204学年高二化学苏教版选修4同步训练专题1 第2单元 第1课时 原电池的工作原理doc.docx
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第二单元化学能与电能的转化
第1课时 原电池的工作原理
[目标要求] 1.理解原电池的工作原理,能够写出电极反应式和电池反应方程式。
2.了解半反应、盐桥、内电路、外电路等概念。
3.会判断原电池的正、负极,能够利用氧化还原反应设计简单的原电池。
一、原电池
1.原电池定义:
将化学能转变为电能的装置。
2.实质:
将氧化还原反应的电子转移变成电子的定向移动。
即将化学能转化成电能。
3.简单原电池的构成条件:
①活泼性不同的两个电极,②电解质溶液,③形成闭合回路,④能自发进行的氧化还原反应。
二、原电池的工作原理
工作原理:
利用氧化还原反应在不同区域内进行,以适当方式连接起来,获得电流。
以铜锌原电池为例:
1.在ZnSO4溶液中,锌片逐渐溶解,即Zn被氧化,锌原子失电子,形成Zn2+进入溶液,从锌片上释放的电子,经过导线流向铜片;
CuSO4溶液中,Cu2+从铜片上得电子,还原成为金属铜并沉积在铜片上。
锌为负极,发生氧化反应,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+;
铜为正极,发生还原反应,电极反应式为Cu2++2e-===Cu。
总反应式为Zn+Cu2+===Zn2++Cu,反应是自发进行的。
2.闭合回路的构成:
外电路:
电子从负极到正极,电流从正极到负极,
内电路:
溶液中的阴离子移向ZnSO4溶液,阳离子移向CuSO4溶液。
3.盐桥
盐桥中通常装有含琼胶的KCl饱和溶液。
当其存在时,随着反应的进行,Zn棒中的Zn原子失去电子成为Zn2+进入溶液中,使ZnSO4溶液中Zn2+过多,带正电荷。
Cu2+获得电子沉积为Cu,溶液中Cu2+过少,SO
过多,溶液带负电荷。
当溶液不能保持电中性时,将阻止放电作用的继续进行。
盐桥的存在就避免了这种情况的发生,其中Cl-向ZnSO4溶液迁移,K+向CuSO4溶液迁移,分别中和过剩的电荷,使溶液保持电中性,反应可以继续进行。
知识点一 原电池
1.下列装置中能构成原电池产生电流的是( )
答案 B
解析 A、D项中电极与电解质溶液之间不发生反应,不能构成原电池;B项符合原电池的构成条件,两电极发生的反应分别是Zn-2e-===Zn2+,2H++2e-===H2↑;C项中酒精不是电解质,故不能构成原电池。
2.在图中的8个装置中,属于原电池的是( )
A.①②③⑤⑧B.③④⑥⑦C.④⑤⑥⑦D.③⑤⑦
答案 D
知识点二 原电池的原理
3.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型管)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-===Ag
③实验过程中取出盐桥,原电池仍能继续工作
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 该原电池中Cu作负极,Ag作正极,负极反应式为Cu-2e-===Cu2+,正极反应式为Ag++e-===Ag,因此②对;在外电路中,电子由Cu电极流向Ag电极,而电流方向与电子流向相反,所以①错;没有盐桥,原电池不能继续工作,所以③错;无论是否为原电池,反应实质相同,均为氧化还原反应,所以④对。
4.下图是Zn和Cu形成的原电池,某实验兴趣小组做完实验后,在读书卡片上记录如下:
在卡片上,描述合理的是( )
NO.28 Date:
2009.11.8
实验后的记录:
①Zn为正极,Cu为负极。
②H+向负极移动。
③电子流动方向Zn―→Cu。
Cu极上有H2产生。
⑤若有1mol电子流过导线,则产生H2为0.5mol。
⑥正极的电子反应式为:
Zn―→Zn++2e-。
A.①②③B.③④⑤C.④⑤⑥D.②③④
答案 B
解析 本题考查了锌、铜和稀H2SO4构成的原电池的基本工作原理。
Zn比Cu活泼,Zn为负极,电极反应为:
Zn-2e-===Zn2+,Cu为正极,电极反应为2H++2e-===H2↑,每转移1mol电子,产生H20.5mol,电子由Zn流出,经导线流向铜片,溶液中H+向正极移动,SO
向负极移动,故选B。
5.把A、B、C、D四块金属泡在稀H2SO4中,用导线两两相连可以组成各种原电池。
A、B相连时,A为负极;C、D相连时,D上有气泡逸出;A、C相连时,A极减轻;B、D相连时,B为正极。
则四种金属的活动性顺序由大到小排列为( )
A.A>B>C>DB.A>C>B>DC.A>C>D>BD.B>D>C>A
答案 C
解析 金属组成原电池,相对活泼的金属失去电子作负极,相对不活泼的金属作正极。
负极被氧化,质量减轻,正极发生还原反应,有物质析出,由题意得活动性A>B、A>C、C>D、D>B,故正确答案为C。
知识点三 原电池的应用
6.已知电极材料:
铁、铜、银、石墨、锌、铝;电解质溶液:
CuCl2溶液、Fe2(SO4)3溶液、硫酸。
按要求回答下列问题:
(1)电工操作上规定:
不能把铜导线和铝导线连接在一起使用。
请说明原因
________________________________________________________________________。
(2)若电极材料选铜和石墨,电解质溶液选硫酸铁溶液,外加导线,能否构成原电池?
