷相等)，因为化学原电池进行反应时溶液中的离子得失电子,使得半电池溶液正电荷或负电荷偏多,盐桥的存在可为它们提供相应的电荷,从而在盐桥中产生电流,与外部反应结合,构成闭合回路保证原电池反应的进行。二是在两种溶液之间插入盐桥以代替原来的两种溶液的直接接触，减免和稳定液接电位（当组成或活度不同的两种电解质接触时，在溶液接界处由于正负离子扩散通过界面的离子迁移速度不同造成正负电荷分离而形成双电层，这样产生的电位差称为液体接界扩散电位，简称液接电位）,使液接电位减至最小以致接近消除，防止试液中的有害离子扩散到参比电极的内盐桥溶液中影响其电极电位。简而言之，盐桥的作用就是使原电池中氧化剂和还原剂近乎完全隔离,并在不同区域之间实现了电子的定向移动,使原电池能持续、稳定地产生电流。【例题3】关于下图所示的原电池，下列说法正确的是()A.电子从锌电极通过电流表流向铜电极B.盐桥中的阴离子向硫酸铜溶液中迁移C.锌电极发生氧化反应；铜电极发生还原反应，其电极反应是2H2e=H2D.取出盐桥后，电流表仍会偏转，铜电极在反应前后质量不变原电池正、负极的判断方法如下：根据组成原电池的两极材料判断：一般是活泼性较强的金属为负极;活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极；根据电流方向或电子流动方向判断：电子流出的电极是负极,电子流入的电极是正极,而电流由正极流向负极；根据原电池中电解质溶液内离子的定向移动方向判断：在原电池的电解质溶液内,阳离子移向的电极是正极,阴离子移向的电极是负极；根据原电池两极发生的变化来判断：失去电子发生氧化反应的电极是负极,得到电子发生还原反应的电极是正极；根据现象判断：一般溶解的电极为负极,增重或有气泡放出的电极为正极；根据某电极(X)附近pH的变化判断：生成H2或吸收O2的电极反应发生后,均能使该电极附近电解质溶液的pH增大。因而原电池工作后,X极附近溶液的pH增大,说明X极为正极,金属活动性较弱。如果原电池的正负极判断失误，电极反应式的书写一定错误。上述判断正负极的方法是一般方法，但不是绝对的，例如铜片和铝片同时插入浓硝酸溶液中，由于铝片表明的钝化，这时铜失去电子，是负极，镁片和铝片同时插入氢氧化钠溶液中，虽然镁比铝活泼，但由于镁不与氢氧化钠反应，而铝却反应，失去电子，是负极。【例题4】分析如图所示的四个原电池装置，下列结论正确的是()A.中Mg作负极，中Fe作负极B.中Mg作正极，电极反应式为6H2O6e=6OH3H2C.中Fe作负极D.中Cu作正极，电极反应式为2H2e=H2【考点练习】1.用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有琼脂-KNO3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()在外电路中,电流由铜电极流向银电极正极的电极反应式为Ag+e-=Ag实验过程中取出盐桥,原电池仍可继续工作将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同A.B.C.D.2.MgAgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，电池方程式为2AgClMg=Mg22Ag2Cl。有关该电池的说法正确的是()A.可用于海上照明供电B.负极反应为AgCle=AgClC.Mg为电池的正极D.AgCl为正极，发生了氧化反应3.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)4.一个电池反应的离子方程式是ZnCu2=Zn2Cu，该反应的原电池正确组合是()选项ABCD正极ZnCuCuFe负极CuZnZnZn电解质溶液CuCl2H2SO4CuSO4HCl5.如图所示的装置中有电流产生，则以下说法不正确的是()A.Fe是负极，C是正极B.负极反应式为Fe3e=Fe3C.内电路中阴离子移向FeCl2溶液D.电流由石墨电极流向Fe电极6.某同学利用右图实验装置探究盐桥式原电池的工作原理(Cu元素的相对原子质量为64)。按照实验步骤依次回答下列问题:(1)导线中电子流向为(用a、b表示)。(2)写出装置中锌电极上的电极反应式:。