第11讲 原电池的工作原理（学生版）-高一化学同步讲义（人教版必修第二册）

第11讲第11讲原电池的工作原理知识导航知识导航知识精讲知识精讲一、原电池的基本概念1．概念：原电池是将化学能转化为电能的装置。2．本质：氧化反应和还原反应分别在两个不同的区域进行。3．电极：（1）负极：________电子，发生________反应； （2）正极：________电子，发生________反应。4．构成原电池的条件：（1）自发进行的氧化还原反应；（2）两个活动性不同的电极；（3）电解质溶液（或熔融电解质）；（4）形成闭合回路。二、锌铜原电池的工作原理工作原理（反应方程式）负极（Zn）正极（Cu）总反应离子方程式：。电子移动方向由极经导线流向极（电流方向相反）。离子移动方向阳离子向极移动，阴离子向极移动。三、盐桥的作用（1）形成闭合回路；（2）平衡电荷，使溶液呈电中性；（3）避免电极与电解质溶液直接反应，减少电流的衰减，提高原电池的工作效率。四、原电池的应用1．比较金属活动性两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比正极的金属活泼。2．加快氧化还原反应的速率一个氧化还原反应，构成原电池时的反应速率比直接接触的反应速率快。3．设计原电池理论上，任何一个自发的氧化还原反应，都可以设计成原电池。利用原电池原理设计和制造原电池，可以将化学能直接转化为电能。对点训练对点训练题型一：原电池的工作原理 【例1】理论上不能设计为原电池的化学反应是（）A．CH4+2O2eq\o(=,\s\up7(点燃))CO2+2H2OB．2FeCl3+Fe3FeCl2C．2Al+2NaOH+2H2O2NaAlO2+3H2↑D．HNO3+NaOHNaNO3+H2O【变1】下列关于原电池的叙述，正确的是（）A．构成原电池的正极和负极材料必须是两种活动性不同的金属B．原电池是将化学能转变为电能的装置C．在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被还原D．原电池放电时，电流的方向是从负极到正极【例3】下图是Zn和Cu形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，记录如下：①Zn为正极，Cu为负极；②H+向负极移动；③电子流动方向，从Zn经外电路流向Cu；④Cu极上有H2产生；⑤若有1mol电子流过导线，则产生0.5molH2；⑥正极的电极反应式为Zn-2e-Zn2+。描述合理的是（）A．①②③ B．③④⑤ C．④⑤⑥ D．②③④【变4】原电池构成是有条件的，关于如图所示装置的叙述，错误的是A．Cu是负极，其质量逐渐减小 B．H+向铁电极移动C．Cu片上有红棕色气体产生 D．Fe电极上发生还原反应【例5】铜锌电池原理如图所示，下列说法正确的是A．b电极反应式为Cu2＋＋2e-=CuB．盐桥中K＋移向a电极C．a电极发生还原反应D．电子由Zn电极流出，经盐桥溶液流向b电极题型二：带离子交换膜的原电池【例6】利用反应构成的电池，既能实现有效减少氮氧化物的排放，减轻环境污染，又能充分利用化学能，装置如图所示。下列说法不正确的是A．电流从右侧电极经过负载后流向左侧电极B．电极A上发生氧化反应，电极B为正极C．当有(标准状况)被处理时，转移电子的物质的量为0.4molD．A电极的电极反应式为【变6-2】根据反应2Ag+Cl2=2AgCl设计的一种原电池的装置如图。下列说法正确的是A．负极反应为Cl2+2e－=2Cl－B．放电时，离子交换膜右侧溶液中有白色沉淀生成C．理论上，可以用NaCl溶液代替盐酸D．当电路中有0.01mole-转移时，交换膜左侧溶液中约减少0.02mol离子题型三：原电池的应用【变7】有a、b、c、d四种金属。将a与b用导线连接起来，浸入电解质溶液中，a不断腐蚀；将a、d分别投入同浓度的盐酸中，d比a反应剧烈；将铜浸入b的盐溶液中，无明显变化；如果把铜浸入c的盐溶液里，有金属c析出。根据以上现象判断，它们的活动性由强到弱的顺序是A．dcab B．dabc C．dbac D．badc【例8】3.25g锌与100mL1mol·L-1的稀硫酸反应，为了加快反应速率而不改变H2的产量，可采取的措施是A．滴加几滴浓盐酸 B．滴加几滴浓硝酸C．滴加几滴硫酸铜溶液 D．加入少量锌粒【变9】设计原电池装置证明Fe3＋的氧化性比Cu2＋强。（1）写出能说明氧化性Fe3＋大于Cu2＋的离子方程式：___________。（2）若要将上述反应设计成原电池，电极反应式分别是：①负极：___________②正极：___________。