第一节第1课时 原电池的工作原理.docx
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第一节第1课时原电池的工作原理
第一节 原电池
第1课时 原电池的工作原理
学业要求
核心素养建构
1.认识化学能转化电能的实际意义及其重要应用。
2.能分析、解释原电池的工作原理。
3.能设计简单的原电池。
『知识梳理』
一、原电池
1.概念:
利用氧化还原反应原理将化学能转化为电能的装置。
2.构成条件:
(1)具有两个活泼性不同的电极。
(2)合适的离子导体(如电解质溶液)。
(3)形成闭合回路。
(4)能自发地发生氧化还原反应。
3.工作原理(以铜锌原电池为例):
(1)实验现象。
①电流表指针发生偏转。
②锌片逐渐溶解。
③铜片上有红色物质沉积。
④将盐桥取出,电流表指针回到零点。
(2)工作原理。
电极
Zn电极
Cu电极
电极名称
负极
正极
得失电子
失电子
得电子
电子流向
流出
流入
反应类型
氧化反应
还原反应
电极反应式
Zn-2e-===Zn2+
Cu2++2e-===Cu
总反应式
Zn+Cu2+===Zn2++Cu
4.盐桥:
盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼胶,离子在其中自由移动。
[微自测]
1.为了避免锌片与Cu2+直接接触发生反应而影响原电池的放电效率,有人设计了如下装置,按要求完成以下填空:
(1)此装置工作时,可以观察到的现象是________________,电池总反应式为________________。
(2)以上电池中,锌和锌盐溶液组成________,铜和铜盐溶液组成________,中间通过盐桥连接起来。
(3)电池工作时,硫酸锌溶液中SO
向________移动,硫酸铜溶液中SO
向________移动。
(4)此盐桥内为饱和KCl溶液,盐桥是通过________移动来导电的。
在工作时,K+移向________。
解析 该装置为锌铜原电池,总反应式为Zn+Cu2+===Cu+Zn2+,电池工作时,观察到①电流计指针发生偏转,②锌片不断溶解,③铜片上有红色物质析出,其中Zn与ZnSO4溶液组成锌半电池,Cu与CuSO4溶液组成铜半电池。
电池工作时,ZnSO4溶液中SO
向负极(锌电极)移动,CuSO4溶液中SO
向盐桥移动,而盐桥中的K+向正极区(CuSO4溶液)移动,Cl-向负极区(ZnSO4溶液)移动,这样靠离子的移动形成闭合回路。
答案
(1)电流计指针发生偏转,锌片逐渐溶解,铜片上有红色物质析出 Zn+Cu2+===Zn2++Cu
(2)锌半电池 铜半电池 (3)锌电极 盐桥(4)离子 正极区(CuSO4溶液)
二、原电池的设计
理论上,能自发进行的氧化还原反应均能设计成原电池。
实际设计时应注意以下几方面。
(1)外电路
(2)内电路
将两极浸入电解质溶液中,使阴、阳离子定向移动。
(3)闭合电路
[微自测]
2.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)任何自发的放热反应均可设计原电池反应( )
(2)原电池反应将氧化反应和还原反应分在不同区域同时进行( )
(3)盐桥中的阴离子移向正极区域,使正极区溶液呈电中性( )
(4)Fe—CuSO4(aq)—Cu形成的原电池的负极反应为Fe-3e-===Fe3+( )
答案
(1)×
(2)√ (3)× (4)×
探究一 原电池的工作原理
[探究素材]
1.原电池的工作原理
2.含盐桥原电池特点及优点判断
(1)特点。
两个烧杯中液体靠盐桥连接,且电极材料与相应容器中的电解质溶液的阳离子相同。
(2)盐桥的作用。
平衡电荷、构成闭合回路,若撤去盐桥或将盐桥换成导线,则不能构成闭合回路,形不成原电池。
(3)优点。
含盐桥的原电池与不含盐桥的原电池相比,效率高且电流平稳,放电时间长。
[探究题目]
1.已知某原电池的电极反应是Fe-2e-===Fe2+,Cu2++2e-===Cu,据此设计该原电池,并回答问题。
(1)若原电池装置为图1,
①电极材料A是________,B是________(写名称)。
②A电极观察到的现象是_______________________________________________。
(2)若原电池装置为图2,
①电极材料X可以是________(填序号,下同)。
a.铁b.铜c.石墨
②电解质Y是________。
a.FeSO4b.CuSO4c.CuCl2
解析 结合氧化还原反应的知识可知Fe-2e-===Fe2+是负极反应,故Fe作负极,即为B;Cu2++2e-===Cu是正极反应,故A应是铜,现象是看到有红色物质析出。
不含盐桥的原电池中正极材料是比负极金属活泼性差的金属或导电的非金属即可,故此时正极是铜或石墨,但负极只能是铁,电解质溶液是含Cu2+的盐溶液,可为硫酸铜、氯化铜或硝酸铜溶液。
答案
(1)①铜(或碳棒) 铁 ②有红色物质析出
(2)①bc ②bc
[探究素材]
原电池正负极判定思路
[探究题目]
2.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
M
N
P
A
锌
铜
稀硫酸溶液
B
铜
铁
稀盐酸
C
银
锌
硝酸银溶液
D
锌
铁
硝酸铁溶液
