原电池原理及其应用

【基础知识精讲】

装詈特点：化学能转化趟能

严两个活泼性不同的电极 形成条件彳②电解质涪液 〔0)形成闭合回路

先色沿寻绞悔必育电矗产韭

加 Se-Zn^T I

SW.反网」匝

K

析氢

腐、蚀

L 吸氧腐蚀

「斑变金属的內部组织结构

②在金属裹面霍盖保护层

I ③电化学保护法

以铜锌原电池为例，理解原电池的工作原理：负极发生氧化反应，正极发生还原反应 紧抓这个基本原理去解决各种类型的原电池问题

^

【重点难点解析】

重点：①原电池原理；

②金属的腐蚀原理与防护?

难点：金属的电化学腐蚀与防护?

1. 正确判定原电池

2. 原电池正极和负极的确定 (1) 由两极的相对活泼性确定?

(2) 由电极现象确定.通常情况下，在原电池中某一电极若不断溶解或质量不断减少，

该

电极发生氧化反应， 此为原电池的负极； 若原电池中某一电极上有气体生成， 电极的质量不

断增加或不变，该电极发生还原反应，此为原电池的正极

3. 原电池工作原理：以 Cu-Zn 原电池为例.

学科：化学

教学内容：原电池原理及其应用

r 金属腐蚀

L 化学腐蚀

电化腐蚀

匕钢铁腐蚀

'主曼应用〈

I 防护方法T

厂沪2e-Hj

A

千

ti rJ i

负极（锌板）：Zn-2e=Zn 2+

被氧化，锌板不断溶解； 正极（铜板）：2H+2e=Hf 被还原，表面置出气泡. 电子流动方向：负极（Zn ）经导线正极（Cu ）.

Cu-Zn 原电池发生的总反应跟锌和酸的反应是一致的，但电子却经外接导线发生迁移， 形成持续

的电流，使化学能转化为电能

?

构成原电池的反应必须能自发地进行氧化还原反应 ?从理论上讲，任何一个氧化还原反

应都可设计成原电池， 只不过要求氧化反应和还原反应必须在两极上分别进行，

使与两极连

接的导线里，产生持续电流 ? 【难题巧解点拨】

例1 ：把a,b,c,d4 块金属片浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池 .若a,b 相连时， a 为负极；c,d 相连时，d 上产生大量气泡；a ，c 相连时，电流由c 经导线流向a ； b 、d 相 连时，电子由d 经导线流向b ，则此4种金属的活动性由强到弱的顺序为 （）

A.a > b > c >d

B.a > c > d > b

C.c >a > b > d

D.b > d > c > a

分析：根据原电池原理，较活泼的金属为负极，被氧化溶解；

相对不活泼的金属为

正极，冒气泡或析出金属?电子由负极经外电路流向正极，电流方向与电子方向相反等进行

分析：根据构成原电池的条件必须同时满足： （1）要有活泼性不同的两个电极 .（2）要

有

电解质溶液.（3）要有导线，能形成闭合回路?

用此条件进行判断：在 A 中两个电极的金属相同，不符合条件，在 （D ）中没有电解质溶

液，乙醇是非电解质.故只有B C 符合条件

答案：BC

例3:银锌电池是广泛用作各种电子仪器的电源，它的充电和放电过程可表示为:

2Ag+Z n(

0H)2 三

Ag 2O+Zn+2HO

此电池放电时，

负极上发生反应的物质是

()

A.Ag

B.Z n(0H)2

C.Ag 2O

D.Z n

分析：根据原电池工作原理，负极上发生氧化反应 .元素化合价会升高，所以在放电过

程中被氧化的是 Zn,即Zn 为负极.

