原电池.docx

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原电池

原电池　化学电源

一、原电池及其工作原理

1．概念和反应本质

原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是氧化还原反应。

2．工作原理

以铜锌原电池为例

（1）反应原理

电极名称

负极

正极

电极材料

锌片

铜片

电极反应

Zn－2e－===Zn2＋

Cu2＋＋2e－===Cu

反应类型

氧化反应

还原反应

电子流向

由Zn沿导线流向Cu

盐桥中离子移向

盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极

（2）两个装置的比较

装置Ⅰ中还原剂Zn与氧化剂Cu2＋直接接触，易造成能量损耗；装置Ⅱ盐桥原电池中，还原剂在负极区，而氧化剂在正极区，能避免能量损耗。

3．原电池的构成条件

（1）一看反应：

看是否有能自发进行的氧化还原反应发生（一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应）。

（2）二看两电极：

一般是活泼性不同的两电极。

（3）三看是否形成闭合回路，形成闭合回路需三个条件：

①电解质溶液；②两电极直接或间接接触；③两电极插入电解质溶液中。

互动思考

判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”

（1）在原电池中，发生氧化反应的一极一定是负极（　　）

（2）在原电池中，负极材料的活泼性一定比正极材料强（　　）

（3）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（　　）

（4）其他条件均相同，带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时间长（　　）

答案　

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）√

题组一　原电池工作原理的考查

1．下面装置中，能构成原电池的是________（填序号）。

答案　②④⑥⑦⑨

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

答案　D

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。

　规避原电池工作原理的4个失分点

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．只有放热的氧化还原反应才能通过设计成原电池将化学能转化为电能。

3．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。

4．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。

题组二　原电池正、负极的判断

3．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↑

答案　B

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是负极；③中Fe在浓硝酸中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子作负极，A、C错；②中电池总反应为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO

＋4H2O，二者相减得到正极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑，B正确；④中Cu是正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D错。

　原电池正、负极判断方法

说明　原电池的正极和负极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关，不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。

二、原电池原理的“四”个基本应用

1．用于金属的防护

使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。

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。

2．设计制作化学电源

（1）首先将氧化还原反应分成两个半反应。

（2）根据原电池的反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。

3．比较金属活动性强弱

两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。

4．加快氧化还原反应的速率

一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率增大。

例如，在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。

互动思考

1.电工经常说的一句口头禅：

“铝接铜，瞎糊弄”，所以电工操作上规定不能把铜导线与铝导线连接在一起使用，试说明原因：

________________________________________________________________________。

答案　铜、铝接触在潮湿的环境中形成原电池，加快了铝的腐蚀，易造成电路断路

2.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。

请画出产生H2的体积V（L）与时间t（min）的关系图像。

答案　

一思两变

1．将上面2题中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液，其他条件不变，请画出产生H2的体积V（L）与时间t（min）的关系图像。

答案　

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，请画出产生H2的体积V（L）与时间t（min）的关系图像。

答案　

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，但不影响生成H2的量。

题组一　判断金属的活泼性

1．有A、B、C、D、E五块金属片，进行如下实验：

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；⑤用惰性电极电解含B离子和E离子的溶液，E先析出。

据此，判断五种金属的活动性顺序是（　　）

A．A>B>C>D>EB．A>C>D>B>E

C．C>A>B>D>ED．B>D>C>A>E

答案　B

解析　金属与稀H2SO4溶液组成原电池，活泼金属为负极，失去电子发生氧化反应，较不活泼的金属为正极，H＋在正极电极表面得到电子生成H2，电子运动方向由负极→正极，电流方向则由正极→负极。

在题述原电池中，AB原电池，A为负极；CD原电池，C为负极；AC原电池，A为负极；BD原电池，D为负极；E先析出，E不活泼。

综上可知，金属活动性顺序：

A>C>D>B>E。

比较金属活泼性的“三种方法”

1．根据原电池：

一般情况下，负极大于正极。

2．根据电解池：

易得电子的金属阳离子，相应金属的活动性较弱。

3．根据金属活动性顺序表。

题组二　设计原电池，画出装置图

2．请运用原电池原理设计实验，验证Cu2＋、Fe3＋氧化性的强弱。

请写出电极反应式，负极________________________________________________________________________，