解析 本题通过电极变化来确定电极,N棒变细,即N极上发生氧化反应,N棒金属较活泼,排除A、D,由M棒变粗,可知B不正确。
答案 C
[探究素材]
原电池的电极材料“两注意”
1.注意电解质溶液对电极类型的影响。
一般的,较活泼金属作负极,较不活泼的金属或导电的非金属作正极,但若是较不活泼的金属发生的氧化还原反应设计的原电池,则是较不活泼的金属作负极。
例如:
镁—铝电极在稀硫酸中构成原电池,镁为负极,铝为正极;但若以氢氧化钠溶液为电解质溶液,则铝为负极,镁为正极。
2.注意电极材料是否参与反应。
负极材料不一定参与反应,如燃料电池;负极和正极材料都参与反应,如铅蓄电池。
[探究题目]
3.有如图所示的两个原电池装置,下列说法不正确的是( )
A.A池中负极的电极反应为Mg-2e-===Mg2+
B.Mg在A池中为负极,在B池中为正极
C.B池中电子的流向:
Mg→Al
D.原电池工作一段时间后,A池溶液的pH会增大
解析 判断原电池正、负极,除考虑活泼性还要注意电解质溶液对正、负极的影响。
对于稀硫酸来说,镁是比铝更活泼的金属;但铝能与NaOH溶液反应而镁不能,所以A池中镁是负极,B池中铝是负极,B对;A池中电极反应为Mg-2e-===Mg2+,A对;B池中电子流向为Al→Mg,C错。
A池中正极2H++2e-===H2↑,随着反应进行,c(H+)减少,pH增大,D正确。
答案 C
探究二 原电池原理的应用
[探究素材]
加快氧化还原反应的速率
例如:
在锌与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率加快。
[探究题目]
4.将纯锌片和纯铜片按图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
解析 甲装置是铜锌原电池,乙不能形成原电池装置。
所以乙烧杯中铜表面无气泡生成,甲中铜表面有气泡生成,A错;乙中Cu片不可能是负极,B错;甲、乙两装置发生的反应均是Zn+2H+===H2↑+Zn2+,所以两烧杯中溶液的pH均增大,C对;因甲是原电池装置,所以甲烧杯中产生H2速率快,D错。
答案 C
[探究素材]
比较金属活动性强弱
[探究题目]
5.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
部分实现
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>a
C.d>a>b>cD.a>b>d>c
解析 由第一个装置a极溶解,可知a极是负极,金属活动性:
a>b,对于第二个装置,依据还原性规律知,金属活动性:
b>c,第三个装置的金属活动性:
d>c,由第四个装置电流从a→d,则电子从d→a,故金属活动性:
d>a。
答案 C
[探究素材]
例如:
以2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2为依据,设计一个原电池。
1.明确电极反应
电极反应式为:
负极:
Cu-2e-===Cu2+
正极:
2Fe3++2e-===2Fe2+
2.选定电极材料
负极电极材料:
若发生氧化反应的物质为金属单质,可用该金属直接作负极[如为气体(如H2)或溶液中的还原性离子,可用惰性电极(如Pt、碳棒)作负极]。
正极电极材料:
必须不如负极材料活泼。
本例中可用铜棒作负极。
用铂丝或碳棒作正极。
3.确定电解质溶液
一般选用反应物中的电解质溶液即可。
如本例中可用FeCl3溶液作电解质溶液。
4.绘制装置示意图
(1)注明原电池的组成。
(2)标明氧化反应和还原反应发生的区域。
(3)标明电子的运动方向和阴离子、阳离子的迁移方向。
[探究题目]
6.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。
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________极流向________极。
解析 原电池中负极上发生氧化反应,正极上发生还原反应,盐桥起到形成闭合回路、平衡电荷的作用。
由总反应方程式可知电极X的材料是Cu,发生氧化反应,电解质溶液Y是可溶性银盐溶液,常用AgNO3溶液。
电极反应式如下,负极:
Cu-2e-===Cu2+,正极:
2Ag++2e-===2Ag,电子由负极(Cu)流出,经外电路流向正极(Ag)。
答案
(1)Cu AgNO3溶液
(2)正 2Ag++2e-===2Ag Cu-2e-===Cu2+
(3)负(Cu) 正(Ag)
1.下列有关原电池的说法中正确的是( )
A.在外电路中电子由正极流向负极
B.在原电池中,只有金属锌作为负极
C.原电池工作时,阳离子向正极方向移动
D.原电池工作时,阳离子向负极方向移动
解析 在原电池外电路中,电子从负极流向正极;原电池中活泼的金属作负极,而不一定是Zn;随着反应的进行,阳离子在正极被还原,电解质溶液中的阳离子向正极移动,而阴离子向负极移动。
答案 C
2.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→Y
B.若两电极分别为Fe和碳棒,则X为碳棒,Y为Fe
C.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
