原电池原理简单应用与设计试题

原电池原理简单应用与设计试题一、原电池的基本原理原电池是一种将化学能转化为电能的装置，其工作原理基于自发进行的氧化还原反应。构成原电池需满足四个基本条件：一是具有两个活泼性不同的电极，二是存在电解质溶液或熔融电解质，三是形成闭合回路，四是发生自发的氧化还原反应。在原电池工作时，负极发生氧化反应，失去电子；正极发生还原反应，得到电子。电子通过外电路从负极流向正极，而电解质溶液中的离子则通过定向移动形成内电路，从而实现化学能向电能的转化。以铜锌原电池为例，锌片作为负极，发生氧化反应：Zn-2e⁻=Zn²⁺；铜片作为正极，发生还原反应：Cu²⁺+2e⁻=Cu。总反应式为Zn+Cu²⁺=Zn²⁺+Cu。在这个过程中，电子从锌片经导线流向铜片，电流方向则相反。同时，电解质溶液中的阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，以维持溶液的电中性。为了避免氧化剂和还原剂直接接触导致电流衰减，通常会使用盐桥来连接两个半电池。盐桥中含有饱和KCl溶液的琼胶，K⁺和Cl⁻可在其中自由移动，起到平衡电荷和形成闭合回路的作用。二、原电池原理的应用场景（一）设计制作化学电源利用原电池原理可以设计制作各种化学电源。具体步骤包括拆分氧化还原反应为两个半反应，选择合适的电极材料（将还原剂作为负极，活动性比负极弱的金属或非金属导体作为正极），构成闭合回路（若两个半反应在不同容器中进行，中间需连接盐桥，且两个容器中的电解质溶液应含有与电极相同的金属阳离子），并画出装置图，标明电极材料、正负极和电解质溶液等。常见的化学电源有一次电池（如干电池）、二次电池（如蓄电池）和燃料电池等。（二）加快化学反应速率对于一个自发进行的氧化还原反应，形成原电池时会使反应速率加快。例如，在Zn与稀硫酸反应时，加入少量硫酸铜溶液，Zn会置换出Cu，构成铜锌原电池，从而加快反应速率。这是因为原电池的形成使氧化反应和还原反应分别在两个电极上进行，减少了反应物之间的直接接触，降低了反应的活化能。（三）比较金属的活动性强弱在原电池中，一般活动性强的金属作负极，而活动性弱的金属（或非金属导体）作正极。通过观察原电池中电极的反应情况，可以比较金属的活动性强弱。例如，将金属X和Z用导线连接放入稀硫酸中时，若X溶解，Z极上有气体放出，则说明X的活动性比Z强。（四）用于金属的防护使被保护的金属制品作原电池的正极而得到保护，这种方法称为牺牲阳极的阴极保护法。例如，要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。锌块会发生氧化反应而被腐蚀，从而保护了铁制品。三、原电池原理的相关试题设计（一）选择题下列事实与电化学无关的是（）A.纯锌与稀硫酸反应时，滴加少量硫酸铜后速率加快B.埋在潮湿土壤里的铁管比埋在干燥土壤里的铁管更易被腐蚀C.炒过菜的铁锅未清洗生锈D.铁槽车运输浓硫酸答案：D解析：A选项中，滴加硫酸铜后，锌置换出铜，构成原电池，加快反应速率，与电化学有关；B选项中，潮湿土壤中的铁管易形成原电池，发生电化学腐蚀，而干燥土壤中的铁管主要发生化学腐蚀，与电化学有关；C选项中，炒过菜的铁锅未清洗，残留的食物残渣和水构成电解质溶液，铁发生电化学腐蚀而生锈，与电化学有关；D选项中，铁槽车运输浓硫酸时，浓硫酸会使铁钝化，形成一层致密的氧化膜，阻止铁与浓硫酸进一步反应，属于化学腐蚀，与电化学无关。如图所示，将拴有金属条的铁钉插在含有酚酞的NaCl溶液中，可以看到靠近金属条的溶液出现粉红色。则该金属条可能是（）A.铜B.镁C.铝D.锌答案：A解析：溶液出现粉红色，说明溶液呈碱性，即发生了吸氧腐蚀。在吸氧腐蚀中，正极发生还原反应：O₂+2H₂O+4e⁻=4OH⁻。铁钉作为负极，发生氧化反应：Fe-2e⁻=Fe²⁺。而金属条作为正极，需要活动性比铁弱。选项中铜的活动性比铁弱，所以该金属条可能是铜。下列表面上镀有金属保护层的铁板中，当镀层破损后，在相同条件下最不易被腐蚀的是（）A.镀锌铁板B.镀锡铁板C.镀银铁板D.镀铜铁板答案：A解析：当镀层破损后，镀有金属保护层的铁板会形成原电池。若镀层金属的活动性比铁强，则镀层金属作负极，铁作正极，从而保护铁不被腐蚀；若镀层金属的活动性比铁弱，则铁作负极，镀层金属作正极，铁会被腐蚀。