专题时原电池的工作原理

第1课时原电池的工作原理[学习目标定位]1.以铜锌原电池为例，熟悉原电池的工作原理。2.会正确判断原电池的正极和负极。3.学会原电池电极反应式的书写方法。一原电池的工作原理1．按图所示装置，完成实验并回答下列问题：(1)有关的实验现象有哪些？答案①锌片溶解，铜片加厚变亮，CuSO4溶液颜色变浅。②电流计的指针发生偏转。(2)该装置中的能量变化是化学能转化为电能。(3)电子流动方向和电流方向①外电路：电子由锌电极经过导线流向铜电极，电流由铜电极流向锌电极。②内电路：锌失电子，阴离子移向负极；铜离子得电子，阳离子移向正极。(4)电极反应负极反应式是Zn－2e－=Zn2＋；正极反应式是Cu2＋＋2e－=Cu；电池反应式是Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu。(5)用温度计测量溶液的温度，其变化是溶液的温度略有升高，原因是还有Cu2＋直接在锌电极上得电子被还原，部分化学能转化成热能。2．按下图所示装置，完成实验，并回答下列问题：(1)实验过程中，你能观察到的实验现象是①锌片溶解，铜片加厚变亮；②电流计指针发生偏转；③CuSO4溶液的颜色变浅。(2)用温度计测量溶液的温度，其结果是溶液的温度不升高(或无变化)；由此可说明CuSO4溶液中的Cu2＋不能移向锌片得电子被还原。(3)离子移动方向①硫酸锌溶液中：Zn2＋向盐桥移动；②硫酸铜溶液中：Cu2＋向铜极移动；③盐桥中：K＋移向正极区(CuSO4溶液)，Cl－移向负极区(ZnSO4溶液)。(4)若取出装置中的盐桥，电流计的指针是否还会发生偏转？为什么？答案不偏转。如果要使电流计指针发生偏转，则该装置中必须形成闭合回路，若取出盐桥，很显然该装置未构成闭合回路，电流计指针不会发生偏转。3．实验结论：与题1中的原电池装置相比较，题2中双液原电池具有的特点是(1)具有盐桥。取下盐桥，无法形成闭合回路，反应不能进行，可控制原电池反应的进行。(2)两个半电池完全隔开，Cu2＋无法移向锌片，可以获得单纯的电极反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。归纳总结1．原电池原理原电池原理是把氧化反应和还原反应分开进行，还原剂在负极上失去电子发生氧化反应，电子通过导线流向正极，氧化剂在正极上得到电子发生还原反应。2．原电池电极及电极反应特点(1)负极为电子流出极，相对活泼，通常是活动性较强的金属或某些还原剂，电极被氧化，发生氧化反应。(2)正极为电子流入极，相对不活泼，通常是活动性较差的金属或非金属导体，一般是电解质溶液中的氧化性强的离子被还原或电极上附着物本身被还原，发生还原反应。3．原电池的设计从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。关键是选择合适的电解质溶液和两个电极。(1)电解质溶液：一般能与负极反应，或者溶解在溶液中的物质(如O2)与负极反应。(2)电极材料：一般较活泼的金属作负极，较不活泼的金属或非金属导体作正极。4．原电池的应用(1)比较金属活动性强弱。(2)比较反应速率。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()①在外电路中，电流由铜电极流向银电极②正极反应为Ag＋＋e－=Ag③实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作④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．①②B．②③C．②④D．③④答案C解析铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、盐桥构成一个原电池，Cu作负极，Ag作正极，其电极反应分别为负极：Cu－2e－=Cu2＋，正极：2Ag＋＋2e－=2Ag，盐桥起到了传导离子、形成闭合回路的作用，电子的流向是由负极流向正极，电流的方向与电子的流向相反，因此C正确。2．关于如图所示的原电池，下列说法正确的是()A．电子从锌电极通过电流计流向铜电极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2H＋＋2e－=H2↑D．取出盐桥后，电流计仍会偏转，铜电极在反应前后质量不变答案A解析锌片作负极，铜片作正极，电子从负极流向正极，A选项正确；盐桥中的阴离子向负极移动，B选项错误；负极发生氧化反应，正极发生还原反应，铜电极发生的反应为Cu2＋＋2e－=Cu，C选项错误；取出盐桥后不能形成原电池，铜电极在反应后质量增加，D选项错误。二原电池的电极判断及电极反应式的书写1．原电池电极(正极、负极)的判断依据有多种。试填写下表：判断依据正极负极电极材料不活泼金属或非金属导体活泼金属电子流向电子流入电子流出电极反应还原反应氧化反应电极现象电极增重或产生气体电极减轻2.写出下表中原电池装置的电极反应和总的化学反应方程式：负极材料正极材料电解质溶液(1)铁铜稀硫酸(2)铜银硝酸银(1)正极反应_______________________________________________________________________；负极反应____________________________________；总反应方程式__________________________________。