答案：为D

【命题趋势分析】

常考知识点：

1. 原电池的概念、工作原理

2. 电极反应和电池反应

乙醉

E

A

山嵐礙液

C

3.原电池原理的应用

4.结合物理的电学、工农业生产

【典型热点考题】

1?将锌片和铜片用导线连接置于同一稀HaSQ溶液中，下列各叙述正确的是（）

A.正极附近so4「浓度逐渐增大

B.负极附近so4「的浓度逐渐减小

C.负极附近so4_的浓度逐渐增大

D.正负极附近so4--的浓度基本不变

本题参考答案：D

2.锌与lOOmllmol ? L-1盐酸反应的实验中，若设想向溶液中加入少量的①醋酸钠，或②

溴化铜，或③醋酸铜（均为可溶性），并测定生成Hb的速率（ml ? min-1），预计三种方案的速率大小是（）

A.①'③〉②

B.③'②〉①

C.②'③〉①

D.

①、②〉③

本题参考答案：C

3.如下图所示的装置，在盛有水的烧杯中，铁圈和银圈的连接处吊着一根绝缘的细丝，使之平

衡?小心地从烧杯中央滴入CuSO溶液.

（1）片刻后可观察到的现象是（）

A.铁圈和银圈左右摇摆不定

B.保持平衡状态不变

C.铁圈向下倾斜

D.银圈向下倾斜

（2）__________________________________________________________________ 产生上述现象的原因是___________________________________________________________________ .

.,

2

+

本题参考答案：（1）D （2）加CuSO溶液后，构成Fe-Ag原电池，Fe溶解、减轻，Cu

在银圈上得电子，沉积在其上，增重.

4.如图所示，在大试管里放入一段光亮无锈的弯成螺旋状的铁丝，把试管倒插入水中，

把这个装置这样放置约一周后，观察到铁丝发生的变化是_________________________________ ，原

因是__________________________ .试管里的水面会上升，最终上升高约为原因是

1

1 本题参考答案：铁丝表面形成一片红褐色铁锈；发生吸氧腐蚀；试管体积的丄;铁和氧

5

气反应，时间足够时铁消耗空气中全部Q,在空气中Q2约占总体积的丄.

5

5.熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li z CO和N&CO的熔融盐混

合物作电解质，CO为负极燃气，空气与CO的混合气为正极助燃气，制得在650 C下工作的

燃料电池，完成有关的电池反应式:

负极反应式：

2CQ+2CQ 3" -4e 宀4CQ 正极反应式： ;总电池反应式：

本题参考答案:

Q+2CQ+4e ——2 CQ 亍;2CQ+(^= 2CQ

1. 关于铜、锌和稀 H 2SQ 构成的原电池的说法正确的是 （）

A.

锌是正极，铜是负极 B.H +

在溶液里流向铜片

C.电流由锌流向铜

D.电子经外电路由锌流向铜

2. 铁钉和炭棒用导线连接后，浸入到 O.OImol ? L -1

NaCI 溶液中，可能发生的是（）

C.Fe 、Zn 、CuSQ 溶液

D.Fe 、C 、Fe z （SQ ） 3溶液 4.实验中欲制得H 2,最好的方法是（） C.纯锌与稀盐酸 D.粗锌（含铜杂质）与稀H 2SQ 5. 钢铁在潮湿的空气中发生电化腐蚀时，正极发生的主要反应是 （）

A.

Fe-2e=Fe 2+

B.2H 2Q+Q+4e=4OH

-

+ .

C. 4OH-4e=2H 2O+Q

D.2H +2e=f f

6. 埋在地下的铸铁输油管道，在下列各种情况下，腐蚀最慢的是 （）

A. 在含铁元素较多的酸性土壤中

B. 在潮湿疏松透气的土壤中

C. 在干燥致密不透气的土壤中

D. 在含碳粒较多的潮湿透气中性土壤中

7. 铜铁在锈蚀过程中，下列五种变化可能发生的是

（）

①Fe 由+2价转化为+3价 ②氧气被还原 ③产生H ④Fe （QH ）3失水形成Fe 2Q 、HQ ⑤ 杂质碳被氧

化而除去.

A.①②

B.③④

C.①②③④

D.①②③④⑤

8.