解析 外电路的电子流向为X→外电路→Y,电流方向与其相反,A项错误;若两电极分别为Fe和碳棒,则Y为碳棒,X为Fe,B项错误;X极失电子,作负极,X极上发生的是氧化反应,Y极上发生的是还原反应,C项错误;电解质溶液为稀硫酸,两金属作电极时,谁活泼谁作负极,D项正确。
答案 D
3.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-===Cu
C.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。
答案 D
4.分析下图所示的四个原电池装置,其中结论正确的是( )
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作负极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+
D.④中Cu作正极,电极反应式为2H++2e-===H2↑
解析 ②中Mg不与NaOH溶液反应,而Al能和NaOH溶液反应,失去电子,故Al作负极,③中Fe在浓硝酸中易钝化,Cu和浓HNO3反应失去电子,故Cu作负极,A、C项错误;②中电池总反应为2Al+2OH-+2H2O===2AlO
+3H2↑,负极电极反应式为2Al+8OH--6e-===2AlO
+4H2O,二者相减得到正极电极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑,B项正确;④中Cu作正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,D项错误。
答案 B
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_____________________________________________________________________。
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。
答案
(1)A-2e-===A2+
(2)Cu2++2e-===Cu
(3)变大 (4)D>A>B>C
基础巩固
1.关于右图装置的叙述,正确的是( )
A.铜是负极,铜片上有气泡产生
B.铜片质量逐渐减少
C.电流从锌片经导线流向铜片
D.H+在铜片表面被还原后生成H2
解析 本题主要考查有关原电池的知识,由所给图示可知Zn为原电池负极,失去电子被氧化质量逐渐减少;Cu为原电池的正极。
电子从锌片经导线流向正极(Cu极),电流流向则与电子流向相反。
溶液中的H+在正极得到电子而被还原为H2。
答案 D
2.有关电化学知识的描述正确的是( )
A.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
B.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
C.原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成
D.从理论上讲,任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池
解析 CaO+H2O===Ca(OH)2不是氧化还原反应;KCl和AgNO3反应生成AgCl沉淀易阻止原电池反应的发生;作电极的不一定是金属,如石墨棒也可作电极。
答案 D
3.如图,在盛有稀硫酸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→Y
B.若两电极分别为Fe和碳棒,则X为碳棒,Y为Fe
C.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
解析 由图示电子流向知X为负极,Y为正极,则电流方向为Y→外电路→X,故A错;若两电极分别为Fe和碳棒,则X为Fe,Y为碳棒,B错;负极上失去电子发生氧化反应,正极上得到电子发生还原反应,C错;若两电极均为金属,活泼金属作负极,故有活动性X>Y,D对。
答案 D
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(SO
)减小
C.电池工作一段时间后,乙池溶液的总质量增加
D.阴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
解析 Cu作正极,电极上发生还原反应,A错误;电池工作过程中,SO
不参加电极反应,故甲池的c(SO
)基本不变,B错误;电池工作时,甲池反应为Zn-2e-===Zn2+,乙池反应为Cu2++2e-===Cu,甲池中Zn2+会通过阳离子交换膜进入乙池,以维持溶液中电荷平衡,由电极反应式可知,乙池中每有64gCu析出,则进入乙池的Zn2+为65g,溶液总质量略有增加,C正确;由题干信息可知,阴离子不能通过阳离子交换膜,D错误。
答案 C
5.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2H++2e-===H2↑
D.取出盐桥后,电流表仍会偏转,铜电极在反应前后质量不变