________。
若能,请写出电极反应式,负极:
___________,正极:
_____________。
(若不能,后两空不填)
(3)设计一种以铁和稀硫酸反应为原理的原电池,要求画出装置图(需标明电极材料及电池的正、负极)。
答案
(1)二者连接在一起时,接头处在潮湿的空气中形成原电池而被腐蚀
(2)能 Cu-2e-===Cu2+ 2Fe3++2e-===2Fe2+
(3)
解析
(1)当Cu、Al导线连接时,接触到潮湿的空气就易形成原电池而被腐蚀。
(2)因为FeCl3能与Cu发生反应:
2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2,因此根据给出的条件可以设计成原电池,其负极为Cu,反应为Cu-2e-===Cu2+,正极为石墨,电极反应式为2Fe3++2e-===2Fe2+。
(3)因为总反应式为Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑,所以负极为Fe,正极可为Cu、Ag或石墨,电解质为稀硫酸,即可画出装置图。
7.利用反应Fe3++Zn===Fe2++Zn2+设计一个带盐桥的原电池,并在下面方框内画出实验装置图,并指出正极为________,电极反应式为_______________________________。
负极为________,电极反应式为____________________________________________。
此装置中盐桥的作用为___________________________________________________。
答案 Pt 2Fe3++2e-===2Fe2+
Zn Zn-2e-===Zn2+
使两个半电池连成一个通路;使两溶液保持电中性
解析 根据反应Zn+2Fe3+===Zn2++2Fe2+知该反应中的氧化反应为Zn-2e-===Zn2+,故应采用Zn片作负极,还原反应为2Fe3++2e-===2Fe2+,故应选择比Zn不活泼的金属或非金属石墨等作正极,根据应选择与电极材料相同的阳离子的电解质溶液作电解液,故负极区应选含Zn2+的盐溶液如ZnSO4溶液,正极区选含Fe3+的溶液作电解液如FeCl3、Fe2(SO4)3溶液等。
练基础落实
1.在理论上不能用于设计原电池的化学反应是( )
A.H2SO4(aq)+BaCl2(aq)===2HCl(aq)+BaSO4(s) ΔH<0
B.2CH3OH(l)+3O2(g)―→2CO2(g)+4H2O(l) ΔH<0
C.4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)===4Fe(OH)3(s) ΔH<0
D.3Cu(s)+8HNO3(aq)===3Cu(NO3)2(aq)+2NO(g)+4H2O(l) ΔH<0
答案 A
2.有关原电池的下列说法中正确的是( )
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
答案 C
解析 在原电池中,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,所以电解质溶液中的阳离子向正极移动,而阴离子向负极移动。
答案为C。
3.锌银电池广泛用作各种电子仪器的电源,它的电池反应是Zn+Ag2O+H2O===2Ag+Zn(OH)2,则负极上发生反应的物质是( )
A.AgB.Zn(OH)2 C.Ag2O D.Zn
答案 D
解析 判断原电池的正、负极,要根据总反应式确定失电子物质和得电子物质,然后根据在原电池中失去电子的物质作负极作出判断。
由题给总方程式得Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2,故Zn为负极。
4.根据反应:
2Ag++Cu===Cu2++2Ag,设计如图所示原电池,下列说法错误的是( )
A.X可以是银或石墨
B.Y是硫酸铜溶液
C.电子从铜电极经外电路流向X电极
D.X极上的电极反应式为Ag++e-===Ag
答案 B
解析 根据题意,铜应为负极,X为正极,则X应为活泼性比铜弱的金属或导电的非金属,A项正确;电解质溶液应含Ag+,B项错;在原电池中,电子从负极经外电路流向正极,Ag+在正极X上得电子,Ag++e-===Ag,故C、D项正确。
5.控制适合的条件,将反应2Fe3++2I-
2Fe2++I2设计成如下图所示的原电池。
下列判断不正确的是( )
A.反应开始时,乙中石墨电极上发生氧化反应
B.反应开始时,甲中石墨电极上的Fe3+被还原
C.电流计读数为零时,反应达到化学平衡状态
D.电流计读数为零后,在甲中溶入FeCl2固体,乙中的石墨电极为负极
答案 D
解析 由反应2Fe3++2I-
2Fe2++I2可知,反应开始时,甲中Fe3+发生还原反应,乙中I-发生氧化反应;当电流计读数为零时,则反应达到了平衡状态,此时在甲中溶入FeCl2固体,平衡向逆反应方向移动,乙中I2发生还原反应,则乙中石墨电极为正极;故选D。