锌的活动性比铁强，锡、银、铜的活动性比铁弱，所以镀锌铁板在镀层破损后最不易被腐蚀。少量铁粉与100mL稀盐酸反应，为了加快此反应速率且不改变生成H₂的总量，以下方法可行的是（）A.再加入100mL稀盐酸B.滴入几滴硫酸铜溶液C.适当升高温度D.加入少量醋酸钠固体答案：C解析：A选项中，再加入稀盐酸，会增加氢离子的浓度和物质的量，反应速率加快，但生成H₂的总量也会增加，不符合要求；B选项中，滴入硫酸铜溶液，铁会置换出铜，构成原电池，加快反应速率，但由于铁与硫酸铜反应会消耗一部分铁，所以生成H₂的总量会减少，不符合要求；C选项中，适当升高温度，能加快反应速率，且不改变生成H₂的总量，符合要求；D选项中，加入醋酸钠固体，醋酸钠会与盐酸反应生成醋酸，降低氢离子的浓度，反应速率减慢，不符合要求。X、Y、Z、M代表四种金属元素，金属X和Z用导线连接放入稀硫酸中时，X溶解，Z极上有H₂放出；向含Y²⁺的溶液中加入Z单质，有Y析出；又知M²⁺的氧化性强于Y²⁺。则这四种金属的活动性由强到弱的顺序为（）A.X>Z>Y>MB.X>Y>Z>MC.M>Z>X>YD.X>Z>M>Y答案：A解析：金属X和Z用导线连接放入稀硫酸中时，X溶解，Z极上有H₂放出，说明X是负极，Z是正极，金属活动性X>Z；向含Y²⁺的溶液中加入Z单质，有Y析出，说明Z能置换出Y，金属活动性Z>Y；M²⁺的氧化性强于Y²⁺，根据金属活动性顺序表，氧化性越强，对应金属的活动性越弱，所以金属活动性Y>M。综上，四种金属的活动性由强到弱的顺序为X>Z>Y>M。（二）填空题原电池原理的应用之一是设计制作化学电源。请回答下列问题：（1）拆分反应——将氧化还原反应分成两个半反应；（2）选择电极材料——将还原剂（一般为比较活泼金属）作负极，活动性比负极弱的金属或非金属导体作正极；（3）构成闭合回路——如果两个半反应分别在两个容器中进行（中间连接盐桥），则两个容器中的电解质溶液应含有与_______相同的金属阳离子；（4）画出装置图——结合要求及反应特点，画出原电池装置图，标出电极材料的名称、正负极、电解质溶液等。答案：电极材料一个自发进行的氧化还原反应，形成原电池时会使反应速率_______。例如：在Zn与稀硫酸反应时加入少量硫酸铜溶液，Zn置换出Cu，构成原电池，反应速率_______。答案：加快；加快原电池中，一般活动性强的金属作_______，而活动性弱的金属（或非金属导体）作_______。答案：负极；正极使被保护的金属制品作原电池_______而得到保护。例如：要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。答案：正极（三）实验题某学生设计了如图所示的四个装置，其中不可持续提供电流的是（）A.稀H₂SO₄ZnCuB.CuSO₄溶液ZnCuC.稀H₂SO₄FeC（石墨）D.酒精ZnCu答案：D解析：构成原电池需要满足四个基本条件：有两个活泼性不同的电极、有电解质溶液或熔融电解质、能形成闭合回路、发生自发的氧化还原反应。A选项中，锌和铜是活泼性不同的电极，稀硫酸是电解质溶液，能形成闭合回路，且锌与稀硫酸发生自发的氧化还原反应，能持续提供电流；B选项中，锌和铜是活泼性不同的电极，硫酸铜溶液是电解质溶液，能形成闭合回路，且锌与硫酸铜发生自发的氧化还原反应，能持续提供电流；C选项中，铁和石墨是活泼性不同的电极，稀硫酸是电解质溶液，能形成闭合回路，且铁与稀硫酸发生自发的氧化还原反应，能持续提供电流；D选项中，酒精是非电解质，不能形成电解质溶液，所以不能构成原电池，不可持续提供电流。（四）计算题将锌片和铜片插入苹果中，组成一个简单的水果电池。若锌片的质量减少了0.65g，求电路中通过的电子的物质的量。答案：0.02mol解析：锌片作为负极，发生氧化反应：Zn-2e⁻=Zn²⁺。锌的摩尔质量为65g/mol，0.65g锌的物质的量为0.01mol。根据电极反应式可知，1mol锌失去2mol电子，所以0.01mol锌失去0.02mol电子，即电路中通过的电子的物质的量为0.02mol。（五）综合应用题依据反应2Fe³⁺+2I⁻=I₂+2Fe²⁺，设计一个带盐桥的原电池，画出装置图，并写出电极反应式。答案：装置图如下：盐桥|KI溶液C（石墨）———FeCl₃溶液C（石墨）|电流计负极（石墨）：2I⁻-2e⁻=I₂（氧化反应）正极（石墨）：2Fe³⁺+2e⁻