(2)正极反应____________________________________________；负极反应_______________________________________________________；总反应方程式____________________________________________________。答案(1)2H＋＋2e－=H2↑Fe－2e－=Fe2＋Fe＋H2SO4=FeSO4＋H2↑(2)2Ag＋＋2e－=2AgCu－2e－=Cu2＋Cu＋2AgNO3=Cu(NO3)2＋2Ag解析负极失去电子，发生氧化反应；正极得到电子，发生还原反应。根据活泼性，(1)中铁作负极，(2)中铜作负极。3．有一纽扣电池，其电极分别为Zn和Ag2O，以KOH溶液为电解质溶液，电池的反应方程式为Zn＋Ag2O＋H2O=2Ag＋Zn(OH)2。(1)Zn发生氧化反应，是负极，电极反应式是Zn－2e－＋2OH－=Zn(OH)2。(2)Ag2O发生还原反应，是正极，电极反应式是Ag2O＋2e－＋H2O=2Ag＋2OH－。归纳总结1．一般电极反应式的书写方法(1)定电极，标得失。按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应，判断出电极反应产物，找出得失电子的数量。(2)看环境，配守恒。电极产物在电解质溶液的环境中，应能稳定存在，如碱性介质中生成的H＋应让其结合OH－生成水。电极反应式要依据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等加以配平。(3)两式加，验总式。两电极反应式相加，与总反应方程式对照验证。2．已知总反应式，书写电极反应式(1)分析化合价，确定正极、负极的反应物与产物。(2)在电极反应式的左边写出得失电子数，使得失电子守恒。(3)根据质量守恒配平电极反应式。(4)eq\x(复杂电极反应式)＝eq\x(总反应式)－eq\x(简单的电极反应式。)3．某电池的总反应为Fe＋2Fe3＋=3Fe2＋，能实现该反应的原电池是()正极负极电解质溶液ACuFeFeCl3溶液BCFeFe(NO3)2溶液CFeZnFe2(SO4)3溶液DAgFeCuSO4溶液答案A解析能实现反应Fe＋2Fe3＋=3Fe2＋的原电池应符合以下条件：①负极为Fe，正极材料的活泼性比Fe差；②电解质溶液应为含Fe3＋的溶液，B、D两项电解质溶液选错；C项负极材料选错。4．依据氧化还原反应：2Ag＋(aq)＋Cu(s)=2Ag(s)＋Cu2＋(aq)设计的原电池图所示。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，发生的电极反应式为____________________________；X电极上发生的电极反应式为____________________________。(3)外电路中的电子是从________电极流向__________电极。答案(1)CuAgNO3溶液(2)正2Ag＋＋2e－=2Ag(或Ag＋＋e－=Ag)Cu－2e－=Cu2＋(3)Cu(负)Ag(正)解析该原电池的电池总反应式为2Ag＋(aq)＋Cu(s)=2Ag(s)＋Cu2＋(aq)，由此可知X极是铜，作负极，银作正极，Y应是AgNO3溶液。电子从原电池的负极经导线流向正极，即从铜电极流向银电极。1．将纯锌片和纯铜片按图所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．产生气泡的速率甲比乙慢答案C解析图甲是一个原电池装置，负极(Zn)：Zn－2e－=Zn2＋，正极(Cu)：2H＋＋2e－=H2↑，形成原电池能加快产生氢气的速率；图乙中，Zn直接与稀H2SO4反应生成H2：Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑，甲、乙两烧杯中H2SO4均被消耗，溶液的pH均增大。2．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Cu2＋＋2e－=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答案D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Fe－2e－=Fe2＋、Cu2＋＋2e－=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。3．某原电池装置如图所示。下列有关叙述中正确的是()A．Fe作正极，发生氧化反应B．工作一段时间后，两烧杯中溶液pH均不变C．负极反应：2H＋＋2e－=H2↑D．工作一段时间后，NaCl溶液中c(Cl－)增大答案D解析该装置是原电池。A项，在该原电池中Fe作负极，发生氧化反应；B项，工作一段时间后，左边的烧杯中会含有大量的Fe2＋，溶液的pH减小，右边烧杯中的H＋不断放电产生氢气，因此烧杯中溶液pH会逐渐增大；C项，负极反应是Fe－2e－=Fe2＋；D项，工作一段时间后，左侧烧杯中由于Fe2＋不断进入溶液，根据溶液呈电中性原则，盐桥中的Cl－会进入该烧杯溶液中，则该烧杯溶液中c(Cl－)增大。4．分析图所示的四个原电池装置，结论正确的是()A．①②中Mg作负极，③④中Fe作负极B．②中Mg作正极，电极反应式为6H2O＋6e－=6OH－＋3H2↑C．③中Fe作电池负极D．④中Cu作正极，电极反应式为2H＋＋2e－=H2↑答案B解析电解质溶液不同，导致两极反应发生改变。