6.科学家正在研究高铁可充电电池,据研究人员推测,这种电池具有容量大、放电电流大、稳定性好等优点,将有广泛的应用前景。
高铁电池放电时,锌、K2FeO4分别在两极上发生反应,以KOH溶液为电解液,电池总反应为3Zn+2K2FeO4+8H2O===3Zn(OH)2↓+2Fe(OH)3↓+4KOH,下列说法中错误的是( )
A.电池工作时,锌失去电子
B.电池正极的电极反应式为2FeO
+8H2O+6e-===2Fe(OH)3↓+10OH-
C.电池工作时,电子由正极通过外电路流向负极
D.外电路中每通过1.204×1023个电子,锌的质量理论上减少6.5g
答案 C
练方法技巧
7.以锌片和铜片为两极,以稀硫酸为电解质溶液组成原电池,当导线中通过2mol电子时,下列说法正确的是( )
A.锌片溶解了1mol,铜片上析出1molH2
B.两极上溶解和析出的物质质量相等
C.锌片溶解31g,铜片上析出1gH2
D.锌片溶解了1mol,硫酸消耗0.5mol
答案 A
解析 在涉及原电池的有关计算中,关键是要把握住一点,即两极得、失电子数相等。
利用这一特点,我们从电极反应看:
负极:
Zn-2e-===Zn2+;正极:
2H++2e-===H2↑。
当溶解1mol锌时失去2mol电子,铜片上析出1mol氢气也得到2mol电子,得失电子守恒,这样即可推出A正确。
8.下列关于实验现象的描述不正确的是( )
A.把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中,铜片表面出现气泡
B.用锌片作负极,铜片作正极,在CuSO4溶液中,铜片质量增加
C.把铜片插入三氯化铁溶液中,在铜片表面出现一层铁
D.把锌粒放入盛有盐酸的试管中,加入几滴氯化铜溶液,气泡放出速率加快
答案 C
解析 铜片和铁片紧靠并浸入稀H2SO4中,铜片上的H+获得由铁片传递过来的电子2H++2e-===H2↑,所以可观察到铜片表面出现气泡;锌片作负极,铜片作正极,发生反应:
Zn+Cu2+===Zn2++Cu,生成的Cu在铜片上析出使其质量增加;铜片插入FeCl3溶液,发生的反应是Cu+2Fe3+===Cu2++2Fe2+,并没有单质铁的析出;向盛有锌粒和盐酸的试管中,滴入几滴CuCl2溶液,发生反应:
Zn+Cu2+===Zn2++Cu,置换出的Cu与剩余的Zn接触,置于盐酸中,构成了原电池,加速2H++2e-===H2↑的反应,可观察到气泡放出速率加快。
9.银器皿日久表面会逐渐变成黑色,这是由于生成硫化银,有人设计用原电池进行“抛光”,其处理方法是:
将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中,再将变黑的银器浸入溶液中,放置一段时间后,黑色会褪去而银恢复光泽,且不会损失,试回答:
(1)食盐的作用是_________________________________________________。
(2)在此原电池反应中,负极发生的电极反应为____________________________,
正极发生的电极反应为____________________________________________。
(3)反应过程中产生臭鸡蛋气味的气体,溶液中发生的反应为_______________________,
原电池总反应方程式为______________________________________________。
(4)实际操作中,配制食盐水时,通常还加入一定量的小苏打,其主要作用是
________________________________________________________________________,
这一反应的化学方程式是______________________________________________。
答案
(1)作电解质起导电作用
(2)2Al-6e-===2Al3+
3Ag2S+6e-===6Ag+3S2-
(3)2Al3++3S2-+6H2O===2Al(OH)3↓+3H2S↑
2Al+3Ag2S+6H2O===2Al(OH)3+3H2S↑+6Ag
(4)除去生成的H2S,防止污染空气
H2S+NaHCO3===NaHS+H2O+CO2↑
解析
(1)形成原电池需要电解质导电,因此NaCl是作电解质起导电作用。
(2)根据题给信息“黑色褪去而银不会损失”,必然发生Ag2S―→Ag变化。
铝比银活泼,为负极,失电子变成Al3+,反应为:
Al-3e-===Al3+。
Ag2S变为Ag和S2-,得电子,是原电池的正极,反应为:
Ag2S+2e-===2Ag+S2-。
(3)溶液中
2Al3++3S2-+6H2O===2Al(OH)3↓+3H2S↑
因此,总反应为:
2Al+3Ag2S+6H2O===6Ag+2Al(OH)3+3H2S↑
