(通用版)201X-201x版高中化学 第四章 电化学基础 第一节 原电池学案 新人教版选修4

第一节原电池

[学习目标定位] 1.通过铜锌原电池的分析，了解原电池的工作原理。2.会正确判断原电池的正极和负极。3.学会书写电极反应式，掌握书写电极反应式的技巧与方法。

一、原电池的工作原理

1.原电池的构造与工作原理

铜锌原电池如图所示，请回答下列问题：

(1)有关的实验现象：

①锌片溶解，铜片加厚变亮，硫酸铜溶液颜色变浅；

②电流表的指针发生偏转，装置中的能量变化是化学能转化为电能。

(2)电极名称和电极反应：

①锌电极为负极，发生氧化反应，电极反应式是Zn－2e－===Zn2＋；

②铜电极为正极，发生还原反应，电极反应式是Cu2＋＋2e－===Cu；

③电池总反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu。

(3)电子流动方向和电流方向

①外电路：电子由锌电极经过导线流向铜电极，电流由铜电极流向锌电极；

②内电路：阳离子移向铜电极(正极)，阴离子移向锌电极(负极)。

(4)原电池构成的条件：具有活动性不同的两个电极，二者直接或间接地连在一起，插入电解质溶液或熔融电解质中，且能自发地发生氧化还原反应。下列图示装置能形成原电池的是AD。

原电池原理示意图

(1)原电池原理是将氧化反应和还原反应分开进行，还原剂在负极上失去电子发生氧化反应，电子通过导线流向正极，氧化剂在正极上得到电子发生还原反应。

(2)负极为电子流出极，相对活泼，通常是活动性较强的金属或某些还原剂，电极被氧化，发生氧化反应。

(3)正极为电子流入极，相对不活泼，通常是活动性较差的金属或非金属导体，一般是电解质溶液中的氧化性强的离子被还原或电极上附着物本身被还原，发生还原反应。

2.盐桥原电池(或双液原电池)

按下图所示装置完成实验，并回答下列问题：

(1)实验过程中，能观察到的实验现象：

①锌片溶解，铜片加厚变亮；

②电流表指针发生偏转；

③硫酸铜溶液的颜色变浅。

(2)离子移动方向

①硫酸锌溶液中：Zn2＋向盐桥移动；

②硫酸铜溶液中：Cu2＋向铜极移动；

③盐桥中：K＋移向正极区(CuSO4溶液)，Cl－移向负极区(ZnSO4溶液)。

(3)若取出装置中的盐桥，电流表的指针是否还会发生偏转？不偏转，原因是取出盐桥，该装置不能构成闭合回路，不能形成原电池。

原电池中盐桥的作用

(1)构成闭合回路，形成原电池。

(2)避免电极与电解质溶液直接反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。

(3)盐桥中的阴、阳离子定向迁移，使溶液保持电中性，反应持续进行，能长时间稳定放电。

3.由原电池相关知识判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)原电池中电子流出的一极是正极，发生氧化反应(×)

(2)原电池中电流的方向是负极—导线—正极(×)

(3)双液原电池中的盐桥是为了连通电路，所以也可以用金属导线代替(×)

(4)在原电池中阳离子移向正极，阴离子移向负极(√)

(5)铜、锌与硫酸组成的原电池中，锌为负极，质量减少，铜为正极，质量不变(√)

原电池正极和负极的判断依据

判断依据正极负极

电极材料不活泼金属或非金属活泼金属

电子流向电子流入电子流出

电极反应还原反应氧化反应

电极常见现象电极增重或产生气体电极减轻

离子移向阳离子移向阴离子移向

例1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.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

答案 A

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Cu

2＋＋2e－===Cu，C选项错误；取出盐桥后不能形成原电池，电流表不偏转，铜电极在反应后质量增加，D选项错误。

考点原电池的工作原理

题点盐桥原电池

例2根据原电池的工作原理，写出下列电池的电极反应式。

(1)将铁片、铜片用导线连接后，置于稀硫酸中，形成原电池：

①正极反应式是___________________________________________________________；

②负极反应式是___________________________________________________________；

③原电池总反应的离子方程式是_____________________________________________。

(2)有人用原电池原理除去银器皿表面的黑色硫化银，其处理方法：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，有臭鸡蛋气味的气体放出，银表面的黑色会褪去而银不会损失。在此形成的原电池中：

①负极反应式是____________________________________________________________；

②正极反应式是____________________________________________________________；

③总反应方程式是__________________________________________________________。

答案(1)①2H＋＋2e－===H2↑②Fe－2e－===Fe2＋③Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑

(2)①2Al－6e－===2Al3＋②3Ag2S＋6e－===6Ag＋3S2－③3Ag2S＋2Al＋6H2O===6Ag＋2Al(OH)3↓＋3H2S↑

解析(2)要善于抓住题示信息。“黑色褪去而银不会损失”，必然发生变化：Ag2S―→Ag，显然这是原电池的正极反应：3Ag2S＋6e－===6Ag＋3S2－，负极反应应为活泼金属发生氧化反应：2Al－6e－===2Al3＋，正极生成的S2－和负极生成的Al3＋在溶液中都能水解且相互促进：2Al3＋＋3S2－＋6H2O===2Al(OH)3↓＋3H2S↑，有臭鸡蛋气味的硫化氢气体产生。原电池的总反应为上述三个反应式的加合：3Ag2S＋2Al＋6H2O===6Ag＋2Al(OH)3↓＋3H2S↑。