(3)若装置中铜电极的质量增加0.64 g,则导线中转移的电子数目为。(不用NA表示)(4)盐桥中除添加琼脂外,还要添加KCl的饱和溶液,电池工作时,对盐桥中的K+、Cl-的移动方向的表述正确的是(填字母)。A.盐桥中的K+向左侧烧杯移动,Cl-向右侧烧杯移动B.盐桥中的K+向右侧烧杯移动,Cl-向左侧烧杯移动C.盐桥中的K+、Cl-都向左侧烧杯移动D.盐桥中的K+、Cl-几乎都不移动7.(1)利用反应Cu2FeCl3=CuCl22FeCl2设计成如下图所示的原电池，回答下列问题：写出电极反应式：正极_；负极_。图中X溶液是_，Y溶液是_。原电池工作时，盐桥中的_(填“阳”、“阴”)离子向X溶液方向移动。(2)控制适合的条件，将反应2Fe32I2Fe2I2设计成如图所示的原电池。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_。(3)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_。8某探究活动小组想利用原电池反应检测金属的活动性顺序，有甲、乙两位同学均使用镁片与铝片作电极，但甲同学将电极放入6 molL1的稀H2SO4中，乙同学将电极放入6 molL1的NaOH溶液中，如图所示。(1)写出甲池中发生的有关电极反应的反应式：负极_，正极_。(2)写出乙池中发生的有关电极反应的反应式：负极_，正极_，总反应离子方程式为_。(3)如果甲与乙两位同学均认为“构成原电池的电极材料若是金属，则构成负极材料的金属应比构成正极材料的金属活泼”，则甲会判断出_活动性更强，而乙会判断出_活动性更强(填写元素符号)。(4)由此实验，可得到如下哪些结论_。A利用原电池反应判断金属活动性顺序应注意选择合适的介质B镁的金属性不一定比铝的金属性强C该实验说明金属活动性顺序表已过时，已没有实用价值D该实验说明化学研究对象复杂、反应条件多变，应具体问题具体分析(5)上述实验也反过来证明了“利用金属活动性顺序表直接判断原电池中正、负极”的做法不可靠，则请你提出另一个判断原电池正、负极可行的实验方案_。参考答案1.【解析】Cu作负极,Ag作正极。负极反应式为:Cu-2e-=Cu2+，正极反应式为:Ag+e-=Ag。在外电路中,电子由Cu电极流向Ag电极,而电流方向与电子流向相反,所以错误；没有盐桥,原电池不能继续工作,错误；无论是否为原电池,反应实质都相同,均为氧化还原反应,正确。【答案】C3.【解析】根据原电池知识，金属活动性：负极正极，可得三种金属的活动性顺序应为CdCoAg，则选项中符合此关系的置换反应成立。【答案】A4.【解析】该原电池负极为Zn，正极为比Zn不活泼的金属或石墨等，电解质溶液中含有Cu2，故只有C选项正确。【答案】C5.【解析】图示装置为原电池，负极(Fe)：Fe2e=Fe2，正极(C)：2Fe32e=2Fe2，A项正确，B项不正确；内电路中，Fe电极失电子，呈正电，吸引阴离子，C项正确；外电路中，电流由正极(C)流向负极(Fe)，D项正确。【答案】B6.【解析】在该原电池中负极为Zn,电极反应式为Zn-2e-=Zn2+,正极为铜,电极反应式为Cu2+2e-=Cu,当铜电极增加0.64 g时,转移电子数(由a到b)为0.64g64gmol-16.021023 mol-12=1.2041022。盐桥中K+向正极区(右侧烧杯)移动,Cl-向负极区(左侧烧杯)移动。【答案】(1)由a到b(或ab)(2)Zn-2e-=Zn2+(3)1.2041022(4)B7.【解析】(1)该原电池中Cu作负极，电极反应式为Cu2e=Cu2；C作正极，电极反应式为2Fe32e=2Fe2。X应为FeCl3溶液，Y应为CuCl2溶液。原电池工作时，盐桥中的阳离子向正极(C)移动。(2)根据反应2Fe32I=2Fe2I2，原电池的电极反应：负极2I2e=I2，发生氧化反应。正极2Fe32e=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2Fe22e=2Fe3。(3)Cu作负极，O2在正极上得电子：O24e4H=2H2O。【答案】(1)2Fe32e=2Fe2Cu2e=Cu2FeCl3CuCl2阳(2)氧化2I2e=I2还原2Fe32e=2Fe2正I22e=2I(3)O24e4H=2H2O极，Al为正