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。
答案 A
6.在如图所示的装置中,a的金属活动性比氢要强,b为碳棒,下列关于此装置的叙述不正确的是( )
A.碳棒上有气体放出,溶液pH变大
B.a是正极,b是负极
C.导线中有电子流动,电子从a极流向b极
D.a极上发生了氧化反应
解析 本题考查原电池基本知识,难度不大,但概念容易混淆。
电极a、b与电解质溶液稀H2SO4组成原电池。
因活动性a>b(碳棒),所以a为电池的负极,b为正极。
电极反应式:
a(负)极:
a-ne-===an+(氧化反应)
b(正)极:
nH++ne-===
H2↑(还原反应)
由于正极消耗H+,溶液中c(H+)减小,pH增大。
在外电路中,电子由a极流出经电流表流向b极。
答案 B
7.如图所示,烧杯内盛有浓HNO3,在烧杯中放入用铜线相连的铁、铅两个电极,已知原电池停止工作时,Fe、Pb都有剩余。
下列有关说法正确的是( )
A.Fe比Pb活泼,始终作负极
B.Fe在浓HNO3中钝化,始终不会溶解
C.电池停止工作时,烧杯中生成了Fe(NO3)3
D.利用浓HNO3作电解质溶液不符合“绿色化学”思想
解析 开始时,电解质溶液是浓HNO3,Fe在浓HNO3中钝化,所以开始时Pb是负极:
Pb-2e-===Pb2+;随着反应的进行,浓HNO3变成稀HNO3,Fe变为原电池的负极:
Fe-2e-===Fe2+。
由于最终Fe有剩余,所以不会生成Fe(NO3)3。
根据Pb与浓HNO3反应:
Pb+4HNO3(浓)===Pb(NO3)2+2NO2↑+2H2O,过量的Fe与稀HNO3发生反应:
3Fe+8HNO3(稀)===3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O,可知反应产生了有害气体NO2、NO,会污染环境,不符合“绿色化学”思想。
故选D。
答案 D
8.原电池的电极名称不仅与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关。
下列说法中不正确的是( )
A.由Al、Cu、稀硫酸组成的原电池,其负极反应式为Al-3e-===Al3+
B.由Mg、Al、NaOH溶液组成的原电池,其负极反应式为Al-3e-+4OH-===AlO
+2H2O
C.由Fe、Cu、FeCl3溶液组成的原电池,其负极反应式为Cu-2e-===Cu2+
D.由Al、Cu、浓硝酸组成的原电池,其负极反应式为Cu-2e-===Cu2+
解析 原电池正、负极的判断不能完全依赖金属的活动性,因为可能会出现特殊情况:
浓硝酸使铁、铝钝化;铝与NaOH溶液反应,而镁不能与NaOH溶液反应等。
答案 C
9.锌铜原电池(如图)工作时,下列叙述正确的是( )
A.正极反应为Zn-2e-===Zn2+
B.电池反应为Zn+Cu2+===Zn2++Cu
C.在外电路中,电流从负极流向正极
D.盐桥中的K+移向ZnSO4溶液
解析 在原电池中,相对活泼的金属材料作负极,相对不活泼的金属材料作正极,负极反应为Zn-2e-===Zn2+,正极反应为Cu2++2e-===Cu,因Zn失电子生成Zn2+,为使ZnSO4溶液保持电中性,盐桥中的Cl-移向ZnSO4溶液。
答案 B
10.如图所示装置中,电流表A发生偏转,a极逐渐变粗,同时b极逐渐变细,c为电解质溶液,则a、b、c应是下列各组中的( )
A.a是Zn、b是Cu、c为稀H2SO4
B.a是Cu、b是Zn、c为稀H2SO4
C.a是Fe、b是Ag、c为AgNO3溶液
D.a是Ag、b是Fe、c为AgNO3溶液
解析 原电池工作时,a极逐渐变粗,同时b极逐渐变细,说明b极失去电子是负极,a极上金属离子得电子是正极,电解质溶液中含有先于H+放电的金属阳离子。
答案 D
11.某学生利用如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)若装置中铜电极的质量增加0.64g,则导线中转移的电子数目为________(用“NA”表示)。
(3)装置中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-几乎都不移动
(4)若将反应2Fe3++Cu===Cu2++2Fe2+设计成原电池,其正极反应为_____________________________________________________________________。
(5)下列是用化学方程式表示的化学变化,请在每小题后的横线上注明能量的转化形式。
①电池总反应:
Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag:
_____________________________________________________________________;
②2C2H2+5O2
4CO2+2H2O:
______________________________________
_________________________________
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- 第一节 第1课时 原电池的工作原理 课时 原电池 工作 原理