有a,b,c,d 四种金

属，将a,b 用导线连结起来，浸入电解质溶液中，

b 不易腐蚀；将

a,d 分别投入等浓度的盐酸中， d 比a 反应剧烈；将铜浸入 b 的盐溶液中，无明显变化；将

铜浸入c 的盐溶液里，有金属 c 析出.据此推知它们的活动性由强到弱的顺序为

（）

A. dcab

B.dabc

C.dbac

D.badc

9.

据报道，锌电池可能取代目前广泛使

A.炭棒上有H 2析出

B. 炭棒附近产生QH

C.炭棒上有Q 析出

D.铁钉被氧化

3.下列四组原电池，其中放电后, 电解质溶液质量增加, 且在正极有单质生成的是 A.Cu 、Ag 、AgNQ 溶液 B.Zn 、Cu 稀 HSQ A.纯锌与稀H 2SQ B.纯锌和浓H 2SQ 【同步达纲练

用的铅蓄电池，因为锌电池的容量更大，而且没有污染，其总反应式为：2Zn+C^= 2Z nQ

所用原料为锌粒、电解液和空气.则下列叙述中，正确的是（）

A.锌为正极，空气进入负极反应

B.负极反应为Zn-2e^= Zn2+

C.正极发生氧化反应

D.电解液肯定不是强酸

10.燃料电池是燃料（如Hz、CO CH4等）跟氧气或空气起反应，将化学能转变为电能的装置，电解液为强碱溶液.（）

下列关于甲烷燃料电池的说法中，正确的是（）

A.负极反应为：CH+10OH-8e= CO：「+7HHO

B.负极反应为：Q+2HO+4^= 4OH

C.随着放电进行，溶液中的阴离子向负极移动

D.随着放电进行，溶液的PH不变.

11.常用的钮扣电池为银锌电池，它分别以锌和氧化银为电极?放电时锌极上的电极反应是：Zn+2OH_2e^= Zn（OH）2,氧化银极上的反应是：Ag2O+HO+2^= 2Ag+2OH,下列判断

