原电池的工作原理(原卷版)

4.1.1原电池的工作原理学习目标重难点1．深入理解原电池的工作原理；整体性的认识原电池的形成条件2．会书写电极反应式和电池总反应方程式；能根据反应设计简单的原电池3．采用实验探究、列表比较，对比分析和讨论归纳，宏微观结合、突破教学重难点，让学生掌握原电池的工作原理、电极方程式书写；并能独立自主的设计简单原电池。4．结合生产、生活实际，学习原电池原理在生产、生活中的实际运用。重点：1．原电池的工作原理、形成条件。2．电极反应式和电池总反应方程式。难点：原电池工作原理。知识01原电池的工作原理1．原电池的构成条件(1)定义：把__________转化为_____的装置。(2)构成条件：一看反应：看是否有能自发进行的__________反应发生。二看两电极：一般是_________________________。三看是否形成闭合回路形成闭合回路需三个条件：(1)__________；(2)两电极直接或间接接触；(3)两电极插入电解质溶液。2．实验探究将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液用一个盐桥连接起来，然后将锌片和铜片用导线连接，并在中间串联一个电流表，观察现象。电池名称单液电池双液电池(盐桥电池)实验装置实验现象电流表指针_____电极变化锌片逐渐溶解，铜片质量_____电流变化一段时间后，电流逐渐衰减产生的电流持续、稳定微观探析锌片的Zn失去电子形成_____进入溶液，质量减轻；电子通过导线传递到铜片上形成电流，电流表指针偏转；溶液中的Cu2＋在铜片获得电子变成_____沉积在铜片上，质量增加。符号表征电极反应式Zn片：___________________(氧化反应)Cu片：__________________(还原反应)电池总反应Zn+Cu2+=Zn2++Cu能量转换化学能转化为电能3．原电池工作原理示意图(1)原电池闭合回路的形成有多种方式，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极相接触。(2)电解质溶液中阴、阳离子的定向移动，与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整的闭合回路。(3)无论在原电池还是在电解池中，电子均不能通过电解质溶液。1．若将CuSO4溶液换成稀硫酸能形成电流吗?答：2．可以将锌铜原电池中的Cu电极换成石墨吗?为什么?答：3．原电池输出电能的能力，主要取决于什么？答：4．什么是盐桥？答：5．取出盐桥，电流表的指针有何变化？答：6．盐桥有什么作用？答：7．在原电池中，盐桥中的阴、阳离子是如何移动的?为什么?答：判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。(1)在原电池中，发生氧化反应的一极一定是负极()(2)在锌铜原电池中，因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路，所以有电流产生()(3)在原电池中，负极材料的活泼性一定比正极材料强()(4)在原电池中，正极本身一定不参与电极反应，负极本身一定要发生氧化反应()(5)在锌铜原电池中，因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路，所以有电流产生()(6)两种活泼性不同的金属组成原电池的两极，活泼金属一定作负极()(7)原电池工作时，溶液中的阳离子向负极移动，盐桥中的阳离子向正极移动()(8)盐桥可以把负极区的阳离子转移到正极区，把正极区的阴离子转移到负极区()知识02原电池原理的应用1．加快氧化还原反应的速率构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快，例如，在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液，CuSO4与锌发生置换反应生成Cu，从而形成Cu－Zn微小__________，加快产生H2的速率。2．比较金属活动性强弱3．设计原电池实例：(1)根据反应2FeCl3＋Cu=2FeCl2＋CuCl2，设计的原电池为：(2)根据Cu＋2Ag＋=Cu2＋＋2Ag设计电池：或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、负极的反应物与反应产物。(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)复杂电极反应式＝总反应式－简单的电极反应式。判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。