(4)硫化氢有毒,需除去,因此,NaHCO3的作用是除去生成的H2S,防止污染空气,反应为:
H2S+NaHCO3===NaHS+H2O+CO2↑。
练综合拓展
10.依据氧化还原反应:
2Ag+(aq)+Cu(s)===Cu2+(aq)+2Ag(s)设计的原电池如下图所示。
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,发生的电极反应为______________________;
X电极上发生的电极反应为________________________________________________;
(3)外电路中的电子是从__________电极流向__________电极。
答案
(1)铜 AgNO3溶液
(2)正 Ag++e-===Ag Cu-2e-===Cu2+
(3)Cu Ag
解析 根据所给氧化还原反应的化学方程式,结合原电池反应原理以及所给原电池装置,Cu应作负极,AgNO3溶液为电解质溶液,从而推知:
(1)X的材料为铜,Y是AgNO3溶液。
(2)银为原电池的正极,发生的电极反应式为Ag++e-===Ag。
X电极上发生的电极反应式为Cu-2e-===Cu2+。
(3)外电路中的电子从铜(负)电极流向银(正)电极。
11.某探究活动小组想利用原电池反应检测金属的活动性顺序,有甲、乙两位同学均使用镁片与铝片作电极,但甲同学将电极放入6mol·L-1的稀H2SO4中,乙同学将电极放入6mol·L-1的NaOH溶液中,如图所示。
(1)写出甲池中发生的有关电极反应的反应式:
负极_________________________________________________________________,
正极__________________________________________________________________。
(2)写出乙池中发生的有关电极反应的反应式:
负极___________________________________________________________________,
正极___________________________________________________________________。
总反应离子方程式为____________________________________________________。
(3)如果甲与乙两位同学均认为“构成原电池的电极材料若是金属,则构成负极材料的金属应比构成正极材料的金属活泼”,则甲会判断出________活动性更强,而乙会判断出________活动性更强(填写元素符号)。
(4)由此实验,可得到如下哪些结论?
________。
A.利用原电池反应判断金属活动性顺序应注意选择合适的介质
B.镁的金属性不一定比铝的金属性强
C.该实验说明金属活动性顺序表已过时,已没有实用价值
D.该实验说明化学研究对象复杂、反应条件多变,应具体问题具体分析
(5)上述实验也反过来证明了“利用金属活动性顺序表直接判断原电池中正、负极”的做法________(填“可靠”或“不可靠”)。
如不可靠,则请你提出另一个判断原电池正、负极可行的实验方案______________________________________________________________。
答案
(1)Mg-2e-===Mg2+ 2H++2e-===H2↑
(2)2Al+8OH--6e-===2AlO
+4H2O
6H2O+6e-===6OH-+3H2↑
2Al+2OH-+2H2O===2AlO
+3H2↑
(3)Mg Al (4)AD
(5)不可靠 将两种金属电极连上电流表而构成原电池,利用电流表检测电流的方向,从而判断电子的流动方向,再来确定原电池的正、负极
解析
(1)甲池中电池总反应方程式为Mg+H2SO4===MgSO4+H2↑,Mg作负极,电极反应式为Mg-2e-===Mg2+,Al作正极,电极反应式为2H++2e-===H2↑。
(2)乙池中电池总反应方程式为2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑,负极上为Al被氧化生成Al3+后与OH-反应生成AlO
,电极反应式为2Al-6e-+8OH-===2AlO
+4H2O;正极产物为H2,电极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑。
(3)甲池中Mg为负极,Al为正极;乙池中Al为负极,Mg为正极,若根据负极材料金属比正极活泼,则甲判断Mg活动性强,乙判断Al活动性强。
(4)选AD。
Mg的金属活动性一定比Al强,金属活动性顺序表是正确的,应用广泛。
(5)判断正、负极可根据回路中电流方向或电子流向等进行判断,直接利用金属活动性顺序表判断原电池的正、负极是不可靠的。
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