中，正确的是（）

A.锌是负极，发生氧化反应，氧化银是正极，发生还原反应

B.锌是正极，发生氧化反应，氧化银是负极，发生还原反应

C.锌是负极，发生还原反应，氧化银是正极，发生氧化反应

D.锌是正极，发生还原反应，氧化银是负极，发生氧化反应

12.以下现象与电化腐蚀无关的是（）

A.黄铜（铜锌合金）制作的铜锣不易产生铜绿

B.生铁比软铁芯（几乎是纯铁）容易生锈

C.铁质器件附有铜质配件，在接触处易生锈

D.银质奖牌久置后表面变暗

13.阿波罗宇宙飞船上使用的是氢氧燃料电池，其电池反应式为：2H2+C^= 2H2O,电解

液为KOH溶液，反应保持在较高温度使水蒸发，下列叙述中正确的是（）

A.工作时，电解质溶液的PH逐渐增大

B.工作时，能见到浅蓝色火焰

C.工作时，H2为正极，Q为负极

D.电极反应式为：负极：2H+4O44e=4H2O

正极：Q+2HO+4^= 4OH

14.铅蓄电池的两极分别为Pb、PbQ，电解液为H2SQ ,工作时的反应为：

Pb+PbO+2H2SQ=2PbSO+2H2O,

下列结论正确的是（）

A.Pb为正极被氧化

B.PbQ为负极被还原

2_

C. SO4"只向PbO处移动

D.电解液密度不断减小

E.溶液的PH不断减小

15.锌锰干电池的正极是石墨炭棒，它放电时的总反应可表示为：Zn（固）

+2MnQ+2NH4^=Zn2++MnO3（固）+2NH3+HzO,在电池放电时，正极表面发生反应的物质

是（）

A.Zn

B.石墨

C.MnQ和NH4

D.Z门2+和NH

16.锂电池是一种新型高能电池，它以轻质、高能而受到普遍重视，目前已研制成功了

多种锂电池.某种锂电池的总反应可表示为：Li+MnQ=LiMnQ,若该电池提供0.5C电量（1mol

电子的电量为96500C），则消耗正极材料的质量（其它损失不计）约为（）

5

A.3.63 X 10 g

B.3.5g

C. 4.51 X 10-4g

D.43.5g

17.纯锌跟稀HbSQ反应速率很小，为了加快锌的溶解和放出Hb的速率，并且使产生H2

的量不变，当稀H2SQ4过量时，可向其中加少量（）

A.CuSQ溶液

B.CuS固体

C.铜

D.镁条

18.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H2SQ中，铜片表面出现气泡

B.把铜片插入FeCb溶液中，在铜片表面出现一层铁

C.把锌粒放入盛有盐酸的试管中，加入几滴CuCl2溶液，气泡放出速率加快

D.把铜片和铝片连接一起浸入浓HNQ中，铝片表面有气泡产生.

【素质优化训练】

1.铅蓄电池（原电池）工作时，总反应为Pb+PbG+2HSQ=2PbSG+2H2O,由此可以判断：

⑴ 原电池的电极材料：正极为______________ ，负极为

（2）_______________________________ 两极的电极反应式：正极为_______，负极为.

（3）工作一段时间后，蓄电池里电解溶液的PH （填“变大” “变小”或“不

变”）.

2.1991年我国首创以铝、空气和海水电池为能源的新型海水航标灯?它以海水为电解质溶液，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流，只要把灯放入海水中数分钟，就发出耀眼

的闪光，其能量比干电池高20?50倍.根据以上叙述，填写这种电池两极的电极反应式：（1）_________________________________________________ 负极：.

（2）_________________________________________________ 正极：.

3.称取三份锌，分盛三支试管，在试管甲里加入PH=3的盐酸50ml，在试管乙里加入PH=3 的醋酸50ml，在试管丙里加入PH=3的醋酸50ml及少量铜粉，塞上导管塞子，定时测定生

成H2的体积.若反应终了时，生成H2一样多，且锌没有剩余.

（1）用“〉” “、”“=”或“v”回答以下问题：

①参加反应的锌的质量为：

②反应完毕，需反应时间的多少为：

⑵简答：

①反应所需时间最长的一种酸的原因是：

②乙、丙反应所需时间是否相等？答：其原因是：

4.如何利用Cu+2FeCb=2FeCl2+CuCl2设计一个原电池，画出装置图，写出电极的反应式?

5.电子表所用电池的两极材料为Zn和AgO,电解质溶液为KOH溶液，其电极反应是：

Zn+2OR2e=ZnO +HO Ag 2O+HO+2e=Ag+2OH

总反应式为：AgzO+Z n=2Ag+Z nO

下列判断正确的是（）

A.Zn为正极，AgzO为负极

B.Zn为负极，A°O为正极

C.原电池工作时，负极区溶液的PH减小

D.原电池工作时，负极区溶液的PH增大

6.由Cu片，Zn片和300ml稀HbSQ组成的原电池中，若锌片只发生电化腐蚀，则当铜

片上共放出3.36L（标况）的气体时，H2SQ恰好用完，产生这些气体消耗锌_g ,有个电子通过了导线，原稀fSQ的物质的量浓度为mol ? L-1.

7?美国阿波罗宇宙飞船上使用的氢氧燃料电池是一种新型的化学电源，其构造如下图所示：两个

电极均由多孔性碳制成，通入的气体由孔隙中逸出，并在电极表面放电

a b

KOHffift

(1)a 是____ 极，b是 ____ 极，电极反应式分别为______________ , ______ . ____

(2)飞船上宇航员的生活用水由燃料电池提供.已知这种电池发1度电时能生成350g水，

试计算能量转化率? [ 2f(g)+O 2(g)=2H 2O(I)+572KJ :.