（3）画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：①不含盐桥②含盐桥题型四：原电池综合考查【变10-1】某研究性学习小组根据反应设计如图原电池，其中甲、乙两烧杯中各物质的物质的量浓度均为，溶液的体积均为200mL，盐桥中装有饱和溶液。回答下列问题：（1）此原电池的负极是石墨_____(填“a”或“b”)，电池工作时，盐桥中的移向_____(填“甲”或“乙”)烧杯。（2）正极反应式为：_______。（3）若不考虑溶液的体积变化，浓度变为，则反应中转移的电子为_______mol。提分特训提分特训【题1】下图为番茄电池装置示意图，下列说法正确的是A．铜片上发生氧化反应 B．锌片质量减小，发生还原反应C．电子由锌片通过导线流向铜片 D．该装置可将电能转化为化学能【题2】下列关于下图装置(该盐桥为含KNO3的琼脂)的说法正确的是A．银电极是负极B．铜电极上发生的反应为Cu-2e-=Cu2+C．外电路中的电子是从银电极流向铜电极D．盐桥中K+移向CuSO4溶液【题3】用阴离子交换膜控制电解液中OH-的浓度制备纳米Cu2O，反应为2Cu+H2OCu2O+H2装置如图，下列说法中正确的是A．电解时Cl-通过交换膜向Ti极移动B．阳极的电极反应式：2Cu-2e-+2OH-=Cu2O+H2OC．阴极OH-放电，有O2生成D．Ti电极上生成的气体和Cu电极上生成的固体的物质的量之比为2：1【题4】利用反应NO2+NH3→N2+H2O(未配平)消除NO2的简易装置如图所示。下列说法正确的是A．a电极反应式是2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2OB．消耗4.48LNH3时，被消除的NO2的物质的量为0.15molC．若离子交换膜是阳离子交换摸，装置右室中溶液的碱性减弱D．整个装置中NaOH的物质的量不断减少【题5】欲提高Cu粉与1.2mol/L的HNO3溶液的反应速度，可加入下列什么试剂（）A．蒸馏水 B．碳酸钠固体 C．食盐水 D．AgNO3溶液（少量）【题6】写出Fe和­Cu­、浓硝酸构成的原电池的电极反应式及电池反应式。负极反应式：___________；正极反应式：___________。电池反应式：___________。【题7】分别按图甲乙所示装置进行实验，两个烧杯里的溶液为同浓度的稀硫酸，甲中A为电流表。（1）下列叙述正确的是___________A．两烧杯中铜片表面均无气泡产生B．甲中铜片作正极，乙中铜片作负极C．两烧杯溶液中浓度均减小D．甲产生气泡的速率比乙慢（2）在甲装置中，若把稀硫酸换成CuSO4溶液，一段时间后测得某一电极增重12.8g，则该电池反应共转移电子数目___________（3）甲装置中的能量转化形式为___________能转化为___________能，乙装置中的能量转化形式为___________能转化为___________能（4）如果将反应2FeCl3+Fe=3FeCl2设计成原电池，则正极电极反应为___________，正极材料是___________，负极材料是___________，电解质溶液是___________。【题8】反应Fe+H2SO4=FeSO4+H2，请回答下列问题。（1）若要使该反应的反应速率加快，下列措施可行的是___(填字母)。A．将铁粉改为铁片 B．加入少量醋酸钠固体C．滴加少量CuSO4 D．将稀硫酸改为98%的浓硫酸（2）若将上述反应设计成原电池，石墨棒为原电池某一极材料，则石墨棒为___极(填“正”或“负”)。石墨棒上产生的现象为___，该极上发生的电极反应为___，原电池工作时溶液中的SO移向___极(填正或负)，若反应产生3.36L气体(已换算成标况下)，则理论上消耗铁的质量是__。（3）实验后同学们经过充分讨论，认为符合某些要求的化学反应都可以设计成原电池。下列化学反应在理论上可以设计成原电池的是___。A．AgNO3+HCl=AgCl+HNO3B．NaOH+HCl=NaCl+H2OC．C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)D．Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O在所选反应中选择其中某个反应设计成原电池，该电池负极反应为：___。提分作业提分作业【练1】化学电源应用广泛。某原电池装置如图所示，下列说法正确的是A．锌电极发生氧化反应B．锌片和铜片都有O2产生C．电子由铜电极经导线流向锌电极D．原电池工作一段时间后溶液的c(H+)不变【练2】关于如图所示的原电池，下列说法正确的是A．盐桥中的阳离子向硫酸铜溶液中迁移B．可以用铜导线替代图中的盐桥C．铜电极发生氧化反应，其电极反应是D．取出盐桥后，电流表仍会偏转，锌电极在反应后质量减少【练3】在下图所示的柠檬水果电池中，外电路上的电子从电极Y流向电极X。