正极________________________________________________________________________，

并在方框内画出实验装置图，要求用烧杯和盐桥，并标出外电路电子流向。

答案　Cu－2e－===Cu2＋　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

“装置图”常见失分点提示

1．不注明电极材料名称或元素符号。

2．不画出电解质溶液（或画出但不标注）。

3．误把盐桥画成导线。

4．不能连成闭合回路。

三、化学电源的工作原理

1．日常生活中的三种电池

（1）碱性锌锰干电池——一次电池

正极反应：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；

负极反应：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

总反应：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

（2）锌银电池——一次电池

负极反应：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

正极反应：

Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；

总反应：

Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。

（3）二次电池（可充电电池）

铅蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是Pb，正极材料是PbO2。

①放电时的反应

a．负极反应：

Pb＋SO

－2e－===PbSO4；

b．正极反应：

PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O；

c．总反应：

Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。

②充电时的反应

a．阴极反应：

PbSO4＋2e－===Pb＋SO

；

b．阳极反应：

PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO

；

c．总反应：

2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4。

2．“高效、环境友好”的燃料电池

氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分酸性和碱性两种。

种类

酸性

碱性

负极反应式

2H2－4e－===4H＋

2H2＋4OH－－4e－===4H2O

正极反应式

O2＋4e－＋4H＋===2H2O

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

电池总反应式

2H2＋O2===2H2O

互动思考

1．可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极如何连接？

答案　

2．

（1）氢氧燃料电池以KOH溶液作电解质溶液时，工作一段时间后，电解质溶液的浓度将________，溶液的pH__________________________________________________。

（填“减小”、“增大”或“不变”）

（2）氢氧燃料电池以H2SO4溶液作电解质溶液时，工作一段时间后，电解质溶液的浓度将________，溶液的pH________。

（填“减小”、“增大”或“不变”）

答案　

（1）减小　减小　

（2）减小　增大

题组一　判断正、负极，书写化学电源电极反应式

1．Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器。

该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4SOCl2。

电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。

请回答下列问题：

（1）电池的负极材料为__________，发生的电极反应为

________________________________________________________________________。

（2）电池正极发生的电极反应为________________________________________________________________________。

答案　

（1）锂　4Li－4e－===4Li＋

（2）2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑

解析　分析反应的化合价变化，可知Li失电子，被氧化，为还原剂，SOCl2得电子，被还原，为氧化剂。

（1）负极材料为Li（还原剂），4Li－4e－===4Li＋。

（2）正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到：

2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑。

2．铝－空气海水电池：

以铝板为负极，铂网为正极，海水为电解质溶液，空气中的氧气与铝反应产生电流。

电池总反应为4Al＋3O2＋6H2O===4Al（OH）3

负极：

________________________________________________________________________；

正极：

________________________________________________________________________。

答案　4Al－12e－===4Al3＋　3O2＋6H2O＋12e－===12OH－

化学电源中电极反应式书写的一般步骤

“加减法”书写电极反应式

1．先确定原电池的正、负极，列出正、负极上的反应物质，并标出相同数目电子的得失。

2．注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。

若不共存，则该电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式；若正极上的反应物质是O2，且电解质溶液为中性或碱性，则水必须写入正极反应式中，且O2生成OH－，若电解质溶液为酸性，则H＋必须写入正极反应式中，O2生成水。