考点原电池的工作原理

题点电极反应式的书写及正误判断

方法点拨一般电极反应式的书写方法

(1)判断原电池的正、负极，即找出氧化剂和还原剂。

(2)结合介质的酸碱性确定还原产物和氧化产物。

(3)写出电极反应式，将两式相加得总反应式。

例3根据下列原电池的总反应式，写出其电极反应式。

(1)利用反应2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O可制备硫酸铜，若将该反应设计为原电池，其负极反应式是____________________________________________________________，

正极反应式是_____________________________________________________________。

(2)某原电池总反应为2FeO2－4＋3H2===Fe2O3＋4OH－＋H2O，在该原电池中：

负极反应式是_____________________________________________________________；

正极反应式是_____________________________________________________________。

答案(1)2Cu－4e－===2Cu2＋O2＋4e－＋4H＋===2H2O

(2)3H2－6e－＋6OH－===6H2O 2FeO2－4＋5H2O＋6e－===Fe2O3＋10OH－

解析(1)将总方程式拆成氧化反应和还原反应两个半反应，还原剂在负极上发生氧化反应：2Cu－4e－===2Cu2＋；氧化剂在正极上发生还原反应：O2＋4e－＋4H＋===2H2O。(2)将总方程式拆成氧化反应和还原反应两个半反应，还原剂在负极上发生氧化反应：3H2－6e－＋6OH－===6H2O；氧化剂在正极上发生还原反应：2FeO2－4＋5H2O＋6e－===Fe2O3＋10OH－。

考点原电池的工作原理

题点电极反应式的书写及正误判断

方法点拨已知总反应式，书写电极反应式的方法

(1)分析原电池总反应式中各元素的化合价变化情况，找出氧化剂及其对应的还原产物，氧化剂发生的反应即为正极反应；找出还原剂及其对应的氧化产物，还原剂发生的反应即为负极反应。

(2)当氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物由多种元素组成时，还应注意电解质参与的反应。

(3)若有一电极反应式较难书写，可先写较易写出的电极反应式，然后利用总反应式减去该电极反应式即可得到另一电极反应式。

二、原电池原理的应用

1.比较金属活动性强弱

对于酸性电解质，一般是负极金属的活动性较强，正极金属的活动性较弱。

例如：a和b两种金属，用导线连接后插入稀硫酸中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生，则a为负极，b为正极，金属活动性a>b。

2.加快氧化还原反应的速率

构成原电池的反应速率比直接接触反应的速率快。

例如：实验室制取氢气时，粗锌比纯锌与稀硫酸反应速率快；或向溶液中滴入几滴硫酸铜溶液，产生氢气的速率加快。

3.设计化学电池

(1)理论上，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。

(2)外电路：还原性较强的物质在负极失去电子，氧化性较强的物质在正极上得到电子。

(3)内电路：将两电极浸入电解质溶液中，阴、阳离子作定向移动。

例4依据氧化还原反应：Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag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)银电极的电极反应式是__________________________________________________；

X电极的电极反应式是____________________________________________________。

(3)外电路中的电子是从________极流向________极。

(4)该原电池的正极是____________，还可以选用__________________等材料。

(5)如果将装置图中的两个烧杯换成一个烧杯，是否还需要硫酸铜溶液？________________。答案(1)铜硝酸银溶液(2)2Ag＋＋2e－===2Ag Cu－2e－===Cu2＋(3)负(或铜) 正(或银) (4)银铂、石墨(5)不需要

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)。

考点原电池工作原理的应用

题点设计原电池

方法点拨原电池的设计方法——“两极一液一连线”

(1)根据电池总反应式写出正极和负极的电极反应式。

(2)电极材料的选择：电池的电极必须导电。一般电池中的负极必须能够与电解质溶液反应，容易失去电子，因此负极一般是活泼的金属材料，所以正极和负极不能用同一种材料，两个电极可以是活泼性不同的两种金属或一种金属和一种非金属。

(3)电解质溶液的选择：电解质溶液是为正极提供放电的物质，一般能够与负极发生反应。

(4)形成闭合回路。

例5①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。①②相连时，外电路电流从②流向①；①③相连时，③为正极；②④相连时，②上有气泡逸出；③④相连时，③的质量减少。据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是( )

A.①③②④

B.①③④②

C.③④②①

D.③①②④

答案 B

解析利用原电池的形成和工作原理解决问题。在外电路中，电流从正极流向负极，则①作原电池的负极，②作正极，故活动性①＞②；活动性相对较弱的金属作原电池的正极，故金属的活动性①＞③；有气泡产生的电极发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑，为原电池的正极，故活动性④＞②；质量减少的电极发生氧化反应生成金属离子而溶解，为负极，故活动性③＞④，由此可得金属活动性：①＞③＞④＞②。