(3)这种电池的输出电压为 1.5V.要使标有1.5V , 1.5W的小灯泡连续发光0.5h ,应消耗

标况下H2多少升？

【生活实际运用】

1.电工操作中规定，不能把铜线和铝线拧在一起连接线路，这是因为

2.银器皿日久表面逐渐变黑色，这是由于生成了Ag2S.有人设计用原电池原理加以除去，

其处理方法为：将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器侵入溶液中，放

置一段时间后，黑色会褪去而银不会损失.试回答：在此原电池反应中，负极发生的反应

为____________ ;正极发生的反应为______________ ;反应过程中产生臭鸡蛋气味的气体，原

电池总反应方程式为： ________________________________

3.在一个盛有AgNO溶液的烧杯中，放入质量相同的锌片和银片.两块金属片与一个小

灯泡相连，经过一段时间后，从溶液中取出金属片，这时发现二者的质量有相同的变化，试

确定所形成原电池的有效功率(完成电流功对理论可能功之比).

【知识验证实验】

1.自制热敷袋

原理：铁粉在水存在下能与空气里的Q反应，放出热量4Fe+2H 20+3(^= 2Fe2Q HO+Q

准备：取一只约80x 120mm勺自封式塑料袋，另用布缝制一只略大于塑料袋的布袋.

操作：

(1)用大头针在塑料袋上扎几十个针眼(袋的两层同时扎穿).

(2)称取15g小颗粒状活性炭，40g还原铁粉，5g细木屑，都放在一只烧杯中，再加入

15mI15 %食盐水，用玻璃棒搅拌均匀.

(3)把烧杯里的混合物全部加入扎过孔的塑料袋内，封上袋口，把这塑料袋放入自制的布袋中，扌L住袋口.

(4)反复搓揉这袋5-8分钟，能感觉布袋的温度明显上升，可用热敷.

2.根据可逆反应：AsO\+2l-+2H+^^AsO%+l2+H20,设计出如下的实验装置，A烧杯中装有NaAsC4和

Na^AsO溶液，B烧杯中装有12和KI溶液.两烧杯中用一倒置的装有饱和KI 溶液的U形管相连，该装置称为盐桥.其作用是避免两烧杯中的溶液相混合，又能使两烧杯

中的溶液因连通而导电.C1、C2棒为惰性电极.现进行如下操作：

(1)向A溶液中逐滴加入浓盐酸，发现电流计的指针发生偏转

(2)若改向B溶液中滴加40%的NaOH溶液，发现电流计的指针向相反方向偏转?

试回答下列问题：

①两次操作中，电流计的指针偏转方向为什么相反？试用化学平衡原理解释之_______

②(1)操作过程中，C i棒上发生的反应是 ______________；

(2)操作过程中，C z棒上发生的反应是本题参考答案：①由于］H+］的变化，使化学平衡向不同方

向移动，发生不同方向的反

应，其结果是电子转移方向不同?②2l--2e^=l z；AsO33+HO-2^= AsO4「+2H+

【知识探究学习】

1.原电池

课文里所讲的原电池，是为了便于说明原电池化学原理的一种最简单的装置?如果用它

作电源，不但效率低，而且时间稍长，电流就不断减弱，因此不适合于实际应用?这是什么

原因呢？主要是由于在铜极上很快就聚集了许多氢气泡，把铜极跟稀硫酸逐渐隔开，这样就增加了电池的内阻，使电流不能畅通?这种作用称为极化作用?为了避免发生这种现象，设计了如下图的原电池装置?

ZfiSO* CuSO4

在两个烧杯中分别放入锌片和锌盐溶液、铜片和铜盐溶液，将两个烧杯中的溶液用一个

装满电解质溶液的盐桥(如充满KCI饱和溶液和琼脂制成的胶冻)连接起来，再用导线将锌片和铜片联接，并在导线中串联一个电流表，就可以观察到下面的现象：

(1)电流表指针发生偏转，根据指针偏转方向，可以判断出锌片为负极、铜片为正极?

(2)铜片上有铜析出，锌片则被溶解?

(3)取出盐桥，指针回到零点，说明盐桥起了沟通电路的作用

发生上述现象的原因是由于锌比铜活泼，容易失去电子变成Zn2+?入溶液，电子通过导

线流向铜片，硫酸铜溶液中的cf从铜片上获得电子变成铜原子沉积在铜片上?