3．正、负极反应式相加得到电池反应的总反应式。

若已知电池反应的总反应式，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。

题组二　“一池多变”的燃料电池

3．以甲烷燃料电池为例来分析不同的环境下电极反应式的书写。

（1）酸性介质（如H2SO4）

负极：

________________________________________________________________________；

正极：

________________________________________________________________________；

总反应式：

_______________________________________________________。

答案　CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋

2O2＋8e－＋8H＋===4H2O

CH4＋2O2===CO2＋2H2O

（2）碱性介质（如KOH）

负极：

________________________________________________________________________；

正极：

________________________________________________________________________；

总反应式：

____________________________________________________________。

答案　CH4－8e－＋10OH－===CO

＋7H2O

2O2＋8e－＋4H2O===8OH－

CH4＋2O2＋2OH－===CO

＋3H2O

（3）固体电解质（高温下能传导O2－）

负极：

________________________________________________________________________；

正极：

________________________________________________________________________；

总反应式：

________________________________________________________。

答案　CH4－8e－＋4O2－===CO2＋2H2O

2O2＋8e－===4O2－

CH4＋2O2===CO2＋2H2O

（4）熔融碳酸盐（如熔融K2CO3）环境下

负极：

________________________________________________________________________；

正极：

________________________________________________________________________；

总反应式：

___________________________________________________________。

答案　CH4－8e－＋4CO

===5CO2＋2H2O

2O2＋8e－＋4CO2===4CO

CH4＋2O2===CO2＋2H2O

熟记“离子趋向”，抓住“电荷守恒”，熟练书写

燃料电池电极反应式

1．阳离子趋向正极，在正极上参与反应，在负极上生成（如H＋）；阴离子趋向负极，在负极上参与反应，在正极上生成（如：

OH－、O2－、CO

）。

2．“－ne－”是正电荷，“＋ne－”是负电荷，依据电荷守恒配平其他物质的系数。

3．电池总反应式＝正极反应式＋负极反应式。

题组三　“久考不衰”的可逆电池

5．一种碳纳米管能够吸附氢气，可作二次电池（如下图所示）的碳电极。

该电池的电解质溶液为6mol·L－1的KOH溶液。

（1）写出放电时的正、负极电极反应式。

答案　负极：

H2－2e－＋2OH－===2H2O

正极：

2NiO（OH）＋2H2O＋2e－===2Ni（OH）2＋2OH－

（2）写出充电时的阴、阳极电极反应式。

答案　阴极：

2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－

阳极：

2Ni（OH）2＋2OH－－2e－===2NiO（OH）＋2H2O

四、盐桥原电池的专题突破

1．盐桥的组成和作用

（1）盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼胶制成的胶冻。

（2）盐桥的作用：

①连接内电路，形成闭合回路；②平衡电荷，使原电池不断产生电流。

2．单池原电池和盐桥原电池的对比

图1和图2两装置的相同点：

正负极、电极反应、总反应、反应现象。

负极：

Zn－2e－===Zn2＋

正极：

Cu2＋＋2e－===Cu

总反应：

Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋

不同点：

图1中Zn在CuSO4溶液中直接接触Cu2＋，会有一部分Zn与Cu2＋直接反应，该装置中既有化学能和电能的转化，又有一部分化学能转化成了热能，装置的温度会升高。

图2中Zn和CuSO4溶液分别在两个池子中，Zn与Cu2＋不直接接触，不存在Zn与Cu2＋直接反应的过程，所以仅是化学能转化成了电能，电流稳定，且持续时间长。

关键点：

盐桥原电池中，还原剂在负极区，而氧化剂在正极区。

互动思考

1．能用金属代替盐桥吗？

答案　不可以，在电路接通的情况下，这个盐桥只是整个回路的一部分，随时要保持电中性，琼胶作为盐桥因其中含有两种离子，可以与溶液中的离子交换，从而达到传导电流的目的，而且琼胶本身可以容纳离子在其中运动；若用金属代替盐桥，电子流向一极后不能直接从另一极得到补充，必然结果就是向另一极释放金属阳离子或者溶液中的金属阳离子在电子流出的那一极得电子析出金属，从而降低了整个电池的电势。

所以，只有自由电子是不够的，应该有一个离子的通道即“盐桥”。

2．在有盐桥的铜锌原电池中，电解质溶液的选择为什么要与电极材料的阳离子相同？

如Zn极对应的是硫酸锌，能不能是氯化铜或者氯化钠？

答案　可以，如果该溶液中溶质的阳离子对应的金属单质比电极强的话没有问题。

因为负极区发生的反应只是Zn的溶解而已。

但是如果比电极弱的话，例如硫酸铜，锌就会置换出铜，在表面形成原电池，减少供电量。

使用盐桥就是为了避免这种情况，至于电解液要跟电极相同那只是一个做题的技巧，具体问题具体分析就行。

题组一　根据装置明确原理

1．根据下图，下列判断中正确的是（　　）

A．烧杯a中的溶液pH降低

B．烧杯b中发生氧化反应

C．烧杯a中发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑

D．烧杯b中发生的反应为2Cl－－2e－===Cl2↑

答案　B

解析　由题给原电池装置可知，电子经过导线，由Zn电极流向Fe电极，则O2在Fe电极发生还原反应：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－，烧杯a中c（OH－）增大，溶液的pH升高。

烧杯b中，Zn发生氧化反应：

Zn－2e－===Zn2＋。

题组二　平衡移动与“盐桥”作用

2．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Fe3＋被还原

C．电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态

D．电流表读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极

答案　D

解析　由图示结合原电池原理分析可知，Fe3＋得电子变成Fe2＋被还原，I－失去电子变成I2被氧化，所以A、B正确；电流表读数为零时Fe3＋得电子速率等于Fe2＋失电子速率，反应达到平衡状态；D项在甲中溶入FeCl2固体，平衡2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2向左移动，I2被还原为I－，乙中石墨为正极，D不正确。

3．下图Ⅰ、Ⅱ分别是甲、乙两组同学将反应“AsO

＋2I－＋2H＋AsO

＋I2＋H2O”设计成的原电池装置，其中C1、C2均为碳棒。

甲组向图Ⅰ烧杯中逐滴加入适量浓盐酸；乙组向图ⅡB烧杯中逐滴加入适量40%NaOH溶液。

下列叙述中正确的是（　　）

A．甲组操作时，电流表（A）指针发生偏转

B．甲组操作时，溶液颜色变浅

C．乙组操作时，C2作正极

D．乙组操作时，C1上发生的电极反应为I2＋2e－===2I－

答案　D

解析　装置Ⅰ中的反应，AsO

＋2I－＋2H＋AsO

＋I2＋H2O，当加入适量浓盐酸时，平衡向右移动，有电子转移，但电子不会沿导线通过，所以甲组操作时，电流表（A）指针不会发生偏转，但由于I2浓度增大，所以溶液颜色变深；向装置ⅡB烧杯中加入NaOH溶液中，AsO

－2e－＋H2O===AsO

＋2H＋，电子沿导线到C1棒，I2＋2e－===2I－，所以C2为负极，C1为正极。

1.当氧化剂得电子速率与还原剂失电子速率相等时，可逆反应达到化学平衡状态，电流表指针示数为零；当电流表指针往相反方向偏转，暗示电路中电子流向相反，说明化学平衡移动方向相反。

2．电子流向的分析方法

改变条件，平衡移动；平衡移动，电子转移；

电子转移，判断区域；根据区域，判断流向；

根据流向，判断电极。