考点原电池工作原理的应用

题点比较金属活泼性强弱

1.在如图所示的水果(柠檬)电池中，外电路上的电流从X电极流向Y电极。若X为铁，则Y 可能是( )

A.锌

B.石墨

C.银

D.铜

答案 A

解析电流的方向与电子的移动方向相反，由已知条件知电子由Y电极流向X电极，因此Y 电极的金属活动性强于铁，故Y电极只能为选项中的锌。

考点原电池的工作原理

题点原电池的构成与工作原理

2.(2017·福建四地六校高二月考)某原电池装置如图所示。下列有关叙

述中正确的是( )

A.电池工作中，盐桥中的Cl－向负极移动

B.负极反应式：2H＋＋2e－===H2↑

C.工作一段时间后，两烧杯中溶液pH均不变

D.Fe作正极，发生氧化反应

答案 A

解析根据原电池工作原理，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，盐桥的作用是构成闭合回路和平衡两烧杯中的电荷，所以Cl－向负极移动，故A正确；铁作负极：Fe－2e－===Fe2＋，正极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，故B错误；左烧杯中pH基本不变，右烧杯中消耗H＋，c(H＋)减小，pH增大，故C错误；总电极反应式为Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，铁作负极，发生氧化反应，故D错误。

考点原电池的工作原理

题点盐桥原电池

3.下列有关图甲和图乙的叙述不正确的是( )

A.均发生了化学能转化为电能的过程

B.Zn和Cu既是电极材料又是反应物

C.工作过程中，电子均由Zn经导线流向Cu

D.相同条件下，图乙比图甲的能量利用效率高

答案 B

解析两个装置都为原电池装置，均发生化学能转化成电能的过程，故A正确；根据原电池的工作原理，锌比铜活泼，锌作负极、铜作正极，铜本身不是反应物，故B错误；锌作负极，电子从负极经外电路流向正极，故C正确；图乙中装置产生的电流在一段时间内变化不大，但图甲装置产生的电流在较短时间内就会衰减，故D正确。

考点原电池的工作原理

题点原电池的构成与工作原理

4.有a、b、c、d四种金属，将a与b用导线接起来，浸入电解质溶液中，a不易腐蚀；将b、d分别投入等浓度的盐酸中，d比b反应剧烈；将铜浸入a的盐溶液里，无明显变化；如果把铜浸入c的盐溶液里，有金属c析出。据此判断它们的金属活动性由强到弱的顺序为( ) A.a>c>d>b B.d>a>b>c

C.d>b>a>c

D.b>a>d>c

答案 C

解析两种活泼性不同的金属和电解质溶液构成原电池，一般情况下，较活泼的金属作负极，负极上金属失电子发生氧化反应被腐蚀，较不活泼的金属作正极，将a与b用导线连接起来，浸入电解质溶液中，a不易腐蚀，所以金属活动性：b>a。金属和相同的酸反应时，活动性强的金属反应剧烈，将b、d分别投入等浓度的盐酸中，d比b反应剧烈，所以活动性：d>b。金属与盐的置换反应中，较活泼的金属能置换出较不活泼的金属，将铜浸入a的盐溶液中，无明显变化，说明金属活动性：a>Cu；如果把铜浸入c的盐溶液中，有金属c析出，说明金属活动性：Cu>c。所以金属活动性由强到弱的顺序为d>b>a>c。

考点原电池工作原理的应用题点比较金属活泼性强弱

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

金属A不断溶解

形成二价金属离子

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_________________________________________

________________________________________________________________________。

答案(1)A－2e－===A2＋(2)Cu2＋＋2e－===Cu

(3)变大(4)D＞A＞B＞C

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。

考点原电池的相关综合

题点原电池的综合应用

[对点训练]

题组一原电池的构成及工作原理

1.下列烧杯中盛放的都是稀硫酸，在铜电极上能产生气泡的是( )

.

精品

答案 A

解析 装置B 、C 中无化学反应发生；D 不能形成闭合回路；只有A 能形成原电池，铜电极上有氢气产生。 考点 原电池的工作原理 题点 原电池的构成与工作原理

2.如图，下列说法不正确的是(

)

A.在①装置中锌棒逐渐变细，铜棒无变化

B.在②装置中锌棒逐渐变细，铜棒逐渐变粗

C.在②装置中部分化学能转化成了电能

D.在①②装置中锌棒均被氧化

答案 B

解析 A 项，在①装置中锌与氢离子反应生成锌离子和氢气，锌棒变细，铜不与氢离子反应，铜棒没有变化；B 项，在②装置中锌棒与铜棒通过导线连接形成了闭合回路，构成了原电池，锌失去电子转化为锌离子，锌棒变细，氢离子在铜棒上得电子生成氢气，铜棒不会变粗；C 项，②装置实现了化学能到电能的转化；D 项，在①②装置中，锌均失去电子发生氧化反应。 考点 原电池的工作原理 题点 原电池的构成与工作原理

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X→外电路→Y

B.若两电极分别为铁和碳棒，则X 为碳棒，Y 为铁

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