本题考查原电池的正、负极的判断和电极反应式的书写以及学生知识的变迁能力和灵活应变能力。①中稀硫酸是电解质溶液，Mg作负极(活动性Mg＞Al)；②中NaOH溶液是电解质溶液，Al作负极(Mg不与NaOH溶液反应)；③中Cu作负极，电极反应式为Cu－2e－=Cu2＋，Fe作正极，因为常温下，Fe遇浓硝酸发生钝化；④中Cu作正极，电极反应式为2H2O＋O2＋4e－=4OH－。5．由A、B、C、D四种金属按下表中装置图进行实验。装置现象二价金属A不断溶解C极质量增加A上有气泡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__________________________________。答案(1)A－2e－=A2＋(2)Cu2＋＋2e－=Cu(3)变大(4)D＞A＞B＞C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上有气泡即H2产生，则A为正极，活动性D＞A，随着H＋的消耗，pH变大。40分钟课时作业[经典基础题]题组1原电池的工作原理1．下列说法正确的是()A．原电池中，负极上发生的反应是还原反应B．原电池中，电流的方向是负极—导线—正极C．双液原电池中的盐桥是为了联通电路，所以也可以用金属导线代替D．在原电池中，阳离子移向正极，阴离子移向负极答案D解析A项，负极上发生氧化反应；B项，电流的方向应是正极—导线—负极；C项，盐桥不能用导线代替。2．某原电池反应的离子方程式为Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑，则下列说法中正确的是()A．用HNO3作电解质溶液B．用锌作原电池正极C．用铁作负极，铁的质量不变D．用铜作原电池正极答案D解析根据原电池反应式可以确定原电池负极为Fe，电解质溶液为稀盐酸，但不能为HNO3，若为稀HNO3，则原电池反应为3Fe＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=2NO↑＋3Fe2＋＋4H2O。3．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()选项MNPAZnCu稀硫酸BCuFe稀盐酸CAgZn硝酸银溶液DZnFe硝酸铁溶液答案C解析根据电极现象可以推断M为正极，N为负极，电解质溶液应为不活泼金属的盐溶液。4．如图所示的装置中有电流产生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Fe－3e－=Fe3＋C．内电路中阴离子移向FeCl2溶液D．电流由石墨电极流向Fe电极答案B解析图示装置为原电池，负极(Fe)：Fe－2e－=Fe2＋，正极(C)：2Fe3＋＋2e－=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。5．一个电池反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu，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CuCl2H2SO4CuSO4HCl答案C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。题组2原电池的应用6．根据图示，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)答案A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Cd＞Co＞Ag，则选项中符合此关系的置换反应成立。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极有气泡产生c极无变化实验装置部分实验现象d极溶解c极有气泡产生电流从a极流向d极由此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解析由第一个装置a极溶解，故a为负极，可知金属活动性a>b，第二个装置依据金属活动顺序可知金属活动性b>c；同理第三个装置d极溶解可知，d极为负极，金属活动性d>c；由第四个装置电流从a极流向d极，则电子从d极流向a极，故金属活动性d>a，则选项C符合题意。8．下列叙述正确的是()A．反应AlCl3＋4NaOH=NaAlO2＋3NaCl＋2H2O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．Zn－Cu原电池工作过程中，溶液中H＋向负极作定向移动答案B解析A项，属非氧化还原反应，不能用于设计原电池；B项，锌与置换出来的铜在电解质溶液中形成原电池，加快产生H2的速率；C项，构成原电池，负极Fe－2e－=Fe2＋，正极2H＋＋2e－=H2↑；D项，H＋向原电池的正极作定向移动。9．Mg－AgCl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2AgCl＋Mg=Mg2＋＋2Ag＋2Cl－。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AgCl＋e－=Ag＋Cl－C．Mg为电池的正极D．AgCl为正极，发生了氧化反应答案A解析Mg－AgCl电池工作时将化学能转化为电能，可用于海上照明供电，A项正确；该电池中Mg发生氧化反应作电池的负极，反应式为Mg－2e－=Mg2＋，B、C项不正确；AgCl发生还原反应，为电池正极，D项不正确。