若X为铅电极，则Y可能是A．锌 B．银 C．石墨 D．铜【练4】锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是（）A．铜电极上发生氧化反应B．电池工作一段时间后，甲池的c(SO42C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加D．阴离子、阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡【练5】X、Y、Z、W四种金属片浸在稀盐酸中，用导线连接，可以组成原电池，实验结果如图所示：则四种金属的活动性由强到弱的顺序为（）A．Z＞Y＞X＞W B．Z＞X＞Y＞WC．Z＞Y＞W＞X D．Y＞Z＞X＞W【练6】如图所示：（1）铜与锌直接浸在同一电解质溶液中，形成了___________池，铜是___________极；锌是___________极；正极发生___________反应，负极发生___________反应。（2）写出电极反应式：正极：___________负极：___________。（3）溶液中的H+向___________极移动，溶液中的SO向___________极移动。（4）总反应的离子方程式___________。【练7】回答下列问题（1）请你将反应设计成原电池，并回答下列问题：①该电池的正极材料可以是___________，也可选用___________等代替。②画出你所设计的双液原电池的装置图，并标注出电极材料和电解质溶液。___________③写出电极反应式：负极___________，正极___________。④该电池负极材料质量减重3.2g，则电路中通过的电子的数目为___________。课后检测(时间：100分钟满分：100分)第Ⅰ卷一、选择题(本题包括16小题，每小题3分，共48分，每小题只有一个正确选项)1．2011年3月17日，因日本福岛第一核电站生核辐射泄漏，放射碘可能被附近居民吸入，引发甲状腺疾病或甲状腺癌。我国香港和内地出现抢购碘盐的疯狂热潮，用于防护核辐射，医疗专家提醒：由于碘盐中碘含量相对较低，根本起不到预防放射性碘的作用，不可盲目过量吃碘盐或碘片，否则可能诱发甲状腺毒症、甲状腺技能减退、甲状腺肿等疾病。已知核辐射中放射性碘(碘­131)的核电荷数为53，则下列说法不正确的是()A．碘131I原子核所含中子数是78B．核能的利用证实原子的可分性C．碘127I原子和放射性碘原子131I属于同位素D．碘127I原子和碘131I原子的质子数不同2．有人认为人体就是一架缓慢氧化着的“高级机器”，人体在生命过程中也需要不断地补充“燃料”。按照这种观点，你认为人体通常摄入的下列物质不能看作“燃料”的是()A．淀粉类物质 B．水C．脂肪类物质 D．蛋白质3．下列说法正确的是()A．Li是最活泼的金属，F是最活泼的非金属B．Mg(OH)2碱性比Ca(OH)2强C．元素周期表中有7个主族，7个副族，1个0族，1个第Ⅷ族，共16纵行D．X2＋的核外电子数目为18，则X在第四周期第ⅡA族4．下列各图中，表示正反应是吸热反应的图是()5．下图中a、b分别是原电池的两极，接通电路后发现a极板质量增加，b极板溶解，符合这一情况的是()a极板b极板a电极Z溶液A锌石墨负极CuSO4B石墨石墨负极NaOHC银铁正极AgNO3D铜石墨正极CuCl26.对于ⅥA族元素，下列叙述中不正确的是()A．CO2在常温下是气体，SiO2在常温下是固体B．C、Si、Ge的最外层电子数都是4，次外层电子数都是8C．CO2和SiO2都是酸性氧化物，在一定条件下都能和氧化钙反应D．该族元素的主要化合价是＋4和＋27．现在电池的种类非常多，且由电池造成的污染越来越严重，下列电池不会造成环境污染的是()A．锂电池 B．锌锰电池C．氢氧燃料电池 D．镍隔电池8．根据化学反应的实质——旧键的断裂和新键的形成，判断下列变化不属于化学变化的是()A．固态硫S8加热变成S2蒸气B．金刚石在一定条件下转化为石墨C．干冰变成CO2气体D．Na2O转化为Na2O29．一定条件下，可逆反应2AB＋3C，在以下四种情况中处于平衡状态的是()正反应速率逆反应速率Av(A)＝2mol·L－1·min－1v(B)＝2mol·L－1·min－1Bv(A)＝2mol·L－1·min－1v(C)＝2mol·L－1·min－1Cv(A)＝1mol·L－1·min－1v(B)＝2mol·L－1·min－1Dv(A)＝1mol·L－1·min－1v(C)＝1.5mol·L－1·min－110.科学家预测原子序数为114的元素，具有相当稳定性的同位素，它的位置在第七周期第ⅣA族，称为类铅。关于它的性质，预测错误的是()A．