(1)理论上说，任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池()(2)反应AlCl3＋4NaOH=NaAlO2＋3NaCl＋2H2O可以设计成原电池()(3)某原电池反应为Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag，装置中一定是银作正极()(4反应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()(5)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()(6)一定量的稀盐酸跟过量锌粉反应时，为了加快反应速率又不影响生成H2的总量，可加入少量CuSO4溶液()(7)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()(8)因为铁的活泼性强于铜，所以将铁、铜用导线连接后放入浓硝酸中，若能组成原电池，必是铁作负极、铜作正极()题型一原电池的工作原理【典例1】如图是某同学设计的原电池装置，下列叙述中正确的是()A．电极Ⅰ上发生还原反应，作原电池的负极B．电极Ⅱ的电极反应式为Cu2＋＋2e－=CuC．该原电池的总反应为2Fe3＋＋Cu=Cu2＋＋2Fe2＋D．盐桥中装有含氯化钾的琼脂，其作用是传递电子【答案】C【解析】该原电池的总反应为2Fe3＋＋Cu=Cu2＋＋2Fe2＋。电极Ⅰ上发生还原反应，作原电池的正极，电极反应式为2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋，电极Ⅱ为原电池负极，发生氧化反应，电极反应式为Cu－2e－=Cu2＋。盐桥中装有含氯化钾的琼脂，其作用是连接内电路，平衡电荷。【变式1】如图所示，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FeC．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判断原电池正、负极的五种方法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。题型二比较金属的活泼性【典例2】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>c D．a>b>d>c【答案】C【解析】把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④，则由实验①可知，a作原电池负极，b作原电池正极，金属活动性：a>b；由实验②可知，b极有气体产生，c极无变化，则活动性：b>c；由实验③可知，d极溶解，c极有气体产生，c作正极，则活动性：d>c；由实验④可知，电流从a极流向d极，则d极为原电池负极，a极为原电池正极，则活动性：d>a；综上所述可知活动性：d>a>b>c，故选C。【变式2】有A、B、C、D四块金属片，进行如下实验，据此判断四种金属的活动性顺序是()①A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，A极为负极；②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D→导线→C；③A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡；④B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应。A．A＞C＞D＞BB．A＞B＞C＞DC．C＞A＞B＞DD．B＞D＞C＞A利用原电池原理比较A、B两种金属活泼性的方法：将A、B两种金属用导线连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，即可以断定金属活泼性A>B。题型三加快反应速率【典例3】一定量的稀盐酸跟过量锌粉反应时，为了加快反应速率又不影响生成H2的总量，可采取的措施是()A．加入少量稀NaOH溶液B．加入少量CH3COONa固体C．加入少量NH4HSO4固体D．加入少量CuSO4溶液【答案】D【解析】A中加入NaOH溶液，消耗盐酸，氢气的生成量会减少，错误；B中加入CH3COO－会结合H＋，生成醋酸，减慢反应速率，错误；C中加入NH4HSO4固体，增加了H＋的量，生成的氢气会增多，错误；D中加入少量CuSO4溶液，Zn置换出少量Cu附着在锌表面，形成原电池可以加快反应速率，并且没有影响氢气的生成量，正确。【变式3】把符合题意的图像填在横线上(用A、B、C、D表示)。(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是________。