10．锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到了普遍重视，目前已研制成功多种锂电池。某种锂电池的总反应方程式为Li＋MnO2=LiMnO2，下列说法正确的是()A．Li是正极，电极反应式为Li－e－=Li＋B．Li是负极，电极反应式为Li－e－=Li＋C．MnO2是负极，电极反应式为MnO2＋e－=MnOeq\o\al(－,2)D．Li是负极，电极反应式为Li－2e－=Li2＋答案B解析由总反应方程式eq\o(L,\s\up6(0))i＋eq\o(M,\s\up6(＋4))nO2=eq\o(Li,\s\up6(＋1))eq\o(M,\s\up6(＋3))nO2可知，Li元素在反应后化合价升高(0→＋1)，Mn元素在反应后化合价降低(＋4→＋3)。Li被氧化，在电池中作负极，电极反应为Li－e－=Li＋，MnO2在正极上反应，电极反应为MnO2＋e－=MnOeq\o\al(－,2)。[能力提升题]11．某研究性学习小组欲探究原电池的形成条件，按如图所示装置进行实验并得到下表实验结果：实验序号AB烧杯中的液体灵敏电流计指针是否偏转1ZnZn乙醇无2ZnCu稀硫酸有3ZnZn稀硫酸无4ZnCu苯无5CuC氯化钠溶液有6MgAl氢氧化钠溶液有分析上述实验，回答下列问题：(1)实验2中电流由________极流向________极(填“A”或“B”)。(2)实验6中电子由B极经导线流向A极，表明负极是________(填“镁”或“铝”)电极。(3)实验5表明________(填字母，下同)。A．铜在潮湿空气中不会被腐蚀B．铜的腐蚀是自发进行的(4)分析上表有关信息，下列说法不正确的是________。A．相对活泼的金属一定作负极B．失去电子的电极是负极C．烧杯中的液体必须是电解质溶液D．原电池中，浸入同一电解质溶液中的两个电极，是活泼性不同的两种金属(或其中一种是非金属导体)答案(1)BA(2)铝(3)B(4)A解析(1)电流是由正极流向负极，实验2中，Cu为正极，Zn为负极。(2)电子由负极流向正极，实验6中电子由B极流向A极，表明负极是B(Al)。(3)实验5是铜的吸氧腐蚀，说明铜的腐蚀是自发进行的。(4)判断原电池负极时，不能简单地比较金属的活动性，要看反应的具体情况，如Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子，Al作负极，Mg作正极；在原电池中负极失去电子，发生氧化反应；必须有电解质溶液形成闭合回路；活泼性不同的两种金属，或一种金属和一种能导电的非金属都可以作电极。12．由锌片、铜片和200mL稀H2SO4组成的原电池如图所示。(1)原电池的负极反应式是____________________________，正极反应式是___________________________________。(2)电流的方向是____________________________________。(3)一段时间后，当在铜片上放出L(标准状况)气体时，H2SO4恰好消耗一半。则产生这些气体的同时，共消耗________g锌，有________个电子通过了导线，原硫酸的物质的量浓度是________(设溶液体积不变)。答案(1)Zn－2e－=Zn2＋2H＋＋2e－=H2↑(2)由Cu极流向Zn极(3)×1022mol·L－1解析(3)产生molH2，通过mol×2＝mol电子，消耗molZn和molH2SO4，所以m(Zn)＝mol×65g·mol－1＝g，N(e－)＝mol××1023mol－1＝×1022，c(H2SO4)＝eq\f(mol×L)＝mol·L－1。13．(1)利用反应Cu＋2FeCl3=CuCl2＋2FeCl2设计成如图所示原电池，回答下列问题：①写出电极反应式：正极________________________________________________________________________；负极________________________________________________________________________。②图中X溶液是________，Y溶液是________。③原电池工作时，盐桥中的________(填“阳”或“阴”)离子向X溶液方向移动。(2)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______________反应，电极反应式为____________。②电流计读数为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)①2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋Cu－2e－=Cu2＋②FeCl3CuCl2③阳(2)①氧化2I－－2e－=I2还原2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋②正I2＋2e－=2I－(3)O2＋4e－＋4H＋=2H2O解析(1)该原电池中Cu作负极，电极反应式为Cu－2e－=Cu2＋；C作正极，电极反应式为2Fe3＋＋2e－=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