由于电子从锌片流到铜片，所以锌片上发生氧化反应，铜片上发生还原反应.

- 2+

Zn-2e -=Zn2+

2+ -

cu 2++2e-=cu

总反应式：cu2++Zn=cu+Zn2+

一定时间后，溶液会因带电离子的积累（ZnSO4溶液中的Zn2+离子过多，CuSQ溶液中的

SO 4 离子过多）而阻碍电子的转移. 但有盐桥存在，允许溶液中离子迁移，以中和过剩的电荷，起了沟通电路的作用，使传递电子的反应能继续进行.于是，锌和CuSO4 的氧化还原反应的化学能转变成外电路上电子流动的电能.

从分析铜- 锌原电池的组成可以看出，原电池是由两个半电池组成的. 锌和锌盐溶液组成一个半电池，铜和铜盐溶液组成另一个半电池. 组成半电池的导体叫电极，失去电子的电极为负极，得到电子的电极为正极. 不参加电极反应的电极叫惰性电极，如铜电极.

上述原电池的装置可用符号来表示：

Zn | ZnSQ II CuSQ\ Cu

负极盐桥正极

每个半电池都由两类物质组成，一类是可作还原剂的物质，如锌和铜，称为还原型物质. 另一类是可作氧化剂的物质，如ZnSQ和CuSQ,称为氧化型物质?

相对应的氧化型物质和还原型物质组成氧化还原电对，常用如下符号表示：

Zn2+/Zn,Cu2+/Cu.不同氧化态的同一元素的离子或单质等也可构成氧化还原电对，如3+ 2+ - -

Fe /Fe、Cl 2/Cl -、Q/QH等?

参考答案:

【同步达纲练习】

1.BD

2.BD

3.BC

4.D

5.B

6.C

7.A

8.B

9.BD 10.AC 11.A 12.D 13.D 14.D 15.C 16.C 17.C 18.B

【素质优化训练】

1.(1)PbO 2 Pb

(2)PbQ2+2e+SQ42--+4H+=PbSQ4+2H2Q

2--

Pb-2e+SQ42--=PbSQ4 (3) 变大

2.(1)AI-3e=AI

(2)2H 20+04e=40H

3.(1)①甲=乙=丙②甲＞乙＞丙

(2)①随着反应的进行，盐酸里］H+］减小得最多，反应速率减小最快，时间最长.

②不相等，丙中形成了铜锌原电池，加速了锌的反应，丙中反应较乙中快

4.用铜和炭棒作电极，FeCl3溶液为电解质溶液?

2+

电极反应式(-):Cu-2e=Cu

3+ 2+

(+) : 2Fe +2e=2Fe

5.BC

23

6975、1.806 X 10、0.5

7.(1)负；正；2H 2+4OH_4e4H2O;

Q+2F b O+4^^^= 4OH

(2)64.7% (3)0.325

【生活实际运用】

1.在潮湿的空气中，铜、铝线接触能形成原电池，使铝很快被腐蚀

2.【答案】2AI-6e=2AI 3+; 3Ag2S+6e=6Ag+3S- 3Ag2S+2AI+6H2O=6Ag+2AI(OH)3 J +3HS f

3.【解答】设电化学过程和化学过程共溶解锌的物质的量为1mol，电化学过程溶解锌的物质的量为xmol，则化学过程溶解锌的物质的量为(1-x)moI

电化学过程：

负极：Zn-2e^=Zn2+正极：2Ag++2^^= 2Ag

xmol2xmol 2xmol 2xmol( 沉积在银上)

化学过程：

+ 2+

Zn+2Ag^^Z n +2Ag

(1-x)moI 2(1-x)moI( 沉积在锌片上)

两极增重相等，则有：

108 X 2x=108 X 2(1-x)-65 X 1 x=0.35(mol)

0 35

原电池的有效功率为：X 100 % =35%