(2)将过量的两份锌粉a、b分别加入定量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是________。(3)将(1)中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液，其他条件不变，则图像是________。改变Zn与H＋反应速率的方法(1)加入Cu或CuSO4，形成原电池，加快反应速率，加入Cu不影响Zn的量，但加入CuSO4，Zn的量减少，是否影响产生H2的量，应根据Zn、H＋的相对量多少进行判断。(2)加入强碱弱酸盐，由于弱酸根与H＋反应，使c(H＋)减小，反应速率减小，但不影响产生H2的总量。题型四设计原电池【典例3】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(盐桥为盛有KNO3饱和溶液的琼脂的U形管)。请回答下列问题：(1)电极X的材料是Cu；电解质Y是AgNO3(填化学式)。

(2)银电极为电池的正极，其电极反应式为Ag++e=Ag。

(3)盐桥中的NO3移向Cu(NO3)2溶液。

【答案】(1)CuAgNO3(2)正Ag++e=Ag

(3)Cu(NO3)2。【解析】根据反应原理：2Ag+(aq)+Cu(s)=q)+2Ag(s)可知，X应为铜电极，而Y应为硝酸银溶液。由于反应中铜元素的化合价升高，而银元素的化合价降低，则银电极为正极，铜电极为负极。【变式4】如图是某同学设计的一个简易的原电池装置，回答下列问题。(1)若a为镁、b为CuCl2，则正极材料为____________，负极上的电极反应式为____________________。(2)若a为镁、b为NaOH，则Mg极上发生________反应(填“氧化”或“还原”)，负极上的电极反应式为____________________。(3)若a为铜、b为浓硝酸，则电流的方向为________，正极上的电极反应式为________________________________________________________________________。(4)上述事实表明，确定原电池中电极的类型时，不仅要考虑电极材料本身的性质，还要考虑____________________。原电池设计步骤【基础巩固】1．下列装置中能构成原电池的是()A． B． C． D．2．在盛有稀硫酸的烧杯中放入用导线连接的铁片和铜片，下列说法正确的是()A．铁片上有气泡逸出 B．电子通过导线由铜流向铁C．溶液中H+向铜片移动 D．铁片上发生氧化反应：Fe3e=Fe3+3．有甲、乙两个装置，下列说法错误的是()A．甲、乙装置中，Zn的质量均减小B．甲、乙装置中，Cu上均有气泡产生C．化学反应速率:乙>甲D．甲中H+移向Zn，乙中H+移向Cu4．某实验兴趣小组以Zn和Cu为电极，稀硫酸为电解质溶液研究原电池，并对实验进行了拓展，以下实验记录错误的是()A．铜片上有气泡产生，锌片逐渐溶解 B．电子在溶液中从Cu电极流向Zn电极C．把铜片换成石墨，实验现象相同 D．把稀硫酸换成硫酸铜溶液，电流计指针依然偏转5．某化学兴趣小组利用反应Zn＋2FeCl3ZnCl2＋2FeCl2，设计了如图所示的原电池装置，下列说法正确的是()A．Zn为负极，发生还原反应B．b电极反应式为2Fe3＋＋2e－2Fe2＋C．电子流动方向是a电极→FeCl3溶液→b电极D．电池的正极材料可以选用石墨、铂电极，也可以用铜6．如图所示装置中，电流表G指针发生偏转，同时Y极逐渐变粗，X极逐渐变细。下列判断正确的是()A．X是Zn，Y是Cu，Z为H2SO4溶液B．X是Cu，Y是Zn，Z为H2SO4溶液C．X是Zn，Y是Cu，Z为酒精溶液D．X是Zn，Y是Cu，Z为CuSO4溶液7．已知Ag+的氧化性强于Co2+的氧化性，则关于下图所示原电池装置的说法中，正确的是()A．Co电极是原电池的正极B．盐桥中可填充KCl饱和溶液与琼脂的混合物C．该原电池的正极反应式为Ag++e=AgD．盐桥中的电解质阴离子向右侧烧杯移动8．课堂学习中，同学们利用铝条、锌片、铜片、导线、电流计、橙汁、烧杯等用品探究原电池的组成。下列结论错误的是()A．原电池是将化学能转化成电能的装置B．原电池由电极、电解质溶液和导线等组成C．图中电极a为铝条、电极b为锌片时，导线中会产生电流D．图中电极a为锌片、电极b为铜片时，电子由铜片通过导线流向锌片9．研究小组进行如下表所示的原电池实验:实验编号①②实验装置实验现象连接好装置5分钟后，灵敏电流计指针向左偏转，两侧铜片表面均无明显现象连接好装置。开始时左侧铁片表面持续产生气泡，5分钟后，灵敏电流计指针向右偏转，右侧铁片表面无明显现象下列关于该实验的叙述中，正确的是()A．两装置的盐桥中，阳离子均向右侧移动B．