它的最外层电子数为4B．它的失电子能力比铅强C．它具有＋2、＋4价D．它的最高价氧化物对应的水化物是强酸11．下图是氢氧燃料电池构造示意图。关于该电池的说法不正确的()A．a极是负极B．正极的电极反应是O2＋2H2O＋4e－=4OH－C．电子由b通过灯泡流向aD．氢氧燃料电池是环保电池12．下列变化不需要破坏化学键的是()A．加热氯化铵 B．冰融化成水C．水通电分解 D．氯化氢溶于水13．在一定温度下，容器内某一反应中M、N的物质的量随反应时间变化的曲线如图，下列表述正确的是()A．反应的化学方程式：2MNB．t2时，正、逆反应速率相等，达到平衡C．t3时，正反应速率大于逆反应速率D．t1时，N的浓度是M浓度的2倍14.A、B、C均为短周期元素，它们在周期表中的位置如图所示，已知：B、C两元素原子最外层电子数之和等于A元素最外层电子数的2倍；B、C两元素原子的核电荷数之和是A元素原子序数的4倍。则A、B、C分别是()A．C、Al、P B．N、Si、SC．O、P、Cl D．F、S、Al15．A、B、C为三种短周期元素，A、B在同周期，A、C的最低价离子分别为A2－和C－，B2＋和C－具有相同的电子层结构。下列说法中正确的是()A．原子序数：A＜B＜CB．原子半径：A＞B＞CC．离子半径：A2－＞C－＞B2＋D．原子核外最外层电子数：A＞C＞B16．镁铝合金在碱性溶液中开始反应缓慢，后反应加快，经分析是氧化膜及微电池作用的结果。下列叙述正确的是()A．微电池的负极是MgB．微电池的负极是AlC．铝的电极反应式为2H＋＋2e－=H2↑D．镁的电极反应式为Mg－2e－=Mg2＋第Ⅱ卷二、非选择题(本题包括6小题，共52分)17．(9分)在元素周期表第三周期中，置换酸中氢能力最强的元素的元素符号为________，化学性质最稳定的元素符号是________，最高价氧化物对应水化物的酸性最强的化合物的化学式是__________，碱性最强的化合物的化学式是__________，显两性的氢氧化物的化学式是__________，该两性氢氧化物与盐酸、氢氧化钠溶液分别反应的离子方程式为______________、______________，原子半径最大的金属元素的名称是________，离子半径最小的离子结构示意图是________。18．(8分)已知以下信息：①1molN2的共价键断裂吸收946kJ的能量；1molH2的共价键断裂吸收436kJ的能量；形成1molNH3中的化学键释放1173kJ的能量。②将一定量的N2和H2投入一密闭容器中，在一定条件下进行反应，测得有关数据如下：N2(mol·L－1)H2(mol·L－1)NH3(mol·L－1)起始时3302s末2.61.80.8根据以上相关数据回答问题：(1)用H2表示该反应2s内的平均反应速率为________(2)______(填“能”或“不能”)确认该反应2s末已达化学平衡状态。(3)写出该反应的化学方程式：________________________________________________________________________。(4)氮气和氢气生成氨气的过程______(填“释放”或“吸收”)能量。19．(8分)短周期元素Q、R、T、W在元素周期表中的位置如图所示，其中T所处的周期序数与族序数相等，请回答下列问题：QRTW(1)T的原子结构示意图为____________(2)元素原子的得电子能力为Q____W(填“＞”或“＜”)。(3)W的单质与其最高价氧化物对应的水化物浓溶液共热能发生反应，生成两种物质，其中一种是具有漂白性的气体，反应的化学方程式为________________________________________________________________________(4)原子序数比R多1的元素的一种氢化物在二氧化锰催化作用下易分解为它的另一种氢化物，此分解反应的化学方程式是________________________________________________________________________(5)将12gQ单质在足量的氧气中燃烧，所得气体通入1L1.5mol·L－1NaOH溶液中，完全吸收后，溶液中大量存在的离子有______________。20．(6分)(1)已知锌与稀硫酸反应为放热反应，某学生为了探究其反应过程中的速率变化，用排水集气法收集反应放出的氢气，实验记录如下：时间(min)12345氢气体积(mL)30120280350370①反应速率最大的(即0min～1min、1min～2min、2min～3min、3min～4min、4min～5min)时间段为____________，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。②反应速率最小的时间段为____________，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)另一学生也做同样的实验，由于反应太快，测量氢气的体积时不好控制，他就事先在硫酸溶液中分别加入以下物质以减缓反应速率A．蒸馏水B．更加细小的锌粒C．NaCl溶液你认为他的做法可行的是______(填相应字母)；做法不可行的理由是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。21．(10分)将化合物A的蒸气2mol充入0.5L容器中加热，发生分解反应2A(g)B(g)＋nC(g)，反应到3min时，容器中A的浓度为1.6mol·L－1，测得这段时间内，用C的浓度变化表示的平均反应速率v(C)＝1.2mol·L－1·min－1。(1)化学方程式中的化学计量数n的值是__________。(2)以B的浓度变化表示的该反应的平均速率为______。22．(11分)有A、B、C、D、E五种短周期元素，它们的核电荷数按C、A、B、D、E的顺序增大。C、D都能分别与A按原子个数比为1∶1或2∶1形成化合物；CB可与EA2反应生成C2A与气态物质EB4；E的M层电子数是K层电子数的2倍。(1)写出下列元素的名称：B：________E：________。(2)写出EB4的化学式：__________。(3)D2A2中含有的化学键类型为____________。(4)由A、C、D三种元素组成的化合物M属于________(填“离子”或“共价”)化合物，M溶于水后________(填“能”或“不能”)发生化学变化，原因是(从化学键变化的角度解释)：________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。期中模块检测卷1．D[碘127I原子和碘131I原子属于同位素，质子数相同，中子数不同。]2．B3．D[碱金属中Li是金属性和活泼性最小的金属，A项错；Ca的金属性比Mg强，则Mg(OH)2的碱性比Ca(OH)2弱，B项错；周期表有18个纵行，C项错。]4．A[正反应是吸热反应，反应物的能量低于生成物的能量。]5．C[a极板质量增加，是正极，金属性相对不活泼，b极板溶解是负极，金属性相对活泼。]6．B[C原子次外层电子数为2。]7．C[氢氧燃料电池的生成物是水，对环境无污染。]8．C9．A[由于PH3的沸点小于AsH3的沸点，A项错误；Si3N4、NaCl、SiI4其晶体类型分别为原子晶体、离子晶体和分子晶体，三者的熔点依次降低，B项正确；非金属性越强，其最高价氧化物对应的水化物酸性越强，金属性越强，其最高价氧化物对应的水化物碱性越强，故C、D正确。]10．D[ⅣA族的第一种元素碳对应的H2CO3就是弱酸，同主族从上到下最高价氧化物对应的水化物酸性渐弱。]11．C[电子由负极流向正极，a为负极，所以电子应由a极通过灯泡流向b极。]12．B[化学变化肯定存在化学键的破坏。物理变化要注意分析过程，才能确定。A、C两项是化学变化，加热氯化铵破坏了其分子内的离子键和共价键；水通电分解破坏了其分子内的共价键；HCl溶于水破坏了其分子内的共价键，冰融化成水没有破坏化学键，只破坏了分子间作用力。]13．D[t2时，正反应速率大于逆反应速率，反应未达平衡；t3时，反应已达平衡，正、逆反应速率相等；根据M和N的物质的量的变化可知反应方程式为2NM，所以D正确。]14．C[由题意及元素周期表的结构可知，元素A位于第二周期，B、C位于第三周期，令A的原子序数为x，则B、C原子序数分别为(x＋8)－1、(x＋8)＋1。由题意中各元素原子的原子序数之间的关系可知：[(x＋8)－1]＋[(x＋8)＋1]＝4x，则x＝8，则B、C的原子序数分别为15、17。]15．C[根据离子符号和所带的电荷数，推知B处于ⅡA族，A处于ⅥA族，C处于ⅦA族，从而可判断出原子核外最外层电子数：C＞A＞B。B2＋和C－具有相同的电子层结构，则B处于C的下一周期，结合A、B在同周期，则它们的原子半径：B＞A＞C，原子序数：A＞B＞C，离子半径：A2－＞C－＞B2＋。]16．B[镁的金属性比铝强，但在碱溶液中只有铝反应：2Al＋2OH－＋2H2O=2AlOeq\o\al(－,2)＋3H2↑，所以镁铝在碱性溶液中构成原电池时铝作负极。]17．NaArHClO4NaOHAl(OH)3Al(OH)3＋3H＋=Al3＋＋3H2OAl(OH)3＋OH－=AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O钠18．(1)0.6mol·L－1·s－1(2)不能(3)N2＋3H2催化剂高温、高压2NH