实验①中，左侧的铜被腐蚀C．实验②中，连接装置5分钟后，左侧电极的电极反应式为：2H＋+2e－=H2↑D．实验①和实验②中，均有O2得电子的反应发生10．铜锌原电池为电化学建构认识模型奠定了重要的基础，懂得原理才能真正做到举一反三，应用到其他复杂的电池分析中。盐桥中装有琼脂凝胶，内含氯化钾。下面两种原电池说法错误的是()A．原电池Ⅰ和Ⅱ的反应原理都是Zn+Cu2+=Zn2++CuB．电池工作时，导线中电子流向为Zn→CuC．正极反应为Zn2e=Zn2+，发生还原反应D．电池工作时，盐桥中的K+向右侧烧杯移动，Cl向左侧烧杯移动11．如图为发光二极管连接柠檬电池装置，下列说法不正确的是()A．负极的电极反应为：Fe－2e－=Fe2+B．电子由Fe环经导线流向发光二极管C．铜线作为柠檬电池的正极D．可将柠檬替换成盛装酒精溶液的装置12．如图是某同学设计的原电池装置，下列叙述中正确的是()A．电极Ⅰ上发生还原反应，作原电池的负极B．该原电池的总反应为2Fe3+＋Cu=Cu2+＋2Fe2+C．电极Ⅱ的电极反应为Cu2+＋2e=CuD．盐桥中装有含琼胶的氯化钾饱和溶液，其作用是传递电子13．铜锌原电池如图所示，电解质溶液为硫酸铜。下列说法错误的是()A．锌电极将逐渐被腐蚀B．铜电极为正极，发生氧化反应C．铜电极上的反应为：Cu2++2e=CuD．电子从锌电极经过导线流向铜电极14．盐水小汽车是一款神奇的玩具，只要在小汽车尾部动力部位加几滴NaCl溶液，小汽车就可以跑动起来，其电池结构如下图：下列关于该电池的说法中不正确的是()A．该电池工作时，化学能转化为电能B．锌为电池的负极，石墨为电池的正极C．正极的电极反应为：O2+2H2O＋4e－=4OHD．电解质溶液中Na+向锌片方向运动15．某原电池装置示意图如图所示，下列有关该原电池的说法正确的是()A．锌片是正极，铁片是负极B．锌片上发生的电极反应：2H++2e=H2↑C．电子由铁电极经导线流向锌电极D．如果将锌片换成铜片，电路中的电流方向改变16．用如图所示装置探究原电池的工作原理，下列说法正确的是()A．甲图中正极上发生的反应为：2H++2e=H2↑B．乙图中锌片变细，铜棒变粗C．丙图中Zn片上发生还原反应，溶液中的Cu2+向铜电极移动D．若乙图与丙图中锌片减轻的质量相等，则两装置中还原产物的质量比为17．图甲和图乙均是双液原电池装置。下列说法不正确的是()A．甲中电池总反应的离子方程式为Cd(s)＋Co2＋(aq)Co(s)＋Cd2＋(aq)B．反应2Ag(s)＋Cd2＋(aq)Cd(s)＋2Ag＋(aq)能够发生C．盐桥的作用是形成闭合回路，并使两边溶液保持电中性D．乙中有1mol电子通过外电路时，正极有108gAg析出18．某水处理剂由纳米铁粉附着在多孔炭粉的表面复合而成，利用原电池原理处理弱酸性废水中的NO3时，其表面发生如图所示反应。下列说法正确的是A．电池工作时，H+向负极移动B．正极附近溶液的酸性增强C．负极的电极反应式为Fe3e=Fe3+D．与单独使用纳米铁粉相比，该水处理剂能加快NO3的去除速率【培优竞赛】19．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(盐桥为盛有KNO3琼脂的U形管)。

请回答下列问题：(1)电极X的材料是___________，其电极反应式为___________。(2)电解质溶液Y是___________(填化学式)，银电极为电池的___________极。(3)盐桥中的NO3移向___________(填“左烧杯”或“右烧杯”)。20．某实验小组自制如图水果电池，探究影响电池效果的因素有哪些，制成记录表格如下：序号电极电极距离(cm)水果种类电流表(µA)①Cu—Al西红柿②Cu—Fe西红柿③Al—Al西红柿0④Cu—Al柠檬⑤Cu—Al柠檬(1)水果电池中，水果的作用是___________。(2)实验①②③的目的是探究___________。对比实验①②③得出的结论是___________。(3)欲得出水果种类对电池效果有影响的结论，需要对比实验___________(填实验序号)。(4)如果将实验装置中的水果换成CuSO4溶液，电极材料用Cu和Al组成原电池。则负极上电极反应式：___________；正极的现象是___________；原电池总离子方程式：___________。21．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：__________________________；负极：_________________________。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：__________________________